Фотосинтез: просто и понятно о его значении в биологии

Интересные факты о фотосинтезе

Фотосинтез — уникальный в своем роде биологический механизм, позволяющий использовать солнечную энергию для преобразования углекислого газа в питательные вещества. Главными участниками этого сложного, но жизненно необходимого, процесса являются зеленые растения. Каждый листок можно назвать мини-фабрикой по производству кислорода, потребляемого потом человеком и животными. Интересен и тот факт, что запасы нефти, природного газа и каменного угля — это тоже энергия солнца, трансформированная в полезные ископаемые путем фотосинтеза.

В глубины истории

Лекари средневековья помимо медицинской практики должны были хорошо разбираться еще и в гомеопатии. Поскольку многие лекарства готовились из растений, то знания ботаники считались обязательным условием для подтверждения своей репутации. Самые любознательные врачеватели занимались выращиванием лекарственных средств самостоятельно, проводя над ними различные опыты. К таким «умным и прогрессивным» принадлежал и голландец Ян Баптист Ван-Гельмонт (1579-1644).

Целью его научного эксперимента было узнать, каким образом растут растения. Если с животными вопросов не возникало, так как существовала прямая и наглядная связь между поглощением пищи и увеличением их в размерах, то каким образом из крохотного семечка вырастают огромные деревья, было непонятно.

Опыт состоял в следующем. Ван-Гельмонт подготовил ведро, засыпал в него землю, предварительно просушенную в печи, посадил туда ивовую лозу и щедро полил дождевой водой. В течение 5 лет он тщательно следил, как развивается его «детище», создавая ему комфортные условия для роста. По истечению намеченного времени ученый извлек молодое деревце, очистил его от земли и взвесил, а потом то же самое проделал с почвой из ведра. Оказалось, что масса ивы и земли изменились непропорционально. Лоза увеличилась в весе на несколько десятков килограммов, а почва всего на 100 г. На основании результатов эксперимента голландец объяснил разницу масс поглощением вод. Вывод оказался ошибочным, равно как и основанная на нем теория водного питания растений.

Примерно через столетие Джозеф Пристли (1733-1804) открыл кислород, аммиак, сернистый газ, а также сумел получить хлористый водород. Ученого-химика интересовал один вопрос: почему воздух на природе гораздо чище городского? По его предположениям растения играли роль некого природного абсорбента загрязнений, поступающих в воздух из труб промышленных заводов, а также продуктов жизнедеятельности человека. Чтобы проверить свои предположения, были проведены опытные исследования. Под два одинаковых стеклянных колпака посадили по мыши, только в одном ничего, кроме подопытного образца, не находилось, а в другой поместили веточку мяты. В результате первая мышь быстро умерла, а вторая чувствовала себя превосходно. Мало того, побег растения за время наблюдения даже подрос на три дюйма.

Эксперимент был с интересом принят в научном мире, но устойчивой стабильности при повторных пробах не показал. В одних случаях грызуны дышали хорошо, в других умирали даже при наличии в колбах растений. Истина так и осталась не подтвержденной, так как лаборатория Пристли попала под удар консервативно настроенных англичан, и все оборудование вместе с богатейшей библиотекой было варварски уничтожено. А вот среди народа идея очистки воздуха зеленью получила широкое распространение. Люди массово начали заниматься разведением цветов в домах, где находились больные. Причем свято верили, что нужно плотно закрывать входные двери, чтоб «вредный» наружный воздух не смешивался с внутренним лечебным.

Значительно продвинулся в изучении физических свойств растений еще один голландец, врач Ингенгауз (1730-1799). Именно он доказал, что улучшать воздух способны только зеленые части, да и то при условии, что они находятся на свету. Корни, цветы, почки и листья, оставленные в темноте, вышеизложенными свойствами обладать не могут.

Естествоиспытатель Жан Сенебье (1742-1809) первым озвучил тот факт, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ. Тогда же появился и термин «физиология растений», а вслед за ним был издан первый учебник по этой дисциплине. Работу Сенебье продолжил его соотечественник, швейцарец Никола Теодор Соссюр (1767-1845). Физик, химик и геолог в одном лице, он установил цепочку химических реакций по поглощению углерода из углекислого газа и последующего выделения кислорода. Также он доказал, что растения, как и животные с людьми, дышат, выделяя в воздух углекислый газ и потребляя кислород.

Сам же термин «фотосинтез» появился в 1877 г., его авторство принадлежит Вильгельму Пфефферу (1845-1920). Он структурировал все знания, полученные ранее от коллег ученых, и дал определение процессу преобразования солнечной энергии в энергию органических соединений.

Фотосинтез и урожай — какая связь?

