Современные проблемы фотосинтеза кратко

Обновлено: 02.07.2024

Выше мы уже говорили, что все людское население земного шара использует сейчас в качестве пищи около 700 млн. т. органических веществ, получаемых непосредственно от растений или от них же, но через посредство животных, в виде молока, яиц, мяса, рыбопродуктов и т. д. Первоисточником всех этих продуктов животного мира служит фотосинтез зеленых растений.

Каковы же главные источники снабжения человека пищей. Частично это — моря и океаны. Оттуда человек получает рыбу, продукты китобойного промысла и др. Но значение- этого источника в питании человечества сравнительно невелико, хотя фотосинтетическая продукция водных растений (главным образом, одноклеточных водорослей морей и океанов) составляет не менее 3/4 всей фотосинтетической продукции всего зеленого мира Земли. Использовать фотосинтетическую продукцию морей и океанов сравнительно трудно. Человек получает ее через посредство сложных и иногда длинных пищевых цепей: первичная органическая биомасса одноклеточных водорослей поедается в основной части низшими беспозвоночными животными, микроскопическими живыми организмами, плавающими в поверхностных слоях воды. Эти микроскопические животные служат пищей для более высокоорганизованных животных, промысловых рыб и крупных животных. В каждом из этих звеньев происходят значительные потери органических веществ и энергии на дыхание, разложение, выпадение мертвых осадков на дно.

Несомненно, что система использования фотосинтетической продукции морей и океанов может еще совершенствоваться и запасы полезной продукции будут увеличиваться. Однако решающую роль в снабжении человека пищей играют и будут играть процессы фотосинтеза наземных зеленых растений. Но и здесь мы сталкиваемся с большим разнообразием их продуктивности.

Значительная часть суши покрыта зелеными массивами естественной растительности: лесами, лугами, степями. Но роль их как непосредственного источника пищевых материалов невелика. Основное средство их использования — это получение кормов для животных или их выпасы. Количество пищевой продукции, получаемое человеком из этого источника, вряд ли составляет более 2% от общего потребления.

Основную же массу пищевых продуктов человек получает, используя культурные растения. Коэффициент использования их продукции человеком наиболее высок. Значительную часть пищевых продуктов он получает прямо от растений в виде зерна, корнеплодов, клубней, луковиц, сахара, растительных жиров, плодов, овощей и т. д.

Другая часть продукции получается через посредство одного единственного звена: через животных (иногда еще при участии микроорганизмов). Это хотя и связано с некоторыми абсолютными потерями первичных органических веществ, но зато обеспечивает получение высококачественных пищевых продуктов животноводства: молока, мяса, яиц и т. д. В конечном итоге культурные растения непосредственно или через посредство животных дают человеку в сумме около 660 млн. т. органических веществ в год в виде разнообразных пищевых продуктов, или 94% от общего потребления.

При этом и КПД использования энергии солнечной радиации культурными растениями в большинстве случаев более высок, чем КПД фотосинтеза естественной растительности. В среднем КПД фотосинтеза культурных растений за весь период роста составляет около 0,5—1%, а в некоторых случаях достигает 2—3%. Теоретически возможны КПД, равные 5—10%.

Принципиально увеличение фотосинтетической продукции пищевых растений возможно за счет расширения площадей под культурным земледелием. Однако возможности здесь не очень велики. Вероятно, в сумме можно расширить посевные площади продовольственных и кормовых культур всего в 2—3 раза. Основная же задача должна заключаться в повышении урожайности сельскохозяйственных растений или, иначе говоря, в повышении коэффициента использования ими энергии солнечной радиации на фотосинтез. Возможности и пути решения этой задачи во многом определяются природой самого процесса фотосинтеза. О ней читатель узнает подробнее из следующих разделов.

Солнечный свет является важным источником энергии на земном шаре. Значение фотосинтеза в природе велико, без него организмы не выживут в окружающей среде. Это особенный этап формирования органических веществ из неорганических. Поступившая из космоса энергия запасается в растениях, обеспечивает жизнедеятельность всего живого.

Общая характеристика

Указанное определение является единственным на планете процессом, связанным с превращением излучения солнечного тепла в энергию. Живые организмы выдыхают кислород в окружающее пространство для следующего использования.

