Влияние внешних условий на процесс фотосинтеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Физиолого-биохимические аспекты фотосинтеза

1.1 Понятие о физиологически активной радиации (ФАР) и методах её измерения

1.2 Усвоение солнечной энергии при фотосинтезе

1.3 Экономический коэффициент фотосинтеза

1.4 Квантовый выход фотосинтеза

1.5 Современные представления о химизме фотосинтеза

1.6 Потоки электронов и протонов, образование АТФ и восстановление НАДФ. Фотолиз воды.

1.7 С 4- путь фотосинтеза

1.8 Метаболизм по типу толстянковых

2.Эксперементальная часть «Влияние внешних условий на процесс фотосинтеза»

2.1 Методика исследования

2.2 Результаты и обсуждение

Заключение и выводы

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Фотосинтез -- это процесс, при котором энергия солнечного света превращается в химическую энергию. В самом общем виде это можно представить следующим образом: квант света {hv) поглощается хлорофиллом, молекула которого переходит в возбужденное состояние, при этом электрон переходит на более высокий энергетический уровень. В клетках зеленых растений в процессе эволюции выработался механизм, при котором энергия электрона, возвращающегося на основной энергетический уровень, превращается в химическую энергию. Только с помощью зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде энергии химических связей. Таким образом, органические вещества, которыми питаются животные и человек, первоначально создаются в зеленом листе. Большая часть той энергии, которая используется человеком на заводах и фабриках, т. е. энергия, благодаря которой происходит движение различных механизмов, машин и самолетов,-- это все энергия Солнца, преобразованная в зеленом листе. Исследования показали, что весь кислород атмосферы фотосинтетического происхождения. Следовательно, процессы дыхания и горения стали возможны только после того, как возник фотосинтез. Все это и позволяет говорить о космическом значении фотосинтеза. Чтобы лучше представить себе масштабы процесса фотосинтеза, приведем несколько цифр. Согласно данным французского исследователя Дювиньо (1972), ежегодно в процессе фотосинтеза растениями суши образуется 3,1 -10¹⁰ т органического вещества, в том числе на долю лесов приходится 2,04 * 10¹⁰ т, лугов, степей--0,3-*10¹⁰ т, пустынь -- 0,11-10¹⁰ т, культурных полей -- 0,56 * 10¹⁰ т. Если учесть продукцию органического вещества растений планктона, цифры значительно возрастут и достигнут величины примерно 5,8 * 10¹⁰ т в год. Энергия, накапливаемая в процессе фотосинтеза за один год, приблизительно в 100 раз больше энергии сгорания всего добываемого в мире за этот же период угля.

Содержание СО₂ г в атмосфере непрерывно пополняется за счет растворенных в воде карбонатов и бикарбонатов. Кроме того, углекислый газ выделяется из почвы в результате различных микробиологических процессов, связанных с окислением органических веществ (до 25--30 кг СО₂ г на 1 га в сутки). Фотосинтез имеет важнейшее значение и в жизни самого растительного организма. Согласно расчетам А. А. Ничипоровича, в период наиболее активного роста растений суточные приросты сухого вещества достигают 300 и даже 500 кг/га. При этом в течение суток растение усваивает 1 -- 2 кг N, 0,1--0,2 кг Р, 0,8--1,7 кг К и до 1000 кг СО₂.

Учитывая значение процесса фотосинтеза, раскрытие его механизма является одной из наиболее важных и интересных задач, стоящих перед физиологией растений. Датой открытия процесса фотосинтеза можно считать 1771 г. Английский ученый Д. Пристли обратил внимание на изменение состава воздуха вследствие жизнедеятельности животных. В присутствии зеленых растений воздух вновь становился пригодным как для дыхания, так и для горения. В дальнейшем работами ряда ученых (Ингенгауз, Сенебье, Соссюр, Буссенго) было установлено, что зеленые растения из воздуха поглощают СО₂ , из которого при участии воды на свету образуется органическое вещество. Именно этот процесс в 1877 г. немецкий ученый Пфеффер назвал фотосинтезом. Большое значение для раскрытия сущности фотосинтеза имел закон сохранения энергии, сформулированный Р. Манером. В 1845 г. Р. Майер выдвинул предположение, что энергия, используемая растениями, -- это энергия Солнца, которую растения в процессе фотосинтеза превращают в химическую энергию. Это положение было развито и экспериментально подтверждено в исследованиях замечательного русского ученого К. А. Тимирязева.

1. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ФОТОСИНТЕЗА

1.1 Понятие о физиологически активной радиации (ФАР)

фотосинтез энергия радиация физиологический

Световой луч, представляя собой единое целое, не однороден. Белый свет Солнца содержит совокупность лучей разного цвета. При помощи хорошо известного опыта с трехгранной призмой свет можно разложить на ряд элементов -- гамму цветов, которые создают непрерывный спектр. Цвета постепенно переходят один в другой. Четкой границы между ними нет. Такой цветовой спектра впервые получил во второй половине XVII в. английский физик И.Ньютон.

В спектре четко различают семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Рисунок 1.1. Различные виды электромагнитных излучений и положение среди них видимых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.

В спектре поглощения хлорофиллов а и b - два ярко выраженных максимума: в красной области 660 и 640 нм, в сине-фиолетовой - 430 и 450 нм (рис.1). В живом зеленом листе спектр поглощения хлорофиллов более широкий и выровненный. Лучи в области 400 - 750 нм, т. е. в зоне поглощения хлорофилла, можно назвать фотосинтетически активными. У хлорофилла а поглощение в синих лучах примерно в 1,3 раза больше, чем в красных, а у хлорофилла b в 3 раза.

Величина квантов и их энергетический потенциал изменяются при этом слева направо: кванты синих лучей значительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлорофилла, часть энергии квантов рассеиваются в виде тепла, поэтому отраженные кванты несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Поэтому мы видим красное свечение при освещении хлорофилла белым светом, то есть явление флюоресценции.