Используя в обычной жизни бумагу, строительные материалы и разные бытовые предметы мало кто задумывается, что все эти привычные вещи — результат фотосинтеза культурных растений. Органические вещества, образуемые в ходе сложного химического процесса, служат основой для производства продуктов питания, лекарств и других средств для удовлетворения потребностей человека.

Растения, выращиваемые культурны способом, способны быстро развиваться и, соответственно, улавливать огромное количество солнечной энергии. В процессе фотосинтеза выделяется бесчисленное множество разнообразной органики, поэтому зная механизмы управления ним, можно значительно повысить продуктивность урожая.

Интересно, что главным сдерживающим фактором фотосинтеза является дефицит углекислого газа. В естественных условиях процент его содержания в воздухе составляет 0,03%. Однако над активно фотосинтезирующим полем, например, сахарной свеклы этот показатель будет почти в 2-3 раза меньше. Чтобы получить средний урожай над полем должен переработаться огромный объем воздуха. Для наглядности, посевы той же свеклы в сутки «съедают» почти 300-400 кг углекислого газа.

Повысить интенсивность фотосинтеза можно путем искусственного наращения концентрации углекислого газа до отметки 1,5%. Эту оптимальную величину определил опытным путем известный российский физиолог Владимир Любименко. Вся проблема заключается в том, что даже при наличии должного уровня технологий пойти на такой шаг человечество не решится. Изменения содержания СО2 в воздухе повлечет за собой нарушение теплого баланса всей планеты — тот самый пресловутый парниковый эффект, о котором часто говорят экологи.

Перегрев земли может повлиять на поднятие уровня Мирового океана за счет таяния арктических ледников, что в свою очередь приведет к сокращению суши, занятой под сельскохозяйственные нужды. Другой путь получить независимость от низкой концентрации СО2 в разрезе урожайности — это выведение так называемых С4-растений, обладающих повышенными свойствами к фотосинтезу. При оптимальных условиях ухода (полив, удобрение, освещение) коэффициент полезного использования света возможно повысить в несколько раз.

Более рационально использовать солнечную энергию можно, подойдя к вопросу выращивания растений с позиции оптимального их расположения относительно друг друга. При слишком большом расстоянии между посевами весомая часть света пропадает впустую, а при излишнем загустении стебли саженцев теряют силу, становятся ломкими и длинными, плохо противостоят ветру и дождю. В обоих случаях продуктивность урожая будет низкой. Также необходимо обращать внимание на систему полива и удобрения, так как существует прямая зависимость между интенсивностью фотосинтеза и условиями водоснабжения.

Ученые доказали еще один интересный факт. Оказывается, растения с компактной низкорослой кроной способны гораздо активнее фотосинтезировать, чем их высокорослые «собратья» с раскидистой формой листьев. На сегодняшний день селекционерами уже выведен ряд культурных сортов, отвечающих современным требованиям. К их числу относится карликовая пшеница (Мексика), низкорослый рис (Филиппины), хлопчатник Дуплекс (Таджикистан).

Фотосинтез хвойных деревьев — это интересно

Кажется логичным, что зимой жизнедеятельность растений резко снижается: прекращается рост, обмен веществ затормаживается, скорость дыхания уменьшается в сотни раз. Но эта вся история о листопадных деревьях, а что происходит с вечнозеленой хвоей — елями, пихтами, соснами и т. д.? По этому поводу учеными были проведены исследования, открывшие множество удивительных фактов. Оказывается, хвойные растения и зимние злаки способны усваивать углекислый газ даже при минусовой температуре, до -1-5 °С.

Не вдаваясь в сложные научные изыскания, опытным путем была выведена некая закономерность. При понижении отметки термометра до -13 С у разных растений началось резкое понижение скорости фотосинтеза. В список самых устойчивых к температурным перепадам попала сосна и ель обыкновенная, линнея северная и несколько видов мхов. Причем ряд мхов не теряли способность к поглощению СО2 даже под снежным покровом, превышающим 20 см.

Интенсивность проникновения световых лучей сквозь такой толстый слой снега снижалась примерно в 15-20 раз, но по факту скорость процессов фотосинтеза у покрытых и непокрытых растений оказалась одинаковой. Это удивительное явления имеет свое объяснение. Озимые и лишайники, оказавшиеся под снегом, пребывали в более комфортных климатических условиях, что и позволило им компенсировать спад фотосинтеза. Опыты показали, что затяжная зима не является преградой для поглощения углекислого газа вечнозелеными растениями.

Откуда кислород?

Учеными подсчитано, что количество кислорода в атмосфере и гидросфере Земли составляет примерно 1000000 млрд. тонн. Его производителями принято считать анаэробные организмы, существовавшие миллионы лет назад. И только на основе накопленного кислорода на планете стали развиваться аэробные организмы, получившие способность добывать синтезировать энергию из органического «сырья» в ходе окислительных процессов.

