Презентация на тему «Фотосинтез»

Слайд 1. Фотосинтез

• Как зелёные растения превращают энергию солнечного света в органическое вещество и кислород биосферы

Доклад: Тема нашей презентации — фотосинтез, процесс, благодаря которому существует практически вся жизнь на Земле. Мы разберём, где и как он идёт, из каких фаз состоит и почему его называют космической функцией зелёного растения. Начнём с общей картины и постепенно дойдём до молекулярных механизмов.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Что такое фотосинтез
• Суммарное уравнение фотосинтеза
• Масштаб фотосинтеза на планете
• История изучения фотосинтеза
• Учёные, раскрывшие фотосинтез
• Хлоропласт — органоид фотосинтеза
• Пигменты фотосинтеза
• Спектр действия света
• Две фазы фотосинтеза
• Световая фаза: ход событий
• Перенос электронов по цепи
• Фотолиз воды и кислород атмосферы
• Цикл Кальвина
• Продукты фотосинтеза
• С3-, С4- и САМ-растения
• Что определяет интенсивность фотосинтеза
• Фотосинтез и дыхание
• Значение фотосинтеза для биосферы
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Вот содержание сегодняшнего разговора. Сначала мы дадим определение и запишем суммарное уравнение, затем познакомимся с историей открытия и учёными, потом перейдём к строению хлоропласта, к световой и темновой фазам, а завершим значением фотосинтеза для биосферы и выводами.

Слайд 3. Введение

• Фотосинтез — единственный процесс планетарного масштаба, который переводит энергию солнечного излучения в энергию химических связей органических веществ.
• Ежегодно фотосинтезирующие организмы связывают около 100 миллиардов тонн углерода и создают порядка 150–200 миллиардов тонн органического вещества.
• Весь свободный кислород атмосферы, а это около 21 процента её объёма, имеет фотосинтетическое происхождение.
• Понимание механизмов фотосинтеза лежит в основе растениеводства, селекции, биотехнологии и разработки искусственных преобразователей солнечной энергии.

Доклад: Фотосинтез — единственный процесс планетарного масштаба, который переводит энергию солнечного излучения в энергию химических связей. Ежегодно растения, водоросли и цианобактерии связывают около ста миллиардов тонн углерода. Именно поэтому тема важна и для биологии, и для сельского хозяйства, и для энергетики будущего.

Слайд 4. Что такое фотосинтез

• Фотосинтез — это преобразование энергии света в энергию химических связей углеводов, идущее в клетках зелёных растений, водорослей и ряда бактерий.
• Исходные вещества просты: углекислый газ из воздуха и вода из почвы; продукты — сахара и молекулярный кислород.
• Обязательное условие процесса — фотосинтетические пигменты, прежде всего хлорофилл, способные поглощать кванты видимого света.

Доклад: Суть процесса проста по исходным веществам и сложна по механизму: из углекислого газа воздуха и воды почвы на свету образуются сахара и кислород. Обязательное условие — наличие пигментов, прежде всего хлорофилла, способных поглощать кванты видимого света. На схеме видно, откуда растение берёт вещества и что отдаёт в окружающую среду.

Слайд 5. Суммарное уравнение фотосинтеза

• 6СО₂ + 6Н₂О + свет → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂
• СО₂ — углекислый газ, источник атомов углерода для будущих сахаров
• Н₂О — вода, поставщик электронов и протонов, а также источник выделяемого кислорода
• свет — кванты видимого излучения, поглощаемые молекулами хлорофилла
• С₆Н₁₂О₆ — глюкоза, первичное органическое вещество, запасающее около 2872 кДж на моль
• О₂ — молекулярный кислород, побочный продукт расщепления воды

Доклад: Суммарное уравнение фотосинтеза записывают так: шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды на свету дают молекулу глюкозы и шесть молекул кислорода. За этой краткой записью скрываются десятки последовательных реакций. Обратите внимание: в одной молекуле глюкозы запасается около двух тысяч восьмисот семидесяти двух килоджоулей энергии.

