Фотосинтезом називають процес синтезу органічних сполук з неорганічних (СО2 та Н2С2)» який відбувається з використанням променистої енергії Сонця за участю хлорофілу.

Цей складний і багаттоступінчастий процес (мал.) розпочинається з поглинання квантів світла молекулою хлорофілу. Зелений колір його зумовлений поглинанням переважно червоних і фіолетових променів сонячного спектра. З моменту поглинання сонячного світла хлорофілом розпочинається світлова стадія фотосинтезу.

Під впливом фотонів світла відбувається збудження молекули хлорофілу, причому рівні збудження можуть бути різними. Суть цього процесу полягає в тому, що електрони в молекулі хлорофілу переходять на вищий енергетичний рівень, нагромаджуючи потенціальну енергію. Частина з них відразу повертається на попередній рівень, а енергія, яка виділяється при цьому, випромінюється у вигляді теплоти. Значна частина електронів з високим рівнем енергії передає її іншим хімічним сполукам для виконання фотохімічної роботи, яка здійснюється в кількох основних напрямках.

1. Перетворення енергії електронів на енергію АТФ: АДФ.4 Ф + Енергія —> АТФ. Оскільки приєднання залишків фосфорної кислоти відбувається за рахунок енергії світла, цей процес називається фотофосфорилюванням.

2. Перебіг процесу фотолізу води: Н2О —> Н+ + ОН-. У результаті іони Н+, приєднуючи електрони з високим енергетичним рівнем, перетворюються на атомарний водень, який використовується в наступних реакціях фотосинтезу, а гідроксильні іони, взаємодіючи між собою, утворюють молекулярний кисень, воду і вільні електрони:

3. Передача енергії електронами з високим енергетичним рівнем через низку проміжних речовин для відновлення універсального біологічного переносника (акцептора) водню НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотид-фосфат). Внаслідок поглинання енергії НАДФ приєднує два атоми водню, що вивільнились у процесі фотолізу води, і перетворюється на НАДФ * Н2 (відновлена сполука). Отже, для світлової стадії фотосинтезу характерне перетворення енергії — збудження електронів хлорофілу, фотоліз води, утворення АТФ і відновлення НАДФ.

Далі настає темнова стадія фотосинтезу, для перебігу якої світло не потрібне. За наявності вуглекислого газу та енергії АТФ, що утворилися внаслідок перебігу світлових реакцій, відбувається приєднання водню до CO2, який надходить у хлоропласти із зовнішнього середовища. Відбуваються послідовні реакції за участю специфічних ферментів, внаслідок чого утворюються різні сполуки, серед яких перше місце посідають вуглеводи.

Процес фотосинтезу можна подати таким сумарним рівнянням:

Фотосинтез має велике значення для існування біосфери. Зелені рослини завдяки фотосинтезу щорічно вносять до складу органічних речовин близько 170 млрд. т вуглецю, здатні поновити увесь кисень атмосфери приблизно за 2 тис. років і увесь вуглекислий газ — за 300 років. Проте в процесі фотосинтезу використовується лише 1 % усієї сонячної енергії, яка потрапляє на рослини.

Вагомий внесок у вивчення ролі світла і хлорофілу в процесі фотосинтезу зробив видатний російський вчений К. А. Тимірязєв. За його словами, зелені рослини відіграють космічну роль завдяки тому, що вони здатні засвоювати сонячну енергію. Ця енергія, акумульована в органічних речовинах, використовується всіма живими організмами нашої планети.

Шляхи підвищення продуктивності фотосинтезу. Складні біохімічні процеси, які відбуваються під час світлової і темнової стадії фотосинтезу, зумовлюють і складний характер залежності цієї функції від умов життя рослини. На інтенсивність процесу фотосинтезу впливають як комплекс зовнішніх факторів — освітленість, температура середовища, вміст вуглекислого газу, вологість тощо, так і біологічні особливості рослин, специфіка їхньої реакції на зовнішні впливи. Ось чому процес фотосинтезу слід розглядати як результат взаємодії всього комплексу внутрішніх і зовнішніх чинників у життєдіяльності рослин.

Щодо освітленості, температури, вологості потреби різних видів рослин дуже відрізняються — є світлолюбні і тіневитривалі види, теплолюбні, холодостійкі, посухостійкі види тощо. Проте можна зазначити, що для більшості видів рослин інтенсивність фотосинтезу посилюється з підвищенням температури і досягає максимуму за температури 25 °С, вмісту СО2 близько 1 % і насичення водою. Подальше зростання цих показників може лослаблювати інтенсивність фотосинтезу. Підвищення інтенсивності сонячного освітлення від 1 до 30 % (від максимального) спричинює значне посилення інтенсивності фотосинтезу в усіх вищих рослин, а подальше підвищення інтенсивності освітлення посилює фотосинтез лише у світлолюбних рослин.

Фотосинтез — це основний процес утворення органічних речовин, що в поєднанні з асиміляцією мінеральних солей із ґрунту створює біомасу рослин. Органічні речовини, що утворюються в процесі фотосинтезу, становлять близько 95 % сухої маси рослини. Тому керування процесом фотосинтезу, підвищення його продуктивності — один із ефективних методів впливу на продуктивність рослин, а для сільськогосподарських культур — це важливий засіб підвищення врожаю. Розроблено комплекс агротехнічних заходів, які дають змогу впливати на процес фотосинтезу. До них належить забезпечення потреб рослини водою і мінеральними солями, у тому числі мікроелементами (міддю, цинком тощо), від яких залежить продуктивність роботи всього фотосинтезуючого апарату рослин.

Дуже ефективним методом є підвищення вмісту СО2 шляхом поливання рослин водою, яка насичена вуглекислим газом. Важливим є також правильне розміщення рослин та густоти посіву їх. Цей метод дає змогу запобігти самозатіненню рослин і використати максимальну площу їхніх листків. Велику роль в ефективності використання сільськогосподарськими культурами сонячної енергії відіграє селекція — створення посухостійких сортів, які мають високі інтенсивності фотосинтезу і ростових процесів.

Отже, газову функцію здійснюють зелені рослини, які в процесі фотосинтезу виділяють в атмосферу кисень, рослини і тварини, які під час дихання виділяють вуглекислий газ, а також багато видів бактерій, які відновлюють азот із сполук, сірководень та ін.

74 -77

Поняття біосфери

Людина завжди стикалася з оточуючим її світом живої природи, з величезною різноманітністю