Из рисунка 2 видно, что свет всех областей видимого спектра, включая ближние ультрафиолетовую и инфракрасную, поглощается тем или иным пигментом. Учитывая, что ширина полос поглощения этих пигментов составляет примерно 50 нм, можно сделать вывод, что все области спектра используются одной или несколькими формами фотосинтезирующих организмов. Коротковолновая граница используемого света находится около 300 нм и обусловлена началом поглощения озона. Наличие длинноволновой границы света связано с тем обстоятельством, что вода является эффективным экраном для солнечного света с длиной волны больше 1150 нм.

Рисунок 1.2. Спектр поглощения пигментов фотосинтеза

Высшие растения не содержат бактериохлорофилл, и листья в лесном массиве прозрачны для света с длиной волны выше 700 нм. Это позволяет им оставаться холодными, в то время как ближний инфракрасный свет и тепло достигают земли. При этом тепло рассеивается в виде излучения по всему лесному массиву.

1.2 Усвоение солнечной энергии при фотосинтезе

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света.

Лучистая энергия -- это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны, частотой колебания и скоростью распространения.

Таблица 1.1. Характеристика отдельных участков спектра

Цвет	Длина волны в нм	Частота, в Гц	Энергия, в кДж на 1 моль квантов
Ультрафиолетовый Фиолетовый Синий Зеленый Желтый Оранжевый Красный Инфракрасный	400 400--424 424--491 491--550 550--585 585--647 647--740 740	11,8·1014 7,81·1014 6,52·1014 5.77·1014 5,17·1014 4,84·1014 4,41·1014 2,14·1014	471,4 292,0 260,6 230,5 206,6 193,6 176,4 85,5

Согласно первому закону фотохимии, только поглощенные лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае, если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ -- сенсибилизаторов. Сенсибилизаторы -- вещества, поглощающие энергию света и передающие ее на ту или иную бесцветную молекулу

Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощенные лучи солнечного света, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К. А. Тимирязева. Он показал, что процесс усвоения СО₂ на свету представляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фотохимии. В процессе фотосинтеза на место связей, обладающих малым запасом энергии, таких, как О--Н, С--О, создаются связи С--С, благодаря этому свободная энергия системы повышается. Эта энергия представляет собой трансформированную солнечную энергию.

Опыты К. А. Тимирязева ясно показали, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света и передающим ее на молекулы Н₂О и СО₂. Определяя интенсивность процесса фотосинтеза в различных лучах солнечного спектра, К. А. Тимирязев показал, что наиболее интенсивное усвоение углекислоты наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосинтез минимальный. Зеленые лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, если представить себе интенсивность фотосинтеза в виде кривой, то она будет иметь два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Ряд пиков энергии фотосинтеза соответственно отдельным линиям поглощения хлорофилла не наблюдается, так как хлорофилл в хлоропластах находится в такой концентрации, при которой, линии поглощения частично сливаются и образуются два основных максимума. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия. Можно сделать вывод, что спектр поглощения хлорофилла и спектр действия совпадают. Важное значение имеют исследования К. А. Тимирязева по эффективности использования энергии в красном и сине-фиолетовом участках спектра. Он провел сравнение интенсивности и эффективности поглощения энергии в разных лучах солнечного спектра и получил следующие данные (в относительных единицах) (табл. 2 ).

Из приведенных данных видно, что поглощенная энергия в красном участке спектра используется более полно. Из этого наблюдения К. А. Тимирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей разного качества, разной длины волны используется в фотохимических реакциях с разной эффективностью.

Из теории фотоэффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции определяется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты характеризуются меньшей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и то же количество поглощенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соответственно большее количество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Для фотохимических реакций существует нижний предел энергии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы.

Фотохимические реакции возможны в пределах величины квантов от 147 до 587 кДж/моль. Таким образом, в квантах красного света (176 кДж/моль hv) заключено достаточное количество энергии для осуществления фотохимической реакции. Вместе с тем при поглощении квантов синего света (261 кДж/моль hv) реагирующие молекулы будут получать избыток энергии, который выделяется в виде тепла или света.

Молекулы будут вступать в реакцию под влиянием разного количества энергии. Использование энергии зависит от качества света. Это было подтверждено исследованиями О. Варбурга. В этих исследованиях впервые была установлена величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере увеличения длины волны.

Таблица 1.2. Сравнительная характеристика интенсивности и эффективности поглощения энергии в разных лучах солнечного спектра

Таблица 1.3. Использование энергии света лучей различной длины при фотосинтезе клетками водоросли хлореллы

Данные таблицы показывают совпадение теоретических расчетов и экспериментально полученных величин.

Таким образом, количество прореагировавших молекул СО₂ и Н₂О в процессе фотосинтеза пропорционально числу поглощенных квантов. Однако число квантов, необходимое для протекания различных фотохимических реакций, неодинаково. Редкая фотохимическая реакция имеет квантовый расход, равный единице. Он может быть значительно больше единицы, так как не все возбужденные молекулы вступают в реакцию; может быть и меньше единицы, если благодаря цепным взаимодействиям в реакцию вступают не только возбужденные молекулы.

Квантовый расход процесса фотосинтеза, т. е. количество квантов, необходимое для того, чтобы одна молекула СО₂ восстановилась до углеводов, окончательно не установлен. Все же большинство исследований показывает, что для восстановления одной молекулы СО₂ до углеводов нужно 8--9 квантов света. Анализ квантового расхода, наблюдаемого в различных участках солнечного спектра, позволил также доказать роль каротиноидов в процессе фотосинтеза. Исследования А. А. Рихтера, а затем Р. Эмерсона показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. Кванты света, поглощенные каротиноидами, используются, менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом.