Доказано, что большая часть кислорода, генерируемого современной растительностью в процессе фотосинтеза, идет на обслуживание жизнедеятельности самих растений, а также человека и животных. То есть накопления практически не происходит. Есть взять суммарную массу кислорода, продуцируемого лесами, допустим, за год, то окажется, что его удельный вес в объеме общих запасов Земли ничтожно мал. В пропорциональном отношении это выглядит как 1/22000. Кажется удивительным, но текущий вклад наземных экосистем в мировую кислородную «копилку» практически незаметен. Компенсация О («oxygen»), теряемого в процессе горения, происходит за счет фитопланктона.

Также интересно, что концентрация кислорода в атмосфере по сравнению с прошлым веком (наблюдения ведутся с 1910 г.) существенно не изменилась. А вот темпы его использования рекордно возросли, если не сказать больше. Только за последние 50 лет человечество «переработало» кислорода столько, сколько за предыдущие миллион лет. В процентном измерении это исчисляется, как 0,02% от общего мирового атмосферного запаса.

Угрозы для кислородного голодания на ближайшие несколько столетий не наблюдается, однако первостепенной задачей становится сохранить стабильность газового состава атмосферы, направив силы на активное использование ветряной, водной, солнечной и прочих незадействованных в полной мере видов энергии.

Вернувшись к истокам происхождения фотосинтезирующих организмов и их участия в накоплении кислорода, можно прийти к ряду познавательных выводов. Например, если взять все нетронутые запасы торфа, угля, нефти и прочих горючих ископаемых, сделать перерасчет по формуле фотосинтеза, то можно определить количество кислорода, выработанного в результате жизнедеятельности растений, попавших в итоге в категорию полезных ископаемых.

Но вот здесь ученые и упираются в главный вопрос — как могли деревья и растения каменноугольного периода синтезировать кислород, если их существование в атмосфере, лишенной его, невозможно? Как они дышали и жили в принципе? Разгадка кроется в древних геологических слоях земной коры. Именно там были обнаружены следы синезеленых водорослей, которые и стали первичными накопителями кислорода. Поскольку способностью дышать они обладать не могли, то вероятнее всего механизм распада органических веществ в их клетках был приближен к процессу брожения.

Что же касается современной растительности, то вклад ее в общую копилку кислородного запаса достаточно условен. Здесь работает правило равновесия: сколько кислорода выделяется в результате фотосинтеза, примерно столько же и потребляется.

Фотосинтез: все, что надо о нем знать

Процесс фотосинтеза является одним из важнейших биологических процессов, протекающих в природе, ведь именно благодаря ему происходит образование органических веществ из углекислого газа и воды под действием света, именно это явление и называют фотосинтезом. И что самое важное, в процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода, жизненно необходимого для существования жизни на нашей удивительной планете.

История открытия

История открытия явления фотосинтеза уходит своими корнями на четыре века в прошлое, когда в далеком 1600 году некий бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт поставил не сложный эксперимент. Он поместил веточку ивы (предварительно записав ее начальный вес) в мешок, в котором также находилось 80 кг земли. А затем на протяжении пяти лет растение поливалось исключительно дождевой водой. Каким же было удивление ученого, когда по прошествии пяти лет вес растения увеличился на 60 кг, при том, что масса земли уменьшилась всего лишь на 50 грамм, откуда взялась столь внушительная прибавка в весе, так и оставалось для ученого загадкой.

Следующий важный и интересный эксперимент, ставший преддверием к открытию фотосинтеза, был поставлен английским ученым Джозефом Пристли в 1771 году (любопытно, что по роду своей профессии мистер Пристли был священником англиканской церкви, но в историю вошел именно как выдающийся ученый). Что же сделал мистер Пристли? Он поместил мышь под колпак и через пять дней та умерла. Затем он снова поместил еще одну мышь под колпак, но в этот раз вместе с мышкой под колпаком была веточка мяты и в результате мышь осталась живой. Полученный результат навел ученого на мысль, о том, что существует некий процесс, противоположный дыханию. Еще одним важным выводом этого эксперимента стало открытие кислорода, как жизненно необходимого всем живим существам (первая мышка умерла от его отсутствия, вторая же выжила, благодаря веточке мяты, которая в процессе фотосинтеза как раз создала кислород).

Так был установлен факт, что зеленые части растений способны выделять кислород. Затем уже в 1782 году швейцарский ученый Жан Сенебье доказал, что углекислый газ под воздействием света разлагается в зеленых органоидах растений – фактически была открыта еще одна сторона фотосинтеза. Затем еще через 5 лет французский ученый Жак Бусенго обнаружил, что поглощение растениями воды происходит и при синтезе органических веществ.

И финальным аккордом в череде научных открытий связанных с явлением фотосинтеза стало открытие немецкого ботаника Юлиуса Сакса, которому в 1864 году удалось доказать, что объем потребляемого углекислого газа и выделяемого кислорода происходит в пропорции 1:1.

