6.2. Хлоропласти.

В рослинних клітинах фотосинтез протікає в зелених пластидах - хлоропластах. Їх кількість в клітинах різна. Від одного, як у хламідомонади та хлорели, до ста, як в палісадних клітинах мезофілу листка вищих спорових та насінних рослин. Хлоропласти мають округлу форму і їх добре видно в оптичний мікроскоп. Більш тонка будова цих органоїдів була вивчена за допомогою електронного мікроскопа (рис. 50).

Рис. 50. Будова хлоропласта.

Зелений колір хлоропластів визначається кольором молекул хлорофілу (від грецьк. chloros - зеленкуватий + phyllon - листок). Взагалі барвники, які зумовлюють певний колір живих організмів, або їх окремих структур, називаються пігментами (від лат. pigmentum - барвник, фарбуюча речо-вина). Інші елементи клітини майже без- кольорні. Крім хлорофілу хлоропласти містять жовті та оранжеві пігменти, які носять назву каротиноїдів (від грецьк. carota - морква, коренеплоди якої містять ці пігменти у великій кількості). Ці пігменти виконують допоміжну роль і завдяки їм рослини здатні більш ефективно використовувати сонячне світло. Звичайно каротиноїди маскуються зеленим хлорофілом. При осінньому листопаді, коли хлорофіл руйнується, саме каротиноїди надають листкам жовтих та оранжевих кольорів і ми милуємося неповторністю цих барв в`янучої природи.

Фотосинтетичні пігменти знаходяться на поверхні внутрішніх фотосинтетичних мембран хлоропласта. Ці мембрани утворюють систему трубочок та мішочків, або як їх називають - тилакоїдів. Тилакоїди зібрані у стовпчики, які нагадують стовпчики монет - грани. Грани з`єднані між собою витягнутими у вигляді довгих трубочок тилакоїдами строми. Всю порожнину хлоропласта заповнює рідка строма. Зверху хлоропласт вкритий подвійною мембраною, що відокремлює його від цитоплазми.

Таким чином, хлоропласт являє собою складно побудований органоїд. Головними його компонентами є пігменти та фотосинтетичні мембрани.

6.3. Фотосинтез.

Всі реакції фотосинтезу протікають в дві стадії. Перша стадія забезпечує отримання водню для синтезу вуглеводів шляхом розщеплення води на кисень та водень. Енергію для такого розщеплення дає сонячне (або штучне) світло. Тому цей процес і одержав назву фотоліза (від грецьк. photos - світло + lisis - розщеплення). Фотоліз протікає в тилакоїдах і ця реакція виглядає так:

світло в атмосферу

2Н₂О 4Н + О₂

на утворення вуглеводів

Ці реакції, для яких необхідне світло, називають світловими реакціями.

На другій стадії фотосинтезу світло непотрібне, тому ці реакції називають темновими реакціями. Вони протікають в стромі хлоропласта і кінцевими їх продуктами є вуглеводи. Саме на цій стадії фотосинтезу використовується СО₂ та інші продукти світлової фази для синтезу органічних речовин. Прийнято вважати, що на цьому фотосинтез і закінчується. Далі з вуглеводів шляхом приєднання до них інших речовин утворюються білки та жири. Самі вуглеводи можуть синтезуватися у вигляді розчинених у воді цукрів і вільно транспортуватися в інші тканини рослини (глюкоза, сахароза). Частина вуглеводів перетворюється в нерозчинну форму і може відкладатися про запас (крохмаль), або використовуватися для побудови клітинних стінок (целюлоза).

Різні рослини “розпоряджаються” продуктами фотосинтезу по-різному. Одні більшу частину вуглеводів переводять у крохмаль (картопля), інші в білки (горох, соя, конюшина), ще інші - в жири (соняшник, гірчиця, рицина). Доречі, самий поживний жир запасається в насінні рослини какао, з якого виготовляють відомий всім дітям і дорослим шоколад. Звичайний смак шоколаду гіркий, але при додаванні цукру та інших харчових домішок, цей продукт набуває високих смакових якостей.

Таким чином, фотосинтез протікає в дві стадії: 1-а стадія – реакції, що проходять на світлі і 2-а стадія – реакції, для яких світло необов`язкове. Зараз вже відомо, що це два окремих набори реакцій. Світлові реакції відбуваються на мембранах хлоропластів, а темнові - в їх стромі. Більш детально ви ознайомитеся з цими реакціями в старших класах, коли вже будете добре орієнтуватися в хімії неорганічних та органічних сполук.

Значення фотосинтезу неможливо переоцінити. Російський фізіолог рослин К.А.Тімірязєв писав: “Всі органічні речовини, які б вони не були різноманітні, де б вони не зустрічалися, чи в рослині, чи в тварині або в людині, пройшли через листок, виникли з речовин, що вироблені листком. Поза листком або, вірніше, поза хлорофіловим зерном, в природі не існує лабораторії, де б добувалася органічна речовина! У всіх інших органах та організмах вона перетворюється, видозмінюється, тільки тут вона утворюється знов із речовини неорганічної”. Краще, мабуть, про роль фотосинтезу сказати не можна.

Масштаби фотосинтетичної діяльності зелених рослин можна виразити в таких цифрах: щорічно наземні рослини утворюють 100 - 172 млрд. т біомаси у висушеному вигляді, а водні рослини - 60 - 70 млрд. т. На живлення та паливо щорічно витрачається 3,5% цієї кількості. В атмосферу кожен рік виділяється 5 трильйонів т вільного кисню.

Для людини вирішальна роль фотосинтезу визначає формування врожаю. Найбільш важливі умови, що забезпечують максимальну продуктивність рослин такі:

1) правильне розміщення рослин на полі для ефективного використання сонячної енергії, збільшення маси листків, подовження строків їх активного життя;

2) створення умов для підвищення інтенсивності фотосинтезу - забезпечення потреб у воді, вуглекислому газі, мінеральних елементах;

3) створення сортів рослин, що посухостійкі, мають велику швидкість ростових процесів.

Величина продуктивності фотосинтезу виражається в кількості сухої маси врожаю на 1 кв.м площі листків і називається чистою продуктивністю фотосинтезу. Для порівняння, наприклад, зараз в нашій країні ця величина складає у дводольних рослин приблизно 4 - 5 г, а у злаків - 6 - 8 г за добу. Але мета, якої необхідно прагнути, - отримання 8 - 10 г сухої маси.

Для нормального протікання фотосинтезу необхідно доставити в листок воду з розчиненими в ній мінеральними речовинами, вуглекислий газ, видалити кисень та забезпечити відтік синтезованих органічних речовин. Розглянемо в загальних рисах механізми надходження та транспорту цих речовин.