1.3 Экономический коэффициент фотосинтеза

В ясный солнечный день на 1 дм² листовой поверхности за 1 ч падает около 30 168 кДж. Из этого количества поглощается примерно 75%, или 22 626 кДж, 25% падающей энергии проходят через лист и отражаются от него. Исходя из количества сухого вещества, накапливаемого листом за определенный промежуток времени, русский физиолог К. А. Пурпевич рассчитал количество запасаемой энергии и сопоставил его с тем количеством, которое лист получает. Согласно полученным данным, КПД фотосинтеза оказался равным 2,6%. Так, по данным Н. А. Максимова, одно растение кукурузы накапливает за сутки в среднем 18,3 г сухого вещества. Можно принять, что все это вещество -- крахмал. Теплота сгорания 1 г крахмала будет 17,6 кДж. Следовательно, суточная прибыль энергии составит (18,3?17,6) 322 кДж. При густоте на 1 га 15 тыс. растений поле в 1 га за сутки накапливает 4 830 651 кДж, а получает за день 209 500 000 кДж. Таким образом, использование энергии составляет 2,3%.

Следовательно, расчеты показывают, что КПД процесса фотосинтеза в естественных условиях ничтожно мал. Задача повышения КПД использования солнечной энергии является одной из важнейших в физиологии растений. Эта задача вполне реальна, так как теоретически КПД процесса фотосинтеза может достигать значительно большей величины.

1.4 Квантовый выход фотосинтеза

Согласно законам фотохимии, при поглощении кванта света атомом или молекулой какого-либо вещества электрон переходит на другую, более удаленную, орбиталь, т. е. на более высокий энергетический уровень (рис. 3). Наибольшей энергией обладает электрон, отдаленный от ядра атома и находящийся на бесконечно большом расстоянии от него. Вместе с тем, чем ближе к ядру, тем меньше энергия электрона. Каждый электрон переходит на более высокий энергетический уровень под влиянием одного кванта света.

В молекуле хлорофилла два уровня возбуждения. Именно с этим связано и то, что он имеет две основные линии поглощения. Первый уровень возбуждения связан с переходом на более высокий энергетический уровень электрона в системе сопряженных двойных связей, а второй -- с возбуждением неспаренных электронов атомов азота и кислорода в порфириновом ядре. При поглощении света электроны переходят в колебательное движение. Наиболее подвижными в молекуле являются делокализованные электроны, орбитали которых как бы размазаны, обобщены между двумя ядрами. Особенно легко возбуждаются электроны сопряженных двойных связей. Электрон, кроме того, что он находится на определенной орбитали и вращается вокруг ядра, обладает еще спином -- характеристикой, т.е направление вращения электрона вокруг своей оси. Спин электрона может принимать два значения. Спины двух электронов, находящихся на одной орбитали, различны. Когда в молекуле все электроны расположены попарно, их суммарный спин равен нулю. Это основное синглетное состояние (So). В основном энергетическом состоянии So молекула находится в тепловом равновесии со средой, все электроны попарно занимают орбитали с наименьшей энергией. При поглощении света электроны переходят на следующую орбиталь с более высоким энергетическим уровнем. При этом имеются две возможности: если электрон не меняет спина, то это приводит к возникновению первого и второго синглетного состояния (S₁*, S₂*). Если же один из электронов меняет спин, то такое состояние называют триплетным (Т₁*).

Наиболее высокий энергетический уровень -- это второй синглетный уровень S₂*. Электрон переходит на него под влиянием сине-фиолетовых лучей, кванты которых крупнее, содержат больше энергии. В первое возбужденное S₁* состояние электроны могут переходить, поглощая более мелкие кванты (красного света).

Различные возбужденные состояния электронов характеризуются разным временем жизни. Время жизни на S₂* уровне составляет 10^-12 с. Это время настолько мало, что на его протяжении энергия электронного возбуждения не может быть использована. Через этот короткий промежуток времени электрон возвращается в первое синглетное состояние S₁* (без изменения направления спина). Переход из второго синглетного состояния S₂* в первое S₁* сопровождается некоторой потерей энергии 100 кДж в виде теплоты. Время жизни в первом синглетном состоянии немного больше 10^-9 или 10^-8 с. Наибольшим временем жизни 10^-4--10^-2 с обладает триплетное состояние Т₁*. Переход на триплетный уровень происходит с изменением спина электрона.

Из возбужденного состояния молекула хлорофилла может переходить в основное. При этом ее дезактивация (потеря энергии) может происходить путем флюоресценции, без излучательного рассеивания энергии в виде теплоты, переноса энергии на другие молекулы, в частности на другие молекулы хлорофилла, потери возбужденного электрона -- химического взаимодействия. При переходе электрона из триплетного состояния в основное энергия может выделяться в виде фосфоресценции (длительного свечения), в виде теплоты и использоваться на фотохимическую работу с потерей электрона.

Таким образом, энергия возбужденного состояния молекул может испускаться (в виде флюоресценции, фосфоресценции или теплоты), передаваться на другие молекулы или быть непосредственно использована в фотохимической реакции (рис. 4 ). В любом из указанных случаев молекула пигмента дезактивируется и переходит на основной энергетический уровень. Энергия, испускаемая в виде флюоресценции или в виде теплоты, не может быть использована.

