ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СВЕТА В ПРОЦЕССЕ г ФОТОСИНТЕЗА

Заключение. В процессе фотосинтеза происходит превращение энергии света в биохимическую энергию. Первичное действие света состоит в том, что в фотохимических реакционных центрах электроны донора переносятся на акцептор в термодинамически невыгодном направлении. По крайней мере часть электронов возвращается по электрон-транспортной цепи к реакционным центрам. Благодаря особому расположению компонентов электрон-транспортной системы в мембране это сопровождается направленным переносом протонов и созданием протонного потенциала. Таким образом, аппарат фотосинтеза-это прежде всего протонный насос, приводимый в действие светом. Протонный потенциал обеспечивает возможность преобразования энергии путем фос- [c.392]

Полная структура молекулы хлорофилла, весьма важного пигмента в поглощении света и преобразовании его энергии в процессе фотосинтеза, представлена на рис. 39. [c.100]

Совершенно очевидно, что один из наиболее перспективных методов крупномасштабного преобразования солнечной энергии основан на использовании биосистем. Широкое применение биосистем для получения энергии способно обеспечить свыше 15 % производства энергии для экономически развитых стран. В последние 10—15 лет намечены новые пути биотрансформации солнечной энергии при фотосинтезе. Установлено, что некоторые микробиологические системы характеризуются высокой эффективностью фотосинтеза. Так, фоторазложение воды, осуществляемое суспензией хлореллы с образованием кислорода, в оптимальных условиях культивирования дает 130—140 л газа с 1 м освещаемой поверхности в сутки. Известно, что одна из особенностей процесса фотосинтеза — уменьшение эффективности преобразования солнечной энергии при высоких значениях интенсивности света. Новые технологии позволяют повысить эффективность фотосинтеза при высокой интенсивности света. Разрабатываются системы, эффективно поглощающие световой поток и обогащенные реакционными центрами по отношению к пигменту. Световые кривые фотосинтеза улучшаются также с увеличением скорости лимитирующей стадии электронного транспорта. Например, проведение процесса при повышенных температурах в системах термофильных микроорганизмов увеличивает эффективность преобразования солнечной энергии при высокой интенсивности света. [c.26]

Биоэнергетика изучает молекулярные механизмы потребления энергии живой клеткой, а также механизмы преобразование этой энергии в форму, которая может быть использована для совершения различных видов полезной работы (биосинтез, транспорт веществ против градиентов их концентраций, мышечное сокращение, движение клеток, теплопродукция и т. д.). Другими словами, биоэнергетика — это наука о судьбе энергии в клетке. Солнечный свет, которому мы обязаны самим существованием жизни, служит первоначальным источником энергии для растений и фотосинтезирующих бактерий. Энергетические аспекты фотосинтеза — важная составляющая часть биоэнергетической науки. Окисление органических веществ кислородом воздуха — другой универсальный механизм потребления энергии внешней среды живыми организмами. Дыхание и фотосинтетические процессы протекают на мембранах, отличительная черта которых состоит в их крайне низкой проницаемости для ионов водорода. Энергия, улавливаемая при поглощении света растениями и фотосинтезирующими бактериями или выделяемая при окислении органических соединений дышащими организмами, запасается в конечном итоге в химической форме, в виде АТР. Это сравнительно простое (по биологическим масштабам) химическое соединение служит универсальной энергетической валютой живой клетки. Изучение молекулярного механизма образования АТР на биологических мембранах является основным предметом биоэнергетики. [c.5]

Источником всех видов энергии, используемых в биологических системах, является солнечный свет, а преобразование световой энергии в химическую происходит в ходе уникального и важнейшего для жизни процесса -фотосинтеза. Способностью к фотосинтезу обладают как эукариоты (высшие зеленые растения, зеленые, бурые и красные водоросли, некоторые одноклеточные организмы), так и прокариоты (синезеленые водоросли, зеленые и пурпурные бактерии). [c.92]

