Фотосинтез
Історія
фотосинтезу.
Протягом
тисячоліть люди вважали, що живиться рослина виключно завдяки коріння,
поглинаючи з їх допомогою всі необхідні речовини з грунту. Перевірити цю точку
зору взявся на початку дев'ятнадцятого століття голландський натураліст Ян Ван
Гельмонт. Він зважив землю в горщику і посадив туди втечу верби. Протягом п'яти
років він поливав деревце, а потім висушив землю і зважив її і рослина. Іва
важила сімдесят п'ять кілограм, а вага землі змінився всього на кілька сот
грамів. Висновок ученого був такий - рослини отримують живильні речовини
перш за все не з грунту, а з води.
На два століття
в науці утвердилася теорія водного живлення рослин. Листи, за цією теорією,
лише допомагали рослині випаровувати зайву вологу.
До самого
несподіваного, але правильному припущенням про повітряне живлення рослин вчені
прийшли лише на початку дев'ятнадцятого століття. Важливу роль у розумінні цього
процесу відіграло відкриття, зроблене англійським хіміком Джозефом Прістлі в
1771 року. Він поставив досвід, в результаті якого він зробив висновок: рослини
очищають повітря і роблять його придатним для дихання. Пізніше з'ясувалося: для
того, щоб рослина очищало повітря, необхідне світло.
Десять років
по тому вчені зрозуміли, що рослина не просто перетворює вуглекислий газ в
кисень. Вуглекислий газ необхідний рослинам для життя, він служить для них
справжньою їжею (разом з водою і мінеральними солями).
Повітряне
живлення рослин називається фотосинтезом. Кисень у процесі фотосинтезу
виділяється як незвичайного продукту.
Мільярди років
тому на землі не було вільного кисню. Весь кисень, яким дихають майже
всі живі істоти нашої планети, виділений рослинами в процесі фотосинтезу.
Фотосинтез зумів змінити все обличчя нашої планети!
Починаючи з
сімдесятих років минулого століття, великі успіхи в області фотосинтезу були
отримані в Росії. Роботами російських учених Пурієвич, Іванівського, Ріктера,
Іванова, Костичева були вивчені багато сторін цього процесу.
Значення
фотосинтезу не усвідомлювалася до порівняно недавнього часу. Арістотель і
інші вчені Греції, спостерігаючи, що життєві процеси тварин залежать від
споживання їжі, вважали, що рослини видобувають свою "їжу" з грунту.
Трохи більше
триста років тому в одному з перших ретельно продуманих біологічних
експериментів голландський лікар Ян Ван Гельмонт представив докази того,
що не один грунт годує рослина. Ван Гельмонт вирощував маленьке дерево верби
в глиняному горщику, додаючи в нього тільки воду.
Через п'ять років
маса голок збільшилася на 74,4 кг, у той час, як маса грунту зменшилася
тільки на 57 гр.
Наприкінці XVIII
століття англійський учений Джозеф Прістлі повідомив, що він "випадково виявив метод
виправлення повітря, який був зіпсований горінням свічок ". 17 серпня 1771
Прістлі "... помістив живу гілочку м'яти в закритий посуд, що в якому горіла
воскова свічка ", а 21 числа того ж місяця виявив, що" ... інша свічка знову
могла горіти в цьому ж посудині ". "Виправляти початком, яким для цих цілей
користується природа, - вважав Прістлі, - була рослина ". Він розширив свої
спостереження і незабаром показав, що повітря, "виправляти" рослиною, не був
"Зовсім не підходить для миші".
Досліди Прістлі
вперше дозволили пояснити, чому повітря на Землі залишається "чистим" і може
підтримувати життя, не дивлячись на горіння незліченних вогнів і дихання безлічі
живих організмів. Він говорив: "Завдяки цим відкриттям ми впевнені, що
рослини ростуть не даремно, а очищають і облагороджують нашу атмосферу ".