В настоящее время показано, что в первичных процессах фотосинтеза, связанных с поглощением молекулой хлорофилла кванта света, важную роль играют процессы передачи энергии. Не каждая молекула хлорофилла принимает участие в последующих фотохимических реакциях. Непосредственная связь с реакционным центром осуществляется примерно одной из 200--250 молекул хлорофилла. Остальные молекулы хлорофилла воспринимают энергию и передают ее этой молекуле-ловушке. Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию света. Каждая молекула хлорофилла на прямом солнечном свету поглощает квант света не чаще, чем через 0,1с, а по некоторым данным еще реже. Скорость последующих реакций фотосинтеза значительно больше. Использование энергии света в химических реакциях требует большого количества ферментов. Если бы каждая молекула хлорофилла отдавала энергию света непосредственно на фотохимические процессы, то в листе не хватило бы места для размещения всех необходимых для этого ферментных систем. В процессе эволюции в растениях выработался механизм, позволяющий наиболее полно использовать кванты света, падающие на лист подобно каплям дождя. Механизм этот заключается в том, что энергия квантов света улавливается 200--250 молекулами хлорофилла и как бы стекается к одной особой его молекуле, являющейся ловушкой и связанной с реакционным центром (рис 5). Эта молекула хлорофилла-ловушки со всеми вспомогательными молекулами пигментов, которые передают ей энергию, представляют собой фото синтетическую единицу. В улавливании и передаче энергии на молекулу хлорофилла-ловушки могут участвовать не только молекулы хлорофилла а и хлорофилла b, но и такие пигменты, как каротиноиды и фикобилины. Передача энергии между молекулами пигментов идет главным образом резонансным путем без разделения зарядов с большой скоростью и с большой эффективностью. Так, время переноса энергии от одной молекулы хлорофилла к другой составляет 1?10^-12-- 2?^10-10с, а от молекулы каротиноидов к хлорофиллу 4?10^-10с. Время переноса энергии значительно меньше времени жизни возбужденной молекулы (10^-8 с). Вероятность резонансного переноса энергии обратно пропорциональна шестой части расстояния между молекулами. Перенос может осуществляться только при близком расстоянии между молекулами пигментов. В этой связи становится понятной необходимость весьма плотной упаковки молекул хлорофилла в ламеллах хлоропластов. В одном хлоропласте до 1 млрд. молекул хлорофилла. Расстояние между молекулами хлорофилла в мембранах составляет всего 1 нм. Перенос энергии происходит только от пигментов, поглощающих свет с меньшей длиной волны, к пигментам, поглощающим свет с большей длиной волны. Передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой эффективностью (от хлорофилла b к хлорофиллу а -- 90%, от каротиноидов к хлорофиллу-- 40%). Вместе с тем кванты света с меньшей длиной волны обладают большей энергией. Потеря энергии приводит к превращению квантов в более мелкие (с большей длиной волны). Именно поэтому основная форма хлорофилла, к которой стекается энергия, поглощает лучи с длиной волны 700 нм и обозначается как пигмент 700 (П₇₀₀). Обратный перенос энергии невозможен. Таким образом, кванты света поглощаются и переводят молекулы пигментов в возбужденное состояние. Затем эта энергия переносится на хлорофилл-ловушку, связанную с реакционным центром, где она и используется в фотохимических реакциях. Дальнейшее превращение энергии света в химическую энергию проходит ряд этапов, начиная с окислительно-восстановительных превращений хлорофилла и включая как фотохимические (световые), так и энзиматические (темновые) реакции.

Рисунок 1.3. Изменения, вызываемые в атоме поглощением квантов света

1- поглощение кванта возбуждением атома; 2- возраст электрона, выделение энергии в виде электрона (поЭ.Либерту)



Рисунок 1.4. Переходы между возбужденными состояниями хлорофилла после поглощения квантов синего или красного света (по Э. Либберту).

Рисунок 1.5. Схема передвижения квантов света к хлорофиллу-ловушке.

1.5 Современные представления о химизме фотосинтеза

В хлоропластах молекулы хлорофилла располагаются не в беспорядке, а образуют так называемые фотосинтетические единицы или фотосистемы, представляющие собой ловушки для квантов. Каждая такая фотосинтетическая единица состоит из 200 - 250 молекул хлорофилла, но только одна непосредственно участвует в передаче энергии света на синтез органического вещества. Эту центральную молекулу называют хлорофилл-ловушкой. Остальные служат для восприятия световой энергии и передачи ее на эту молекулу. Эти пигменты получили название «вспомогательных» или «антенны». Кроме хлорофилла, в состав фотосистемы входит около 50 молекул каротина. Каротиноиды - обязательные компоненты всех фотосинтезирующих микроорганизмов. Роль каротина состоит в поглощении квантов света с длиной волны ниже 550 нм и защите хлорофилла от окисления кислородом, выделяющемся в процессе фотосинтеза.

Такое устройство фотосинтетической единицы позволяет более полно использовать энергию света и обеспечивает непрерывность процесса фотосинтеза. Если бы каждая молекула хлорофилла преобразовывала поглощенную энергию кванта света в фотохимическую реакцию, то такая система была бы нерентабельна, так как большую часть времени молекула хлорофилла «простаивает». Роль пигментов антенных комплексов состоит в том, чтобы собирать и передавать энергию квантов на хлорофилл-ловушку.

Хлорофилл-ловушка, к которой стекается энергия квантов от молекул антенны, отличается от них тем, что поглощает свет с большей длиной волны. Передача энергии от одной молекулы пигмента к другой идет с большой скоростью, часть ее все же теряется. Перемещение энергии в обратном направлении в фотосинтетических единицах невозможно.

Передача энергии по пигментам антенных комплексов происходит по принципу индуктивного резонанса. Каждая молекула хлорофилла, поглотившая квант света и перешедшая в возбужденное состояние, является молекулярным осциллятором. Возникающее вокруг возбужденной молекулы переменное электрическое поле вызывает колебание соседней молекулы. При этом молекула-донор переходит в основное состояние, а молекула-акцептор -- в возбужденное. Условиями для резонансного переноса энергии служат малые расстояния между молекулами (не превышающие 10 нм) и перекрытие частот колебаний у двух взаимодействующих молекул.

Фотосинтез - сложный многоступенчатый процесс. На каком именно этапе необходима энергия света? Оказалось, что реакции синтеза органических веществ за счет включения углекислого газа в состав их молекул непосредственно энергии света не требуют. Эти реакции назвали темновыми, хотя идут они на свету, просто свет для них необязателен.