Вводные пояснения. В процессе фотосинтеза световая энергия перед преобразованием в химическую должна быть поглош,ена пигментами. Пластидные пигменты поглощают свет видимой части спектра (380... 720 нм), чем обусловлено название излучения этой области спектра (фотосинтетически активная радиация, или ФАР). Пигменты поглощают видимый свет не полностью, а избирательно, т. е. каждый пигмент имеет свой характерный спектр поглощения. В частности, важнейшая особенность спектра поглощения хлорофилла а и Ь — наличие у них двух ярко выраженных максимумов в красной области— соответственно 660 и 640 нм и в сине-фиолетовой— 430 и 450 нм. Минимум поглощения лежит в зоне зеленых лучей. Этим и объясняется зеленая окраска пигментов. В живом листе у хлорофиллов более широкш и выравненный спектр поглош,ения. Так, красный максимум поглощения хлорофилла а в хлоропласте имеет несколько пиков 670, 683, 700, 710 нм у хлорофилла Ь он приходится на длины волн [c.80]

При сбросе сточных вод в небольшие водоемы наблюдается помутнение воды, вызываемое попавшими в нее вместе со сточной водой взвешенными веществами. Солнечный свет больше не может проникать сквозь толщу мутной воды, и водные растения не получают достаточного количества солнечной энергии. Поэтому они уже не могут перерабатывать загрязнения в количествах, необходимых для образования высших соединений. В ходе процессов, которые вследствие участия в них солнечного света называют фотосинтезом, растения выделяют кислород, растворяющийся в воде, и, таким образом, количество кислорода может быть увеличено в желаемых пределах. В результате помутнения воды, вызванного сильным загрязнением, с одной стороны, уменьшается количество вырабатываемого растениями кислорода, а с другой — из-за увеличения питания за счет разлагающихся веществ значительно увеличивается количество животных организмов, для жизнедеятельности которых требуется больше кислорода. Оба процесса ведут к сокращению количества кислорода в месте сброса сточных вод. Положение становится критическим, когда содержание растворенного кислорода снижается до 3—4 г/м , так как в этом случае погибает рыба. Гибель рыбы в водоеме всегда свидетельствует о превышении допустимых норм загрязнения водоемов сточными водами. Чем больше и разнообразнее мир живых организмов, принимающих участие в разложении органических загрязнений, тем быстрее происходят преобразования в водоемах. Для того чтобы вода в реке обладала [c.25]

Из процессов, показанных на рис. 4.1, фотосинтез является важнейшим для существования жизни, так как именно в результате фотосинтеза образуется топливо для организмов. Продукты фотосинтеза осуществляют в мышцах непосредственное преобразование химической энергии в механическую. Из других особенностей живых организмов отметим сложную и быстродействующую систему преобразований различных видов энергии в электрические сигналы. Система таких датчиков-преобразователей обеспечивает работу органов чувств зрение (свет), слух (звуковое давление-> механическое действие), вкус (химия), обоняние (химия), осязание (механическое действие, температура). Очень высокая эффективность при почти непрерывном режиме преобразования энергии в биообъектах до сих пор во многом остается загадкой, и в биологии нет полной молекулярной теории процессов восприятия. [c.115]

Для эффективного протекания процесса фотосинтеза необходимо возбуждение более чем одного фотосинтетически активного пигмента. Этот результат предполагает возможность участия двух главных процессов в реакции преобразования энергии при фотосинтезе. Квантовый выход фотосинтеза падает при длинах волн света больше, чем длина волны максимума поглощения в красной области (эффект Эмерсона, или красное падение ), хотя поглощение в этой области (675—720 нм) продолжает приводить к заселению уровня Si" хлорофилла а. Однако если к возбуждающему световому пучку добавляется более коротковолновый свет (Ж670 нм), то квантовый выход фотосинтеза существенно возрастает. Низкие квантовые выходы фотосинтеза, получаемые при длинноволновом освещении, могут быть подняты до нормальных значений одновременным освещением коротковолновым светом. [c.233]

Таким образом, опыты с изолированными хлоропластами доказали, что в акте фотосинтеза имеет место непосредственное преобразование поглощаемой хлорофиллом энергии кванта света в энергию химических связей молекул АТФ. Поскольку этот процесс осуществляется только за счет энергии света, он носит название фотосинтетического фосфорилирования или фотофосфорилирования, в отличие от окислительного фосфорилирования, имеющего место в акте дыхания. [c.156]

Открытие фотосинтеза (1771) связывают с именем английского химика Дж. Пристли. Он наблюдал, что зеленые растения исправляют воздух, испорченный горением горючих тел и дыханием животных. В последующем ученые разных стран выполнили много исследований с целью познания процесса фотосинтеза. Важный вклад в изучение фотосинтеза сделал К. А. Тимирязев. Он показал, что фотосинтез осуществляется в строгом соответствии с законом сохранения энергии энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и передается им на обеспечение химических реакций, в итоге которых из двуокиси углерода и воды образуются органические вещества. В результате преобразования энергия солнечного света накапливается в виде потенциальной энергии образующихся веществ. [c.121]

Рассматривая круговорот углерода, мы уже противопоставляли друг другу два процесса фотосинтез, при котором фиксируется СОз и выделяется О2, и минерализацию органических веществ, связанную с потреблением О2 и освобождением СО2. Процессы эти противоположны. С точки зрения массообмена важнее всего переход углерода из газообразного неорганического вещества в полутвердые и твердые органические соединения и обращение ртого процесса. Если же рассматривать оба этих процесса с позиций энергообмена, т. е. преобразования энергии, то углерод имеет меньшее значение, чем водород. Еще Ю. Р. Майер (1848) сформулировал положение Растения поглощают одну силу-свет-и создают другую-химическое различие ( сила здесь в смысле энергия ). В процессе фотосинтеза лучистая энергия Солнца преобразуется в химическую энергию вода при этом разлагается на кислород и водород, а последний в результате связывания с углеродом (из СО2) переводится в метастабильное состояние (см. схему). Большая часть та- [c.213]

Рассмотрев реакции связывания углерода, вернемся теперь к вопросу о том, как в процессе фотосинтетического переноса электронов, протекающем в хлоропласте, образуются АТР и NADH, необходимые для синтеза углевода из СО2 и Н2О (см. рис. 7-41). Необходимая энергия извлекается из солнечного света, поглощаемого молекулами хлорофилла (рис. 7-46). Процесс преобразования энергии начинается с возбуждения молекулы хлорофилла квантом света (фотоном), сопровождающегося переходом электрона на более высокий энергетический уровень. Такая возбужденная молекула нестабильна и стремится вернуться к исходному состоянию одним из трех способов 1) в результате превращения избыточной энергии в тепло ( в молекулярное движение), либо в тепло и свет с большей длиной волны ( флуоресценция) в том случае, когда лучистая энергия поглощается отдельной молекулой хлорофилла в растворе 2) в результате передачи энергии (но не электрона) непосредственно соседней молекуле хлорофилла при помощи процесса, называемого резонансной передачей энергии или 3) путем передачи высокоэнергетического электрона одной из ближайших молекул (акцептору электрона) и возвращения в первоначальное состояние в результате принятия низкоэнергетического электрона от какой-то другой молекулы (донора электрона, рис. 7-47). Последние два механизма играют ключевую роль в фотосинтезе. [c.467]

РГсходя из общего представления о природе химических, в частности обменных, реакций, мы можем высказать предположение о вероятном характере световой стадии фотосинтеза. Дыхание растений — процесс, обратный фотосинтезу, — включает реакции двух типов при первых разрываются углеродные цепочки больших органических молекул, при вторых происходит отщепление атомов водорода от углерода и перенос их с помощью ферментов на кислород с образованием воды. В процессе фотосинтеза должны иметь место те же два типа реакций, но только реакции должны идти в обратном направлении — перенос водорода от воды к углекислоте и образование углеродных цепочек. Перенос водорода при дыхании сопровождается выделением энергии, и, следовательно, при фотосинтезе он должен сопровождаться ее накоплением. Накапливаемая энергия — это преобразованная энергия света. Значит, световая реакция фотосинтеза — это, по всей вероятности, перенос водорода от кислорода к углероду против градиента химического потенциала , т. е. от более устойчивой формы к менее устойчивой. Если позаимствовать сравнение из механики, то можно сказать, что при дыхании атомы водорода скатываются с горы, а при фотосинтезе удары квантов света (отдельных атомов света), поглощаемых хлорофиллом, подталкивают их наверх [c.44]

