Реферат: Фотосинтез

СОДЕРЖАНИЕ:

1. История фотосинтеза.

2. Процессы, происходящие влисте.

3. Современные представленияо фотосинтезе.

4. Роль фотосинтеза вприроде.

Историяфотосинтеза.

В течение тысячелетий люди считали, что питается растениеисключительно благодаря корням, поглощая с их помощью все необходимые вещества из почвы. Проверить этуточку зрения взялся в начале девятнадцатого века голландский натуралист Ян Ван Гельмонт. Он взвесил землю в горшке ипосадил туда побег ивы. В течение пяти лет он поливал деревце, а затем высушилземлю и взвесил её и растение. Ива весила семьдесят пять килограмм, а вес землиизменился всего на несколько сот граммов. Вывод учёного был таков — растенияполучают питательные вещества прежде всего не из почвы, а из воды.

На два столетия в науке утвердиласьтеория водного питания

растений.Листья, по этой теории, лишь помогали растению испарять излишнюю влагу.

К самому неожиданному, но правильному предположениюо воздушном питании растений ученые пришли лишь к началу девятнадцатого века.Важную роль в понимании этого процесса сыграло открытие, совершенное английскимхимиком Джозефом Пристли в 1771 году. Он поставил опыт, в результате которогоон сделал вывод: растения очищают воздух и делают его пригодным для дыхания.Позднее выяснилось: для того, чтобы растение очищало воздух, необходимсвет.

Десять лет спустя учёные поняли, что растение непросто превращает углекислый газ в кислород. Углекислый газ необходим растениямдля жизни, он служит для них настоящей пищей (вместе с водой и минеральнымисолями).

Воздушное питание растений называетсяфотосинтезом. Кислород в процессе фотосинтезавыделяется в качестве необычного продукта.

Миллиарды лет назад на земле не было свободногокислорода. Весь кислород, которым дышат почти все живые существа нашей планеты,выделен растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез сумел изменить весь обликнашей планеты!

Начиная с семидесятых годов прошлого столетия,крупные успехи в области фотосинтеза были получены в России. Работами русскихучёных Пуриевича, Ивановского, Риктера, Иванова, Костычева были изучены многие стороны этого процесса.

Значение фотосинтеза не осознавалось досравнительно недавнего времени. Аристотель и другие учёные Греции, наблюдая,что жизненные процессы животных зависят от потребления пищи,

полагали,что растения добывают свою «пищу» из почвы.

Немногим более трехсот лет назад в одном из первыхтщательно продуманных биологических экспериментов голландский врач Ян Ван Гельмонтпредставил доказательства того, что не одна почва кормит растение. Ван Гельмонтвыращивал маленькое дерево ивы в глиняном горшке, добавляя в него только воду.

Через пять лет масса игл увеличилась на 74,4 кг, вто время, как масса почвы уменьшилась только на 57 гр.

В конце XVIII века английский ученый Джозеф Пристли сообщил, что он «случайнообнаружил метод исправления воздуха, который был испорчен горениемсвечей». 17 августа 1771 г. Пристли «…поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, в котором горела восковая свеча»,а 21 числа того же месяца обнаружил, что «… другая свеча снова могла гореть вэтом же сосуде». «Исправляющим началом, которым для этих целей пользуется природа,- полагал Пристли, — было растение». Он расширил свои наблюдения и скоро показал,что воздух, «исправляемый» растением, не был «совсем не подходящим для мыши».

Опыты Пристли впервые позволили объяснить, почемувоздух на Земле остается «чистым» и может поддерживать жизнь, несмотря нагорение бесчисленных огней и дыхание множества живых организмов. Он говорил:«Благодаря этим открытиям мы уверены, что растения произрастают не напрасно, аочищают и облагораживают нашу атмосферу».