Значение кислорода для жизни

Сотни лет человек был уверен, что растения получают питательные элементы через корневую систему, почву.

В 16 веке ботаником Я. Гельмонтом из Голландии проводился опыт с выращиванием цветка в емкости. После взвешивания почвогрунта до высаживания в горшок и после подрастания стебля ученым сделан вывод, что все представители мира флоры получают обеспечение питательными элементами из жидкости. Этой теории следовали исследователи на протяжении пары веков.

Знаменитый русский ученый Тимирязев называл роль зеленых трав, насаждений и прочей растительности на планете внеземной. По его мнению, главной природной лабораторией является лист, потому что органические элементы произошли от этой части растения. Вне хлорофиллосодержащих элементов ничего не получится.

Опыты Д. Пристли подтвердили, что цветы, трава, кустарники очищают воздух, который ранее был непригоден для поглощения. Процессы невыполнимы без участия тепла и света. Крона растений не только трансформирует газообразные взвеси в кислород, но и вместе с водой является пищей для флоры.

Атмосфера планеты раньше не имела большой концентрации кислорода, но все изменилось с возникновением растительности. Воздух является следствием фотосинтеза, происходящего в зеленых листьях. Глобальный этап изменил облик планеты и побудил к развитию жизни. Существование людей на планете во многом зависит от состояния флоры.

Понятия, роль и этапы

В переводе с греческого языка фотосинтез расшифровывается как соединение. Это значимый процесс перехода энергии света или ультрафиолетового излучения в органическую область. В круговороте веществ образуется и выделяется кислород через клетки растений и бактерий. В синтезе участвуют различные образования (хлорофиллы, бактериохлорофиллы, бактериородопсин).

Фотоафтотрофы в ботанике характеризуют превращение и использования тепловой космической энергии в реакциях, включая трансформирование углекислого газа (УГ) в органические вещества.

Значение велико для целостной биосферы и отдельно взятого организма. Большую часть кислорода вырабатывают фитопланктоны, обитающие в Мировом океане.

В растении, которое согрели своим теплом лучи, в определенном порядке совершаются окислительно-восстановительные процессы.

Стадии фотосинтеза:

Сначала энергия тепла поглощается и передается другим молекулам разного класса. Затем происходит поглощение солнечной энергии, ее передача остальным структурам. На второй стадии световые кванты делятся на заряды, в результате электроны передаются дальше.

Части реакции:

Солнечный свет.
Хлоропласты.
Н2О.
СО2.
Температурный режим.

В результате поглощения света энергия накапливается и используется для выработки кислорода. На третьем этапе осуществляются другие биохимические реакции, в результате которых из углекислого газа вырабатываются глюкоза, сахар, крахмал.

Особенный процесс синтезирования происходит только в растительных клетках и у некоторых бактерий. Фотосинтез возникает при участии зеленого красящего вещества — хлорофилла.

Прочие свойства

Фотосинтез обеспечивает устойчивое содержание углекислого газа в атмосфере, накапливает кислород. Без перечисленных свойств и реакций не будет жизни на Земле.

Постоянство содержания веществ

В воздухе содержится 0,03% УГ. Эта величина сохраняется многие тысячелетия, несмотря на то, что живые организмы в процессе дыхания выделяют углекислый газ.

Процесс выработки УГ:

Гниение.
Разложение мертвых тел.
Извержение вулканической породы.
Пожар.
Сжигание бензина, газа.

Когда растение впитало углекислоту, питательные вещества синтезируются. Под влиянием солнца процесс происходит в зеленых пигментах (хлорофиллах).

Зеленые растения являются промежуточными организмами между планетой и Солнцем. Они схватывают энергию светила и обеспечивают существование жизни на земном шаре.

Огромное количество УГ поглощают зеленые насаждения планеты в процессе фотосинтеза, сохраняя постоянное количество газа в атмосфере.

Благодаря реакции, происходящей в зеленых листьях, энергия лучей не растворяется в пространстве. Она становится химической энергией, ее смысл заключается и состоит из вновь сформированных органических компонентов.

