Фотосинтез, его значение. Современные представления о сущности фотосинтеза.

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

Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется около 200 млн. тонн свободного кислорода.

Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации СО2, предотвращая перегрев Земли вследствие так называемого «парникового эффекта».

Поскольку зеленые растения представляют собой непосредственную 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 на него еще не велики, но все же и они, в какой то мере используются. При повышении концентрации углекислого газа в воздухе до 0,1% (против 0,3% в естественной атмосфере) удалось, например, повысить урожайность огурцов и томатов втрое.

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

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

Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в химическую энергию органических соединений. Синтезированные органические соединения служат основным источником энергии для всей биосферы. Процесс синтеза органического вещества за счет углерода в живой природе осуществляется с помощью фотосинтеза растений, бактериального фотосинтеза и хемосинтеза.

Ведущее значение фотосинтеза может характеризоваться следующими данными. В период интенсивного роста суточные приросты сухой массы составляют в среднем 150 кг, а в лучших случаях — 500 кг на 1 га. При этом корни усваивают в виде ионов 2 кг азота, 0,5 кг фосфора, 4 кг калия и 4 кг других элементов. За это же время листья усваивают 1000 кг СО2. При средней урожайности корней сахарной свеклы 300 ц с 1 га растения за вегетационный период усваивают 150 кг азота, 30 кг фосфора, 160 кг калия и 4200 кг углерода, что соответствует поглощению 20 т СО2. В урожае аккумулируется 167,2 ГДж энергии. Это необходимо иметь в виду при обосновании целей и задач земледелия, которое представляет собой систему использования основной функции зеленых растений — фотосинтеза.

Фотосинтез растений мог возникнуть лишь на определенном этапе существования и развития жизни на Земле как дальнейшее усложнение и развитие менее совершенных форм фиксации углекислого газа. Очевидно, типы ассимиляции СО2 в процессе эволюции обмена веществ развивались от гетеротрофного к автотрофному (фотосинтезу) через хемотрофию, фоторедукцию. Фотосинтез осуществляют высшие растения, водоросли и некоторые бактерии.

Английский ботаник и химик С. Гейлс (1727) высказал предположения, что растения значительную часть «пищи» получают из воздуха. Подобные идеи высказывал и российский ученый, М. В. Ломоносов. В 1753 году, изучая различные воздушные явления, М. В. Ломоносов писал: «Преизобильное орошение тучных дерев, которые на бесплодном песку корень свой утверждали, ясно изъявляет, что листами жирный тук из воздуха впитывают...». Так возникла идея о воздушном питании растений.

Началом экспериментальных работ в области фотосинтеза послужили опыты английского химика Дж. Пристли. В 1771 году он обнаружил, что растения мяты, помещенные в стеклянный кувшин, опрокинутый в сосуд с водой, «исправляют» в нем воздух, «испорченный» горением свечи или дыханием мыши. В связи с этим выводом и последующими опытами Пристли в 1774 году открыл кислород. Через год независимо от него кислород был открыт во Франции А. Л. Лавуазье, который и дал название этому газу.

В 1766 году шведский химик К. В. Шееле повторил опыты Пристли, но не получил того же эффекта, который был описан Пристли. Объяснил противоречие голландский врач Я. Ингенхауз, который доказал, что зеленые растения выделяют кислород только на свету.

Швейцарский исследователь Ж. Сенебье в 1782 году установил, что растения на свету поглощают СО2, и назвал это явление «углеродным питанием».

В 1804 году швейцарский исследователь Т. Соссюр установил, что растения на свету поглощают СО2 и воду и выделяют кислород, и сделал вывод, что органическая масса растений образуется за счет СО2 и воды, т. е. вода является необходимым элементом питания.

Французские химики П. Ж. Пелетье и Ж. Кавенту в 1817 году выделили из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофиллом. В 1865 году немецкий физиолог Ю. Сакс продемонстрировал, что на свету в листьях образуется крахмал и он находится в хлоропластах. Сам процесс обнаружения крахмала в листьях стали называть «пробой Сакса».

Первые опыты по выяснению роли листа образования кислорода при фотосинтезе были сделаны немецким физиологом Т. В. Энгельманом (1881). Было установлено, что кислород на свету выделяют хлоропласты.

 

Значением света в процессе фотосинтеза занимался американский физик Дж. У. Дрепер (1846), который вслед за Ю. Саксом и В. Пфеффером считал, что фотосинтез лучше протекает в желтых лучах. Но уже в то время было известно, что хлорофилл имеет два максимума поглощения в красной и синей частях спектра. Исходя из этих данных, делает вывод, что процесс фотосинтеза не подчиняется закону сохранения энергии, а свет действует как раздражитель. Против этого утверждения выступили Ю. Р. Майер и Г. Гельмгольц, сформулировавшие закон сохранения и превращения энергии. На основании теоретических рассуждений они утверждали, что зеленые растения поглощают лучистую солнечную энергию и превращают ее в химическую, т. е. фотосинтез — это процесс трансформации энергии в энергию химических связей.

Экспериментальные доказательства этой точки зрения были получены российским физиологом К. А. Тимирязевым в 1875 году. Тимирязев постулировал, что при ассимиляции СО2 хлорофилл служит оптическим сенсибилизатором (т. е. веществом, увеличивающим чувствительность к свету) и что он непосредственно участвует в процессе фотосинтеза, необратимо переходя из восстановленного состояния в окисленное. Он сформулировал идею о космической роли фотосинтеза.

Таким образом, к концу 19-го столетия сложилось представление об общем уравнении фотосинтеза.