Фотосинтез — одна из важнейших тем на ЕГЭ по биологии. Понимание процесса позволит заработать 5 — 10 первичных баллов, а это солидный вклад в общий результат! Глубокие знания по данной теме — это не просто ключ к успешному решению конкретных задач, но и важнейший этап на пути к освоению предмета в целом.
В этой статье мы разберем все аспекты темы, которые необходимы для сдачи экзамена.
Во время интенсивного изучения профильных предметов, крайне важно не забывать про подготовку к ЕГЭ по русскому языку. Ведь это обязательный экзамен для всех выпускников, и результат может сыграть решающую роль при поступлении!
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез — это процесс перевода солнечной энергии в энергию химических связей органических веществ, в ходе которого в растительных клетках происходит создание глюкозы из углекислого газа.
Фотосинтез является основой жизни на Земле, обеспечивая кислородом атмосферу и пищей гетеротрофные организмы.
Ключевую роль в этом процессе играет хлорофилл — пигмент, находящийся в хлоропластах.
Хлоропласты — это органоиды растительных клеток, в которых непосредственно происходит фотосинтез.
Внутри хлоропласта располагаются «монетки» — тилакоиды, в их мембранах располагаются молекулы хлорофилла. В тилакоидах протекает первая фаза фотосинтеза — световая.
Пространство между тилакоидами и внутренней мембраной заполнено жидкостью — стромой, в которой протекает вторая (темновая) фаза фотосинтеза.
Исторический контекст и научное открытие
Исследования фотосинтеза начались давно. Одним из первых ученых, приблизившихся к пониманию этого процесса, был Ян Баптист ван Гельмонт, который в XVII веке провел эксперимент с ивой и доказал, что растение не получает питательные вещества из почвы в том объеме, в котором растет.
Позже Джозеф Пристли обнаружил, что растения «исправляют» воздух, делая его пригодным для дыхания.
Важный вклад внес и Ян Ингенхауз, показавший, что растения выделяют кислород только на свету.
Ключевое открытие сделал Юлиус Роберт Майер, сформулировавший закон сохранения энергии и предположивший, что энергия света преобразуется в химическую энергию в растениях.
Этапы фотосинтеза в контексте ЕГЭ
Световая фаза
Световая фаза запускается только в присутствии солнечного света на мембранах тилакоидов.
Для ЕГЭ необходимо запомнить последовательность процессов, которые происходят в световую фазу:
1) Поглощение света хлорофиллом
Квант попадает на мембрану тилакоида. Молекулы хлорофилла под воздействием энергии света переходят в возбужденное состояние и теряют электроны. Электроны, оторвавшиеся от молекул хлорофилла, двигаются по электрон-транспортной цепи, переходят через мембрану тилакоида и скапливаются за ее пределами.
2) Фотолиз воды
В это время внутри тилакоида происходит фотолиз воды — распад молекул воды под действием света. Молекула воды диссоциирует на протон водорода и гидроксогруппу. Протоны водорода скапливаются внутри тилакоида. Гидроксид-ионы объединяются с образованием новых молекул воды и молекулярного кислорода, который выделяется в окружающую среду. В результате перегруппировки атомов остаются лишние электроны, которые восполняют потерю хлорофилла.
3) Синтез АТФ
В результате того, что внутри тилакоида скапливаются положительно заряженные протоны, а за его пределами — отрицательно заряженные электроны, формируется разность потенциалов. Протоны водорода стремятся выйти наружу через канал специального фермента — АТФ-синтетазы. Поток протонов «раскручивает» АТФ-синтетазу, в результате чего она активируется и начинает присоединять фосфаты к молекулам АДФ с образованием АТФ. Это называется реакцией фотофосфорилирования.
4) Восстановление НАДФ+ до НАДФ*Н
Отработавшие протоны водорода соединяются с электронами и улавливаются специальными переносчиками — НАДФ+, в результате чего, образуются восстановленные переносчики водорода — НАДФ*Н.
Результат световой фазы: АТФ, НАДФ*H, кислород (побочный продукт).
Темновая фаза
Темновая фаза протекает в строме хлоропласта и не требует света. В ходе этой фазы происходит цикл реакций, в результате которого синтезируется глюкоза из углекислого газа — цикл Кальвина.
Рассмотрим ключевые этапы темновой фазы:
- Фиксация углекислого газа (связываение углекислого газа с рибулозобисфосфатом под действием фермента Рубиско),
- Образование нестойкого 6-ти углеродного соединения (С6),
- Распад нестойкого 6-ти углеродного соединения на две молекулы (С3)
- Окисление НАДФ*Н до НАДФ+,
- Использование энергии АТФ: АТФ → АДФ + Ф,
- Образование глюкозы,
- Запасание глюкозы в иве крахмала.
НАДФ+ возвращается в световую фазу и ждет новые протоны водорода для переноса их в темновую.
АДФ и фосфат возвращаются к АТФ-синтетазе в световую фазу, для того чтобы снова «переложить» порцию солнечной энергии в химические связи АТФ.
Результат темновой фазы: глюкоза, которая затем запасается в виде крахмала.
Лайфхаки для изучения темы
- Нарисуй схему световой и темновой фаз фотосинтеза (используя условные обозначения и стрелки, чтобы показать последовательность процессов).
- Раздели лист бумаги на две колонки и выпиши последовательности процессов световой и темновой фаз. Используй эту шпаргалку при выполнении тестов и постепенно ты их запомнишь!
- Придумай смешные ассоциации для названий веществ и ферментов и попытайся запомнить последовательность превращений как интересную историю 🙂
Заключение
Фотосинтез — сложная, но важная тема для ЕГЭ по биологии.
Освоив основные понятия и научившись решать типовые задания, ты сможешь уверенно ответить на вопросы по этой теме и получить заветные баллы!
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Какие стадии фотосинтеза нужно знать для ЕГЭ?
Для сдачи ЕГЭ необходимо знать основные стадии фотосинтеза: световую фазу, происходящую на мембранах тилакоидов, и темновую фазу (цикл Кальвина), протекающую в строме хлоропласта.
Какую химическую формулу фотосинтеза нужно знать для ЕГЭ?
Для ЕГЭ необходимо знать химические формулы общего уравнения фотосинтеза: 6CO2 + 6H2O + Свет → C6H12O6 + 6O2.
Чем различается кислородный и бескислородный фотосинтез?
Кислородный фотосинтез, осуществляемый растениями, водорослями и цианобактериями, использует воду в качестве донора электронов и выделяет кислород. Бескислородный фотосинтез, осуществляемый некоторыми бактериями, использует другие доноры электронов (например, сероводород) и не выделяет кислород.
