Фотосинтез и хемосинтез (нитрифицирующие бактерии, хлорофилл, НАДФ)
Фотосинтез — первичный синтез органических веществ из CO₂ и воды за счёт энергии света в хлоропластах (у цианобактерий — на тилакоидах цитоплазмы). Пигменты: хлорофиллы a и b (поглощают красный и синий свет, отражают зелёный), каротиноиды (жёлто-оранжевые, вспомогательные).
| Фаза | Где | Процессы | Продукты |
|---|---|---|---|
| Световая | Мембраны тилакоидов | Возбуждение хлорофилла светом; фотолиз воды (2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂↑); синтез АТФ (фотофосфорилирование); восстановление НАДФ⁺ до НАДФ·H | O₂ (в атмосферу), АТФ, НАДФ·H |
| Темновая (не требует света, но идёт и днём) | Строма | Фиксация CO₂ рибулозодифосфатом (цикл Кальвина), восстановление до углеводов за счёт АТФ и НАДФ·H | Глюкоза → крахмал, сахароза |
| Группа | Окисляемое вещество | Значение |
|---|---|---|
| Нитрифицирующие бактерии | NH₃ → NO₂⁻ → NO₃⁻ | Круговорот азота, обеспечивают растения нитратами |
| Серобактерии | H₂S → S → SO₄²⁻ | Очищают водоёмы от сероводорода; основа экосистем «чёрных курильщиков» |
| Железобактерии | Fe²⁺ → Fe³⁺ | Образование болотных руд |
| Водородные бактерии | H₂ → H₂O | Утилизация водорода в почве |
| Признак | Световая фаза | Темновая фаза (цикл Кальвина) |
|---|---|---|
| Где идёт | Мембраны тилакоидов гран | Строма хлоропласта |
| Нужен ли свет | Да | Нет, но нужны продукты световой фазы |
| Что происходит | Возбуждение хлорофилла, перенос электронов, фотолиз воды, синтез АТФ и НАДФ·H | Присоединение CO₂ к рибулозобисфосфату, восстановление до глюкозы |
| Исходные вещества | Вода, АДФ, НАДФ⁺, энергия света | CO₂, АТФ, НАДФ·H |
| Продукты | АТФ, НАДФ·H, O₂ (выделяется наружу) | Глюкоза, АДФ, НАДФ⁺ (возвращаются в световую фазу) |
Как на свету образуются АТФ и НАДФ·H. Хлорофилл в мембране тилакоида собран в две фотосистемы. Поглотив свет, хлорофилл фотосистемы II отдаёт возбуждённый электрон в цепь переносчиков, а потерю восполняет электронами воды: на внутренней стороне мембраны идёт фотолиз, выделяется O₂, а протоны остаются в полости тилакоида. По цепи электроны переходят к фотосистеме I, снова возбуждаются светом и восстанавливают НАДФ⁺ до НАДФ·H. Переносчики попутно закачивают в полость тилакоида ещё протоны; они выходят в строму через АТФ-синтазу, и энергия этого потока идёт на синтез АТФ — так же, как в митохондриях.
Цикл Кальвина. В строме CO₂ присоединяется к пятиуглеродному сахару рибулозобисфосфату (фермент рубиско — самый распространённый белок на Земле); образуются две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты, которые за счёт АТФ и НАДФ·H восстанавливаются до трёхуглеродного сахара. Часть сахаров идёт на синтез глюкозы, остальные — на восстановление рибулозобисфосфата, поэтому процесс цикличен. На одну молекулу глюкозы расходуются 6 CO₂, 18 АТФ и 12 НАДФ·H.
Продуктивность фотосинтеза и её измерение. Сухое вещество урожая на 90–95 % создано фотосинтезом, поэтому агротехника по сути управляет им: сорта с большой площадью листьев, оптимальная густота посева, полив, удобрения (азот и магний входят в хлорофилл), подкормка CO₂ и досвечивание в теплицах.
| Группа бактерий | Что окисляют | Значение |
|---|---|---|
| Нитрифицирующие | NH₃ → HNO₂ → HNO₃ | Переводят азот в доступную растениям форму, звено круговорота азота |
| Серобактерии | H₂S → S → H₂SO₄ | Обитают в сероводородных источниках и у глубоководных гидротерм |
| Железобактерии | Fe²⁺ → Fe³⁺ | Образование болотных железных руд |
| Водородные бактерии | H₂ → H₂O | Используются в биотехнологии для получения белка |
Суммарно: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (энергия света). Кислород образуется из воды, а не из CO₂. Продуктивность фотосинтеза (масса органики на единицу площади за время) зависит от освещённости и спектра света, концентрации CO₂ (оптимум 0,1–0,3 %), температуры (оптимум 20–25 °C), обеспеченности водой и минеральными веществами; при недостатке любого фактора скорость ограничивается им (лимитирующий фактор).
Значение фотосинтеза: первичная продукция органики для всех гетеротрофов, кислород атмосферы и озоновый экран, связывание CO₂, накопление ископаемого топлива.
Хемосинтез (С. Н. Виноградский, 1887): бактерии синтезируют органику из CO₂ за счёт энергии окисления неорганических веществ, без света.
| Признак | Световая фаза | Темновая фаза (цикл Кальвина) |
|---|---|---|
| Исходные вещества | Вода, АДФ, НАДФ⁺, энергия света | CO₂, АТФ, НАДФ·H |
| Продукты | АТФ, НАДФ·H, O₂ (выделяется наружу) | Глюкоза, АДФ, НАДФ⁺ (возвращаются в световую фазу) |
Факторы, ограничивающие фотосинтез. Скорость определяется тем фактором, которого не хватает (правило ограничивающего фактора): при слабом свете добавление CO₂ ничего не даст, а на ярком свету рост концентрации CO₂ повышает продуктивность. Основные факторы — освещённость, концентрация CO₂ (в воздухе всего ≈ 0,04 %), температура (оптимум 20–25 °C у большинства растений), обеспеченность водой и минеральными веществами. В теплицах CO₂ специально подают до 0,1 % и продлевают световой день — это прямое применение правила.
Продуктивность фотосинтеза и её измерение. В опытах скорость фотосинтеза измеряют по выделению кислорода (числу пузырьков газа у побега элодеи), поглощению CO₂, приросту сухой массы или накоплению крахмала: лист, выдержанный в темноте, после освещения обесцвечивают спиртом и обрабатывают йодом — синеют только освещённые участки.
Значение фотосинтеза: создаёт первичное органическое вещество (около 150 млрд тонн в год), поддерживает содержание кислорода в атмосфере и озоновый экран, связывает углекислый газ, образует запасы горючих ископаемых, служит первым звеном всех цепей питания.
Хемосинтез открыт С. Н. Виноградским (1887). Это создание органических веществ из CO₂ за счёт энергии окисления неорганических соединений, без света.
Сообщества глубоководных источников существуют полностью за счёт хемосинтеза: солнечный свет туда не проникает, и первичными продуцентами служат серобактерии.
Как устроен хемосинтез.
Значение хемосинтеза: участие в круговоротах азота, серы и железа; снабжение растений нитратами; очищение воды от аммиака и сероводорода; создание органических веществ там, куда не проникает свет. В биотехнологии хемосинтетики очищают сточные воды и переводят медь, цинк, уран из бедных руд в раствор (бактериальное выщелачивание). Вредная сторона — серная кислота, которую образуют серобактерии, разрушает бетон и металл канализационных труб.
Закрепите теорию: 5 терминов и 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.
Пройти урок arrow_forward