Загальна біологія. Збірник задач

Фотосинтез і хемосинтез

Фотосинтез — це процес трансформації поглинутої організмом енергії світла в хімічну енергію органічних (і неорганічних) сполук. Головну роль у цьому процесі відіграє використання енергії світла для відновлення СО2 до рівня вуглеводів. Але у процесі фотосинтезу можуть відновлюватися сульфати або нітрати, утворюватися Н2; енергія світла витрачається також на транспортування речовин через мембрани і на інші процеси. Тому часто йдеться про фототрофну функцію фотосинтезу, розуміючи під цим використання енергії світла в різних ендергонічних реакціях у живому організмі. Фотосинтез здійснюють вищі рослини, водорості та деякі бактерії. Він відіграє визначальну роль в енергетиці біосфери.

До процесу фотосинтезу можна застосувати 3 основні правила (принципи фотохімії):

Правило перше — хімічну зміну може викликати тільки поглинуте світло (закон Гротгуса — Дрейпера);

Правило друге — кожний поглинутий фотон активує тільки одну молекулу (закон Штарка — Ейнштейна);

Правило третє — енергія кванта передається під час поглинання світла тільки одному електрону, внаслідок чого він переходить на більш високий енергетичний рівень (постулат Ейнштейна).

Таким чином, фотохімічний ефект прямо пропорційний кількості отриманої речовиною енергії.

Вважають, що листки зелених рослин поглинають зазвичай 80-85% енергії видимої частини сонячного спектру, пропускають 5-10% і відбивають близько 10%.

Процес фотосинтезу являє собою ланцюг окисно-відновних реакцій, сукупність яких прийнято поділяти на дві фази: світлову й темнову.

Для світлової фази фотосинтезу характерним є те, що енергія сонячної радіації, поглинута пігментними системами хлоропластів, перетворюється в електрохімічну. Загальне рівняння світлової стадії фотосинтезу має вигляд:

Таким чином, у результаті перенесення електронів і протонів через мембрану тилакоїда (у світловій фазі) відбувається перетворення світлової енергії в хімічну енергію макроергічних зв’язків молекули АТФ, а також утворення сильного відновлювача НАДФ • Н + Н+ і виділення вільного кисню. Кисень, утворений під час фотолізу води є побічним продуктом фотосинтезу. Він може використовуватися рослинними клітинами для дихання і виділятися в атмосферу.

Темнова фаза відбувається в стромі хлоропластів без участі світла. Реакції, які спричиняють зв’язування СО2 й утворення органічних речовин, у цій фазі відбуваються за рахунок використання енергії АТФ і НАДФ • Н + Н+, синтезованих у світловій фазі.

В остаточному підсумку через ряд проміжних сполук утворюються насамперед шестикарбонові цукри, а потім інші органічні речовини (аміно- і органічні кислоти, нуклеотиди, спирти тощо).

Загальне рівняння темнової фази фотосинтезу:

6СО2 + 24Н + 12АТФ → С6Н12О6 + 12АДФ + 12ФН + 6Н2О.

У темновій фазі фотосинтезу енергія макроергічних зв’язків АТФ перетворюється в хімічну енергію органічних речовин, тобто енергія ніби консервується в хімічних зв’язках органічних сполук.

Якщо об’єднати реакції світлової і темнової фаз, виключивши всі проміжні етапи, то отримаємо сумарне рівняння фотосинтезу:

Продуктивністю фотосинтезу називають масу синтезованої за 1 год глюкози на 1 м2 листкової поверхні. Цей показник зростає з підвищенням (до певної межі) освітленості, вологості повітря, температури, вмісту СО2 і залежить від довжини хвилі світла.

Крім фотосинтезу, існує ще одна форма автотрофної асиміляції — хемосинтез, властивий деяким бактеріям.

На відміну від фотосинтезу джерелом енергії для синтезу складних органічних речовин із простих неорганічних тут служить не світло, а окиснення деяких неорганічних речовин: сірководню, сірки, амоніаку, водню, нітритної кислоти, сполук Феруму(ІІ) тощо.

Важливою групою хемосинтезуючих організмів є нітрифікуючі бактерії, здатні окиснювати амоніак, що утворився під час гниття органічних решток, до нітритної, а потім до нітратної кислоти:

2ΝΗ3 + 3О2 = 2ΗΝΟ2 + 2Н2О + 663 кДж;

2ΗΝΟ2 + О2 = 2ΗΝΟ3 + 192 кДж.

Нітратна кислота, реагуючи з мінеральними сполуками ґрунту, перетворюється в нітрати, які добре засвоюються рослинами.

Безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень і накопичують у своїх клітинах сірку:

2H2S + О2 = 2Н2О + 2S + 272 кДж.

У разі нестачі сірководню бактерії здійснюють екзотермічне окиснення накопиченої в них сірки до сульфатної кислоти:

2S + 3О2 + 2Н2О = 2H2SO4 + 636 кДж.

Залізобактерії перетворюють сполуки Феруму(ІІ) у сполуки Феруму(ІІІ):

4FeCO3 + О2 + 6Н2О = 4Fe(OH)3 + 4СО2 + 324 кДж.

Водневі бактерії використовують як джерело енергії реакцію окиснення молекулярного водню:

2 + О2 → 2Н2О + 235 кДж.

А в якості єдиного джерела Карбону — оксид карбону(IV).

Енергія, яка виділяється під час окиснення водню, використовується бактеріями-хемосинтетиками для відновлення СО2 до органічних речовин. Усі бактерії-хемосинтетики мають високоефективні ферменти, що прискорюють перебіг цих реакцій.

Під час розв’язання задач на фотосинтез і хемосинтез, необхідно записувати сумарні рівняння реакцій цих процесів.