Для протекания световых реакций фотосинтеза, в основе которых лежит световое разложение (фотолиз) молекул воды, выделение кислорода, образование аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и сильного восстановителя- вещества со сложным названием никотинамидадениндинуклеотид фосфат (НАДФ * Н), он необходим. НАДФ * Н образуется в результате присоединения к никотинамидадениндинуклеотид фосфату водорода, выделяющегося при фотолизе молекулы воды (фотоводорода).

1.6 Потоки электронов и протонов, образование АТФ и восстановление НАДФ. Фотолиз воды. Световая фаза фотосинтеза

В хлоропластах зеленых растений, как было сказано, имеются две фотоактивные пигментные системы: фотосистема 1 (ФС-1) и фотосистема 2 (ФС-2). Открыты они были в связи с изучением эффекта существенного усиления фотосинтетической активности хлоропластов при добавлении к дальнему красному свету более коротковолнового. Пониженная интенсивность фотосинтеза на одном лишь длинноволновом свете объясняется тем, что в возбужденное состояние приходят молекулы хлорофилла ФС-1, добавление же более коротковолнового света возбуждает обе системы, что и приводит к резкому усилению фотосинтеза.

В эволюционном отношении ФС-1- более древняя фотосистема. У фотосинтезирующих бактерий эта система не способна использовать воду в качестве донора электронов и является единственной. С развитием ФС-2 растения получили возможность производить фотолиз воды и выделять кислород. Обе фотосистемы состоят из пигментного комплекса, представленного хлорофиллами а и b, каротиноидами, белками и некоторыми другими веществами. В ФС-1 хлорофилла а в 6…10 раз, а в ФС-2 - в 1,2...2,0 раза больше, чем хлорофилла b.

В процессах преобразования энергии квантов света в химическую энергию органических веществ участвуют не все молекулы пигментов, а лишь небольшая их часть, расположенная в особых реакционных центрах фотосистем. Энергия, поглощенная хлорофиллом и вспомогательными пигментами, в частности каротиноидами передается молекулам хлорофилла, находящимся в этих фотохимически активных центрах (ловушках). Эти собирающие энергию света молекулы пигментов и прежде всего хлорофилла а, слегка отличаются одна от другой по спектрам поглощения и действуют по принципу светособирательной антенны. Передача энергии от этих молекул хлорофилла и каротиноидов носит название резонансного переноса. Упаковка молекул в гранах хлоропластов плотная, что позволяет колебательной энергии непосредственно от одной молекулы пигмента переходить к другой молекуле.

Собирающие энергию молекулы хлорофилла а, являющиеся энергетической ловушкой ФС-1, получили специальное обозначение П₇₀₀ ибо максимум поглощения у них находится при 700 нм Стекание энергии к П₇₀₀ способствует тому, что отдельные электроны получают достаточное количество энергии с тем, чтобы перейти от активных центров фотосистемы к переносчикам электронов, набор которых у обеих систем несколько различен. Энергетической ловушкой ФС-2 является хлорофилл а с максимумом поглощения 680 нм. Он обозначается как П₆₈₀.

При поглощении кванта света один из электронов молекулы хлорофилла а переходит на более высокий энергетический уровень, а вся молекула переходит в возбужденное состояние: Хл + hн>Хл*. Это возбужденное состояние молекулы хлорофилла носит название синглетного, если переход электрона на более высокий энергетический уровень не сопровождается изменением знака спина (собственного момента вращения). Возбужденное состояние указанной молекулы называется триплетным, если знак спина меняется. При поглощении молекулой хлорофилла одного кванта красной части спектра она переходит в первое возбужденное синглетное состояние (время жизни его - 10^-9с), а синий - во второе синглетное состояние (время его жизни - 10^-12с). Молекула хлорофилла а из первого синглетного состояния может переходить в триплетное состояние с поворотом спина и потерей энергии. При поглощении кванта синего света, обладающего большей энергией, электрон сразу же выделяет часть энергии в виде тепла и переходит из второго в первое возбужденное синглетное состояние.

Этот электрон несет определенный запас энергии. В том случае, если электрон возвращается на свою орбиту, происходит бесполезная потеря энергии в виде света (флюоресценции) или тепла. Но если возбужденный электрон передается какому-либо акцептору (А), то в молекуле хлорофилла возникает электронная недостаточность или "электронная, дырка".

Сама молекула в таком состоянии становится более реакционноспособной и готова отнимать электроны от донора (Д) с тем, чтобы ликвидировать электронную недостаточность.

Хл* + А > Хл⁺ + А^-;

Хл⁺ + Д > Хл + Д⁺.

Донором электронов для ФС-2 служит вода. Молекулы воды, отдавая электроны, распадаются на свободный гидроксил ОН и протон Н⁺. Свободные гидроксильные радикалы, реагируя друг с другом, дают Н₂О и О₂ (рис.6). Предполагается, что при фотоокислении воды принимают участие ионы марганца и хлора в качестве кофакторов.

В процессе фотолиза воды проявляется суть фотохимической работы, осуществляемой при фотосинтезе. Но окисление воды происходит при условии, что выбитый из молекулы П₆₈₀ электрон передается акцептору и далее в электронтранспортную цепь (ЭТЦ) (рис.7). В ЭТЦ фотосистемы-2 переносчиками электронов служат пластохинон, цитохромы, пластоцианин (белок, содержащий медь), ФАД, НАДФ и др.

Выбитый из молекулы П₇₀₀ электрон захватывается белком, содержащим железо и серу, и передается на ферредоксин. В дальнейшем путь этого электрона может быть двояким. Один из этих путей состоит из поочередного переноса электрона от ферредоксина через ряд переносчиков снова к П₇₀₀. Затем квант света выбивает следующий электрон из молекулы П₇₀₀. Этот электрон доходит до ферредоксина и снова возвращается к молекуле хлорофилла. При переносе электрона от ферредоксина энергия электронного возбуждения идет на образование АТФ из АДФ и Н₃РО₄. Этот вид фотофосфорилирования назван Р. Арноном циклическим.