Значение в жизни человека

Если представить образно, то лист любого растения можно сравнить с маленькой лабораторией, окна которой выходят на солнечную сторону. В этой самой лаборатории идет образование органических веществ и кислорода, являющегося основой для существования органической жизни на Земле. Ведь без кислорода и фотосинтеза на Земле просто бы не существовало жизни.

Но если фотосинтез столь важен для жизни и выделения кислорода, то как живут люди (да и не только люди), например в пустыне, где минимум зеленых растений, или например, в индустриальном городе, где деревья редкость. Дело в том, что на долю наземных растений приходится всего 20% выделяемого в атмосферу кислорода, остальные же 80% выделяются морскими и океанскими водорослями, недаром ведь мировой океан порой называю «легкими нашей планеты».

Формула

Общую формулу фотосинтеза можно записать следующим образом:

Вода + Углекислый газ + Свет > Углеводы + Кислород

А вот такой вид имеет формула химической реакции фотосинтеза

Значение для растений

А теперь попробуем ответить на вопрос, для чего нужен фотосинтез растениям. В действительности обеспечение кислородом атмосферы нашей планеты, далеко не единственная причина протекания фотосинтеза, этот биологический процесс жизненно необходим не только людям и животным, но и самим растениям, ведь органические вещества, которые образуются в ходе фотосинтеза, составляют основу жизнедеятельности растений.

Как происходит

Главным двигателем фотосинтеза является хлорофилл – специальный пигмент, содержащийся в клетках растений, который помимо всего прочего отвечает за зеленую окрасу листьев деревьев и прочих растений. Хлорофилл представляет собой сложное органическое соединение, обладающее к тому же важным свойством – способностью к поглощению солнечного света. Поглощая его, именно хлорофилл приводит в действие ту маленькую биохимическую лабораторию, содержащуюся в каждом маленьком листочке, в каждой травине и каждой водоросли. Далее происходит химическая реакция фотосинтеза (формулу смотрите выше) в ходе которой и происходит преображение воды и углекислого газа в необходимые растениям углеводы и необходимый всему живому кислород. Механизмы фотосинтеза являются гениальным творением природы.

Также процесс фотосинтеза состоит из двух стадий: светлой и темновой. И ниже мы детально напишем о каждой из них.

Световая фаза

Эта фаза осуществляется на мембранах тилакойдов. Что же такое эти тиалакойды? Тилакойды это структуры, находящиеся внутри хлоропластов и ограниченные мембраной.

Порядок процессов световой фазы фотосинтеза выглядит так:

Свет попадает на молекулу хлорофилла, поглощается зеленым пигментом, чем приводит его в возбужденное состояние. Электрон, который входит в эту молекулу переходит на более высокий уровень и берет участие в процессе синтеза.
Идет расщепление воды, во время которого протоны, под действием электронов преобразуются в атомы водорода, которые впоследствии расходуются на синтез углеводов.
На последнем этапе световой фазы фотосинтеза происходит синтез АТФ (Аденозинтрифосфат). АТФ представляет собой органическое вещество, играющее роль своего рода аккумулятора энергии в биологических процессах.

Темновая фаза

Эта фаза фотосинтеза протекает в стромах хлоропластов. Именно в ее ходе происходит выделение кислорода, а также синтез глюкозы. Можно подумать исходя из названия, что темновая фаза фотосинтеза происходит исключительно в темное время суток. На самом деле это не так, синтез глюкозы происходит круглосуточно, просто на этом этапе энергия света больше не расходуется и попросту она не нужна.

Видео

И в завершение интересное образовательное видео про фотосинтез.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

История открытия фотосинтеза

Изучив историю научного открытия и познакомившись с процессом фотосинтеза, мы начинаем понимать, насколько велико значение зеленых растений в природе: ведь оно одевает, кормит и согревает нас, дает нам красоту, кислород, без которого невозможна жизнь всего живого на земле.

Скачать:

Вложение	Размер
tekst_petasheva.docx	29.7 КБ

Предварительный просмотр:

Региональная научно-практическая конференция школьников

«Биологические науки: прошлое, настоящее, будущее»

Направление: история биологии

Фотосинтез: история открытия и значение в природе

Петашева Татьяна, 7 класс

Бимская средняя общеобразовательная школа

учитель биологии первой категории

Самуткина Елена Геннадьевна

Фотосинтез – загадка природы. 3

История открытия фотосинтеза……………………………………3

Взрослея, мы – дети часто задаем себе много вопросов об окружающем нас мире, потому что мы наблюдаем изменения, которые происходят вокруг нас, а как ответить на волнующие нас вопросы? Для этого необходимо произвести собственные наблюдения и сделать маленькое научное открытие, чтобы узнать для себя неизвестное и быть уверенным, что ты прав.