В древние времена на планете не было растительности и кислорода. Безвоздушное пространство не позволяло образоваться новым организмам. Нынешний газовый состав образовался благодаря синтезированию. Благодаря этому организмы на планете — бактерии, грибы, животные, человек и растения — дышат и осуществляют жизнедеятельность.

Из кислорода над Землей под воздействием радиационного облучения Солнца образуется озон. Он задерживает долю ультрафиолетовых лучей, которая неблагоприятно влияет на живые организмы. Озоновый слой, окружающий планету, создает возможность для организмов.

В листике любого растения происходит три значимых действия: фотосинтез, обмен газообразными компонентами и испарение жидкости. Реакции, происходящие в стебле в светлое время суток, позволяют зеленым листьям выводить двуокись углерода и О2. Ночью выделяется только первое вещество.

Вещества органического происхождения, сформированные зелеными растениями, потребляются живыми существами. Результаты процессов жизнедеятельности организмов, продукты гниения и разложения, попадая в верхний слой земной поверхности, тлеют там и участвуют в формировании почвы.

Почвогрунт образуется и вырабатывается на поверхности Земли под влиянием элементов живой и неживой природы. Без органических элементов это образование не формируется.

Важность процессов

Благодаря важной роли фотосинтеза количество энергии увеличивается в атмосфере — ежегодно образуется миллиард тонн органического вещества. Растения выделяют в окружающую среду свыше 200 миллионов тонн кислорода. Эта реакция важна не только для флоры, но и для всего человечества.

Происходящий в растениях биологический процесс ограничивает количество газа, не позволяя ему накапливаться в повышенных дозах. Благодаря зеленым насаждениям не образуется парниковый эффект. Флора защищает планету от перегрева.

Важна роль для лесного хозяйства и аграрного сектора. Растительный мир является питательной средой и основой для гетеротрофных организмов. Деревья, кустарники, цветы, трава преобразовывают азотсодержащие и серные соединения в вещества. Процесс синтезирования реализуется благодаря получению ионов нитратов. Эти вещества преобладают в почвенной воде, а в растение попадают через корни.

Благодаря фотосинтезу образуются составляющие жиров, являющиеся важными резервными элементами. В работе сельхозпредприятий применяются итоги изучения главных особенностей развития и роста флоры. В основу формирования урожая и его результатов заложен фотосинтез. Его интенсивность зависит от водного баланса и минерального наполнения.

Урожайность и всхожесть зависит от габаритов зеленых листьев, интенсивности и продолжительности сопутствующих процессов. Рост плотности посевов приводит к затенению листвы, к ним не может попасть свет, и из-за плохой циркуляции воздушных масс в небольших объемах поступает углекислый газ.

Людям, населяющим планету, экологические продукты фотосинтеза необходимы не только для пищевой значимости, но и для осуществления хозяйственной деятельности.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение профессионального образования

Выполнила студентка гр. ХО-51м Ларина С.Э.

Проверил ст. преподаватель Лысенко А.В.

Современные представления о фотосинтезе

Для образования органического вещества энергии одного кванта не хватает, так как ее при этом бывает в 2—4 раза меньше, чем нужно для осуществления процесса фотосинтеза.

Поэтому сейчас считают, что на восстановление одной молекулы CO ₂ до углеводов требуется от 8 до 12 квантов энергии. Последнее обстоятельство и подчеркивает всю сложность процесса фотосинтеза.

При обычных фотохимических реакциях кванты света посредством сенсибилизаторов поглощаются молекулами. Молекулы при этом переходят в возбужденное состояние, приобретая дополнительный запас энергии. Таким образом, при фотохимической реакции энергия света играет роль толчка, который дает возможность прохождения экзотермической реакции. Можно представить это себе в виде модели. Представим себе наклонную плоскость, в верхней части которой помещен шар, удерживаемый барьером. Если уподобить шар молекуле, обладающей потенциальной энергией, то квант энергии можно уподобить силе, переталкивающей шар через барьер, что даст ему возможность скатиться вниз, т. е. израсходовать свой запас энергии в экзотермической реакции. При фотосинтезе наблюдается обратная картина. Энергия кванта не растрачивается, а сохраняется в виде продуктов реакции и накапливается. Если мы представим себе нашу наклонную плоскость и шар, то отдельные кванты как бы перебрасывают шар на более и более высокие барьеры, которые не дают ему упасть обратно. Падая на барьер, шар теряет часть приобретенной энергии, но все же остается на более высоком энергетическом уровне (рисунок 1).

