29(2Ч) Роль фотосинтеза в преобразовании солнечной энергии

Хотя энергия существует во множестве форм, для живых существ пригодны только две из них – световая и химическая. Кинетическая Э. света превращается автотрофами (продуцентами) в потенциальную Э. живого вещества (кол-во используемой кинетической Э-солнца всегда больше потенциальной запасенной Э.).

Солнечная энергия: до земли доходит половина, из нее 25% лучей с длиной волны подходящей для ф/с (420-500 нм). В ф/с используется т.н. фотосинтетическая активная радиация (ФАР) – часть солнечного излучения в диапазоне от 0,4 до 0,7 мкм, составляющая 45% от суммарной радиации (40% прямой, 60% рассеянной). Растительный покров поглощает 90% ФАР и только 0,8 – 1% от ФАР участвует в ф/с. КПД ф. меняется в зависимости от природной зоны: наибольшее значение КПД на экваторе, наименьшее – в пустынях и полярных областях. (По Ю.П. Козлову – КПД от приходящих к растению 2 единиц из 100 – 25%. Он же упоминал о фотосинтезирующих бактериях – при помощи бактериородопсина).

Около 1% лучей, доходящих до растения, используется для прироста биомассы. Пигменты ф/с: хлорофилл А и В, ксантофилл, каротиноиды. Общее ур-е ф/с: СО₂ + Н₂О ® [СН₂О] + О₂

Процесс ф/с идет этапами: 1. Световой процесс: 2Н₂О + 2НАДФ ®О₂ + 2НАДФ-Н₂

АДФ + Ф_н­ àАТФ

2. Темновой процесс: СО₂ + Н₂О ® [СН₂О] + 2Н₂О

3АТФ à3АДФ + Ф_н

2Надф-н2 à2надф

Световая фаза: в тилакоидах (тилакоид - мешочек, образует стопки (граны), соединенные ламеллами (перемычками)). Фотохимические реакции (требуют света), перенос электронов от воды через хлорофиллы к АТФ, расщепляется вода (донор электронов), образуется НАДФ-Н₂ и кислород, АДФ переходит в АТФ, хлорофилл восстанавливается. Темновые реакции: происходят в строме, не требуют света, СО₂ связывается с рибулозобифосфатом, образуются 2 молекулы фосфоглицериновой кислоты (первый продукт ф/с), происходит цикл Кальвина; СО₂ восстанавливается с образованием углеводов, используется энергия АТФ и водород из НАДФ-Н₂.

Хемосинтез – это синтез органических веществ за счет энергии, выделяемой при химических реакциях. Он осуществляется железобактериями (Fе^{+2 и +3}), бесцветными серобактериями (S - SO₄^-2), нитрифицирующими бактериями (NН/-.NО,). Он играет незначительную роль в образовании первичного органического вещества. Был открыт Виноградским. Энергия от окисления химических веществ запасается в форме АТФ.

2Н₂S + O₂ à2H₂O + 2S +E +3O₂ à2H₂SO₄ +E

Биологический (малый) круговорот - циркуляция веществ между растениями, животным миром, микроорганизмами и почвой. Основа – ф/с, превращение зелеными растениями и особыми микроорганизмами энергии солнца в энергию химических связей орг. веществ. Растения благодаря ф/с выделяют кислород и создают органическое вещество, поглощая минеральные вещества из почвы и углекислый газ из воздуха. Животные кормятся растениями и поглощают кислород, выделяя углекислоту. Микроорганизмы превращают мертвое органическое вещество в неорганическое, которым пользуются растения.

В результате ф/с на Земле образуется 150 млрд. т. органического вещества и выделяется около 200 млрд. т. свободного кислорода в год. Т.о. основной смысл ф/с – извлечение свободной энергии из ОС и накопление ее в виде стабильных органических соединений. Ф/с – это электронный насос, работающий на энергии света. Ф/с создал и поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Он препятствует увеличению концентрации СО₂ в атмосфере, а сама атмосфера защищает живое от коротковолнового УФ-излучения.

На всякий случай: Существуют 3 формы ф/с у высших растений. С-3ф/с характерен для большинства наземных растений (пшеница, картофель). Фиксация СО₂ идет по С-3 пентозофосфатному пути (цикл Кельвина). Это происходит при умеренной температуре и умеренной освещенности, а их повышение подавляет этот процесс, поэтому для растений аридных областей тропических и субтропических зон характерен С-4 ф/с. Фиксация СО₂ идет по циклу дикарбоновых кислот. Третий тип – САМ-метаболизм, или кислородный метаболизм толстянковых. Открыт у суккулентов. Поглощенный СО₂ накапливается в форме органических кислот и фиксируется в растениях только на следующий день. Такая задержка уменьшает дневные потери воды, усиливая способность растений сохранять водный баланс.