И я решила заняться исследованием вместе с моим учителем, родителями, чтобы узнать, что такое фотосинтез, историю открытия и значение для человека и в целом для окружающей среды.

Цел и : изучить историю открытия фотосинтеза, определить особенности протекания фотосинтеза, как природного процесса.

познакомиться с историей открытия фотосинтеза
узнать, что такое фотосинтез
узнать значение фотосинтеза

Объект и предмет исследования – процесс фотосинтез.

Актуальность проекта : изучив историю научного открытия и познакомившись с процессом фотосинтеза, мы начинаем понимать, насколько велико значение зеленых растений в природе: ведь оно одевает, кормит и согревает нас, дает нам красоту, кислород, без которого невозможна жизнь всего живого на земле.

Методы работы над проектом :

изучение и анализ различных источников литературы, электронных ресурсов и сети интернет. Ознакомление с литературой (словари, энциклопедии, учебники).

Фотосинтез – загадка природы?

Фотосинтез – это образование на свету в листьях из углекислого газа и воды органических соединений. Органическими соединениями называют питательные химические вещества. Жизнь всего живого связана с наличием органических соединений – белков, жиров, углеводов.

Это определение впервые было дано в 70 годы К.А. Тимирязевым. С точки зрения современной науки процесс фотосинтеза – это совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии световых квантов в различных реакциях. Определение показывает, как сложен процесс фотосинтеза.

История открытия фотосинтеза

Первые опыты по фотосинтезу были проведены Джозефом Пристли в 1770 — 1780-х годах, когда он обратил внимание на «порчу» воздуха в герметичном сосуде горящей свечой (воздух переставал быть способен поддерживать горение, помещённые в него животные задыхались) и «исправление» его растениями. Пристли сделал вывод что растения выделяют кислород, который необходим для дыхания и горения, однако не заметил что для этого растениям нужен свет. Это показал вскоре Ян Ингенхау с.

Позже было установлено что помимо выделения кислорода растения поглощают углекислый газ и при участии воды синтезируют на свету органическое вещество. В 1842 Роберт Майер на основании закона сохранения энергии постулировал что растения преобразуют энергию солнечного света в энергию химических связей. В 1877 В. Пфеффер назвал этот процесс фотосинтезом.

Хлорофиллы были впервые выделены в 1818 П. Ж. Пельтье и Ж. Кавенту. Разделить пигменты и изучить их по отдельности удалось М. С. Цвету с помощью созданного им метода хроматографии . Спектры поглощения хлорофилла были изучены К. А. Тимирязевым , он же, развивая положения Майера, показал что именно поглощенные позволяют повысить энергию системы, создав вместо слабых связей С-О и О-Н высокоэнергетические С-С (до этого считалось что в фотосинтезе используются жёлтые лучи, не поглощаемые пигментами листа). Сделано это было благодаря созданному им методу учёта фотосинтеза по поглощённому CO 2 , в ходе экспериментов по освещению растения светом разных длин волн (разного цвета) оказалось что интенсивность фотосинтеза совпадает со спектром поглощения хлорофилла.

Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза (как оксигенного, так и аноксигенного) постулировал Корнелис ван Ниль . Это означало что кислород в фотосинтезе образуется полностью из воды, что экспериментально подтвердил в 1941 А. П. Виноградов в опытах с изотопной меткой. В 1937 г. Роберт Хилл установил что процесс окисления воды (и выделения кислорода), а также ассимиляции CO 2 можно разобщить. В 1954 — 1958 Д. Арнон установил механизм световых стадий фотосинтеза, а сущность процесса ассимиляции CO 2 была раскрыта Мельвином Кальвином с использованием изотопов углерода в конце 1940-х , за эту работу в 1961 ему была присуждена Нобелевская премия .

В 1955 году был выделен и очищен фермент рибулозобисфосфат-карбоксилаза/оксигеназа . С 4 фотосинтез был описан Ю. С. Карпиловым в 1960 и М. Д. Хэтчем и К. Р. Слэком в 1966 .

Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под действием света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганического сырья. Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют ее для синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию, поедая растения или других животных, питающихся растениями. Итак, в конечном счете источником энергии для всех метаболических процессов на нашей планете, служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для поддержания всех форм жизни на Земле.

Зеленые растения — биологи называют их автотрофами — основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах, из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.

Химический баланс фотосинтеза выглядит предельно просто: из 6 молекул CO2 строится молекула гексозы. Необходимый для этого процесса восстановления водород берется из воды; образующийся в ходе фотосинтеза молекулярный кислород является всего лишь побочным товаром . Процесс нуждается в энергии света, так как вода — очень плохой восстановитель и не способна восстанавливать CO2.

