§ 22. Фотосинтез

1. Фотосинтез является процессом пластического или энергетического обмена? Почему?

Фотосинтез является процессом пластического обмена, т.к. сопровождается синтезом органических веществ из неорганических и происходит с поглощением световой энергии.

2. В каких органоидах растительной клетки происходит фотосинтез? Что представляет собой фотосистема? Какую функцию выполняют фотосистемы?

Фотосинтез происходит в зелёных пластидах – хлоропластах.

Фотосистемы – особые пигмент-белковые комплексы, расположенные в мембранах тилакоидов хлоропластов. Существует два типа фотосистем – фотосистема I и фотосистема II. В состав каждой из них входит светособирающая антенна, образованная молекулами пигментов, реакционный центр и переносчики электронов.

Светособирающая антенна функционирует наподобие воронки: молекулы пигментов поглощают свет и передают всю собранную энергию в реакционный центр, где находится молекула-ловушка, представленная хлорофиллом а. Поглотив энергию, молекула-ловушка переходит в возбуждённое состояние и отдаёт один из своих электронов специальному переносчику, т.е. окисляется. Таким образом, фотосистемы выполняют функцию поглощения света и преобразования световой энергии в химическую.

3. Охарактеризуйте световую и темновую фазы фотосинтеза по плану: 1) место протекания; 2) исходные вещества; 3) происходящие процессы; 4) конечные продукты. Какие продукты световой фазы фотосинтеза используются в темновой фазе?

Световая фаза фотосинтеза
1) мембраны тилакоидов
2) Н₂О, окисленный НАДФ (НАДФ⁺), АДФ, Н₃РО₄ (для протекания световой фазы также необходимы фотосинтетические пигменты (хлорофиллы и др.), но их нельзя назвать исходными веществами световой фазы)
3) поглощение света фотосистемами, фотолиз воды, транспорт электронов на внешнюю сторону тилакоида и накопление протонов внутри тилакоида (т.е. возникновение электрохимического потенциала на мембране тилакоида), синтез АТФ, восстановление НАДФ⁺
4) АТФ, восстановленный НАДФ (НАДФ•Н+Н⁺), побочный продукт – молекулярный кислород (О₂)

Темновая фаза фотосинтеза
1) строма хлоропласта
2) СО₂, АТФ, восстановленный НАДФ (НАДФ•Н+Н⁺)
3) синтез глюкозы (восстановление СО₂ до органических веществ), в ходе которого происходит гидролиз АТФ и окисление НАДФ•Н+Н⁺
4) глюкоза (С₆Н₁₂О₆), окисленный НАДФ (НАДФ⁺), АДФ, Н₃РО₄

В темновой фазе фотосинтеза используются такие продукты световой фазы как НАДФ•Н+Н⁺ (служит источником атомов водорода для синтеза глюкозы) и АТФ (служит источником энергии для синтеза глюкозы).

4. Докажите справедливость утверждения: «От фотосинтеза непосредственно или косвенно зависит все живое на Земле».

Все живое на Земле зависит от фотосинтеза – либо непосредственно, либо, как в случае животных, косвенно. Фотосинтез делает энергию и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, что необходимо для всех анаэробных организмов. Человечество зависит от фотосинтеза еще и потому, что оно использует ископаемое органическое топливо, которое образовалось за миллиарды лет.

5. Сравните по различным признакам процессы фотосинтеза и аэробного дыхания. Укажите черты сходства и различия.

Черты сходства:
1. Сложные многостадийные процессы, протекающие с участием ферментов.
2. Фотосинтез и заключительный (кислородный) этап аэробного дыхания протекают в двумембранных органоидах (хлоропластах и митохондриях соответственно).
3. Окислительно-восстановительные процессы, которые сопровождаются переносом электронов по электрон-транспортным цепям внутренних мембран соответствующих органоидов, возникновением разности потенциалов на этих мембранах, работой АТФ-синтетазы и синтезом АТФ.

Различия:
1. Процесс фотосинтеза относится к пластическому обмену т.к. сопровождается синтезом органических веществ из неорганических и происходит с поглощением световой энергии. Процесс аэробного дыхания относится к энергетическому обмену, поскольку происходит расщепление сложных органических веществ и высвобождение заключённой в них энергии.
2. Фотосинтез протекает только в клетках фототрофных организмов, а аэробное дыхание – в клетках большинства живых организмов (в том числе и фототрофов).
3. Различные исходные вещества и конечные продукты. Если рассматривать суммарные уравнения фотосинтеза и аэробного дыхания, то можно заметить, что продукты фотосинтеза фактически являются исходными веществами для аэробного дыхания и наоборот.
4. Переносчиками атомов водорода в процессе дыхания служат НАД и ФАД, в фотосинтезе – НАДФ.

6. Человек за сутки потребляет примерно 430 г кислорода. Дерево средней величины поглощает около 30 кг углекислого газа в год. Сколько деревьев необходимо, чтобы обеспечить одного человека кислородом на год?

За год человек потребляет: 430 г × 365 = 156 950 г кислорода.

Рассчитаем химическое количество углекислого газа, поглощаемого за год одним деревом:
М(СО₂) = 12 + 16 × 2 = 44 г/моль. n(СО₂) = m : М = 30 000 г : 44 г/моль ≈ 681,8 моль.

Суммарное уравнение фотосинтеза:
6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Поглощение 6 моль углекислого газа сопровождается выделением 6 моль кислорода. Значит, поглощая за год 681,8 моль углекислого газа, дерево выделяет 681,8 моль кислорода.

Найдём массу кислорода, выделяемого деревом за год:
М(О₂) = 16 × 2 = 32 г/моль. m(О₂) = n × M = 681,8 моль × 32 г/моль = 21 817,6 г

Определим, сколько деревьев необходимо, чтобы обеспечить одного человека кислородом. Количество деревьев = 156 950 г : 21 817,6 ≈ 7,2 дерева.

Ответ: для того, чтобы обеспечить одного человека кислородом, в среднем понадобится 7,2 дерева (допустимыми ответами будут "8 деревьев" или "7 деревьев").

7. Исследователи разделили растения пшеницы на две группы и выращивали их в лаборатории в одинаковых условиях, за исключением того, что растения первой группы освещали красным светом, а растения второй группы — зеленым. У растений какой группы процесс фотосинтеза протекал более интенсивно? Как вы думаете, с чем это связано?

Фотосинтез протекал более интенсивно у растений, освещаемых красным светом. Это связано с тем, что основные фотосинтетические пигменты – хлорофиллы – интенсивно поглощают красный свет (а также сине-фиолетовую часть спектра), а зелёный отражают, что и обусловливает зелёную окраску этих пигментов.