Меню

Что происходит с массой растения при дыхании и фотосинтезе

Фотосинтез и дыхание растений

Фотосинтез — это синтез органических веществ из углекислого газа и воды под действием солнечного света. К фотосинтезу способны организмы, имеющие специальные зеленые пигменты — хлорофиллы, которые улавливают свет и позволяют использовать его энергию для синтеза органики . Это некоторые бактерии (например, цианобактерии), протисты (эвглена, хламидомонада и др.) и растения. У протистов и растений хлорофилл содержится в специальных органоидах — хлоропластах. В результате фотосинтеза растение получает из углекислого газа и воды сахар глюкозу. Этот сахар можно использовать как источник энергии («сжигая» его в ходе клеточного дыхания). А можно использовать как строительный материал: например, сделать из него полимер — целлюлозу — из которой строятся клеточные стенки растений. Другой полимер глюкозы — крахмал — накапливается у растений про запас (из крахмала потом снова можно получить глюкозу). С участием минеральных солей, содержащих азот и серу, из глюкозы можно получить аминокислоты, а из них — белки.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

Кислород, образующийся в ходе фотосинтеза, растения выделяют в атмосферу. Весь кислород атмосферы образовался в результате фотосинтеза. Его используют для дыхания сами растения и другие организмы.

Большинство организмов используют кислород для окисления органических веществ пищи — клеточного дыхания. Этот процесс происходит внутри клеток (у эукариот в специальных органоидах — митохондриях) и служит для снабжения организма энергией. Организмы, использующие кислород, называются аэробы. Организмы, не нуждающиеся в кислороде — анаэробы; они получают энергию в ходе брожения. К анаэробам относятся многие бактерии, некоторые грибы (дрожжи) и животные (например, обитатели кишечника — паразитические черви).

Суммарное уравнение дыхания:

Растения при дыхании поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Фотосинтез идет в растениях только на свету, а дыхание происходит и на свету, и в темноте.

Источник

Что такое фотосинтез и почему он так важен для нашей планеты

Фотосинтез — один из самых важных биологических процессов на Земле. Благодаря фотосинтезу живые организмы получают кислород, необходимый для дыхания, а сами растения создают полезные органические вещества для своей жизнедеятельности. В этой статье мы поговорим о том, что обозначает фотосинтез, как он происходит и что образуется в процессе фотосинтеза.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл.

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом.

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Пигменты хлоропластов

Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:

  • Хлорофиллы:
  • хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
  • хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
  • хлорофилл c — у бурых водорослей,
  • хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
  • Каротиноиды:
  • каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
  • ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
  • Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.

В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.

Хлорофилл

Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.

Читайте также:  Хранение пв клеток растений и животных

Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.

Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды

Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску.

  • Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
  • Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.

Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду BIO72020вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества.

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

  1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II.
  2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
  3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I, отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Читайте также:  Юкка похожее на нее растения

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

  1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
  2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
  3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода.

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Источник

Чем дышат растения и как дышат растения

Дыхание — это цепь химических реакций, которая позволяет всем живым существам синтезировать энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности. Чем дышат растения и как дышат растения — об этом читайте ниже.

Это биохимический процесс, при котором воздух перемещается между внешней средой и тканями и клетками вида. При дыхании происходит вдыхание кислорода и выдох углекислого газа. Поскольку сущность получает энергию за счет окисления питательных веществ и, следовательно, высвобождения отходов, это называется метаболическим процессом.

Давайте взглянем на дыхание растений, чтобы узнать о процессе дыхания и о различных типах дыхания, которые происходят у растений.

Дышают ли растения ?

Да, как животные и люди, растения тоже дышат.

Растения действительно нуждаются в кислороде, чтобы дышать, в ответ на это выделяется углекислый газ. В отличие от людей и животных, растения не обладают какими-либо специализированными структурами для обмена газов, однако они обладают устьицами (обнаруженными в листьях) и чечевичками (обнаруженными в стеблях), активно участвующими в газообмене. Листья, стебли и корни растений дышат медленнее, чем люди и животные.

Читайте также:  Вирусные заболевания растений признаки лечение

Дыхание отличается от дыхания. И животные, и люди дышат, что является одной из ступеней дыхания. Растения участвуют в дыхании на протяжении всей своей жизни, так как растительной клетке нужна энергия для выживания, однако растения дышат иначе, благодаря процессу, известному как клеточное дыхание.

В процессе клеточного дыхания растения производят молекулы глюкозы посредством фотосинтеза, улавливая энергию солнечного света и превращая ее в глюкозу. Несколько живых экспериментов демонстрируют дыхание растений. Все растения дышат, чтобы обеспечить энергией свои клетки, чтобы они были активными или живыми.