Слайд 6. Масштаб фотосинтеза на планете

• Фотосинтез — процесс невысокой энергетической отдачи, но колоссального размаха: растения используют лишь малую долю падающего света, однако именно они кормят и снабжают кислородом всю биосферу.
• ≈ 1 % — энергии Солнца — столько падающего света в среднем запасают посевы
• ≈ 100 млрд т — углерода в год — связывается фотосинтезом суши и океана
• ≈ 21 % — кислорода в воздухе — полностью фотосинтетического происхождения

Доклад: По энергетической отдаче фотосинтез не выглядит выдающимся: посевы запасают около одного процента падающей солнечной энергии. Но масштаб процесса колоссален — сто миллиардов тонн углерода в год и весь атмосферный кислород. Именно сочетание низкого коэффициента полезного действия и планетарного размаха делает фотосинтез уникальным.

Слайд 7. История изучения фотосинтеза

• Разгадка фотосинтеза заняла почти три столетия и потребовала новых методов: точного взвешивания, газового анализа, спектроскопии и меченых атомов.
• Каждый этап отвечал на свой вопрос: что поглощается, что выделяется, откуда берётся кислород и как собирается сахар.
• 1771 — Пристли: растение восстанавливает воздух
• 1779 — Ингенхауз: кислород выделяется только на свету
• 1804 — Соссюр: в процессе участвует вода
• 1875 — Тимирязев: работают красные лучи спектра
• 1941 — Рубен и Камен: кислород берётся из воды
• 1957 — Кальвин: расшифрован путь усвоения углерода

Доклад: Разгадка фотосинтеза заняла почти три столетия. Пристли в тысяча семьсот семьдесят первом году заметил, что растение восстанавливает испорченный воздух, Ингенхауз уточнил роль света, Соссюр доказал участие воды. Затем Тимирязев показал работу красных лучей, Рубен и Камен установили источник кислорода, а Кальвин расшифровал путь усвоения углерода.

Слайд 8. Учёные, раскрывшие фотосинтез

• Джозеф Пристли, 1733–1804, Английский естествоиспытатель, показавший в 1771 году, что растение восстанавливает испорченный дыханием воздух
• Климент Аркадьевич Тимирязев, 1843–1920, Русский физиолог растений, доказавший, что фотосинтез идёт за счёт поглощаемых хлорофиллом красных лучей, и обосновавший космическую роль зелёного растения
• Мелвин Кальвин, 1911–1997, Американский биохимик, расшифровавший цикл усвоения углекислого газа и удостоенный за это Нобелевской премии по химии 1961 года

Доклад: Остановимся на трёх ключевых фигурах. Джозеф Пристли поставил первый опыт, показавший связь растения и воздуха. Климент Аркадьевич Тимирязев доказал, что фотосинтез идёт за счёт поглощаемых хлорофиллом красных лучей, и ввёл понятие космической роли зелёного растения. Мелвин Кальвин с помощью меченого углерода расшифровал цикл усвоения углекислого газа и получил Нобелевскую премию.

Слайд 9. Хлоропласт — органоид фотосинтеза

• Хлоропласт окружён двойной мембраной; его внутренняя среда — строма — содержит ферменты, кольцевую ДНК и собственные рибосомы.
• Внутри стромы располагается развитая система мембранных мешочков — тилакоидов, собранных в стопки-граны и связанных ламеллами.
• В одной клетке мезофилла листа насчитывается от 20 до 100 хлоропластов длиной 4–10 микрометров.
• Собственная ДНК и способность к делению указывают на симбиотическое происхождение хлоропластов от древних цианобактерий.

Доклад: Фотосинтез идёт в хлоропластах — органоидах с двойной мембраной. Внутри находится строма с ферментами и собственной ДНК, а также система мембранных мешочков-тилакоидов, собранных в стопки-граны. На микрофотографии хорошо видны зелёные хлоропласты в клетках листа: в одной клетке их бывает до сотни.