Дальнейшее развитие наших знаний привело к установлению весьма сложной природы фотосинтеза. Оказалось, что фотосинтез не есть только фотохимическая реакция, но включает в себя и химические реакции, называемые здесь, для противопоставления фотохимическим реакциям, темновыми . Эти темновые реакции протекают гораздо медленнее, чем световые. Если скорость световой реакции составляет 0,00001 секунды, то скорость темновой 0,04 секунды. Основными продуктами фотосинтеза являются углеводы — крахмал и сахар. Есть основание думать, что вопрос этот сложнее. Еще старыми работами В. В. Сапожникова было установлено наличие белков среди продуктов фотосинтеза. Аналогичные данные получены за последние годы А. А. Ничипоровичем и его сотрудниками. Очевидно, белки образуются из углеводов и восстановленного в хлоропластах нитратного азота. Крахмал и сахар являются уже конечными продуктами.

В опытах Т. Ф. Андреевой (1960), проведенных с тяжелым азотом (N 15 ), было показано, что на свету образуется значительно больше белков, чем в темноте. Последнее обстоятельство свидетельствует о происходящем на свету синтезе белков в хлоропластах. Таким образом, синтез аминокислот и белка может происходить в зеленом растении как на свету, так и в темноте. На свету синтез белка происходит в хлоропластах за счет процесса фотосинтеза из неорганического азота и первичных продуктов типа фосфоглицериновой кислоты. В темноте синтез белков идет за счет энергии дыхания, неорганического азота и углеродных цепочек метаболитов дыхания.

Предлагаемое издание является коллективной монографией российских и зарубежных специалистов, посвященной исследованиям проблемы фотосинтеза на разных уровнях организации материи: молекулярном, клеточном и организменном.

Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2014. - Т. 1-2.

В первом томе изложены: история развития флуориметров и их применение при изучении фотосистемы 2 (ФС 2), архитектура и динамика светособирающей антенны ФС2, использование методов нейтронного рассеяния и ЭПР с временным разрешением в исследовании фотосинтеза. Описаны пигмент-белковые взаимодействия и фемтосекундные процессы разделения зарядов в бактериальных реакционных центрах (РЦ), функциональная активность РЦ и механизмы трансмембранного переноса зарядов, фотозащитные механизмы диссипации энергии фотосинтетическим аппаратом. Рассмотрены структура и функции водоокисляющего комплекса ФС2, возможная роль Mn-бикарбонатных комплексов в его эволюционном происхождении и модели фоторазложения воды на основе мимикрирующих фотосинтез оксо-Mn комплексов. Обсуждаются: роль кислорода и его активных форм в фотосинтезе, участие молекулярного водорода в метаболизме микроводорослей, регуляция первичных процессов фотосинтеза водорослей при недостатке серы. Обобщен мировой опыт в области разработки фотобиореакторов и их использования в фотобиотехнологических системах. Имеющиеся в сборнике материалы позволяют рассматривать его как своеобразный отчет о состоянии данного направления в современной науке. Издание будет полезно не только биофизикам, биохимикам и физиологам растений, но и широкому кругу биологов, кроме того, оно может быть использовано как в научной работе, так и в учебном процессе.

Книга есть в сетях Московского дома книги, в сетевых магазинах "Буквоед"

Записей не найдено.

День российской науки

История данного праздника начинается со времен Петра I. В этот день - 8 февраля 1724 года его Указом в России .

Центр передового опыта в области биологии деревьев хельсинкского университета (The Centre of Excellence in Tree Biology) объявляет набор аспирантов и постдоков

ОФР в социальных сетях

Объявления

Ищем авторов новостей

ОФР приглашает к сотрудничеству авторов .

Координатор “Дня Растений – 2021” в России

Ищем желающих взять на себя функции национального координатора проведения Всероссийского "Дня .