Позднее голландский врач Ян Ингенхауз (1730-1799)подтвердил работу Пристли и показал, что воздух «исправляется» только насолнечном свету и только зелеными частями растения. В 1796 году Ингенхаузпредположил, что углекислота разлагается при фотосинтезе на С и О2,а О2 выделяется в виде газа.В последствие было обнаружено, что соотношение атомов углерода, водорода и кислородав сахарах и крахмале таково, что один атом углерода приходится на одну молекулуводы, на что и указывает слово «углеводы». Считалось общепринятым, что углеводыобразуются из С и Н2О, а О2 выделяется из углекислоты.Это вполне разумная гипотеза была широко признана, но, как позднее выяснилось,она была совершенно неверной.

Исследователем, который опроверг эту общепринятуютеорию, был Корнелиус ван Ниль из Стамфордского университета, когда он, будучиеще студентом-дипломником, исследовал метаболизм различных фотосинтезирующихбактерий. Одна группа таких бактерий, а именно пурпурные серные бактерии,восстанавливает С до углеводов, но не выделяет О2. Пурпурным сернымбактериям для фотосинтеза необходим сероводород. В результате фотосинтезавнутри бактериальных клеток накапливаются частицы серы. Ван Ниль обнаружил, чтодля этих бактерий уравнение фотосинтеза может быть записано как:

свет

<img src="/cache/referats/3210/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1037"><img src="/cache/referats/3210/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1033">2+ 2Н2S (CH2O) + Н2О + 2S

Этотфакт не привлекал внимания исследователей до тех пор, пока ван Ниль не сделалсмелого сообщения и не предложил следующего суммарного уравненияфотосинтеза:

свет

<img src="/cache/referats/3210/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1039"><img src="/cache/referats/3210/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1038">2+ 2Н2А (CH2O) + Н2О + 2А

В этом уравнении Н2А представляет собойлибо воду, либо другое окисляемое вещество, например, сероводород или свободныйН2. У зеленых растений и водорослей Н2А = Н2О.То есть ван Ниль предположил, что Н2О, а не углекислота, разлагаетсяпри фотосинтезе. Эта блестящая идея, выдвинутая в тридцатые годы, экспериментальнобыла доказана позднее, когда исследователи, использую тяжелый изотоп О2(18О2),проследили путь кислорода от воды до газообразного состояния:

свет

<img src="/cache/referats/3210/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1041"><img src="/cache/referats/3210/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1040">2+ 2Н218О2 (CH2O) + Н2О + 18О2

Таким образом, для водорослей или зеленых растений,у которых вода служит донором электронов, суммарное уравнение фотосинтезазаписывается следующим образом:

свет

<img src="/cache/referats/3210/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1043"><img src="/cache/referats/3210/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1042">2+ 12Н2О C6H12O6 + 6О2 + 6Н2О

Процессы,происходящие в листе.

Лист осуществляет три важных процесса – фотосинтез,испарение воды и газообмен. В процессе фотосинтеза в листьях из воды и двуокисиуглерода под действием солнечных лучей синтезируются органические вещества.Днем, в результате фотосинтеза и дыхания, растение выделяет кислород и двуокисьуглерода, а ночью – только двуокись углерода, образующуюся при дыхании.

Большинство растений способно синтезироватьхлорофилл при слабом освещении. При прямом солнечном освещении хлорофиллсинтезируется быстрее.

Необходимая для фотосинтеза световая энергия визвестных пределах поглощается тем больше, чем меньше затемнен лист. Потому урастений в процессе эволюции выработалась способность поворачивать пластинулиста к свету так, чтобы на нее падало больше солнечных лучей. Листья нарастении располагаются так, чтобы не притеснять друг друга.

Тимирязев доказал, что источником энергии дляфотосинтеза служат преимущественно красные лучи спектра. На это указываетспектр поглощения хлорофилла, где наиболее интенсивная полоса поглощениянаблюдается в красной, и менее интенсивное – в сине-фиолетовой части.

В хлоропластах вместе с хлорофиллом имеютсяпигменты каротин и ксантофилл. Оба этих пигмента поглощают синие и, отчасти,зеленые лучи и пропускают красные и желтые. Некоторые ученые приписываюкаротину и ксантофиллу роль экранов, защищающих хлорофилл от разрушительногодействия синих лучей.

Процесс фотосинтеза слагается из целого рядапоследовательных реакций, часть которых протекает с поглощением световойэнергии, а часть – в темноте. Устойчивыми окончательными продуктами фотосинтезаявляются углеводы (сахара, а затем крахмал), органические кислоты,аминокислоты, белки.