Пізніше
голландський лікар Ян Інгенхауз (1730-1799) підтвердив роботу Прістлі і показав,
що повітря "виправляється" тільки на сонячному світлі і тільки зеленими частинами
рослини. У 1796 році Інгенхауз припустив, що вуглекислота розкладається при
фотосинтезі на С і О2, а О2 виділяється у вигляді газу. У
наслідок було виявлено, що співвідношення атомів вуглецю, водню і
кисню в цукрі та крохмалі таке, що один атом вуглецю припадає на
одну молекулу води, на що і вказує слово "вуглеводи". Вважалося
загальноприйнятим, що вуглеводи утворюються з С и Н2О, а О2 виділяється
з вуглекислоти. Це цілком розумна гіпотеза була широко визнана, але, як
пізніше з'ясувалося, вона була абсолютно невірною.
дослідником,
який спростував цю загальноприйняту теорію, був Корнеліус ван Ніль з
Стамфордского університету, коли він, будучи ще студентом-дипломником,
досліджував метаболізм різних фотосинтезуючих бактерій. Одна група таких
бактерій, а саме пурпурні сірчані бактерії, відновлює С до вуглеводів,
але не виділяє О2. Пурпурним сірчаним бактеріям для фотосинтезу
необхідний сірководень. У результаті фотосинтезу усередині бактеріальних клітин
накопичуються частки сірки. Ван Ніль виявив, що для цих бактерій рівняння
фотосинтезу може бути записано як:
З О2 +
2Н2S світло = (CH2O) + Н2О + 2S
Цей факт не
привертав уваги дослідників до тих пір, поки ван Ніль не зробив сміливого
повідомлення і не запропонував наступного сумарного рівняння фотосинтезу:
З О2 +
2Н2А світло = (CH2O) + Н2О + 2А
У цьому
рівнянні Н2А являє собою або воду, або інше окислюються
речовина, наприклад, сірководень або вільний Н2. У зелених рослин
і водоростей Н2А = Н2О. Тобто ван Ніль припустив, що
Н2О, а не вуглекислота, розкладається при фотосинтезі. Ця блискуча
ідея, висунута в тридцяті роки, експериментально було доведено пізніше,
коли дослідники, використовую важкий ізотоп О2 (18О2),
простежили шлях кисню від води до газового стану:
З О2 +
2Н218О2 світло = (CH2O) + Н2О + 18О2
Таким чином,
для водоростей або зелених рослин, у яких вода служить донором електронів,
сумарне рівняння фотосинтезу записується таким чином:
6СО2 +
12Н2О світло = C6H12O6 + 6О2
+ 6Н2О
Процеси,
що відбуваються в листі.
Лист
здійснює три важливих процесу - фотосинтез, випаровування води і газообмін. У
процесі фотосинтезу в листках з води і двоокису вуглецю під дією
сонячних променів синтезуються органічні речовини. Вдень, в результаті
фотосинтезу і дихання, рослина виділяє кисень і двоокис вуглецю, а вночі
- Тільки двоокис вуглецю, що утворюється при диханні.
Більшість
рослин здатне синтезувати хлорофіл при слабкому освітленні. При прямому
сонячному освітленні хлорофіл синтезується швидше.
Необхідна для
фотосинтезу світлова енергія у відомих межах поглинається тим більше, чим
менше затемнене лист. Тому у рослин в процесі еволюції виробилася
здатність повертати пластину листа до світла так, щоб на неї падало більше
сонячних променів. Листя на рослині розташовуються так, щоб не гнобити один
одного.
Тімірязєв
довів, що джерелом енергії для фотосинтезу служать переважно червоні
промені спектру. На це вказує спектр поглинання хлорофілу, де найбільш
інтенсивна смуга поглинання спостерігається в червоній, і менш інтенсивне - у
синьо-фіолетовим частини.
У хлоропластах
разом з хлорофілом є пігменти каротин і ксантофілл. Обидва цих пігменту
поглинають сині і, почасти, зелені промені і пропускають червоні та жовті.
Деякі вчені приписую каротину і ксантофілл роль екранів, що захищають хлорофіл
від руйнівної дії синіх променів.
Процес
фотосинтезу складається з цілого ряду послідовних реакцій, частина яких
протікає з поглинанням світлової енергії, а частина - в темряві. Стійкими
остаточними продуктами фотосинтезу є вуглеводи (цукру, а потім
крохмаль), органічні кислоти, амінокислоти, білки.
Фотосинтез при
різних умовах протікає з різною інтенсивністю.
Інтенсивність
фотосинтезу також залежить від фази розвитку рослини. Максимальна інтенсивність
фотосинтезу спостерігається у фазі цвітіння.