Нециклическое фотофосфорилирование протекает с участием обеих фотосистем. В этом случае выбитые из П₇₀₀ электроны и протон Н⁺ доходят до ферредоксина и переносятся через ряд переносчиков (ФАД и др.) на



Рисунок 1.6. Схема общего хода фотолиза воды

Рисунок 1.7. Электронтранспортная цепь фотосинтеза: X - первичная донорная система, содержащая марганец и активируемая Сl^-; ПХ - пластохинон; цит. -цитохром; ПЦ - пластоцианин; Ф_g -фередоксин; ФП - флавопротеид.

НАДФ с образованием восстановленного НАДФ·Н₂. Последний, как сильный восстановитель, используется в темновых реакциях фотосинтеза. Восстановление НАДФ идет по схеме: НАДФ+2Н⁺+ 2е> НАДФ·Н₂. Одновременно молекула хлорофилла П₆₈₀, поглотив квант света, также переходит в возбужденное состояние, отдавая один электрон. Пройдя через ряд переносчиков, электрон восполняет электронную недостаточность в молекуле П₇₀₀ Электронная же "дырка" хлорофилла П₆₈₀ восполняется за счет электрона от иона ОН^-- одного из продуктов фотолиза воды. Энергия электрона, выбитого квантом света из П₆₈₀, при переходе через электронтранспортную цепь к фотосистеме 1 идет на осуществление фотофосфорилирования. При нециклическом транспорте электронов, как видно из схемы, происходит фотолиз воды и выделение свободного кислорода.

Перенос электронов является основой рассмотренного механизма фотофосфорилирования. Английский биохимик П. Митчелл выдвинул теорию фотофосфорилирования, получившую название хемиосмотической теории. ЭТЦ хлоропластов, расположена в мембране тилакоида. Один из переносчиков электронов в ЭТЦ (пластохинон), по гипотезе П. Митчелла, переносит не только электроны, но и протоны (Н⁺), перемещая их через мембрану тилакоида в направлении снаружи внутрь. Внутри мембраны тилакоида с накоплением протонов среда подкисляется и в связи с этим возникает градиент рН: наружная сторона становится менее кислой, чем внутренняя. Этот градиент повышается также благодаря поступлению протонов - продуктов фотолиза воды

Разность рН между наружной стороной мембраны и внутренней создает значительный источник энергии. С помощью этой энергии протоны по особым канальцам в специальных грибовидных выростах на наружной стороне мембраны тилакоида выбрасываются наружу. В указанных каналах находится фактор сопряжения (особый белок), который способен принимать участие в фотофосфорилировании. Предполагается, что таким белком является фермент АТФаза, катализирующий реакцию распада АТФ, но при наличии энергии перетекающих сквозь мембрану протонов - и ее синтез. Пока существует градиент рН и, следовательно, пока происходит перемещение электронов по цепи переносчиков в фотосистемах, будет происходить и синтез АТФ. На каждые два электрона, прошедшие через ЭТЦ внутри тилакоида, накапливается четыре протона, а на каждые три протона, выброшенные с участием фактора сопряжения из мембраны наружу, синтезируется одна молекула АТФ.

Таким образом, в результате световой фазы за счет энергии света образуются АТФ и НАДФ·Н₂, используемые в темновой фазе, а продукт фотолиза воды О₂ выделяется в атмосферу. Суммарное уравнение световой фазы фотосинтеза может быть выражено так:

2Н₂О + 2НАДФ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ > 2НАДФ·Н₂ + 2АТФ + О₂

1.7 С₄ путь фотосинтеза (цикл Хетча -- Слэка)

Путь углерода при фотосинтезе, установленный Кальвином, является основным. Однако существуют отклонения от этого пути. Так, австралийские ученые Хетч и Слэк (1966) и советский ученый Ю. С. Карпилов (1960) показали, что у некоторых растений, по пре имуществу тропических и субтропических (в том числе кукурузы, сахарного тростника), фотосинтез идет несколько по иному пути. На первом этапе происходит реакция карбоксилирования фосфоенолпировиноградной кислоты (ФЕП).

Реакция катализируется ферментом фосфоенолпируваткарбоксилазой (ФЕП-карбоксилазой) с образованием щавелевоуксусной кислоты (ЩУК). Поскольку в этом случае первый продукт карбоксилирования -- ЩУК содержит четыре атома углерода, его называют «С-4» путь, в отличие от цикла Кальвина, где образуется ФГК, содержащая три атома углерода («С-3» путь). Щавелевоуксусная кислота преобразуется в яблочную кислоту. В последующем происходит реакция транскарбоксилирования, при которой СО₂ снова отщепляется от органических кислот и вступает в цикл Кальвина -- присоединяется к рибулезодифосфату (рис 8). Сущность «С-4» пути заключается в том, что реакция карбоксилирования происходит дважды. Это позволяет растению создавать запасы углерода в клетках. В растениях, в которых процесс фотосинтеза протекает по «С-4» пути, имеются два типа хлоропластов: 1) крупные пластиды, часто лишенные гран, в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки; 2) мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа.

В клетках мезофилла с мелкими хлоропластами осуществляется карбоксилирование фосфоенолпировиноградной кислоты с образованием четырехуглеродного соединения -- ЩУК (и в некоторых случаях аспарагиновой кислоты). Затем ЩУК передвигается в клетки обкладки, где происходит реакция транскарбоксилирования, в результате которой СО₂ отщепляется и вступает в цикл Кальвина. При этом фосфоенолпировиноградная кислота (ФЕП) регенерирует. Поскольку при таком механизме фотосинтеза принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов, этот путь называют кооперативным. Фиксация СО₂ по «С-4» пути имеет ряд преимуществ. Некоторые представители растений, ведущие ассимиляцию по «С-4» пути, осуществляют первые этапы этого процесса (образование органических кислот) в ночной период суток. В светлый последующий период углекислота освобождается и реассимилируется в цикле Кальвина.

