Фотосинтез необхідний майже для всього живого і є основним джерелом кисню в атмосфері. Він відбувається навколо нас: у нас під ногами, над головою та в освітлених сонцем зонах водного середовища. Але що таке фотосинтез? Чому він такий важливий? І коли він еволюціонував? Відповіді на ці та інші питання ви знайдете нижче.
Що таке фотосинтез?
© Getty Images
Фотосинтез – це процес, за допомогою якого синтезуються молекули вуглеводів. Він використовується рослинами, водоростями та деякими бактеріями для перетворення сонячного світла, води та вуглекислого газу на кисень та енергію у вигляді цукру. Це, мабуть, найважливіший біохімічний процес на планеті.
По суті, береться вуглекислий газ, що виділяється всіма організмами що дихають, і повертається в атмосферу кисень.
На швидкість фотосинтезу впливають інтенсивність світла, концентрація вуглекислого газу, постачання води, температура і наявність мінералів. Процес повністю відбувається в хлоропластах, і саме хлорофіл, що міститься в хлоропластах, робить фотосинтезуючі частини рослини зеленими.
Фотосинтез важливий і в інших частинах біосфери. Як морські, так і наземні рослини поглинають вуглекислий газ з атмосфери, і частина його осідає назад у вигляді панцирів з карбонату кальцію або закопується як органічна речовина в ґрунті.
Без фотосинтезу кругообіг вуглецю не міг би відбуватися, і у нас незабаром закінчилася б їжа. З часом атмосфера втратила б майже весь газоподібний кисень, а більшість організмів зникла б.
Як відбувається фотосинтез?
Рослинам потрібна енергія світла, вуглекислий газ, вода та поживні речовини. Ці інгредієнти надходять як з атмосфери, так і з ґрунту.
Фаза 1
Рослини поглинають сонячне світло через два верхні шари листя – кутикулу та епідерміс. Ці шари тонкі, тому світло легко проходить крізь них. Вуглекислий газ надходить з атмосфери, і в той же час вода всмоктується з ґрунту в тіло живої рослини.
Фаза 2
Відразу під кутикулою та епідермісом знаходяться клітини стовбчастого мезофілу. Ці спеціалізовані клітини вертикально витягнуті і розташовані близько одна до одної для максимального поглинання світла.
Під клітинами стовбчастого мезофілу розташована губчаста тканина мезофілу, яка нещільно упакована для ефективного газообміну. Коли гази входять і виходять з цих клітин, вони розчиняються в тонкому шарі води, що покриває клітини.
Хлоропласти в клітинах водної рослини елодеї. © Getty images
Фаза 3
Всередині клітин стовбчастого мезофілу знаходяться хлоропласти, багато хлоропластів. Вони містять хлорофіл – молекули, які не поглинають зелені хвилі білого світла. Натомість вони відбивають його назад до нас, надаючи рослинам зеленого кольору.
Фаза 4
Усередині хлоропласта відбувається магія. Відбувається світлозалежна реакція, де енергія світлових хвиль поглинається і зберігається в молекулах АТФ, що несуть енергію.
Потім, в незалежній від світла реакції (цикл Кальвіна), АТФ використовується для утворення глюкози, джерела енергії. Вода окислюється, вуглекислий газ відновлюється, а кисень виділяється в атмосферу.
Кисень виділяється через продихи листя – мікроскопічні пори, які відкриваються і впускають вуглекислий газ, і випускають кисень (та водяну пару).
Яке рівняння фотосинтезу?
Фотосинтезуючі організми формують основу харчового ланцюга.
Вуглекислий газ + вода (з енергією світла) = глюкоза + кисень
Окрім світлової енергії, вуглекислого газу та води, рослини також потребують поживних речовин, які вони отримують з ґрунту. Ці поживні речовини знову вивільняються або переробляються, коли рослинна тканина відмирає і починає розкладатися в ґрунті.
Кисень у вигляді молекул газу (O2) насправді є побічним продуктом фотосинтезу, але саме він відповідає за кисень у повітрі, який підтримує наше життя. Рослини також виділяють енергію та воду в атмосферу через дихання.
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2
Збалансоване рівняння йде трохи далі. Шість молекул вуглекислого газу і шість молекул води (реагенти) перетворюються на одну молекулу глюкози (C6H12O6) і шість молекул кисню за допомогою світлової енергії, яку вловлює хлорофіл.
Фотосинтез і харчовий ланцюг
Під час фотосинтезу енергія проходить через систему, і ви можете думати про фотосинтез як про систему енергетичних потоків, простежуючи шлях сонячної енергії через екосистему. Ця енергія зберігається первинними виробниками, фотосинтезуючими організмами. Коли ці організми поїдаються і перетравлюються первинними споживачами, вивільняється хімічна енергія, яка використовується для живлення нових біохімічних реакцій.
На кожному рівні перетворення енергії в харчовому ланцюгу частина енергії втрачається у вигляді відпрацьованого тепла. Крім того, значна частина енергії, що надходить до кожного організму, використовується на дихання, для підтримки життєдіяльності організму. Ця енергія не зберігається для використання іншими організмами, що знаходяться вище по харчовому ланцюгу. Це одна з причин, чому кількість організмів і загальна кількість їхньої живої тканини зменшується, коли ви просуваєтесь далі вгору по харчовому ланцюгу.
Коли розпочався фотосинтез?
Еволюція фотосинтезу мала величезні наслідки для Землі. Коли органічна речовина, що утворилася в результаті фотосинтезу, була похована в земних шарах, вуглець виводився з атмосфери, дозволяючи накопичуватися кисню.
Докази свідчать, що фотосинтезуючі організми були присутні приблизно 3,2-3,5 мільярди років тому у вигляді строматолітів. Строматоліти – це шаруваті мікробні структури (як правило, чергування світлих і темних пластинок), зазвичай утворені ціанобактеріями та водоростями, і є найдавнішими відомими скам’янілостями, а отже, найдавнішими доказами життя на Землі.
Строматоліти – це шаруваті вапняні горбки, що виділяються ціанобактеріями та застряглими осадовими породами. Це найдавніші з відомих скам’янілостей і найдавніші докази життя на Землі. Вони продовжують формуватися і сьогодні, а ці – з озера Тетіс, Західна Австралія © Getty Images
Коли цей ранній кисень поширився у верхні шари атмосфери (стратосферу), сонячне випромінювання перетворювало молекули кисню на озон, який створив стратосферний озоновий шар. І звичайно, оскільки озоновий шар поглинає більшу частину ультрафіолетового випромінювання Сонця (UV-B), він відіграє важливу роль у захисті здоров’я людини, тому навряд чи життя процвітало б без цього захисного щита.