Слайд 10. Пигменты фотосинтеза

• Хлорофилл a — главный пигмент, входящий в реакционные центры обеих фотосистем и непосредственно отдающий электрон
• Хлорофилл b — вспомогательный пигмент светособирающей антенны высших растений, расширяющий полосу поглощения
• Каротиноиды — жёлто-оранжевые пигменты, улавливающие сине-зелёные лучи и защищающие хлорофилл от разрушения избытком света
• Фикобилины — пигменты красных водорослей и цианобактерий, позволяющие использовать зелёный свет на глубине
• Магний — центральный атом молекулы хлорофилла, без которого пигмент не образуется и лист желтеет

Доклад: Улавливают свет пигменты. Хлорофилл a работает в реакционных центрах и непосредственно отдаёт электрон, хлорофилл b расширяет полосу поглощения, каротиноиды ловят сине-зелёные лучи и защищают клетку от избытка света, а фикобилины помогают водорослям на глубине. В центре молекулы хлорофилла стоит атом магния — без него лист желтеет.

Слайд 11. Спектр действия света

• Наибольшая продуктивность приходится на синие лучи 430–450 нм и красные лучи 660–680 нм — именно их поглощает хлорофилл.
• Зелёные лучи около 550 нм пигмент почти не поглощает и отражает, поэтому листья кажутся нам зелёными.
• За красной границей 700 нм энергии кванта уже не хватает для возбуждения хлорофилла, и фотосинтез резко падает.

Доклад: График показывает, как продуктивность фотосинтеза зависит от длины волны света. Два максимума приходятся на синюю и красную области спектра — именно там поглощает хлорофилл. Зелёные лучи пигмент отражает, поэтому листья зелёные, а за красной границей энергии кванта уже не хватает для возбуждения молекулы.

Слайд 12. Две фазы фотосинтеза

• Фотосинтез распадается на две связанные фазы: сначала энергия света запасается в переносчиках, а затем расходуется на сборку углеводов.
• Идёт на мембранах тилакоидов и только при освещении
• Использует энергию квантов и молекулы воды, выделяя кислород
• Продукты — АТФ и НАДФН, переносящие энергию и водород
• Скорость определяется прежде всего освещённостью
• Идёт в строме хлоропласта и не требует света напрямую
• Использует углекислый газ, а также АТФ и НАДФН световой фазы
• Продукты — триозофосфаты, из которых строятся глюкоза и крахмал
• Скорость определяется концентрацией углекислого газа и температурой

Доклад: Весь процесс делится на две фазы. Световая фаза идёт на мембранах тилакоидов только при освещении: она расщепляет воду, выделяет кислород и запасает энергию в АТФ и НАДФН. Темновая фаза идёт в строме, использует углекислый газ и продукты первой фазы и собирает из них углеводы.

Слайд 13. Световая фаза: ход событий

• Световая фаза превращает поток квантов в два «энергетических рубля» клетки — АТФ и НАДФН.
• Все события разворачиваются на мембране тилакоида за доли секунды.
• Поглощение кванта — светособирающая антенна передаёт энергию в реакционный центр
• Фотолиз воды — вода расщепляется на электроны, протоны и кислород
• Перенос электронов — цепь переносчиков ведёт электрон от фотосистемы II к фотосистеме I
• Протонный градиент — протоны накапливаются в полости тилакоида
• Синтез АТФ и НАДФН — энергия градиента и восстановленный ферредоксин дают готовые переносчики

Доклад: Рассмотрим световую фазу подробнее. Сначала антенный комплекс поглощает квант и передаёт энергию в реакционный центр. Затем происходит фотолиз воды, электроны идут по цепи переносчиков, а протоны накапливаются внутри тилакоида. Возникший градиент и служит источником энергии для синтеза АТФ и НАДФН.

Слайд 14. Перенос электронов по цепи

• Фотосистема II (реакционный центр Р680) возбуждается квантом и отдаёт электрон, восполняя потерю за счёт воды.
• Пластохинон принимает электрон и одновременно переносит протоны внутрь полости тилакоида.
• Цитохромный комплекс b6f продолжает перенос и усиливает накопление протонов в тилакоиде.
• Фотосистема I (реакционный центр Р700) вторично возбуждает электрон энергией света и поднимает его энергетический уровень.
• Ферредоксин и НАДФ-редуктаза передают электрон на НАДФ⁺, образуя НАДФН для темновой фазы.
• АТФ-синтаза пропускает протоны обратно в строму и синтезирует из АДФ молекулы АТФ.

Доклад: Перенос электронов удобно проследить по шагам. Фотосистема II отдаёт электрон и восполняет потерю за счёт воды, пластохинон и цитохромный комплекс переносят его дальше, накачивая протоны. Фотосистема I вторично возбуждает электрон, ферредоксин передаёт его на НАДФ, а АТФ-синтаза превращает протонный градиент в молекулы АТФ.

Слайд 15. Фотолиз воды и кислород атмосферы

• При фотолизе молекула воды расщепляется на электроны, протоны и атомарный кислород: 2Н₂О → 4Н⁺ + 4е⁻ + О₂.
• Опыты Рубена и Камена с тяжёлым изотопом кислорода-18 доказали, что выделяемый кислород берётся из воды, а не из углекислого газа.
• Накопление фотосинтетического кислорода около 2,4 миллиарда лет назад вызвало кислородную революцию и появление аэробного дыхания.
• Из кислорода сформировался озоновый экран, позволивший жизни выйти на сушу.
• ≈ 21 % — доля кислорода в современной атмосфере Земли

Доклад: Кислород, которым мы дышим, рождается именно при фотолизе воды: две молекулы воды дают четыре протона, четыре электрона и молекулу кислорода. Опыты с тяжёлым изотопом кислорода-18 доказали, что источник кислорода — вода, а не углекислый газ. Накопление этого кислорода в древности изменило состав атмосферы и создало озоновый экран.

Слайд 16. Цикл Кальвина

• Цикл расшифрован Мелвином Кальвином в 1946–1956 годах методом меченого углерода-14.
• Углекислый газ присоединяется к рибулозобисфосфату при участии фермента рубиско — самого распространённого белка на Земле.
• На каждую усвоенную молекулу углекислого газа тратятся 3 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДФН.
• Шесть оборотов цикла и шесть молекул углекислого газа дают одну молекулу глюкозы.
• Цикл идёт в строме и формально не требует света, но полностью зависит от продуктов световой фазы.
• Фиксация углерода
• Восстановление
• Выход триозофосфата
• Регенерация акцептора

Доклад: Темновая фаза — это цикл Кальвина. Углекислый газ присоединяется к рибулозобисфосфату при участии фермента рубиско, затем идёт восстановление за счёт АТФ и НАДФН, часть продукта выводится из цикла, а остальное тратится на регенерацию акцептора. Шесть оборотов цикла дают одну молекулу глюкозы.

Слайд 17. Продукты фотосинтеза

• Около половины созданных сахаров растение сразу тратит на собственное дыхание и рост.
• Остальное запасается и определяет урожай, прирост древесины и качество плодов.
• Углекислый газ — источник атомов углерода, поступает в лист через устьица
• АТФ и НАДФН — энергия и водород, полученные в световой фазе
• Триозофосфаты — сахароза, крахмал, целлюлоза, а через них аминокислоты и жиры

Доклад: Из первичных триозофосфатов растение строит сахарозу для транспорта, крахмал для запаса и целлюлозу для клеточных стенок, а с добавлением азота — аминокислоты и белки. Примерно половина созданного расходуется на собственное дыхание, а оставшаяся часть определяет прирост биомассы и урожай.

Слайд 18. С3-, С4- и САМ-растения

• Разные группы растений по-разному решают конфликт между поглощением углекислого газа и потерей воды.
• Чем жарче и суше климат, тем экономнее устроен путь усвоения углерода.

Доклад: Не все растения усваивают углерод одинаково. У С3-растений первым продуктом становится трёхуглеродная кислота, и они теряют до трети продукции на фотодыхание. С4-растения, например кукуруза, предварительно связывают углекислый газ в четырёхуглеродное соединение, а САМ-растения открывают устьица только ночью, экономя воду в пустыне.

Слайд 19. Что определяет интенсивность фотосинтеза

• 0,04 % — углекислый газ — его нехватка в воздухе чаще всего ограничивает процесс
• 20–25 °С — температура — оптимум для растений умеренных широт, выше 35 °С ферменты угнетаются
• 20 тыс. лк — освещённость — уровень светового насыщения у большинства культур
• 1–2 % — вода — столько поглощённой воды идёт на фотосинтез, остальное — на транспирацию

Доклад: Интенсивность фотосинтеза ограничивают четыре главных фактора. Чаще всего в природе не хватает углекислого газа — его в воздухе всего четыре сотых процента. Оптимум температуры для растений умеренных широт составляет двадцать — двадцать пять градусов, а после светового насыщения дальнейшее увеличение освещённости прибавки уже не даёт.