Такая последовательность позволяет осуществлять фотосинтез днем при закрытых устьицах, что имеет большое значение, так как предохраняет растение от излишней потери воды.

Рисунок 1.8. Фотосинтетический цикл Хетча -- Слэка:

А -- в хлоропластах мезофилла листа; Б -- в хлоропластах обкладки. ЯК -- яблочная кислота; ПК -- пировиноградная кислота.

У растений, осуществляющих фотосинтез по «С-4» пути, отсутствует процесс фотодыхания. Это уменьшает непроизводительную трату органического вещества и увеличивает продуктивность растений. Открытие «С-4» пути позволило расшифровать особенности фотосинтеза у суккулентов.

Оказалось, что суккуленты в ночное время фиксируют углерод в органических кислотах, по преимуществу в яблочной. По-видимому, это происходит под действием фермента пируваткарбоксилазы. Далее эта фиксированная углекислота с помощью транскарбоксилирования переносится на неидентифицированный акцептор и используется для образования триоз. Осуществление фотосинтеза по такому пути позволяет суккулентам в течение дня держать устьица закрытыми и таким образом сокращать транспирацию.

1.8 Метаболизм по типу толстянковых

Фотосинтез по типу толстянковых, характерный для суккулентов, включая кактусы (Cactaceae) и толстянки (Crassulaseae), является еще одним способом, позволяющим растениям выжить в условиях резко засушливого климата. Этот тип фотосинтеза получил название Crassulaceae acid metabolism или САМ-метаболизм (рис. 9). В самое жаркое время суток - днем, эти растения вынуждены держать устьица закрытыми, чтобы предохранить себя от обезвоживания. Ночью устьица у них открываются и СО₂ поступает в листья, где при участии содержащейся в цитоплазме ФЕП-карбоксилазы взаимодействует с ФЕП, образуя щавелевоуксусную кислоту. Источником ФЕП служит крахмал. Щавелевоуксусная кислота восстанавливается до малата и накапливается в вакуолях. Днем при закрытых устьицах малат транспортируется из вакуолей в хлоропласты, где декарбоксилируется до СО₂ и пирувата. Углекислый газ включается в цикл Кальвина, а пируват возвращается в цитоплазму для новых реакций. Таким образом, С₄-растения прекрасно фотосинтезируют и при закрытых устьицах, используя углекислый газ, запасенный в виде органических кислот в ночное время, когда они были открыты.

Такой тип обмена веществ наблюдается у кактуса, алоэ, каланхоэ, агавы, молочая, которые, как известно, произрастают в чрезвычайно засушливых условиях. Наибольшего разнообразия они достигают в Мексике, в пустыне Сонора, где количество осадков составляет менее 100 мм в год. САМ-метаболизм более распространен среди сосудистых растений, чем С₄-фотосинтез.

Он характерен, для 23 семейств цветковых растений, главным образом двудольных. Причем не все САМ-растения суккуленты. Например, ананас. Есть данные, что некоторые папоротники проявляют также признаки САМ-метаболизма.

Рисунок 1.9. Схема САМ - метаболизма

2.ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ «ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА ПРОЦЕСС ФОТОСИНТЕЗА»

2.1 Методика исследования

Для проведения эксперимента был использован метод учёта органического вещества, образующегося при фотосинтезе.

Для этой цели растение пеларгонии обильно полили теплой водой и поставили в теплое темное место (в темноте крахмал листьев расходуется на дыхание, рост и т.д). Через 3 дня вынули растение из затемнённого места, но прежде с ним проводить опыт мы убедились, что процесс обескрахмаливания завершен.

Из затемненного листа вырезали несколько дисков (3) в разных частях листа, прокипятили их в воде 2 минуты, затем в 1-2 мл. этилового спирта, сменяя раствор каждые 1-2 минуты, пока кусочки тканей не обесцветятся. При обливании дисков йодом проконтролировали, что произошло полное обескрахамливание высечек, т.к высечки не окрасились в синий цвет.

После этого приступили к следующей части опыта:

Срезали пять листов пеларгонии, поместили каждый из них в стеклянную банку(0,5литров) с водой имеющую разную температуру (1-я банка - 5?С, 2-я банка - 10?С, 3-я - 20?С, четвертая банка - 30С°, пятая банка - 40С°, шестая банка - 50С°), Через 2 часа из листьев снова взяли по пять высечек от каждого листа разной формы (квадратной, треугольной, круглой, овальной, ромба), обесцветили их, обработали йодом как указано выше и определили степень посинения.

2.2 Результаты и обсуждения

Интенсивность процесса фотосинтеза зависит, прежде всего, от света и температуры. Влияние температуры на фотосинтез находится в зависимости от освещения.

В нашей работе мы изучали влияние внешних условий на процесс фотосинтеза, а именно: влияние температуры.

Было изучено влияние температурного фактора на процесс накопления крахмала у растения колеус, т.к у него были получены хорошие результаты по накоплению органического вещества.

Результаты исследования были занесены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1. Содержание крахмала в листе растения

Растение	Температура, ?С	Содержание крахмала	среднее
		после темноты (контроль)	после экспозиции, в баллах
1	2	3	3	4
пеларгония	5°	0	0,3; 1,2; 0,5; 1,2; 1,3	0,9
	10?	0	2,2; 2,3; 1,4; 2,6; 2,3	2,2
	20?	0	2,6; 2,5; 2,8; 1,9; 2,3	2,4
	30?	0	3; 2,9; 2,7; 2,5; 3	2,8
	40°	0	2,4; 2,5; 1,7; 2,3; 2,2	2,2
	50°	0	1,3; 2,1; 1,5; 1,2; 2,1	1,6

По результатам таблицы произвели обработку экспериментальных данных, т. е определили основные статистические показатели: среднюю величину, среднее квадратическое отклонение, коэффициент вариации, точность опыта и основные ошибки этих показателей. Среднюю величина была показана с помощью графика.



