История проведения научных исследований по фотосинтезу

В процессе изучения растений и животных было сделано ряд важнейших экспериментов, которые привели ученых к открытию фотосинтеза. Произошло это еще несколько столетий назад. В 1600 году бельгийский биолог Ян Ван Гельмонт провел достаточно простой, но очень значимый эксперимент. Он поместил в горшок с землей небольшую ивовую веточку. Несколько лет растение получало в качестве полива дождевую воду, что привело к увеличению его массы на 60 кг. При этом вес земли в горшке уменьшился всего на 50 грамм. Рис. 1. Процесс фотосинтеза
Рис. 1. Процесс фотосинтеза
В 1771 году англичанин по имени Джозеф Пристли также провел очень значимый эксперимент. Он закрыл под колпаком мышь, но существо погибло от удушья уже через 5 дней. В следующий раз он поместил под колпак не только мышку, но и небольшую веточку зеленой мяты. Животное выжило, а ученый сделал выводы о существовании некоего процесса, противоположного дыханию. Также этот эксперимент доказал способность зеленых растений выделять кислород в процессе собственной жизнедеятельности.
Важно! Джозеф Пристли большую часть жизни посвятил службе священнослужителем в английской церкви, но вошел в историю человечества в роли выдающегося ученого.   
В 1782 году швейцарец Жан Сенебье привел научные доказательства химического распада углекислого газа под длительным влиянием солнечного света. Этот процесс беспрерывно происходит внутри зеленых органоидов практически всех растений. В 1787 году француз Жак Бусенго обнаружил, что растительность поглощает воду в процессе синтеза необходимых для ее жизнедеятельности органических веществ. А уже в 1864 году, немецкий биолог Юлиус Сакса сделал научный прорыв в исследовании процессов фотосинтеза и практически завершил цепочку открытий. Именно этот ученый смог доказать, что соотношение углекислого газа, потребляемого растениями, и вырабатываемого кислорода составляет пропорцию 1:1.

Особенности прохождения процессов фотосинтеза

Фотосинтез может происходить в зеленых растениях, водорослях и многочисленных бактериях, которые составляют флору нашей планеты. Для полноценного прохождения этой химической реакции необходимо присутствие следующих обязательных условий:
  • углекислый газ
  • хлоропласты
  • солнечный свет
  • вода
  • температура
В процессе фотосинтеза высших растений участвуют хлоропласты. Эти полуавтономные органеллы имеют овальную форму и содержат зеленый пигмент - хлорофилл. Именно за счет его наличия часть растительности также характеризуется зеленоватым оттенком. Рис. 2. Механизм бесхлорофилльного фотосинтеза галобактерий
Рис. 2. Механизм бесхлорофилльного фотосинтеза галобактерий
В морских и речных водорослях хлорофилл располагается в хроматофорах - светоотражающих и пигментсодержащих клетках. У обитающих на глубине водоемов бурых и красных водорослей в этом процессе участвуют другие пигменты, что связано с незначительным количеством поступающего к ним солнечного света. Если проанализировать пищевую цепочку живых существ, то фотосинтезирующие организмы будут находится в ее начале. Таким образом, автотрофы употребляются в пищу практически всеми живыми организмами Земли.
Важно! В результате фотосинтеза выделяющийся кислород поступает в атмосферу. Он необходим для дыхания всех растений и животный. Поднимаясь же в верхние слои атмосферы, кислород участвует в образовании озонового слоя, защищающего поверхность планеты от чрезмерного воздействия ультрафиолетовых лучей.

Как выполняется процесс фотосинтеза?

Фотосинтез проходит в следующей последовательности:
  1. Свет попадает на хлоропласты, которые располагаются в листьях и стеблях зеленых растений.
  2. Полуавтономные органеллы, расположенные внутри растительных клеток, начинают потреблять из почвы влагу, которая постепенно расщепляется на водород и кислород.
  3. Часть полученного кислорода необходима для окислительных процессов во внутренних структурах самого растения, а остальное выделяется в окружающую его атмосферу.
  4. Накопленный в пиреноидах углекислый газ вступает в реакцию с водородом, что приводит к образованию сахаридов.
  5. Сахариды взаимодействуют с фосфором, азотом и серой, обеспечивая растения жизненно необходимыми соединениями, например, крахмалом, белком и витаминами.
Важно! Эта химическая реакция также приводит к выработке кислорода. Важно! Оптимальным условием для фотосинтеза является наличие солнечных лучей, однако для некоторых фотосинтезирующих растений достаточно присутствия и искусственно созданного освещения.
Рис. 3. Хлоропласты в клетках листа
Рис. 3. Хлоропласты в клетках листа

Основные фазы

Фотосинтез - достаточно сложный природный процесс, который включает в себя световую и темновую фазы.

Особенности световой фазы

Этот этап фотосинтеза осуществляется непосредственно на мембранах тилакоидов, расположенных с внутренней стороны хлоропласта. Процесс состоит из нескольких шагов, проходящих в следующем порядке:
  1. Свет, попадающий на растение, поглощается зеленым пигментом хлорофилла, что приводит к возбуждению молекулы и ее участию в процессе дальнейшего синтеза.
  2. Вода расщепляется на несколько составляющих, одной из которых являются атомы водорода. Именно это вещество в итоге используется для синтеза углеводных соединений.
  3. Синтез Аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) - действующего вещества, играющего роль энергетического накопителя в большинстве биологических процессов.
Световая фаза может проходить лишь при участии солнечного света или искусственного освещения.  

Особенности темновой фазы

Этот процесс осуществляется в стромах хлоропластов, обеспечивая выделение растениями кислорода и синтез глюкозы. Для синтезирования моносахаридов из углекислого газа активно используются вещества и энергия, которые были запасены в результате химических реакций под влиянием солнца. К примеру, для получения 1 молекулы глюкозы растению необходимо израсходовать 12 НАДФН и 18 АТФ. Рассматриваемая фаза проходит круглосуточно, ведь для ее успешного осуществления не требуется расхода световой энергии. Стоит заметить, что, несмотря на определенные энергетические потери во время темновой фазы фотосинтеза, общий КПД биологического процесса остается достаточно высоким. Рис. 4. Химическая формула фотосинтеза
Рис. 4. Химическая формула фотосинтеза

Значимость фотосинтеза для человека

В процессе фотосинтеза каждый листочек зеленого растения выполняет роль небольшой лаборатории, отвечающей за образование кислорода и органических веществ. Именно результат этой химической реакции обеспечивает органическую жизнь планеты необходимыми ресурсами. Поэтому крайне важно следить за жизнеспособностью флоры, охранять экологию и избегать чрезмерной вырубки лесов. Однако в мало засаженных растениями областях, например, пустынях или мегаполисах, человек также может продолжать свою жизнедеятельность.
Важно! Наземные растения обеспечивают Земле лишь 20% необходимого для существования живых организмов кислорода. Остальные же 80% синтезируются за счет морских, речных и океанических водорослей. Поэтому мировой океан нередко сравнивают с легкими планеты.
Фотосинтез - сложный биологический процесс, который происходит в зеленых растениях, водорослях и некоторых бактериях. Именно за счет него в атмосферу выделяется кислород, который обеспечивает жизнедеятельность всех организмов. А еще при этом процессе растения выделяют необходимые для собственного питания органические вещества. Посмотрите также интересное видео по теме статьи.