Животных организмов на Земле насчитывается 11 типов, подразделяемых на 65 классов, большинство из которых обитают в море, и лишь 8 классов живут на суше. Кроме того, насчитывают 17 типов и 33 класса растений, из которых 5 классов обитает в Мировом океане и 10 классов — в пресных и морских водах. К типам растений, распространенным в морях и океанах, относятся водоросли зеленые, бурые, красные, сине-зеленые, разножгутиковые, диатомовые. Характерная особенность растительных организмов— это способность преобразовывать неорганическое вещество в органическое в процессе фотосинтеза, т. е. при поглощении углекислого газа из воды, освещенной солнечными лучами, растения создают углеводы (органические вещества), необходимые для их жизнедеятельности. При проникновении солнечного света в воде происходит преобразование солнечной энергии в химическую, т. е. углекислый газ и вода как продукты полного окисления углерода и водорода входят в состав органического вещества, а освободившийся при разложении воды кислород выделяется в морскую воду. Животные не способны к синтезу органических веществ, но основным источником их питания служат органические вещества, синтезируемые растениями. В процессе фотосинтеза начинается преобразование неорганических веществ в органические отмирание и разложение морских растений и остатков поглотивших их животных определяют вновь переход органических веществ в неорганические. Так осуществляется круговорот веществ в морской воде. [c.172]

Взаимодействие отдельных компонентов протоплазмы ярко выявляется на примере фотосинтеза. Так, если поглощение кванта света и преобразование его энергии связано с хлоропластами, то вся дальнейшая цепь процессов аккумулирования этой энергии в химических связях органической молекулы, превращений первичного продукта фотосинтеза и т. д. протекает с участием других компонентов протоплазмы. [c.52]

Итак, подобно фотосинтезу, дыхание также представляет собой функцию снабжения энергией и питательными веществами. Различаются названные функции лишь в отношении вида используемой энергии и формы питательных веществ. Если в акте фотосинтеза ассимилируется электромагнитная энергия света, тО дыхание — процесс усвоения энергии химических связей, образовавшихся за счет преобразованной зеленой клеткой энергии-кванта света. [c.311]

Интенсивность фотосинтеза зависит от интенсивности и спектрального состава света. Тимирязев убедительно доказал, что в основе всех жизненных процессов лежит не таинственная жизненная сила , а разнообразно преобразованная энергия солнечной радиации, улавливаемая растениями при фотосинтезе. Работы Тимирязева имели большое значение для утверждения материалистических представлений в биологии. [c.121]

При достижении предельного совершенства и автотрофов и гетеротрофов устанавливается замкнутый цикл преобразования веществ и энергии в масштабах биосферы планеты. Автотрофы за счет энергии поглощаемого ими света разлагают воду на водород и кислород. Водород соединяется с какими-либо акцепторами — в основном с СОг с образованием, сохраняющих энергию молекул пищи (фотосинтез). Кислород уходит в атмосферу. Гетеротрофы осуществляют обратный процесс — образуют воду, освобождая законсервированную ранее энергию при соединении кислорода с водородом органических молекул (дыхание) (рис. 13). Прохождение этого термодинамического цикла, естественно сопровождается деградацией энергии — высококачественное видимое и ультрафиолетовое излучение E в конце концов превращается в низкокачественное тепловое излучение г, т. е. в относительно низкотемпературный белый шум (см. рис. 13). При осуществлении такого цикла, реализующегося сопряженно с процессами деградации солнечной энергии, совершаются все процессы жизнедеятельности, вызванные к жизни (в буквальном смысле этого словосочетания) биологической эволюцией. Сведение всех весьма сложных биохимических процессов превращения энергии к разложению и образованию воды— вероятно, одно из самых сильных научных обобщений нашего века. [c.133]

В задачу биофизики входит выяснение механизмов начальных стадий, которые следуют непосредственно за поглощением кванта света. Как мы увидим, несмотря на большое разнообразие фотобиологических эффектов, именно начальные этапы преобразования энергии света характеризуются общими молекулярными механизмами. В основе первичных процессов фотосинтеза лежит сложная совокупность окислительновосстановительных реакций переноса электрона в элек-трон-траспортной цепи (ЭТЦ). [c.158]