Проблема глобального изменения климата и ухудшения экологии поставила человечество перед задачей поиска альтернативных источников энергии. Как результат во многих странах развилась альтернативная энергетика (АЭ), основывающаяся на возобновляемых источниках энергии: солнечный свет, мощь ветра, воды и т. д. Главная задача АЭ – давать большое количество энергии из возобновляемых источников при минимальном вреде экологии. На данный момент КПД систем АЭ невысок относительно затрат, поэтому поиски максимально эффективного способа получить дешевую и безвредную для землян энергию продолжаются. В числе перспективных направлений мировая наука видит природный фотосинтез. Серьезный взгляд на этот уникальный процесс наука обратила в середине 1940‑х годов, когда Ганс Гафрон открыл, что зеленая водоросль Scenedesmus obliquus продуцирует водород.

Фотосинтез – это физико-химический процесс превращения энергии солнечного света в энергию химических связей органических веществ, осуществляемый высшими растениями, микроводорослями и некоторыми бактериями и обеспечивающий жизнь на Земле органическими соединениями и кислородом. В процессе фотосинтеза происходит расщепление воды: образование одной молекулы кислорода из двух молекул воды, сопровождающееся выделением двух эквивалентов водорода.

И если кислород – газ, необходимый всем нам для жизни, в качестве топлива неперспективен, то с водородом все иначе. С помощью топливных ячеек люди могут легко вырабатывать из водорода электричество, а также использовать этот газ в качестве топлива. Что и делают успешно около двухсот лет. Вспомним изобретателя Франсуа Исаака де Риваза, в 1806 году он создал двигатель внутреннего сгорания, который работал на водороде. Используют водород в качестве топлива и сейчас. Неоспоримое преимущество этого газа перед углеродсодержащими топливами в том, что при его сгорании в качестве продукта реакции образуется вода. Вода! Абсолютно безвредный продукт. К тому же при сгорании водорода выделяется в несколько раз больше энергии, чем при сгорании аналогичного количества бензина.

Проблема водородной энергетики заключается в сложности и энергоемкости производства, а также чрезвычайной взрывоопасности водорода. Ко всему производство водорода дорого обходится. Но это только пока. Ученые всего мира работают над воссозданием процесса фотосинтеза в лабораторных условиях, желая получить водород практически бесплатно – исключительно из света и воды.

Утопия или реальность?

Что ж, писатель и географ предвидел будущее. На сегодняшний день ученые очень близки к разгадке тайны фотосинтеза – получению экологически чистой энергии от возобновляемых источников энергии, электронов и протонов (соответственно, солнца и воды). Широко используемые природные виды топлива (нефть, уголь, газ) при сгорании выделяют большое количество диоксида углерода, а также вредные для окружающей среды и здоровья людей оксиды азота и серы. К тому же однажды эти ископаемые закончатся. А вот Солнце будет светить еще миллиарды лет, а воды на Земле в избытке. Таким образом, воссоздание процесса фотосинтеза со временем сведет на нет зависимость человечества от нефти, газа и угля, решит проблему выброса в атмосферу парниковых газов, а значит, улучшит экологию и остановит глобальное потепление. Согласитесь, перспектива фантастическая. Но, главное, вполне реальная.

Фотосинтез намного эффективнее современных способов выработки энергии. Вдумайтесь, в светозависимой стадии фотосинтеза коэффициент преобразования света близок к 100 процентам, для современных солнечных батарей этот показатель в среднем равен 15 процентам. До мельчайших деталей разобравшись в молекулярных механизмах фотосинтеза, ученые создадут искусственную технологию преобразования энергии Солнца и смогут получать электричество, а также молекулярный водород.