Рисунок 2.1. Учет органического вещества в клетках в зависимости от температуры.

Основные статистические показатели.

1) Средняя арифметическая величина () определяется по формуле:

(1)

где Х₁, Х₂, Х₃ … Х_n - относительные значения признака,

n - объём выборочной совокупности

при температуре 5?С = (0+1+0+1+1)/5=0,6

при температуре 10?С = (2+2+1+2+2)/5=1,8

при температуре 20?С = (2+2+2+1+2)/5=1,8

при температуре 30?С = (3+2+2+2+3)/5=2,4

при температуре 40?С = (2+2+1+2+2)/5=1,8

при температуре 50?С = (1+2+1+1+2)/5=1,4

Для оценки вариабельности необходимо определить среднее квадратическое отклонение.

2) Среднее квадратическое отклонение () определяется по формуле:

(2)

при температуре 5?С

при температуре 10?С

при температуре 20?С

при температуре 30?С

при температуре 40?С

при температуре 50?С

3) Коэффициент вариации (V) в % определяется по формуле:

(3)

где среднее квадратическое отклонение,

средняя арифметическая величина

при температуре 30?С

4) Основная ошибка средней величины () определяется по формуле:

(4)

при температуре 30?С

5) Основная ошибка среднего квадратического отклонения () определяется по формуле:

(5)

при температуре 30?С

6) Точность опыта (Р) определяется по формуле:

(6)

при температуре 30?С



7) Достоверность арифметической ошибке () определяется по формуле:

(7)

при температуре 30?С

Результаты обработки средней арифметической величины () и среднего квадратического отклонения () были занесены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2. Оценка средней арифметической величины и среднего квадратического отклонения.

Температура,?С
30?	2,8	0,22

По таблице 2.2. можно сделать вывод, что говорит о высокой точности опыта; при температуре 30?С отклонение составляет ±0,22.

Таблица 2.3. Основные статистические показатели.

Температура,?С	V в %			Р в %
30?	7,86	±0,11	±0,08	3,93	25,46

По результатам таблицы 2.3. можно сделать вывод, что при повышении температуры процесс накопления крахмала увеличивается, но увеличение температуры происходит до определенного значения, после которого интенсивность фотосинтеза резко падает. Объясняется это тем, что при увеличении температуры, интенсивность дыхания повышается в большей степени, чем процесс фотосинтеза. В данном опыте минимальная температура, при которой происходит накопление крахмала является температура 5?С, максимальная t=50?С. Из этого следует что наиболее оптимальной температурой для процесса фотосинтеза является температура равная 30?С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В процессе написания данной курсовой работы были изучены такие вопросы как физиологически активная радиация и методы её изменения; усвоение солнечной энергии при фотосинтезе; квантовый выход фотосинтеза; химизм фотосинтеза; фотолиз воды; потоки электронов и протонов, образование АТФ и восстановление НАДФ; С₄ - путь фотосинтеза; метаболизм по типу толстянковых

Исследование первичных процессов преобразования энергии в фотосинтезе имеет перспективы для создания новых нетрадиционных технологий преобразования энергии в энергетических целях, таких, например, как производство фотоводорода. полупроводниковые свойства хлорофилла и его комплексов могут быть использованы для создания принципиально новых типов запоминающих устройств для хранения и передачи информации.

Очевидно, возможности применения методов биотехнологии и генной инженерии для создания более высокоэффективны систем фотосинтетического преобразования энергии. В частности, важной перспективой может быть создание новых генотипов, отличающихся более совершенной организацией ЭТЦ, сопряженной с фосфорилированием, и организацией энзиматических систем восстановления углерода и первичного биосинтеза. Массовое развитие промышленной культуры изолированных клеток нуждается в создании технологий, основанных на использовании фотоавтотрофности ценных клеток продуцентов.

В экспериментальной части курсовой работы были описаны результаты проведенного эксперимента, в котором было изучено влияние внешних условий на процесс фотосинтеза, в частности влияние температуры.

Опыт показал, что процесс фотосинтеза идет интенсивнее при температуре 30?С. Скорее всего это связано с географическим происхождением колеуса так как он произрастает в тропиках при высоких температурах и влажности.

Были сделаны предположения, что оптимальной температурой фотосинтеза для большинства растений является температура 30-33?С, так как при температуре выше 30-33?С интенсивность фотосинтеза резко падает_ это связано с тем, что зависимость процесса фотосинтеза от t представляет собой равнодействующую противоположность процессов, так как повышение t увеличивает скорость темновых реакций фотосинтеза. Одновременно при температуре 25-30?С происходит процесс инактивации хлоропластов. Повышение температуры может вызвать также закрытие устьичных щелей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Двораковский М.С. Экология растений: Учеб. Пособие для вузов,- М.:Высш. Шк., 1983.-190с.

2) Гудвин.Т., Мерсер Э. Введение в биохимию растений: в 2-х т.: Пер с англ.- М.: Мир,1986.

3) Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф. Фотосинтез и биохимические аспекты: Учеб. Пособие для вузов. - М: Изд-во МГУ, 1992.-320 с.

4) Сунцова Л.Н. Физиология растений. Фотосинтез: Учебное пособие для самостоятельного изучения раздела дисциплины студентам специальностей 260400 и 260500 всех форм обучения:- Красноярск: СибГТУ, 2004.- 60 с.

5) Якушина Н.И. Физиология растений: Учеб. Пособие для студентов биол. спец. пед. ин-тов._М.: Просвещение, 1980.-303 с.,ил.

6) Веретенников А.В. Физиология растений: Учебник.- 2-е изд., перераб.- Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. Акад., 2002.-272 с.

Размещено на Allbest.ru