Фотосинтез: как растение кормится светом
Фотосинтез, пожалуй, самая важная реакция на Земле. Благодаря ей у нас есть кислород для дыхания, еда и даже нефть с углём. Его проходят по биологии несколько раз, с 5 по 11 класс, и всё равно многие путают, что растение берёт, а что отдаёт. Разбираем по шагам, а заодно рассказываем, как учёные это открыли.
Для 5–11 классов, подготовка к ОГЭ и ЕГЭ по биологии.
Откуда растение берёт массу
В XVII веке фламандский учёный Ян ван Гельмонт поставил простой опыт. Он посадил в горшок с землёй ивовый росток весом около двух килограммов и пять лет только поливал его. Ива выросла и стала весить больше семидесяти килограммов. А земля в горшке за это время потеряла всего около пятидесяти граммов.
Ван Гельмонт решил, что дерево выросло из воды. Он был прав наполовину. Вторую половину ответа нашли через сто с лишним лет: основная масса растения берётся из углекислого газа воздуха. Дерево по сути сделано из воздуха и воды, а из почвы оно забирает лишь немного минеральных веществ.
Как открыли фотосинтез
В 1771 году английский химик Джозеф Пристли накрыл стеклянным колпаком горящую свечу. Она быстро погасла. Мышь под колпаком тоже погибала. Но если под колпак поставить веточку мяты, через несколько дней свеча снова горела, а мышь жила. Пристли понял, что растение «исправляет» испорченный воздух.
Через несколько лет нидерландский врач Ян Ингенхауз уточнил: растение очищает воздух только на свету, а в темноте, наоборот, тоже «портит» его, как животное. Так выяснилось, что для фотосинтеза нужен свет, а дышат растения всегда, и днём, и ночью.
Большой вклад внёс русский учёный Климент Тимирязев. Он показал, что растения лучше всего используют красные лучи, и написал знаменитые книги «Жизнь растения» и «Солнце, жизнь и хлорофилл». Он же говорил о «космической роли растения»: зелёный лист служит посредником между Солнцем и жизнью на Земле.
Уравнение фотосинтеза
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Читаем: шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды при участии света и хлорофилла превращаются в одну молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. Энергия солнечного света запасается в химических связях глюкозы. Потом растение использует глюкозу как топливо и строительный материал: из неё делается крахмал в картофеле, целлюлоза в древесине, сахар в свёкле.
Важная деталь, на которой ловят на экзаменах: кислород выделяется из воды, а не из углекислого газа. Это доказали в 1941 году, пометив кислород в воде особым тяжёлым изотопом. Меченые атомы оказались в выделившемся газе.
Две фазы
| Световая фаза | Темновая фаза | |
|---|---|---|
| Где идёт | мембраны тилакоидов хлоропласта | строма хлоропласта |
| Нужен ли свет | да | нет, но идёт и на свету |
| Что происходит | расщепление воды, выделение O₂, запас энергии в АТФ | из CO₂ собирается глюкоза |
Световую фазу можно сравнить с электростанцией: свет выбивает электроны из хлорофилла, вода расщепляется, кислород уходит наружу, а энергия запасается в молекулах АТФ и НАДФ·Н. Темновую фазу с заводом, который на этой энергии собирает из углекислого газа сахар. Название «темновая» сбивает с толку: она не требует темноты, просто свет ей не нужен напрямую.
Почему листья зелёные
Хлорофилл хорошо поглощает красный и синий свет, а зелёный почти не использует и отражает. Его мы и видим. Получается, лист зелёный как раз потому, что зелёный свет ему не нужен.
Осенью растение перестаёт делать новый хлорофилл и разбирает старый, чтобы сохранить ценные вещества до весны. Тогда становятся видны пигменты, которые были в листе всё лето, но прятались под зелёным: жёлтые и оранжевые каротиноиды. Красный цвет кленов и осин дают антоцианы, они как раз образуются осенью, особенно в солнечную и прохладную погоду.
Миф о «лёгких планеты»
Тропические леса Амазонии часто называют лёгкими планеты. Красиво, но неточно. Лес действительно выделяет огромное количество кислорода, но почти столько же сам и потребляет: деревья дышат, а опавшие листья и стволы разлагают бактерии и грибы, на это тоже уходит кислород. Итоговый вклад зрелого леса в кислород атмосферы близок к нулю. Леса важны по другим причинам: они хранят углерод, делают климат мягче, дают дом миллионам видов.
А около половины кислорода производят крошечные водоросли и цианобактерии в океанах, фитопланктон. Именно цианобактерии около 2,4 миллиарда лет назад впервые наполнили атмосферу кислородом. До этого дышать на Земле было нечем.
Что спрашивают на экзаменах
- Какие вещества нужны для фотосинтеза и какие образуются.
- Где идёт каждая фаза и что в ней происходит.
- Откуда берётся кислород: из воды.
- Чем фотосинтез отличается от дыхания: при дыхании глюкоза расщепляется с поглощением кислорода, при фотосинтезе образуется с выделением.
- Опыты с растением на свету и в темноте, с йодом и крахмалом.
Задача
Растение поставили на двое суток в тёмный шкаф, затем часть листа закрыли непрозрачной бумагой и выставили на свет. Через несколько часов лист обработали йодом. Где лист посинеет и почему?
В темноте растение израсходовало запасы крахмала в листьях.
На свету фотосинтез шёл только в открытой части листа, там образовалась глюкоза, а из неё крахмал.
Йод окрашивает крахмал в синий цвет.
Ответ: посинеет только открытая часть листа: крахмал образуется на свету.
Разберём на занятии
Занимаемся по всем школьным предметам с 4 по 11 класс: живые занятия, общая доска и домашка, которую проверяет тот же преподаватель.
Первое занятие бесплатное: можно посмотреть формат вместе с ребёнком и решить, подходит ли он.
Частые вопросы
Дышат ли растения?
Да, всегда: днём и ночью они поглощают кислород и выделяют углекислый газ, как животные. Днём фотосинтез идёт сильнее дыхания, поэтому растение в итоге выделяет кислород.
Вредно ли спать с цветами в комнате?
Нет. Ночью растения поглощают немного кислорода, но это ничтожно по сравнению с тем, что тратит спящий человек или его домашний питомец.
Какой КПД у фотосинтеза?
Небольшой: растения запасают обычно один-два процента энергии падающего света, у лучших культур в хороших условиях до нескольких процентов. Солнечные батареи эффективнее, но они не умеют расти и размножаться.