Презентація до уроку біології з теми : "Фотосинтез"

Фотоси́нтез (від грец. φωτο- — світло та грец.σύνθεσις — синтез, сукупність) — процес синтезу органічних сполук з вуглекислого газу та води з використанням енергії світла й за участю фотосинтетичних пігментів  (хлорофіл у рослин, хлорофіл, бактеріохлорофіл і бактеріородопсин у бактерій), часто з виділенням кисню як побічного продукту.

Перші досліди по фотосинтезу були проведені Джозефом Прістлі в 1770—1780-х роках, коли він звернув увагу на «псування» повітря в герметичній посудині свічкою (повітря переставало бути здатним підтримувати горіння, поміщені в нього тварини задихалися), що горіла, і «виправлення» його рослинами. Прістлі зробив висновок, що рослини виділяють кисень, необхідний для дихання і горіння, проте не відзначив, що для цього рослинам потрібне світло.

У 1842 Роберт Маєр на підставі закону збереження енергії постулював, що рослини перетворюють енергію сонячного світла в енергію хімічних зв'язків. У 1877 Вільгельм Пфеффер назвав цей процес фотосинтезом. Ю́ліус Ро́берт фон Ма́єр

Миха́йло Семе́нович Цвєт ) — російський ботанік та фізіолог рослин, винахідник хроматографії.  Хлорофіл був вперше виділений в 1818 році П. Ж. Пелетьє і Жозефом Каванту. Розділити пігменти і вивчити їх окремо вдалося М. С. Цвєту за допомогою створеного ним методу хроматографії. Спектри поглинання хлорофілу були вивчені К. А. Тімірязєвим, він же, розвиваючи положення Маєра, показав, що саме поглинання світла дозволяє підвищити енергію системи, створивши замість слабких зв'язків С-О і О-Н високоенергетичні С-С (до цього вважалося, що у фотосинтезі використовуються жовті промені, що не поглинаються пігментами листка). Зроблено це було завдяки створеному ним методу обліку фотосинтезу за поглинанням CO2, в ході експериментів з освітлення рослини світлом різних довжин хвиль (різного кольору) виявилося, що інтенсивність фотосинтезу збігається зі спектром поглинання хлорофілу

Мелвін Елліс Калвін  — американський біохімік, член Національної академії наук в Вашингтоні. Іноземний член Лондонського королівського товариства, Окислювально-відновну суть фотосинтезу (як оксигенного, так і аноксигенного) постулював Корнеліс ван Ніль. Це означало, що кисень у фотосинтезі утворюється повністю з води, що експериментально підтвердив 1941 року О. П. Виноградов у дослідах з ізотопною міткою. У 1937 Роберт Хілл встановив, що процес окиснення води (і виділення кисню), а також асиміляції CO2, можна роз'єднати. У 1954—1958 Деніел І. Арнон встановив механізм світлових стадій фотосинтезу, а суть процесу асиміляції CO2 була розкрита Мельвіном Кальвіном з використанням ізотопів вуглецю в кінці 1940-х, за цю роботу в 1961 йому була присуджена Нобелівська премія.

Фотосинтез рослин здійснюється в хлоропластах, відособлених двомембранних органелах клітини. Хлоропласти можуть бути в клітинах плодів, стебел, проте основним органом фотосинтезу, анатомічно пристосованим до його здійснення, є листя. У листку найбагатша хлоропластами тканина — палісадна, або фотосинтезуюча /стовпчаста/ хлорофілоносна, паренхіма. 

Хлорофіл — зелений пігмент, присутній в клітинах рослин, деяких водоростей і ціанобактерій, що надає їм відповідного кольору. Назва походить від грец. chloros — «зелений» і phyllon — «листок»

Каротиноїди — це жовті, червоні й помаранчеві пігменти. Вони захищають хлорофіл і ряд інших компонентів фотосистем від світлового «перезбудження», беруть участь у «збиранні» світла, що дає змогу рослинам використовувати енергію світла і в синій області спектра.

Світлозбиральні комплекси Світлосприйнятливі пігменти (хлорофіл і каротиноїди) зв’язані з мембранами тилакоїдів та організовані у два досить великих комплекси, які називають фотосистемами I і II (ФС I і ФС II). Кожна із фотосистем містить дві–три сотні молекул пігментів, що уловлюють світло різної довжини хвилі.

 — фотохімічна реакція розпаду сполуки при поглинанні фотона. Фотон не обов'язково повинен бути у видимому спектрі, але повинен мати достатню енергію для руйнування молекули. Здебільшого такі фотони з видимого, ультрафіолетового, рентгенівського діапазонів та гамма-промені. Прикладом фотодисоціації може слугувати фотоліз води — одна із складових реакцій фотосинтезу, завдяки якій поглинаються сонячні промені з утворенням іонів.

Зелені рослини використовують світлову енергію для виробництва АТФ у процесі фотосинтезу. Центральну роль АТФ в обміні енергії у біологічних системах відкрили Фріц Ліпман та Герман Калькар у 1941 році. АТФ — універсальне джерело енергії для багатьох біохімічних процесів. Хімічна формула: C10H16N5O13P3

У темновій стадії за участю АТФ і НАДФН відбувається відновлення CO2 до глюкози. Хоча світло не потрібне для здійснення даного процесу, воно бере участь у його регуляції.

Аноксигенний фотосинтез властивий деяким бактеріям та археям (наприклад, пурпурним, деяким зеленим бактеріям та геліобактеріям  тощо). Ці організми не використовують воду як відновник, тому кисень (O2) не є побічним продуктом синтезу. Замість води використовуються як сірководень (H2S) або йони двовалентного заліза (Fe++), унаслідок чого на виході виникають елементарна сірка (S) і тривалентні іони заліза (Fe+++), відповідно, або молекулярний водень (H2). Наприклад, фотосинтез з використанням H2S як відновника проходить такі стадії: CO2 + 2 H2S → (CH2O) + 2 S + H2O Пурпурні бактерії 

Фотосинтез є основним джерелом біологічної енергії, фотосинтезуючі автотрофи використовують її для утворення органічних речовин з неорганічних, гетеротрофи існують за рахунок енергії хімічних зв'язків, запасеної автотрофами, вивільняючи її в процесах аеробного та анаеробного дихання. Енергія, отримувана людством при спалюванні викопного палива (вугілля, нафта, природний газ, торф), також є запасеною в процесі фотосинтезу.

Фотосинтез є головним методом залучення неорганічного вуглецю в біологічний цикл. Весь кисень атмосфери біогенного походження є побічним продуктом фотосинтезу. Формування кисневої атмосфери повністю змінило стан земної поверхні, зробило можливою появу дихання, а надалі, після утворення озонового шару, дозволило життю вийти на сушу.

Фредерік Жоліо-Кюрі : «Хоча я вірю в майбутнє атомної енергії і впевнений у важливості цього винаходу, але я вважаю, що справжня революція в енергетиці настане лише тоді, коли ми зможемо масово синтезувати молекули, аналогічно  хлорофілу…»