В светозависимой части фотосинтеза, «световой реакции», происходит расщепление молекул H2O с образованием протонов, электронов и атома кислорода. Если в системе присутствуют соответствующие ферменты, фиксация CO2 может протекать также в темноте; такой процесс называется «темновой реакцией».

Кроме того, воздух, которым мы дышим, благодаря фотосинтезу насыщается кислородом. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так: вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород

Растения поглощают углекислый газ, образовавшийся при дыхании, и выделяют кислород — товар жизнедеятельности растений. К тому же, фотосинтез играет важнейшую роль в круговороте углерода в природе.

Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф ) также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным товаром фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.

Процесс фотосинтеза является основой питания всех живых существ, а также снабжает человечество топливом (древесина, уголь, нефть), волокнами (целлюлоза) и бесчисленными полезными химическими соединениями. Из диоксида углерода и воды, связанных из воздуха в ходе фотосинтеза, образуется около 90-95% сухого веса урожая . Остальные 5-10% приходятся на минеральные соли и азот, полученные из почвы.

Человек использует около 7% продуктов фотосинтеза в пищу, в качестве корма для животных и в виде топлива и строительных материалов.

Фотосинтез, являющийся одним из самых распространенных процессов на Земле, обуславливает природные круговороты углерода, кислорода и других элементов и обеспечивает материальную и энергетическую основу жизни на нашей планете. Фотосинтез является единственным источником атмосферного кислорода.

Определение процесса фотосинтеза: какая наука его изучает

Фотосинтез является уникальным и неизмеримо значимым процессом в биосфере нашей планеты, так как он служит начальным звеном в создании органических веществ и энергии для большинства живых существ. Ещё в прошлом биологии он был одной из основных тем для изучения. Но и сейчас, в эпоху генетики и генной инженерии, фотосинтез остается важной темой, интересующей учёных. Однозначного ответа на вопрос, какая наука изучает процесс фотосинтеза, нет. В основном изучает фотосинтез биология и её более узкая специализация ботаника, которая изучает растения и процессы, происходящие в них. Кроме биологов, интересен процесс фотосинтеза и химикам.

Определение понятия

Кратко фотосинтез можно охарактеризовать как производство кислорода из света живыми существами. Изучая процесс подробнее, нужно разграничивать определения фотосинтез и фотоафтотрофия (оксигенная и аноксигенная). Растения осуществляют оксигенную фотоафтотрофию. Это относится и к высшим, и к низшим их формам, а также к представителям царства Бактерий — цианобактериям.

Характеризуют этот процесс следующие признаки:

Автотрофный тип питания (органические вещества синтезируются из неорганических);
Источником энергии является свет;
В результате производится кислород;

Фотосинтезирующими являются и некоторые другие виды бактерий — пурпурные серные и несерные, зеленые серобактерии, галобактерии и прочие. Однако для них характерна аноксигенная фотоафтотрофия, иначе называемая фоторедукцией.

Процесс синтеза кислорода запускается светом и происходит лишь в зеленых пластидах. Это могут быть хлоропласты высших растений, мембраны цианобактерий или же хроматофоры водорослей. Все они имеют в мембранах хлорофилл.

История открытия процесса

В 1771 году Джозеф Пристли заметил, что растения выделяют кислород, так как воздух становится годным для дыхания и процессов горения;
В 1779 году Ян Ингенхауз сделал наблюдение, что это происходит лишь под действием света;
В 1782 году Жан Сенебье открыл, что кислород выделяется исключительно зелеными частями растений и лишь тогда, когда воздух содержит углекислый газ;
В 1804 году Николя Соссюр подсчитал, что объем потребляемого растениями углекислого газа равен объему производимого ими кислорода. На основе этого наблюдение был сделан вывод об их углеродном питании. Также стало известно, что в процессе производства кислорода задействована вода;
В 1817 году Пельтье и Каванту обнаружили зеленый пигмент растений, которому дали название хлорофилл;
В 1840 году Жан-Батистом Буссенго было составлено общее уравнение процесса (6СО2+6Н2О=С6Н12О6+6О2);
В 1842 году Р. Майром было сформулировано положение — растениями свет превращается в химическую энергию;
В 1864 году У. Сакс открыл, что основным продуктом синтеза, происходящего в листьях, является крахмал;
В 1869 году К. А. Тимирязев при помощи экспериментов доказал, что зеленые листья накапливают и трансформируют энергию, а также то, что для этого необходим свет красного спектра;
В 1877 году В. Пфеффером был введен термин «фотосинтез».

Основные задачи фотосинтеза

Для растений этот процесс является основой жизнедеятельности — питания, обменных процессов. Но не меньше значение он имеет и для всей Земли. От него зависят:

Выработка кислорода в масштабах, поддерживающих жизнедеятельность бесчисленных аэробных организмов;
Защита Земли от космического излучения: с помощью фотосинтеза создается и поддерживается озоновый экран;
Поддержание газового состава и баланса атмосферы, регуляция уровня содержания в ней углекислого газа;
Защита от парникового эффекта.