Звичайне
вміст вуглекислоти в повітрі становить 0,03% за обсягом. Зменшення
змісту вуглекислоти в повітрі знижує інтенсивність фотосинтезу. Підвищення
змісту вуглекислоти до 0,5% збільшує інтенсивність фотосинтезу майже
пропорційно. Проте при подальшому підвищенні вмісту вуглекислоти,
інтенсивність фотосинтезу не зростає, а при 1% - рослина страждає.
Рослини
випаровують або трансперіруют дуже велику кількість води. Випаровування води
є однією з причин висхідного струму. Внаслідок випаровування води рослиною
в ньому накопичуються мінеральні речовини, і відбувається корисне для рослини
зниження температури під час сонячного нагріву. Іноді трансперація знижує
температуру рослини на 6о.
Рослина регулює
процес випаровування води за допомогою роботи продихів. Відкладення кутикули або
воскового нальоту на епідермі, освіта його волосків та інші пристосування
направлені до скорочення неврегульованої транспераціі.
Процес
фотосинтезу і постійне перебігає дихання живих клітин листа вимагають
газообміну між внутрішніми тканинами листа і атмосферою. У процесі фотосинтезу
з атмосфери поглинається ассіміліруемий вуглекислий газ і повертається до
атмосферу киснем.
Застосування
ізотопного методу аналізу показало, що кисень, що повертається в атмосферу (16о)
належить воді, а не вуглекислого газу повітря, в якому пріобладает інший
його ізотоп - 15О. При диханні живих клітин (окислення вільним
киснем органічних речовин усередині клітини до вуглекислого газу і води)
необхідне надходження з атмосфери кисню і повернення вуглекислоти. Цей
газообмін також в основному здійснюється через устьічний апарат.
Значення
фотосинтезу в природі.
Фотосинтез --
єдиний процес у біосфері, що веде до збільшення її вільної енергії за
рахунок зовнішнього джерела. Запасені в продуктах фотосинтезу енергія - основний
джерело енергії для людства.
Щорічно в
результаті фотосинтезу на Землі утворюється 150 млрд. тонн органічного
речовини і виділяється близько 200 млн. тонн вільного кисню.
Кругообіг
кисню, вуглецю та інших елементів, що втягуються в фотосинтез, підтримує
сучасний склад атмосфери, необхідний для життя на Землі. Фотосинтез
перешкоджає збільшенню концентрації СО2, запобігаючи перегрів
Землі внаслідок так званого "парникового ефекту".
Оскільки
зелені рослини являють собою безпосередню або опосередковану базу
харчування всіх інших гетеротрофних організмів, фотосинтез задовольняє
потреба в їжі всього живого на нашій планеті. Він - найважливіша основа
сільського і лісового господарства. Хоча можливості впливу на нього ще не
великі, але все ж і вони, в якійсь мірі використовуються. При підвищенні
концентрації вуглекислого газу в повітрі до 0,1% (проти 0,3% в природному
атмосфері) вдалося, наприклад, підвищити врожайність огірків і томатів втричі.
Квадратний метр
поверхні листя протягом однієї години продукує близько одного грама
цукру, це значить, що всі рослини, за приблизною оцінкою, вилучають з
атмосфери від 100 до 200 млрд. тонн С на рік. Близько 60% цієї кількості
поглинають ліси, що займають 30% непокритою льодами поверхні суші, 32% --
окультурені землі, а решта 8% - рослини степів і пустельних місць, а
також міст і селищ.
Зелене
рослина здатна не тільки використовувати вуглекислий газ і створювати цукор, а й
перетворювати азотні з'єднання, і з'єднання сірки на речовини, що складають його
тіло. Через кореневу систему рослина отримує розчинені в грунтовій воді
іони нітратів і переробляє їх у своїх клітинах в амінокислоти - основні
компоненти всіх білкових сполук. Компоненти жирів також виникають з
сполук, що утворюються в процесах обміну речовин і енергії. Із жирних кислот
і гліцерину виникають жири та олії, які служать для рослини, головним чином,
запасними речовинами. У насінні приблизно 80% усіх рослин, як
багатого енергією запасного речовини, що містяться жири. Отримання насіння, жирів і
масел грає важливу роль в сільськогосподарської та харчової промисловості.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://chemistry.narod.ru/