Нормальное течение процессов образования молекулы органического вещества за счет СО2 и Н2О при использовании световой энергии возможно, очевидно, лишь при строгой координации и взаимной согласованности действия всех этих систем. Центральное место в этой цепи занимает, естественно, система, с участием которой осуществляется поглощение и преобразование энергии кванта света. Однако данное обстоятельство ни в какой степени не умаляет значения и всех других звеньев единого процесса фотосинтеза. [c.163]

Значительные результаты достигнуты в изучении молекулярных механизмов преобразования энергии света при фотосинтезе. Установлено, что этот процесс начинается с поглощения энергии света (фотонов) пигментами антенны н миграции энергии возбуждения к реакционным центрам, где за пикосекунды происходит преобразование ее в химическую энергию изучаются ультрамолекулярная структура реакционного центра и функции его компонентов решается задача построения искусственных реакционных центров большое внимание уделяется изучению механизма переноса электронов в фотосинтезирующих системах. [c.232]

Мне представляется интересной эта выдуманная, искусственная неорганическая система преобразования энергии. В ней осуществляются процессы, аналогичные биохимическому фотосинтезу,— разложение воды с образованием кислорода и восстановлением акцепторов водорода. Примечательна ключевая роль перекиси водорода в обеих половинах цикла. Вместе с тем ясно, что стационарная концентрация перекиси водорода и других промежуточных продуктов может быть очень малой. Интересна необходимость четырех квантов света для прохождения половины цикла и восьми квантов для полного цикла. (Любители фотосинтеза должны взволноваться, так как пока никто не знает, почему для современного фотосинтеза необходимо восемь квантов света на элементарный цикл.) [c.112]

Важнейший для всего живого процесс преобразования энергии поглощенного света в химическую энергию органических веществ, синтезируемых из СО2 и Н2О (фотосинтез), осуществляется в зеленых пластидах — хлоропластах. Это овальные тела 5—10 мкм длиной и 2 — 3 мкм в диаметре. В одной клетке листа могут находиться 15 — 20 и более хлоропластов, а у некоторых водорослей — лишь 1 — 2 гигантских хлоропласта различной формы. Как и другие пластиды, хлоропласты обладают наружной и внутренней мембранами (рис. 1.4). Внутренняя мембрана, ограничивающая внутреннюю гомогенную среду [строму) хлоропласта, образует уплощенные инвагинации — тилакоиды, которые могут иметь форму дисков и в этом случае называются тилакоидами гран (гранальными). Несколько таких тилакоидов, лежащих друг над другом, формируют стопку — грану. Другие тилакоиды, связывающие между собой граны или не контактирующие с ними, называются тилакоидами стромы. [c.20]

Появлеине фотосинтеза стало возможным лишь после ряда важных изменений в биохимических механизмах живых систем и накопления достаточных количеств СО2 в окружающей среде. Способность улавливать энергию солнечных лучей и преобразовывать ее в биологически полезную форму не могла развиться раньше, чем появились пигментные соединения типа хлорофиллов и цитохромов. Хлорофиллы поглощают солнечное излучение, и в результате электроны переходят на более высокий энергетический уровень. Затем эти электроны перетекают по цито-хромам в электронпереносящей цепи, и в этом процессе энергия каждого электрона последовательно уменьшается небольшими скачками, причем значительная часть высвобождающейся энергии улавливается в биологически полезной форме (АТФ и НАДФ-Н). Эта последовательность событий — поглощение энергии солнечного света пигментными веществами, а затем преобразование ее в форму, доступную для использования в процессах метаболизма, — представляет собой первый фотосинтетиче-ский механизм, возникший в ходе эволюции, и называется фотофосфорилированием. [c.39]

Сопоставление последовательности первичных процессов фотосинтеза с последовательностью событий при окислительном фосфорилировапии у митохондрий показывает, что наиболее существенное и принципиальное различие в процессах преобразования энергии при дыхании и фотосинтезе заключено в способе образования допоров и акцепторов электронов. В случае митохондрий— это субстраты типа НАДН или сукцината, окисляемые (посредством ЦЭТ) кислородом воздуха, в случае хроматофоров — это восстановленные акцепторы и окисленные доноры, образованные под действием света. [c.24]