Интересные факты

Существуют нефотосинтезирующие растения, в которых не содержится хлорофилл. Это микогетеротрофы, являющиеся паразитами грибов. Например, подъельник одноцветковый — белое растение, у которого отсутствуют листья. Отличающий его от большинства растений белый цвет — признак того, что он не нуждается в свете и может жить в темноте.
Так называемый морской слизень, живущий в соленых водоёмах на небольшой глубине, усваивает хлоропласты водорослей, которые живут в его организме некоторое время. Они продолжают процесс фотосинтеза, а слизень питается его продуктом — глюкозой.
Установлено, что в природной среде обитания фотосинтезирующие бактерии имеют возможность использовать различные источники света, наряду с естественным светом Солнца. Потому такие бактерии могут жить в недоступных солнечному свету местах. Это открытие было сделано в 2005 году учеными университета Британской Колумбии. В пробах из окрестностей термального источника на Коста-Рике, взятых на большой глубине, куда не проникает солнечный свет. В образцах была найдена серобактерия, содержащая особый хлорофилл. Вероятно, она фотосинтезирует с помощью тусклого длинноволнового света гидротермальных источников.
По результатам наблюдений в 1970-х годах было установлено, что мощность энергии Солнца, потребляемой растениями для фотосинтеза, намного превосходила мощность всех земных электрических станций.

Определение процесса фотосинтеза: какая наука его изучает

Определение понятия
История открытия процесса
Основные задачи фотосинтеза
Интересные факты

Определение понятия

Это интересно: вакуоль и её особенности.

Характеризуют этот процесс следующие признаки:

Автотрофный тип питания (органические вещества синтезируются из неорганических),
Источником энергии является свет,
В результате производится кислород,

Это интересно: дикорастущие растения, примеры.

История открытия процесса

В 1771 году Джозеф Пристли заметил, что растения выделяют кислород, так как воздух становится годным для дыхания и процессов горения,
В 1779 году Ян Ингенхауз сделал наблюдение, что это происходит лишь под действием света,
В 1782 году Жан Сенебье открыл, что кислород выделяется исключительно зелеными частями растений и лишь тогда, когда воздух содержит углекислый газ,
В 1804 году Николя Соссюр подсчитал, что объем потребляемого растениями углекислого газа равен объему производимого ими кислорода. На основе этого наблюдение был сделан вывод об их углеродном питании. Также стало известно, что в процессе производства кислорода задействована вода,
В 1817 году Пельтье и Каванту обнаружили зеленый пигмент растений, которому дали название хлорофилл,
В 1840 году Жан-Батистом Буссенго было составлено общее уравнение процесса (6СО2+6Н2О=С6Н12О6+6О2),
В 1842 году Р. Майром было сформулировано положение — растениями свет превращается в химическую энергию,
В 1864 году У. Сакс открыл, что основным продуктом синтеза, происходящего в листьях, является крахмал,
В 1869 году К. А. Тимирязев при помощи экспериментов доказал, что зеленые листья накапливают и трансформируют энергию, а также то, что для этого необходим свет красного спектра,
В 1877 году В. Пфеффером был введен термин «фотосинтез».

Это интересно: к прокариотам относятся также бактерии, почему?

Основные задачи фотосинтеза

Выработка кислорода в масштабах, поддерживающих жизнедеятельность бесчисленных аэробных организмов,
Защита Земли от космического излучения: с помощью фотосинтеза создается и поддерживается озоновый экран,
Поддержание газового состава и баланса атмосферы, регуляция уровня содержания в ней углекислого газа,
Защита от парникового эффекта.

Это интересно: борьба за существование, ее формы и причины.

Интересные факты

Существуют нефотосинтезирующие растения, в которых не содержится хлорофилл. Это микогетеротрофы, являющиеся паразитами грибов. Например, подъельник одноцветковый — белое растение, у которого отсутствуют листья. Отличающий его от большинства растений белый цвет — признак того, что он не нуждается в свете и может жить в темноте.
Так называемый морской слизень, живущий в соленых водоёмах на небольшой глубине, усваивает хлоропласты водорослей, которые живут в его организме некоторое время. Они продолжают процесс фотосинтеза, а слизень питается его продуктом — глюкозой.
Установлено, что в природной среде обитания фотосинтезирующие бактерии имеют возможность использовать различные источники света, наряду с естественным светом Солнца. Потому такие бактерии могут жить в недоступных солнечному свету местах. Это открытие было сделано в 2005 году учеными университета Британской Колумбии. В пробах из окрестностей термального источника на Коста-Рике, взятых на большой глубине, куда не проникает солнечный свет. В образцах была найдена серобактерия, содержащая особый хлорофилл. Вероятно, она фотосинтезирует с помощью тусклого длинноволнового света гидротермальных источников.
По результатам наблюдений в 1970-х годах было установлено, что мощность энергии Солнца, потребляемой растениями для фотосинтеза, намного превосходила мощность всех земных электрических станций.

