Что такое фотосинтез и почему он так важен для жизни на Земле? Почему листья меняют цвет осенью? А что будет, если все растения исчезнут с лица Земли? Рассказываем в этой статье!

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под воздействием энергии света образуются органические вещества из неорганических. В ходе фотосинтезе растения поглощают углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород как побочный продукт фотосинтеза.

Формула фотосинтеза:

Эта формула показывает, что из шести молекул углекислого газа и шести молекул воды при воздействии солнечного света образуется одна молекула глюкозы и шесть молекул кислорода.

Во время фотосинтеза образуется глюкоза, которая служит растениям источником энергии, а выделяющийся кислород поступает в атмосферу и становится важным ресурсом для дыхания многих организмов.

Главным участником фотосинтеза является хлорофилл — зеленый пигмент, содержащийся в хлоропластах растительных клеток. Хлорофилл поглощает световые лучи, преимущественно в синей и красной части спектра, и использует эту энергию для инициации фотохимических реакций. Благодаря хлорофиллу растения могут «ловить» свет и превращать его в энергию, необходимую для синтеза глюкозы.

В этой схеме хлорофилл выполняет две ключевые роли: он поглощает и передает энергию. Примерно 90% веществ в хлоропластах сосредоточено в светособирающих комплексах (ССК), которые функционируют как антенны, направляющие энергию к реакционным центрам, где происходят фотосинтетические реакции. Пигменты каротиноиды и фикобилины помогают хлорофиллу расширить диапазон поглощаемых световых волн, что позволяет ему максимально эффективно использовать солнечную энергию. В некоторых случаях хлорофилл может оказаться менее значимым в этом процессе и отойти на второй план.

Хлорофилл не только способствует фотосинтезу, но и придает растениям их характерный зеленый цвет. Без него процесс фотосинтеза был бы невозможен, и жизнь на Земле была бы совершенно иной.

В XVIII веке британский химик Джозеф Пристли и голландский биолог Ян Ингенхауз установили, что растения выделяют кислород под воздействием солнечного света.
В XIX веке ученые обнаружили, что для фотосинтеза растения используют углекислый газ, а немецкий исследователь Юлиус Роберт фон Майер, опираясь на закон сохранения энергии, выдвинул гипотезу о том, что растения преобразуют солнечную энергию в химическую.
К концу XIX века немецкий химик Вильгельм Пфеффер предложил термин «фотосинтез», и стало известно, что в этом процессе используются вода и углекислый газ, в результате чего образуются глюкоза и кислород.

Фотосинтез делится на две основные фазы: световую и темновую.

Световая фаза происходит в хлоропластах и требует солнечного света. Хлорофилл поглощает свет, возбуждается и выделяет электрон, который передается через белковые комплексы фотосистем, обеспечивая восстановление NADP до NADPH. При этом высвобожденная энергия активирует фермент АТФ-синтазу, способствующую синтезу АТФ — основного источника энергии для клетки, используемого в различных клеточных процессах, включая синтез органических молекул.

В процессе передачи электронов также происходит фотолиз воды, в результате которого образуются протоны водорода и кислород. Кислород выбрасывается в атмосферу, обеспечивая наше дыхание, а протоны накапливаются для следующей стадии фотосинтеза.

Темновая фаза, или цикл Кальвина, происходит в строме хлоропласта и может проходить как в темноте, так и на свету. Углекислый газ из атмосферы, поступая в растение с неорганическими веществами, фиксируется в клетках.

В ходе реакции протоны и электроны используются для превращения углекислого газа в глюкозу. Энергия, полученная в световой фазе от АТФ, вместе с NADP+ и протонами воды, помогает в этом процессе.

Иногда глюкозы образуется больше, чем нужно, и растение может синтезировать излишки в другие органические вещества, такие как белки или полисахариды. Этот процесс называется фиксацией углерода, так как углекислый газ превращается в органические соединения.

Фотосинтез имеет огромное значение для жизни на Земле. Во-первых, он обеспечивает кислородом атмосферу, необходимым для дыхания большинства живых организмов. Во-вторых, фотосинтез служит основой пищевых цепей: растения являются производителями, которые преобразуют солнечную энергию в химическую, обеспечивая пищей животных и человека.

Фотосинтез играет ключевую роль в биологическом разнообразии и экосистемах, обеспечивая энергию и питание для всех живых организмов. Без фотосинтеза экосистемы не могли бы существовать.

Листья растений меняют цвет осенью из-за изменения содержания хлорофилла. Когда дни становятся короче и температура понижается, производство хлорофилла замедляется, и его уровень снижается. В результате становятся видимыми другие пигменты, такие как каротиноиды (желтые и оранжевые) и антоцианы (красные), что придает листве яркие осенние цвета.

Если все растения исчезнут, это приведет к катастрофическим последствиям для всей экосистемы. Прежде всего, исчезнет источник кислорода, что сделает дыхание большинства живых организмов невозможным. Кроме того, экосистемы, основанные на растениях, разрушатся, что приведет к гибели животных и людей, зависимых от этих экосистем. Пища станет дефицитом, и жизнь на Земле изменится навсегда.

Фотосинтез — это не просто процесс, это основа жизни на нашей планете. Понимание его механизмов и значимости помогает нам лучше осознавать, как мы можем сохранить природу и обеспечить устойчивое будущее для всех живых существ.