Слайд 20. Фотосинтез и дыхание

• Фотосинтез и дыхание — противоположно направленные, но взаимно необходимые процессы одной клетки: один запасает энергию, другой её высвобождает.
• Идёт в хлоропластах и только у автотрофов
• Поглощает углекислый газ и выделяет кислород
• Запасает энергию света в органических веществах
• Возможен исключительно на свету
• Идёт в митохондриях всех живых клеток
• Поглощает кислород и выделяет углекислый газ
• Высвобождает энергию, запасая её в АТФ
• Идёт круглосуточно, и днём, и ночью

Доклад: Фотосинтез и дыхание удобно сравнивать напрямую. Первый идёт в хлоропластах, поглощает углекислый газ, выделяет кислород и запасает энергию, причём только на свету. Второе идёт в митохондриях всех клеток круглосуточно, поглощает кислород и высвобождает энергию. Вместе они замыкают круговорот углерода и кислорода.

Слайд 21. Значение фотосинтеза для биосферы

• Создаёт органическое вещество — пищевую основу для всех гетеротрофных организмов
• Поддерживает постоянный уровень кислорода, необходимого для аэробного дыхания
• Сформировал озоновый экран, защитивший сушу от жёсткого ультрафиолета
• Изымает из атмосферы углекислый газ и сдерживает усиление парникового эффекта
• Создал запасы ископаемого топлива — угля, нефти и природного газа

Доклад: Значение фотосинтеза для биосферы трудно переоценить. Он создаёт органическое вещество для всех гетеротрофов, поддерживает кислородный состав атмосферы, сформировал озоновый экран, изымает углекислый газ и тем самым сдерживает парниковый эффект. Наконец, именно древний фотосинтез оставил нам уголь, нефть и природный газ.

Слайд 22. Выводы

• Фотосинтез — ключевое звено круговорота веществ: он связывает неорганический углерод в органические соединения и обеспечивает биосферу энергией.
• Процесс строго разделён на световую фазу в мембранах тилакоидов и темновую фазу в строме хлоропласта, связанные через АТФ и НАДФН.
• Кислород выделяется при фотолизе воды, что доказано опытами с меченым кислородом-18 и объясняет кислородный состав атмосферы.
• Продуктивность фотосинтеза зависит от света, углекислого газа, температуры и воды, а значит, ею можно управлять в растениеводстве и защищённом грунте.

Доклад: Подведём итоги. Фотосинтез — ключевое звено круговорота веществ и энергии на Земле. Он строго разделён на световую фазу в мембранах тилакоидов и темновую фазу в строме, связанные через АТФ и НАДФН. Понимание этих механизмов позволяет управлять продуктивностью растений в поле и в теплице.

Слайд 23. Список литературы

• Медведев, С. С. Физиология растений : учебник / С. С. Медведев. — Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2013. — 512 с.
• Полевой, В. В. Физиология растений : учебник / В. В. Полевой. — Москва : Высшая школа, 1989. — 464 с.
• Тимирязев, К. А. Жизнь растения : научно-популярные лекции / К. А. Тимирязев. — Москва : Сельхозгиз, 1949. — 335 с.
• Холл, Д. Фотосинтез / Д. Холл, К. Рао ; перевод с английского. — Москва : Мир, 1983. — 134 с.
• Якушкина, Н. И. Физиология растений : учебник / Н. И. Якушкина, Е. Ю. Бахтенко. — Москва : ВЛАДОС, 2005. — 463 с.

Доклад: В списке литературы приведены классические учебники физиологии растений и работы, посвящённые фотосинтезу. Рекомендую начать с учебника Медведева и лекций Тимирязева: они дают и современную биохимию, и историческую перспективу. Все источники расположены в алфавитном порядке и оформлены по действующему стандарту.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом наше выступление завершено. Мы прошли путь от простого уравнения до молекулярных механизмов и убедились, что фотосинтез связывает Солнце, растение и всю живую природу в единую систему. Благодарю за внимание, готов ответить на ваши вопросы.