Это интересно: сколько пар рёбер у человека в грудной клетке?

История изучения фотосинтеза

История изучения фотосинтеза берет свое начало с середины ХVIII ст..

Понятие о фотосинтезе

Фотосинтезом называется первичный синтез органических веществ из углекислого газа и воды, протекающий в тканях зеленых растений с использованием энергии света, которая при этом превращается в потенциальную химическую энергию органических веществ. Этот процесс выражают суммарным уравнением: 6СО₂+6Н₂ О + (энергия света (686 ккал)/хлорофилл) = С₆Н₁₂О₆+6О₂

Процесс фотосинтеза очень сложен и состоит из целого ряда биофизических и биохимических процессов.

На основе поглощаемой хлорофиллом солнечной энергии растения перестраивают молекулы СО₂ и Н₂О, восстанавливая углерод и превращая его из соединения неорганического в органическое, и выделяют кислород. Использование солнечной энергии как элемент процесса фотосинтеза

Синтезируемые зелеными растениями органические вещества и сосредоточенная в них энергия являются основными источниками материи и энергии, используемыми другими организмами в процессе их жизнедеятельности, (подробнее: Чем полезен лес).

Сухое вещество растений почти наполовину состоит из углерода. При исключении углекислого газа из атмосферы растения прекращают накопление органических веществ и вскоре погибают. Следовательно, для нормального роста растений необходим углекислый газ, который они получают из воздуха.

По объему углекислый газ в воздухе составляет 0,03%.

М. В. Ломоносов о воздушном питании растений

М. В. Ломоносов (1761 г.) первый высказал мысль о воздушном питании растений, но экспериментальных данных у него не было. М.В. Ломоносов – первый высказал мысль о воздушном питании растений

Опыты Д. Пристли

Изучение влияния растений на состав окружающего воздуха впервые было проведено Д. Пристли (1773 г.). В его опытах мышь, накрытая стеклянным колоколом, погибала, но помещенная вместе с веткой мяты в те же условия оставалась живой. Д. Пристли установил тот факт, что растения способны «исправлять» воздух.

Однако то, что это «исправление» воздуха происходит лишь на свету, ускользнуло от внимания Д. Пристли в его первых опытах. Д. Пристли – первым изучал влияние растений на состав окружающего воздуха

В дальнейшем Д. Пристли и И. Ингенгауз (1779 г.) установили, что растения могут исправлять воздух только на свету, а в темноте они, так же как и животные, «портят» воздух. Исправление воздуха на свету свойственно только зеленым частям растения.

Таким образом, в этих опытах были впервые получены доказательства существования у растений двух прямо противоположных процессов, влияющих на состав воздуха. Но ни Пристли, ни Ингенгауз не поняли, какое значение имеет «исправление» воздуха для самого растения.

Ж. Сенебье о процессе углеродного питания

Ж. Сенебье (1782 г.) доказал, что усвоение растениями углекислого газа и выделение кислорода на свету — это процесс углеродного питания, в результате которого углерод накапливается в растениях. Сенебье впервые дал правильное объяснение сущности газообмена растений. Ж. Сенебье – изучал процесс углеродного питания

Опыты Н. Соссюра

Серия этих открытий в области фотосинтеза завершилась опытами Н. Соссюра (1804 г.), который количественно показал, что объемы обмениваемых газов — кислорода и углекислого газа — в этом процессе равны и что одновременно с углекислотой используется и вода, так как прибыль в весе сухой массы растения значительно превосходила вес углерода в углекислоте.

Так было установлено происхождение углерода, кислорода и водорода в растениях. Н. Соссюр – на основе опытов установлено происхождение углерода, кислорода и водорода в растениях

Таким образом, на протяжении XVIII и в начале XIX столетия были выяснены основные положения воздушного питания растений: поглощение углекислого газа, выделение кислорода, необходимость света и хлорофилла и характер конечных продуктов. Однако в чем заключалась роль света, оставалось неясным.

К. А. Тимирязевым продолжена история изучения фотосинтеза

Следующим этапом в познании природы фотосинтеза является изучение К. А. Тимирязевым энергетической стороны этого процесса и роли света. К. А. Тимирязев показал, что свет, поглощаемый хлорофиллом, необходим как источник энергии, и доказал приложимость к процессу фотосинтеза закона о сохранении энергии. К. А. Тимирязев – изучал энергетическую сторону фотосинтеза и роль света в этом процессе