Фотосинтез при различных условиях протекает сразной интенсивностью.

Интенсивность фотосинтеза также зависит от фазыразвития растения. Максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается в фазецветения.

Обычное содержание углекислоты в воздухе составляет0,03% по объему. Уменьшение содержания углекислоты в воздухе снижаетинтенсивность фотосинтеза. Повышение содержания углекислоты до 0,5% увеличиваетинтенсивность фотосинтеза почти пропорционально. Однако при дальнейшемповышении содержания углекислоты, интенсивность фотосинтеза не возрастает, апри 1% — растение страдает.

Растения испаряют или трансперируют очень большоеколичество воды. Испарение воды является одной из причин восходящего тока.Вследствие испарения воды растением в нем накапливаются минеральные вещества, ипроисходит полезное для растения понижение температуры во время солнечногонагрева. Иногда трансперация снижает температуру растения на 6о.

Растение регулирует процесс испарения водыпосредством работы устьиц. Отложение кутикулы или воскового налета на эпидерме,образование его волосков и другие приспособления направлены к сокращениюнерегулируемой трансперации.

Процесс фотосинтеза и постоянное протекающее дыханиеживых клеток листа требуют газообмена между внутренними тканями листа иатмосферой. В процессе фотосинтеза из атмосферы поглощается ассимилируемыйуглекислый газ и возвращается в атмосферу кислородом.

Применение изотопного метода анализа показало, чтокислород, возвращаемый в атмосферу (16О) принадлежит воде, а не углекисломугазу воздуха, в котором приобладает другой его изотоп — 15О. Придыхании живых клеток (окисление свободным кислородом органических веществвнутри клетки до углекислого газа и воды) необходимо поступление из атмосферыкислорода и возвращение углекислоты. Этот газообмен также в основномосуществляется через устьичный аппарат.

Современные представления о фотосинтезе.

В настоящее время известно, что фотосинтез проходитдве стадии, но только одна из них – на свету. Доказательства двухстадийностипроцесса впервые были получены в 1905 году английским физиологом растений Ф.Ф.Блэклином, который исследовал влияние освещенности и температуры на объемфотосинтеза.

На основание экспериментов Блэклин сделал следующиевыводы.

1.Имеется одна группа светозависимых реакций,которые не зависят от температуры. Объем этих реакций в диапазоне низкихосвещенностей мог возрастать с увеличением освещенности, но не с увеличениемтемпературы.

2.Имеется вторая группа реакций, зависимых оттемпературы, а не от света. Оказалось, что обе группы реакций необходимы дляосуществления фотосинтеза. Увеличение объема только одной группы реакцийувеличивает объем всего процесса, но только до того момента, пока вторая группареакций не начнет удерживать первую. После этого необходимо ускорить вторуюгруппу реакций, чтобы первые могли проходить без ограничений.

Таким образом, было показано, что обе стадиисветозависимы: «световая и темновая». Важно помнить, что темновые реакции нормальнопроходят на свету и нуждаются в продуктах световой стадии. Выражение «темновыереакции» просто означает, что свет как таковой в них не участвует.

Объем темновых реакций возрастает с увеличениемтемпературы, но только до 30о, а затем начинает падать. На основанииэтого факта предположили, что темновые реакции катализируются ферментами,поскольку обмен ферментативных реакций, таким образом, зависит от температуры.В последствие оказалось, что данный вывод был сделан неправильно.

На первой стадии фотосинтеза (световые реакции)энергия света используется для образования АТР (молекула аденозин-трифосфата) ивысокоэнергетических переносчиков электронов. На второй стадии фотосинтеза(темновые реакции) энергетические продукты, образовавшиеся в световых реакциях,используются для восстановления СО2 до простого сахара (глюкозы).

Процесс фотосинтеза все больше и больше привлекаетк себе внимание ученых. Наука близка к разрешению важнейшего вопроса –искусственного создания при помощи световой энергии ценных органических веществиз широко распространенных неорганических веществ. Проблема фотосинтезаусиленно разрабатывается ботаниками, химиками, физиками и другимиспециалистами.

В последнее время уже удалось искусственно получитьсинтез формальдегида и сахаристых веществ из водных растворов карбонатнойкислоты; при этом роль поглотителя световой энергии играли вместо хлорофиллакарбонаты кобальта и никеля. Недавно синтезирована молекула хлорофилла.

Успехи науки в области синтеза органических веществнаносят сокрушительный удар по идеалистическому учению – витализму, которыйдоказывал, что для образования органических веществ из неорганическихнеобходима особая «жизненная сила» и что человек не сможет синтезироватьсложные органические вещества.

Фотосинтез в растениях осуществляется вхлоропластах. Он включает преобразования энергии (световой процесс),превращение вещества (темновой процесс). Световой процесс происходит в гилакоидах,темновой – в строме хлоропластов. Обобщенное циркулирование фотосинтезавыглядит следующим образом:

свет

<img src="/cache/referats/3210/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1046"><img src="/cache/referats/3210/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1045">2+ 12Н2О C6H12O6 + 6Н2О + 6О2

Два процесса фотосинтезавыражаются отдельными уравнениями

свет

<img src="/cache/referats/3210/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1048"><img src="/cache/referats/3210/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1047"> 12Н2О 12H2 + 6О2+ энергия АТР

(световой процесс)

свет

<img src="/cache/referats/3210/image003.gif" v:shapes="_x0000_s1051"> 12H2 + 6О2 + энергия АТР С6Н12О6+ Н2О

(темновой процесс)

Значениефотосинтеза в природе.

Фотосинтез – единственный процесс в биосфере,ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасеннаяв продуктах фотосинтеза энергия – основной источник энергии для человечества.

Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется150 млрд. тонн органического вещества и выделяется около 200 млн. тоннсвободного кислорода.

Круговороткислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживаетсовременный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтезпрепятствует увеличению концентрации СО2, предотвращая перегревЗемли вследствие так называемого «парникового эффекта».

Поскольку зеленые растения представляют собойнепосредственную или опосредованную базу питания всех других гетеротрофных организмов,фотосинтез удовлетворяет потребность в пище всего живого на нашей планете. Он –важнейшая основа сельского и лесного хозяйства. Хотя возможности воздействия нанего еще не велики, но все же и они, в какой то мере используются. При повышенииконцентрации углекислого газа в воздухе до 0,1% (против 0,3% в естественнойатмосфере) удалось, например, повысить урожайность огурцов и томатоввтрое.

Квадратный метр поверхности листьев в течениеодного часа продуцирует около одного грамма сахара; это значит, что все растения,по приблизительной оценке, изымают из атмосферы от 100 до 200 млрд. тонн С вгод. Около 60% этого количества поглощают леса, занимающие 30% непокрытойльдами поверхности суши, 32% — окультуренные земли, а оставшиеся 8% — растениястепей и пустынных мест, а также городов и поселков.

Зеленое растение способно не только использоватьуглекислый газ и создавать сахар, но и превращать азотные соединения, и соединениясеры в вещества, слагающие его тело. Через корневую систему растение получаетрастворенные в почвенной воде ионы нитратов и перерабатывает их в своих клеткахв аминокислоты – основные компоненты всех белковых соединений. Компоненты жировтакже возникают из соединений, образующихся в процессах обмена веществ и энергии.Из жирных кислот и глицерина возникают жиры и масла, которые служат длярастения, главным образом, запасными веществами. В семенах приблизительно 80%всех растений, в качестве богатого энергией запасного вещества, содержатсяжиры. Получение семян, жиров и масел играет важную роль в сельскохозяйственнойи пищевой промышленности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.

Айкхорн П. И др.«Современная ботаника», стр.95-99.

2.

Артемов А. «ЭнциклопедияБИОЛОГИЯ», 1995, стр.200-203.

3.

Коган В.Л. и др. «Биология»,1984, стр.160-161.

4.

Медведева В. «Ботаника»,1980, стр.128-131.

5.

Питерман И. и др.«Интересная ли ботаника?»,1979, стр.19-20.

6.