Вопрос десятилетия

Группа российских ученых из лаборатории управляемого фотобиосинтеза Института физиологии растений им. А. К. Тимирязева РАН успешно трудится над поиском путей фотовыделения водорода, мимикрирующего природный фотосинтез. О том, каких результатов сегодня удалось добиться ученым, рассказывает заведующий лабораторией доктор биологических наук Сулейман Аллахвердиев: – Мы работаем совместно с японцами, сингапурцами и иранцами, хотим моделировать процесс, который идет в фотосинтезе, и получить такую систему, где с одной стороны – вода и солнечный свет, а на выходе – молекулярный водород. Конкретная задача лаборатории заключается в поиске путей и получении экспериментальной научной информации о возможностях создания новых высокоэффективных нанобиомолекулярных устройств для превращения солнечной энергии в энергию химических соединений с сопутствующим выделением фотоводорода, мимикрирующих природный фотосинтез. А также получение знаний, необходимых для разработки, проектирования и построения полуискусственных и / или искусственных устройств, которые будут способны производить водород. Энергия для этого процесса будет поставляться Солнцем, а электроны и протоны – в результате фотосинтетического расщепления воды в оксигенном фотосинтезе. Оба эти процесса бесплатны, а процесс расщепления воды оптимизирован природой уже в течение миллионов лет.

Я занимаюсь изучением фотосинтеза с 1977 года. Сначала мы много работали над изучением структуры и функции природной фотосистемы-2 и механизмов ее действия (ФС-2 – это особая молекулярная структура, с помощью которой используется энергия солнечного света, необходимая для реакции разложения воды). Наша лаборатория под руководством академика А. А. Красновского, затем академика В. А. Шувалова и впоследствии профессора В. В. Климова при участии к. ф.‑м. н. А. В. Клеваника установила, что в реакционном центре есть еще одна молекула фотохимически активного феофитина. В дальнейшем были получены энергетические и кинетические характеристики ФС-2 с участием феофитина. Это был наш первый вклад, признанный в научном мире. После этого мы сделали много других экспериментов, и еще не одно открытие в процессе исследования фотосистемы-2.

Кроме того, в 1980‑х годах мы установили, что наиболее эффективным катализатором для окисления воды в процессе фотосинтеза является широко распространенный в природе марганцевый комплекс. Марганцевый кластер содержит, как мы показали, 4 атома марганца. Вместе с кальцием они работают как катализатор – расщепляют воду и передают электроны дальше. Мы долго синтезировали и исследовали разные металлы в качестве катализаторов и в конце концов установили, что самый эффективный катализатор – марганцевый комплекс. Это большой шаг в работе по моделированию фотосинтеза.

Последние десять лет мы занимаемся не только исследованием ФС-2, а еще и изучением искусственного и полуискусственного фотосинтеза. Есть много искусственных систем, с помощью которых можно получить электричество. У них максимальная эффективность – около 40 процентов, но при этом они очень дороги. Мы же работаем над тем, чтобы увеличить эффективность процесса получения энергии до 100 процентов, как в природе. Так как в природе энергия квантов поглощенного света с эффективностью около 100 процентов превращается в химическую энергию, то есть квантовый выход этого процесса близок к 1. В данный момент при воссоздании искусственного фотосинтеза мы достигли эффективности 16‑17 процентов. Но задача увеличения этой цифры до 100 процентов – это, возможно, вопрос одного десятилетия.

Совершенно ясно, что никакие полупроводниковые системы не могут показать столь высокую эффективность и столь низкие затраты, как фотосинтез. Таким образом, фотосинтез – единственная известная человеку система, достигающая столь высокого уровня эффективности.

Ученые во всем мире работают над получением водорода лабораторным путем. И есть хорошие результаты. Например, нами в соавторстве с группой ученых из Сингапура получен фотоводород из воды с помощью титановых наночастиц. Но это дорогой способ. Есть в России группа ученых, которые получают водород из цианобактерий. Для этого они используют огромные площади, где выращиваются цианобактерии, и это тоже затратный вариант. Наша задача – получить водород с помощью искусственного фотосинтеза при использовании только света и воды.

К сожалению, в России на альтернативную энергетику на основе фотосинтетических систем никто не обращает внимания. Абсолютно никто. Финансирование нашей работы отсутствует. В РФФИ (российский фонд фундаментальных исследований) я с большим трудом получаю грант в размере всего 500 тысяч рублей. Еще 5 миллионов мне удалось получить из РНФ (российский научный фонд). Мои коллеги в Америке, Японии или Германии (даже, например, в Иране), где есть целевые программы по развитию альтернативной энергетики на основе фотосинтеза, получают более 500 тысяч долларов в год на исследования искусственного фотосинтеза в лаборатории.

Читайте также: