Фотосинтез
-
Фотосинтез: определение и основные процессы
- Фотосинтез — это система биологических процессов, преобразующих световую энергию в химическую.
- Фотосинтезирующие организмы накапливают энергию в органических соединениях, таких как сахара и крахмал.
- Фотосинтез важен для производства кислорода и обеспечения биологической энергии.
-
Типы фотосинтеза
- Кислородный фотосинтез: растения, водоросли и цианобактерии выделяют кислород.
- Бескислородный фотосинтез: бактерии используют сероводород вместо воды.
- Архейный фотосинтез: использует фотопигмент сетчатки для прямого синтеза АТФ.
-
Процесс фотосинтеза
- Световая энергия поглощается реакционными центрами, содержащими фотосинтетические пигменты.
- Водород используется для создания NADPH и АТФ.
- Сахара синтезируются в цикле Кальвина.
-
Значение фотосинтеза
- Фотосинтез преобразует углекислый газ в биомассу.
- Фотосинтез важен для климатических процессов, связывая углекислый газ.
- Фотосинтез был открыт в 1779 году Яном Ингенхаузом.
-
Различия между фотосинтезом у разных организмов
- Растения, водоросли и цианобактерии используют углекислый газ для фотосинтеза.
- Бактерии используют сероводород или арсенит для фотосинтеза.
- Археи используют фотопигмент сетчатки для прямого синтеза АТФ.
-
Фотосинтетические мембраны и органеллы
- У бактерий фотосинтетические белки встроены в клеточные мембраны.
- У растений фотосинтез происходит в хлоропластах, окруженных мембранами.
- Хлоропласты содержат тилакоиды, где происходит фотосинтез.
-
Пигменты и их роль
- Растения используют хлорофилл и другие пигменты для поглощения света.
- Пигменты содержатся в антенных белках, работающих совместно.
-
Структура и функции листьев
- Листья содержат хлоропласты, которые обеспечивают фотосинтез.
- Некоторые виды, такие как молочаи и кактусы, имеют фотосинтетические органы в стеблях.
- Мезофилл листа содержит от 450 000 до 800 000 хлоропластов на квадратный миллиметр.
- Кутикула защищает лист от испарения и уменьшает поглощение света.
-
Светозависимые реакции
- Хлорофилл поглощает фотоны и теряет электрон.
- Электрон передается по цепи переноса электронов, создавая протонный градиент.
- АТФ-синтаза использует протонный градиент для синтеза АТФ.
- Хлорофилл возвращает электрон при фотолизе воды, выделяя кислород.
-
Спектр фотосинтетического действия
- Спектр действия зависит от типа пигментов.
- Зеленые растения используют фиолетовый и красный свет.
- Красные водоросли используют синий свет для роста в глубоких водах.
-
Z-схема и фотолиз воды
- Светозависимые реакции протекают в тилакоидных мембранах.
- Фотоны улавливаются фотосистемой II, высвобождая электрон.
- Электрон передается по цепи переноса электронов, создавая хемиосмотический потенциал.
- Фотолиз воды происходит в фотосистеме II, выделяя кислород и ионы водорода.
-
Циклические и нециклические реакции
- Циклические реакции протекают только в фотосистеме I, образуя только АТФ.
- Нециклические реакции образуют АТФ и NADPH.
-
Цикл Кальвина
- В цикле Кальвина RuBisCO улавливает CO2 и образует сахара.
- Сахара используются для образования органических соединений и клеточного дыхания.
-
Механизмы концентрирования углерода
- В жарких условиях растения закрывают устьица, уменьшая фотодыхание.
- Растения С4 фиксируют CO2 в клетках мезофилла, образуя щавелево-уксусную кислоту.
- Растения С3 фиксируют CO2 непосредственно в цикле Кальвина.
-
Типы фотосинтеза
- Более 90% растений используют связывание углерода С3, 3% — С4.
- С4 эволюционировал в более чем 60 линиях растений.
- Фотосинтез C2 включает концентрацию углерода путем расщепления глицина.
-
CAM-фотосинтез
- Ксерофиты используют PEP-карбоксилазу для улавливания CO2.
- CAM временно разделяет связывание CO2 и цикл Кальвина.
- CAM используется 16 000 видами растений.
-
Тревожный фотосинтез
- Растения с оксалатом кальция используют его как резервуар углерода.
- В стрессовых условиях оксалат превращается в CO2.
-
Сигнальный фотосинтез
- Работает как биохимический насос, собирая углерод из внутренних органов.
-
Фотосинтез в воде
- Цианобактерии используют карбоксисомы для увеличения концентрации CO2.
- Пиреноиды также способствуют концентрации CO2.
-
Эффективность фотосинтеза
- Эффективность фотосинтеза растений составляет 3-6%.
- Эффективность зависит от частоты преобразования света и других факторов.
-
Методы измерения фотосинтеза
- Флуоресценция хлорофилла и инфракрасные газоанализаторы используются для измерения реакций.
- Интегрированные системы позволяют более точно измерять концентрацию CO2.
-
Эволюция фотосинтеза
- Фотосинтез начался около 3,4 миллиарда лет назад.
- Кислородный фотосинтез приобрел важное значение около двух миллиардов лет назад.
-
Симбиоз и происхождение хлоропластов
- Некоторые животные установили симбиотические отношения с водорослями.
- Симбиоз может объяснить происхождение хлоропластов.
-
Хлоропласты и их связь с бактериями
- Хлоропласты имеют кольцевую хромосому, рибосому прокариотического типа и аналогичные белки в реакционном центре фотосинтеза.
- Эндосимбиотическая теория предполагает, что хлоропласты были приобретены ранними эукариотическими клетками.
- ДНК в хлоропластах кодирует окислительно-восстановительные белки.
-
Фотосинтетические линии эукариот
- Исключены симбиотические и клептопластические организмы.
- Археопластида и фотосинтезирующая паулинелла получили пластиды в результате первичного эндосимбиоза.
- Пластиды остальных групп имеют красное или зеленое водорослевое происхождение.
- Некоторые динофлагелляты утратили способность к фотосинтезу, но позже вновь обрели её.
-
Фотосинтетические линии прокариот
- Ранние фотосинтетические системы использовали различные молекулы в качестве доноров электронов.
- Цианобактерии — единственные прокариоты, осуществляющие кислородный фотосинтез.
- Семь оставшихся прокариот обладают бескислородным фотосинтезом.
-
Цианобактерии и эволюция фотосинтеза
- Биохимическая способность использовать воду развилась у общего предка цианобактерий.
- Цианобактерии оставались основными производителями кислорода в протерозойском периоде.
- Зеленые водоросли присоединились к цианобактериям в мезозойском периоде.
-
История эксперимента
- Ян ван Гельмонт начал исследования фотосинтеза в середине 17 века.
- Джозеф Пристли и Ян Ингенхауз подтвердили, что растения восстанавливают воздух.
- Жан Сенебье и Николя-Теодор де Соссюр описали основную реакцию фотосинтеза.
-
Тонкости фотосинтеза
- Корнелис Ван Нил показал, что фотосинтез — это окислительно-восстановительная реакция.
- Роберт Эмерсон обнаружил две фотосистемы: PSI и PSII.
- Роберт Хилл доказал, что кислород поступает из воды.
-
История открытия фотосинтеза
- Сэмюэл Рубен и Мартин Кеймен определили, что кислород выделяется из воды.
- Мелвин Кэлвин, Эндрю Бенсон и Джеймс Бэшэм исследовали цикл фотосинтетического восстановления углерода.
- Рудольф А. Маркус выяснил функцию цепи переноса электронов.
- Отто Генрих Варбург и Дин Берк открыли I-квантовую реакцию фотосинтеза.
- Отто Кандлер представил доказательства фотофосфорилирования in vivo.
- Дэниел И. Арнон обнаружил фотофосфорилирование in vitro.
-
Разработка концепции фотосинтеза
- Чарльз Рид Барнс предложил термины «фотосинтакс» и «фотосинтез».
- Термин «фотосинтез» вошел в обиход.
- Открытие бескислородных фотосинтезирующих бактерий потребовало пересмотра термина.
-
Исследование фотосинтеза C3: C4
- Мелвин Кэлвин и его коллеги изучили метаболизм углерода при фотосинтезе.
- Физиологи растений изучали газообмен в листьях.
- В Университете Аризоны обнаружили различия в анатомии листьев, влияющие на фотосинтез.
- Растения с анатомией Кранца названы растениями С4, а без нее — растениями С3.
-
Факторы, влияющие на фотосинтез
- Интенсивность излучения и длина волны света.
- Водопоглощение.
- Концентрация углекислого газа.
- Температура.
-
Интенсивность света и температура
- Интенсивность света влияет на скорость усвоения углерода.
- Температура влияет на скорость усвоения углерода при постоянной освещенности.
- Длина волны света важна для цианобактерий.
-
Уровень углекислого газа и фотодыхание
- С повышением концентрации углекислого газа скорость фотосинтеза увеличивается.
- RuBisCO связывает углекислый газ при высокой концентрации, но кислород при низкой.
- Фотодыхание использует энергию, но не производит сахара.
-
Дополнительные ресурсы
- Экологический портал.
- Портал наук о Земле.
- Ян Андерсон (ученый).
- Искусственный фотосинтез.
- Цикл Кэлвина-Бенсона.
- Фиксация углерода.
- Клеточное дыхание.
- Хемосинтез.
- Интеграл дневного освещения.
- Реакция Хилла.
- Встроенный флюорометр.
- Светозависимая реакция.
- Органическая реакция.
- Фотобиология.
- Фотоингибирование.
- Центр фотосинтетических реакций.
- Фотосинтетически активное излучение.
- Фотосистема.
- Фотосистема I.
- Фотосистема II.
- Квантасома.
- Квантовая биология.
- Радиосинтез.
- Красный край.
- витамин D.
-
Научное пособие: Статья о фотосинтезе
- Подходит для изучения в старших классах средней школы
- Включает информацию о метаболизме, клеточном дыхании и фотосинтезе
-
Виртуальная библиотека по биохимии и клеточной биологии
- Содержит материалы по общему изучению фотосинтеза на среднем уровне
- Включает интерактивную анимацию и учебное пособие-самоучитель
-
Общая энергетика фотосинтеза
- Описывает источник кислорода, получаемого в результате фотосинтеза
-
Фотосинтез – Светозависимые и Светонезависимые стадии
- Включает архив 2011-09-10 в the Wayback Machine
-
Академия Хана, видео-знакомство
- Видео-курс для знакомства с темой фотосинтеза