Давайте посмотрим на дыхательный процесс у растений.

Процесс дыхания у растений

Во время дыхания в разных частях растения происходит значительно меньший газообмен. Следовательно, каждая часть питает и удовлетворяет свои собственные потребности в энергии.

Следовательно, листья, стебли и корни растений обмениваются газами по отдельности. Листья обладают устьицами — крошечными порами, предназначенными для газообмена. Кислород, потребляемый через устьица, используется клетками листьев для разложения глюкозы на воду и углекислый газ.

Дыхание в корнях

Корни, подземная часть растений, впитывают воздух из воздушных зазоров / промежутков между частицами почвы. Следовательно, кислород, поглощенный корнями, используется для высвобождения энергии, которая в будущем будет использоваться для транспортировки солей и минералов из почвы.

Мы знаем, что растения обладают особой способностью синтезировать собственную пищу посредством фотосинтеза. Фотосинтез происходит только в тех частях растений, которые имеют хлорофилл — зеленых частях растений. Фотосинтез настолько очевиден, что иногда кажется, что он маскирует дыхательный процесс у растений. Дыхание не следует принимать за фотосинтез. Дыхание происходит в течение всего дня, но процесс фотосинтеза происходит днем, только при наличии солнечного света. Следовательно, дыхание растений становится очевидным в ночное время.

Это причина, по которой мы часто слышим, как люди предостерегают от сна под деревом в ночное время, поскольку это может привести к удушью из-за избыточного количества углекислого газа, выделяемого деревьями после дыхания.

Дыхание в стеблях

Воздух в случае стебля диффундирует в устьица и проходит через разные части клетки, чтобы дышать. На этом этапе высвободившийся диоксид углерода также распространяется через устьица. Известно, что чечевички осуществляют газообмен у древесных или высших растений.

Дыхание в листьях

Листья состоят из крошечных пор, известных как устьица. Газообмен происходит путем диффузии через устьица. Сторожевые клетки регулируют каждую из устьиц. Обмен газов происходит при закрытии и открытии устьиц между нижним листом и атмосферой.

Различия между дыханием растений и фотосинтезом

Разница между дыханием растений показана в таблице.

Фотосинтез Дыхание
Этот процесс характерен для всех зеленых растений, содержащих пигменты хлорофилла. Этот процесс характерен для всех живых существ, включая растения, животных, птиц и т. д.
Пища синтезируется. Пища окисляется.
Энергия сохраняется. Высвобождается энергия.
Это анаболический процесс. Это катаболический процесс.
Требуется цитохром. Здесь тоже нужен цитохром
Это эндотермический процесс. Это экзотермический процесс.
В его состав входят такие продукты, как вода, кислород и сахар. В его состав входят такие продукты, как диоксид углерода и водород.
Возникает в дневное время только при наличии солнечного света. Это непрерывный процесс, происходящий на протяжении всей жизни

Типы дыхания

Есть два основных типа дыхания.

Аэробное дыхание

Этот тип дыхания имеет место в митохондриях всех эукариотических организмов. F молекулы полностью окисляются в двуокись углерода, воду, и энергия высвобождается в присутствии кислорода. Этот тип дыхания наблюдается у всех высших организмов и требует атмосферного кислорода.

Анаэробное дыхание

Этот тип дыхания происходит в цитоплазме прокариотических образований, таких как дрожжи и бактерии. Здесь меньше энергии высвобождается в результате неполного окисления пищи в отсутствие кислорода. Этиловый спирт и диоксид углерода образуются во время анаэробного дыхания.

Как растения дышат ?

Все зеленые растения дышат посредством клеточного дыхания. В этом процессе питательные вещества, полученные из почвы, превращаются в энергию и используются для различных клеточных действий.

Дышат ли растения ночью ?

Да, растения дышат на протяжении всей своей жизни как днем, так и ночью. Химическое уравнение клеточного дыхания выражается как кислород + глюкоза -> углекислый газ + вода + тепловая энергия.

Назовите дыхательный орган в древесных стеблях ?

У твердых и древесных стеблей дыхание или газообмен происходит через чечевички. Это маленькие поры, разбросанные по всей коре и встречающиеся на всех деревьях.

Какова роль устьиц в дыхании растений ?

Устьица — это крошечные поры, расположенные на эпидермисе листьев, стеблей и других органов. Во время клеточного дыхания устьица способствуют газообмену, открывая и закрывая поры.

Какая часть корней участвует в обмене дыхательных газов ?

Корневые волоски, трубчатые отростки эпидермиса, участвуют в обмене дыхательных газов.

Источник