§ 19. Фотосинтез

Процесс образования органических веществ (сахаров и крахмала) из неорганических соединений (углекислого газа и воды) в клетках, содержащих хлоропласты, с использованием энергии солнечного света (от греч. «фотос» — свет, «синтез» — соединение).

• 1. Субстраты и продукты — исходными веществами служат углекислый газ, поглощаемый листьями из воздуха, и вода, всасываемая корнями из почвы; продуктами являются углеводы и выделяемый в атмосферу кислород.
• 2. Условия протекания — протекает исключительно на свету в хлоропластах растительных клеток.
• 3. Воздушное питание — фотосинтез представляет собой воздушное питание растений, дополняющее минеральное питание корней.

Специализированные внутриклеточные зелёные пластиды растений, в которых осуществляется процесс фотосинтеза.

• 1. Локализация — сосредоточены преимущественно в мякоти листьев, а также в молодых зелёных побегах и стеблях светолюбивых растений и кактусов.
• 2. Внутренняя структура — содержат тилакоиды, собранные в граны, окружённые стромой.
• 3. Пигментный аппарат — содержат зелёный пигмент хлорофилл, улавливающий световую энергию.

Зелёный пигмент, находящийся в хлоропластах и придающий органам растения зелёную окраску.

• 1. Физиологическая функция — улавливает кванты света в красной и сине-фиолетовой областях спектра и преобразует энергию световых лучей в химическую энергию.
• 2. Биохимическая роль — обеспечивает запуск реакций расщепления воды (фотолиза) и связывания углекислого газа с образованием сахаров.

Глобальная планетарная функция зелёных растений по улавливанию, трансформации и запасанию лучистой энергии Солнца на Земле, сформулированная выдающимся русским учёным Климентом Аркадьевичем Тимирязевым.

• 1. Посредник между Солнцем и Землёй — растения преобразуют космическую солнечную энергию в доступную для живых существ химическую энергию органических веществ («Прометей, похитивший огонь с неба»).
• 2. Энергетическая основа биосферы — создание первичной биомассы для всех гетеротрофов и накопление ископаемых энергоносителей (угля, торфа).
• 3. Стабилизация газового состава — обогащение атмосферы кислородом для дыхания и связывание колоссальных объёмов углекислого газа (около 600 млрд тонн ежегодно).

Живые организмы, способные самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических соединений окружающей среды (углекислого газа и воды) с использованием энергии солнечного света (от греч. «автос» — сам, «трофе» — пища).

• 1. Первичное звено экосистем — производят органические вещества, служащие пищей для гетеротрофных организмов (животных, грибов, бактерий).
• 2. Независимость от готовой органики — не нуждаются в потреблении готовых органических веществ из внешней среды.

Выдающийся русский естествоиспытатель, ботаник-физиолог и мыслитель, член-корреспондент РАН, раскрывший энергетические механизмы фотосинтеза и обосновавший космическую роль растений.

• Экспериментально доказал, что усвоение солнечной энергии хлоропластами растений подчиняется закону сохранения энергии.
• Сформулировал и научно обосновал учение о космической роли зелёных растений как планетарных преобразователей энергии солнечного света в органическое вещество.
• Заложил фундаментальные основы физиологии питания растений и засухоустойчивости сельскохозяйственных культур.

Фотосинтез (от греч. «фотос» — свет, «синтез» — соединение) — это физиологический процесс образования органических веществ (углеводов — сахаров и крахмала) из неорганических соединений (углекислого газа и воды), протекающий в клетках, содержащих хлоропласты, с обязательным использованием энергии солнечного света. Побочным продуктом фотосинтеза является молекулярный кислород, который выделяется через устьица листьев в окружающую атмосферу.

Для наиболее эффективного улавливания и поглощения солнечного света у высших растений сформировался целый ряд морфологических и анатомических приспособлений:

• Плоская форма листовой пластинки: листья имеют плоскую форму с большой площадью поверхности, что обеспечивает максимальный контакт тканей со световыми лучами;
• Листовая мозаика: листья расположены на стебле так, чтобы их пластинки не затеняли друг друга (черешки разной длины ориентируют пластинки в один ярус с минимальным перекрытием);
• Прозрачная кожица (эпидерма): наружный слой клеток листа не содержит хлоропластов и абсолютно прозрачен, что позволяет свету беспрепятственно проникать к глубжележащим клеткам мякоти (столбчатой паренхимы);
• Поворот листьев к свету (фототропизм): листовые пластинки способны изгибаться вслед за перемещением солнца для поддержания оптимального угла падения лучей;
• Видоизменения стеблей у растений засушливых мест: у растений с редуцированными или отсутствующими листьями (например, у кактусов) функцию улавливания света и фотосинтеза выполняют зелёные мясистые стебли, богатые хлоропластами.

Роль зелёного пигмента хлорофилла, находящегося в тилакоидах хлоропластов, является определяющей для процесса фотосинтеза:

• Избирательное поглощение света: хлорофилл поглощает кванты солнечного света преимущественно в красной и сине-фиолетовой частях спектра видимого излучения, отражая зелёную часть спектра (что обусловливает характерный зелёный цвет листьев и побегов);
• Трансформация энергии: пигмент преобразует лучистую энергию солнечных фотонов в энергию возбуждённых электронов и далее — в энергию химических связей синтезируемых органических соединений;
• Обеспечение химических превращений: за счёт поглощённой энергии хлорофилл запускает реакции разложения воды с выделением свободного кислорода и фиксации углекислого газа с превращением его в сахара (глюкозу и крахмал). Без хлорофилла растение не способно использовать световую энергию для синтеза органики.

Зелёные растения относят к автотрофным организмам (от греч. «автос» — сам и «трофе» — пища), потому что они способны самостоятельно создавать все необходимые для жизни сложные органические вещества (углеводы, белки, липиды) из простых неорганических веществ — углекислого газа воздуха, воды и минеральных солей почвы, используя исключительно световую энергию Солнца. В отличие от гетеротрофов (животных, грибов и человека), зелёные растения не нуждаются в поступлении готовых органических веществ из внешней среды, а сами являются их первичными производителями в биосфере.

Космическая роль растений, научно открытая и обоснованная великим русским учёным Климентом Аркадьевичем Тимирязевым, проявляется в глобальных планетарных процессах:

• Связующее звено между космосом и Землёй: зелёные растения улавливают колоссальные потоки лучистой энергии Солнца и консервируют её в виде химической энергии синтезированных органических соединений; по словам Тимирязева, растение выступает «истинным Прометеем, похитившим огонь с неба»;
• Первичное звено пищевых связей биосферы: именно созданные растениями органические вещества служат первичным источником пищи и энергии для всех остальных живых организмов планеты;
• Формирование ископаемых энергоресурсов: за сотни миллионов лет отмершие растительные массы трансформировались в гигантские залежи каменного угля и торфа, питающие современную цивилизацию;
• Создание и поддержание аэробной атмосферы: в процессе фотосинтеза растения выделяют в атмосферу около 400 млрд тонн свободного кислорода в год, обеспечивая дыхание большинства живых существ и поддерживая озоновый экран, защищающий биосферу от губительных космических излучений;
• Регуляция климата: ежегодно связывая до 600 млрд тонн углекислого газа, зелёные растения предотвращают развитие катастрофического парникового эффекта.