Обмен веществ и энергии в клетках организма

Другим фактором является концентрация углекислого газа. Чем выше количество углекислого газа, тем интенсивнее идет процесс фотосинтеза. В обычных условиях недостаток углекислого газа является главным лимитирующим фактором, так как в атмосферном воздухе содержится небольшой его процент. Однако в условиях теплиц можно устранить этот дефицит, что благоприятно влияет на интенсивность роста и развития растений.

Немаловажным фактором является температура.

Все реакции фотосинтеза катализируются ферментами, для которых оптимальной температурой является интервал 25–30 °C. При низких температурах скорость действия ферментов резко снижается.

Вода является также важным фактором, влияющим на фотосинтез. Однако оценить количественно этот фактор невозможно, так как она участвует во многих других обменных процессах.

Значение фотосинтеза

Жизнь на Земле зависит от фотосинтеза. Предполагают, что первые древние организмы располагали избыточным количеством органических соединений, образовавшихся в результате геохимических процессов. Однако большая часть этих веществ была использована на заре развития жизни на Земле. С тех пор почти все органические вещества, необходимые для функционирования живых систем, образуются в процессе фотосинтеза. Первичный синтез органических веществ обеспечивает процессы ассимиляции и диссимиляции у всех живых организмов.

Человечество своим существованием обязано фотосинтезу.

Все запасы горючего на Земле и пищи — это продукты фотосинтеза. Используя топливо, мы получаем энергию, которая была запасена в органических веществах при фотосинтезе. Продукты фотосинтеза — органические вещества, которые используются живыми организмами для построения клеток; в качестве источника энергии и питательных веществ во всех процессах жизнедеятельности.

Человек использует продукты фотосинтеза для продуктов питания; в качестве источника энергии для всех отраслей промышленности (уголь, нефть, природный газ, торф, древесина — все эти вещества являются продуктами фотосинтеза); в качестве строительного материала для постройки жилища, в производстве мебели, в кораблестроении и т. д.

Одновременно с синтезом органических веществ в атмосферу выделяется кислород, который необходим для дыхания. Без кислорода невозможно представить себе жизнь на Земле. Его запасы постоянно расходуются в процессе дыхания практически всех живых организмов, а также на процессы горения и окисления, происходящие в неживой природе. По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован в течение 3000 лет. Следовательно, фотосинтез имеет величайшее значение для жизни на Земле.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В каких органоидах идет процесс фотосинтеза? Как они устроены?

2. Какова роль хлорофилла в реакциях фотосинтеза?

3. Как происходит фотолиз воды? Объясните роль Н⁺-резервуара. Как происходит восстановление потерянных хлорофиллом электронов?

4. Как используется энергия возбужденных электронов?

Какова роль каналов АТФ-азы?

5. Какое вещество связывает протоны? Как происходит этот процесс?

6. Назовите основные реакции, вызываемые светом.

7. В какой части хлоропластов протекают реакции темновой фазы? Назовите основные реакции этой фазы.

8. За счет какой энергии осуществляются циклические реакции в темновой фазе?

9. Каково значение фотосинтеза? В чем заключается космическая роль зеленых растений?

4. Хемосинтез

Фотосинтез не единственный способ автотрофного питания. Существует еще один способ синтеза органических веществ из неорганических, для которого не нужна световая энергия. На Земле существуют организмы, которые извлекают энергию путем окисления различных неорганических веществ и используют ее для восстановления углекислого газа в органические вещества. Процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии окисления неорганических веществ называется хемосинтезом. Он относится к хемоавтотрофному питанию.

Хемосинтезирующие организмы были открыты русским микробиологом С. Н. Виноградским в 1887 г. Это бактерии, которые для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций, выделяющуюся при окислении неорганических веществ.

В зависимости от того, окисление какого вещества сопровождается выделением энергии, различают азот-фиксирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии, железо-, серобактерии и т. д. Так как это прокариотные организмы, то в их клетках отсутствуют специализированные органеллы, в которых могут происходить окислительно-восстановительные реакции. Процессы хемосинтеза у них протекают на выростах плазматической мембраны — мезосомах. Источником водорода в этих реакциях является не только вода, но и неорганические соединения: сероводород H₂S, водород H₂.

Рассмотрим химические процессы, которые протекают в клетках некоторых хемосинтезирующих бактерий.

1. У железобактерий происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное, которое сопровождается выделением энергии: