Что такое фотосинтез?
Фотосинтез — это фундаментальный биологический процесс, в ходе которого зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию. Используя углекислый газ из атмосферы и воду из почвы, они синтезируют органические вещества, прежде всего сахара, которые служат основой питания для всего живого на планете.
Где происходит фотосинтез?
Этот удивительный процесс протекает в специализированных клеточных структурах — хлоропластах. Эти небольшие органеллы (их объем составляет около 30–40 мкм³, и в одной клетке может находиться до 40 штук) имеют дискообразную форму и сложное внутреннее строение. Такая конструкция максимально эффективно улавливает солнечный свет. Состояние хлоропластов напрямую зависит от условий окружающей среды: недостаток азота в почве приводит к их уменьшению, а отсутствие света — к разрушению внутренних мембран, что резко снижает продуктивность фотосинтеза.
Две фазы процесса
Фотосинтез состоит из двух взаимосвязанных этапов: световой и темновой фазы.
В световой фазе энергия солнечных лучей, поглощенная пигментом хлорофиллом, используется для расщепления молекул воды (H₂O). В результате этого образуется кислород, который выделяется в атмосферу, и водород. Энергия света также запасается в форме молекул АТФ — универсального энергетического «топлива» для клетки, и НАДФ·H — переносчика водорода.
Продукты световой фазы (АТФ и НАДФ·H) затем используются в темновой фазе, которая не требует непосредственного участия света. В ходе этой серии реакций углекислый газ (CO₂) восстанавливается до уровня простых сахаров (углеводов). Помимо углеводов, в хлоропластах также синтезируются органические кислоты, аминокислоты, белки и жиры.
Значение фотосинтеза
Роль фотосинтеза в биосфере Земли невозможно переоценить. Как отмечал выдающийся русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев, внесший огромный вклад в изучение этого процесса, фотосинтез — это явление, от которого в конечном счете зависят все проявления жизни. Это утверждение абсолютно справедливо, поскольку фотосинтез является:
- Основным источником органического вещества для всех гетеротрофных организмов (животных, грибов, многих бактерий).
- Единственным крупномасштабным источником свободного кислорода в атмосфере, которым дышит все живое.
Фотосинтез и сельское хозяйство
Фотосинтез лежит в основе формирования урожая сельскохозяйственных культур, однако связь здесь не всегда прямая. Для фермера важен не общий объем биомассы растения, а так называемый хозяйственный урожай — съедобные или технически ценные части (зерно, клубни, плоды, волокно).
На итоговую продуктивность растения в первую очередь влияют характеристики его фотосинтезирующего аппарата — листовой поверхности:
- Площадь: Оптимальной считается листовая поверхность в 30–50 тысяч квадратных метров на гектар посевов.
- Ориентация: Вертикальное или приподнятое расположение листьев (как у высокоурожайных сортов сахарной свеклы) способствует лучшему проникновению света ко всем ярусам растения и повышает эффективность использования солнечной энергии.
- Долговечность: Ключевая задача агронома — обеспечить быстрое развитие листьев в начале сезона и максимально продлить период их активной работы. Преждевременное отмирание листвы часто вызвано стрессом (засухой, болезнями, вредителями, дефицитом питания), поэтому соблюдение правильной агротехники, своевременная защита растений и обеспечение их ресурсами — залог высокого урожая.