4.Фотосинтез як головний процес перетворення неорганічної речовини в органічну.

Фотосинтезом називається процес утворення органічної речовини із неорганічної зеленими рослинами за участю світла. Серед неорганічних речовин на процеси фотосинтезу витрачається вода і діоксид вуглецю. Кінцевими продуктами цього процесу є різні вуглеводи, що мають великі запаси енергії в хімічних зв'язках, і кисень. Отже, під час фотосинтезу енергія сонячного світла перетворюється на енергію хімічних зв'язків, тобто проходить накопичення сонячної енергії в екосистемах (рис.3).

Схематично процес фотосинтезу можна представити наступним чином:

Рослини

hv +С0₂ + Н₂0 органічні речовини + 0₂.

Загальне хімічне рівняння процесу фотосинтезу має такий вигляд:

hv

6 С0₂ + 6 Н₂0  С₆Н₁₂0₆ + 6 0₂ (С₆Н₁₀0₅)_n + n Н₂0.

Це рівняння дає лише загальне уявлення про процес фотосинтезу, який складається з багатьох реакцій, що прискорюються ферментами. Утворена глюкоза є першим вуглеводом, який вступає в подальші перетворення з утворенням нових сполук, зокрема крохмалю, целюлози, з яких формуються тканини рослин, а також інші необхідні речовини. Процеси фотосинтезу проходять в хлорофілі рослин, а всі фотосинтетичні реакції поділяють на дві фази. Перша фаза називається світловою, тому що вона відбувається за участю світла, а друга фаза є темновою, оскільки може проходити без світла. Процес фотосинтезу носить характер багаторазово повторювальних актів біохімічного синтезу і у більшості зелених рослин реакції фотосинтезу однотипні, хоча і мають деякі відмінності.

В деяких бактерій в процесі еволюції виробились інші біохімічні шляхи синтезу вуглеводів. Бактеріальний фотосинтез, на відміну від фотосинтезу вищих рослин, проходить в анаеробних умовах без виділення кисню. Фотосинтез у бактерій здійснюється по типу фоторедукції, тобто проходить відновлення діоксиду вуглецю з поглинанням променистої енергії сонця, але без виділення кисню. Сумарно процес бактеріального фотосинтезу можна виразити такими рівняннями:

- у зелених сіркобактерій:

6 С0₂ + 12 Н₂8 + ... hv  С₆Н_І20₆ + 6 Н₂0 +12 S;

- у пурпурних сіркобактерій:

6 С0₂ + 3 Н₂S + 6 Н₂0 + ... hv  С₆Н_І20₆ + 3 Н₂S0₄.

Поряд з фотосинтезом зв'язування діоксиду вуглецю в природі здійснюється в процесі хемосинтезу, який відкритий С.М.Виноградським, на проходження якого використовується хімічна енергія процесів окислення. Прикладом хемосинтезу є діяльність нітрифікуючих бактерій. Процес нітрифікації проходить в два етапи: - перший етап - окислення аміаку до нітритної (азотистої) кислоти бактеріями Nitrosomonas:

2NН₃ + 3 0₂ + ... + 2 НNO₂ + 2 Н₂0 + 663 кДж;

- другий етап - окислення нітритної кислоти до нітратної, який здійснюється бактеріями Nitrobacter.

2 НNO₂ + O₂ + ... 2 НNO₃ + 142 кДж.

Ці реакції супроводжуються вивільненням енергії, яка використовується на відновлення діоксиду вуглецю, що поглинається бактеріями, до органічних сполук. Таким чином, фіксація діоксиду вуглецю в природі здійснюється рослинами в процесі фотосинтезу та бактеріями в процесі фоторедукції і хемосинтезу:

СO₂ + 2 Н₂0 + ... + hv  (С0₂х4Н) + 0₂ - фотосинтез;

СO₂ + 2 Н₂А + ... + hv  (С0₂х4Н) + 2 А - фоторедукція;

СO₂ + 6 Н₂ + 2 0₂ + ...  (С0₂х4Н) + 4 Н₂0 - хемосинтез.

Хоча процес фотосинтезу і характеризується подібністю біохімічних реакцій, розрізняють три різновиди фотосинтезу у вищих рослин:

1). C₃-фотосинтез. Характерний для більшості наземних рослин ~95% вищих наземних рослин, в тому числі пшениця, жито, картопля, конюшина, люцерна тощо. У таких рослин фіксація СO₂ проходить по С₃-центозофосфатному шляху (цикл Кальвіна), причому максимальна інтенсивність фотосинтезу спостерігається при помірній освітленості та температурі, а надто висока температура і яскраве світло пригнічують цей процес. С₃-рослини найбільш характерні для помірних широт: дуб, бук, береза, сосна, тощо.

2). С₄-фотосинтез. Особливо характерний для тропічних зон (кукурудза, цукрова тростина, просо тощо). У таких рослин фіксація СО₂ проходить по циклу С₄-дикарбонових кислот. Такі рослини адаптовані до яскравого світла і високої температури. Крім того, вони більш ефективно використовують воду. С₄-рослини: на виробництво 1 г сухої органічної речовини витрачають до 400 г води, а С₃-рослини - від 400 до 1000 г води.

3). САМ-метаболізм (кисневий метаболізм товстянкових). Цей тип фотосинтезу відкритий відносно недавно і характерний для рослин пустель - сукулентів. Він полягає в тому, що поглинений рослинами СО₂ в ході процесу фотосинтезу накопичується у вигляді органічних кислот і фіксується у вуглеводах тільки наступного дня. Така «затримка» фотосинтезу значно зменшує денні втрати води, посилюючи здатність рослин пустелі зберігати водний баланс і необхідний запас води.

Інтенсивність фотосинтезу прямо впливає на формування горизонтальної зональності в розподілі фітомаси, а відтак і зоомаси. Максимальна кількість біомаси рослин на одиницю площі припадає на екваторіальні і субекваторіальні пояси. Після цього відмічається різке її зменшення в обох тропічних поясах, наступне збільшення в субтропічних і помірних зонах і різке зниження в полярних зонах. Це пояснюється природними умовами даних регіонів: середньою температурою, вологістю, тривалістю світлового дня, тощо. В Світовому океані картина дещо інша.

Максимальне значення фітомаси мають волого-тропічні ліси - до 65000 т/км² (в басейні Амазонки - понад 100000 т/км²); значна біомаса широколистих лісів - до 45000 т/км², тайги - до 30000 т/км². Запаси фітомаси в саванах складають 5000-15000 т/км², мангрових заростей морських берегів - до 12000 т/км², а в пустелях занепад фітомаси - 150-200 т/км².

Отже, фотосинтез - це унікальне явище природи, яке зумовлює можливість життя на планеті Земля.

ЗАНЯТТЯ №5