Фотосинтез
Фотосинтез
Фотосинтез — биохимический процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Он осуществляется растениями, водорослями и некоторыми бактериями и является основой существования большинства экосистем Земли.
В ходе фотосинтеза световая энергия преобразуется в энергию химических связей органических соединений. Этот процесс обеспечивает образование биомассы и поддерживает уровень кислорода в атмосфере.
Происхождение и основные виды фотосинтеза
Фотосинтез представляет собой фундаментальный способ получения энергии из света, который развивался в несколько этапов.
Самым древним считается бесхлорофилльный фотосинтез, характерный для некоторых глубоководных архей. Этот процесс является примитивным, обладает низкой эффективностью и не сопровождается поглощением углекислого газа или выделением кислорода.
Более развитая форма — хлорофилльный фотосинтез, который делится на два типа:
- аноксигенный фотосинтез — возник около 3,8 миллиарда лет назад у пурпурных и зелёных бактерий;
- оксигенный фотосинтез — появился примерно 3 миллиарда лет назад и стал доминирующим на Земле.
Именно оксигенный фотосинтез, используемый высшими растениями, водорослями и цианобактериями, сопровождается поглощением углекислого газа и выделением кислорода.
Биохимический механизм процесса
Современный фотосинтез представляет собой сложный многоэтапный процесс, протекающий в клетках растений и водорослей.
На начальной стадии пигменты хлорофилла поглощают кванты света и переходят в возбужденное состояние. В результате начинается передача электронов по цепи переносчиков.
Полученная энергия используется для синтеза молекул АТФ — универсального переносчика энергии в клетке.
Далее следует так называемая темновая фаза, в ходе которой происходит образование органических веществ. В результате синтезируются:
- сахара;
- крахмал;
- другие органические соединения.
Эти вещества служат источником энергии и строительным материалом для живых организмов.
История изучения и научные прорывы
Первые наблюдения за выделением растениями кислорода были сделаны Джозефом Пристли в конце XVIII века.
Сам термин «фотосинтез» был введён в научную практику в 1877 году. В XIX веке ученые, включая Климента Тимирязева, доказали, что растения преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей.
Основные биохимические механизмы фотосинтеза были окончательно установлены в середине XX века. Несмотря на значительные успехи науки, человечество пока не смогло создать искусственную систему, полностью воспроизводящую этот природный процесс.
Эволюционное значение и кислородная катастрофа
Появление оксигенного фотосинтеза привело к масштабным изменениям в биосфере Земли.
Сначала выделяемый кислород вступал в реакции с растворённым в океанах железом, образуя огромные залежи железных руд. Позднее кислород начал накапливаться в атмосфере.
Этот процесс привёл к событию, известному как кислородная катастрофа. Многие древние микроорганизмы, не приспособленные к кислородной среде, вымерли.
Одновременно возникли новые условия для развития сложных форм жизни. Образование озонового слоя защитило поверхность Земли от жёсткого ультрафиолетового излучения и позволило живым организмам выйти из океана на сушу.
Практически вся энергия, используемая человечеством сегодня (уголь, нефть и газ), представляет собой накопленную энергию древнего фотосинтеза.
Перспективы биоинженерии и энергетики
Исследование фотосинтеза имеет большое значение для будущего энергетики.
Суммарная мощность всех современных электростанций составляет лишь небольшую долю энергии, которую ежегодно производят растения посредством фотосинтеза.
Ученые рассматривают различные перспективные направления:
- создание искусственного фотосинтеза;
- разработку «биологических» солнечных электростанций;
- использование генетических технологий для улучшения фотосинтетических процессов.
В природе уже известны примеры симбиоза, при котором животные способны использовать фотосинтетические структуры водорослей. Это демонстрирует потенциальную возможность необычных форм использования солнечной энергии живыми организмами.
См. также
Хемосинтез
Хлорофилл
Цианобактерии
Биосфера
АТФ
Источники
- Пристли Дж. Исследования газообмена растений.
- Тимирязев К. А. Работы по физиологии растений.
- Современные исследования фотосинтеза и биохимии растений.