Фотосинтез простыми словами: как растение использует свет

На свету растение делает сахар из воды и углекислого газа.

На подоконнике растёт фикус. Вы поливаете его, иногда подсыпаете немного земли, а через год у него новые ветки и листья. Откуда взялось вещество для них? Проследим путь воды и воздуха через лист, заглянем внутрь клетки и разберёмся, откуда берётся кислород. После этого школьная формула перестанет быть набором букв.

В статье вы узнаете:

• Откуда берётся вещество для роста дерева
• Что входит в лист и что из него выходит
• Как свет превращается в запас энергии
• Почему выделяемый кислород получается из воды
• Почему листья зелёные и что меняется в тени
• Как читать формулу фотосинтеза
• Как проверить объяснение на обычном растении
• Что происходит с растением ночью
• Почему фотосинтез важен не только для растений
• Что запомнить

Откуда берётся вещество для роста дерева

Маленькое семечко может стать тяжёлым деревом. Интуитивный ответ: дерево «съело» землю. Но горшок с растением не теряет столько почвы, сколько прибавляет растение. Земля поставляет минеральные элементы, например азот, фосфор и калий. Они необходимы, однако углеродный скелет органических молекул ствола и листьев растение строит из CO₂, поступившего из воздуха. Вода тоже участвует в построении молекул.

Проверьте мысленно: если бы дерево росло главным образом за счёт почвы, большой ствол должен был бы оставить после себя огромную яму. На деле корни забирают воду и растворённые минеральные вещества, а листья получают углекислый газ из воздуха. Свет даёт энергию, чтобы собрать из этих исходных веществ новые органические молекулы. Так растение увеличивает массу без «поедания» горшка. Этот путь углерода описан в обзоре углеродного цикла NASA.

Что входит в лист и что из него выходит

Представьте растение небольшой мастерской. Вода поднимается от корней к листьям по проводящим сосудам. Углекислый газ входит из воздуха через микроскопические устьица, преимущественно на поверхности листа. Свет поглощают пигменты, прежде всего хлорофилл. Внутри клеток листа из поступивших веществ образуются сахара. Часть кислорода, возникшего при процессе, выходит в воздух.

Слово «сахар» здесь означает не ложку белого песка внутри листа. Сначала образуются небольшие углеводные молекулы. Растение использует их как источник энергии и как строительный материал: может собрать из них крахмал для запаса, целлюлозу для клеточных стенок и другие вещества. Поэтому фотосинтез важен и для сладкого плода, и для прочного ствола.

Здесь важна аккуратность со словом «масса». Только что политое растение содержит много воды. Если высушить его и говорить о сухой древесине, значительная часть её массы приходится на углерод, полученный из атмосферного CO₂. В свежем огурце или сочном листе большую долю массы может давать вода. Поэтому фраза «всё дерево сделано из воздуха» слишком красива для точного объяснения. Верно другое: углерод древесины не взят из земли.

Устьица приходится открывать, чтобы впустить CO₂. Через те же отверстия из листа уходит водяной пар. В жару и засуху растение может уменьшить их раскрытие и сберечь воду. Тогда углекислому газу труднее попасть внутрь, поэтому фотосинтез может замедлиться даже в солнечный день. Больше света не всегда означает больше роста.

Как свет превращается в запас энергии

Основная работа идёт в хлоропластах, небольших структурах внутри клеток листа. Их можно представить как цеха с двумя связанными участками. На первом световая энергия помогает расщеплять воду и запасается в короткоживущих молекулах-переносчиках. На втором эти молекулы отдают энергию, а углерод из CO₂ включается в новые органические соединения. Из них растение затем строит сахара.

Биологи называют первый участок световыми реакциями, а второй циклом Кальвина. Название «темновые реакции» для второго участка легко вводит в заблуждение: оно означает, что эти шаги не используют свет прямо, а не то, что они обязаны идти ночью. Им нужна энергия, полученная при световых реакциях, поэтому в обычном листе две части тесно связаны.

Можно сравнить это с пекарней, где сначала заряжают оборудование, а затем замешивают тесто. Но аналогия заканчивается на разделении задач. Солнце не является веществом, из которого сделан сахар: свет приносит энергию, а атомы сахара поступают из CO₂ и воды. Если убрать любой из этих входов надолго, готового продукта станет меньше.

Это объясняет, почему нельзя заменить полив яркой лампой. Энергия не превращается в атомы водорода и кислорода. Точно так же ведро воды не заменит освещение: без энергии света растение не сможет поддерживать обычный фотосинтез.

Почему кислород получается из воды

В школьной записи CO₂ стоит рядом с O₂, и кажется, будто растение отщепляет кислород от углекислого газа и выпускает его наружу. Для кислорода, выделяемого при фотосинтезе растений, это неверная короткая история. На световом этапе молекулы воды расщепляются; их кислород образует молекулярный кислород O₂, который может выйти из листа. Углерод из CO₂ включается в создаваемые органические молекулы.

Учёные проверяли происхождение выделенного кислорода, помечая атомы кислорода в исходной воде: метка появлялась в выделяемом O₂. Это пример того, зачем в науке нужны опыты, а не только правдоподобная картинка из формулы. Такой опыт описан в работе Рубена и соавторов 1941 года.

Так что кислород для нашего дыхания связан с водой, участвовавшей в фотосинтезе. Но не стоит думать, что от одного политого цветка кислорода в комнате заметно прибавится. Растения сами расходуют кислород при дыхании, а вентиляция квартиры меняет состав воздуха гораздо сильнее, чем отдельный горшок.

Почему листья зелёные и что меняется в тени

Хлорофилл поглощает часть видимого света, особенно в красной и синей областях спектра. Значительная часть зелёного света отражается или проходит через лист, поэтому нам он кажется зелёным. Это не значит, что зелёный свет вовсе бесполезен для растения: лист поглощает и часть его, а кроме хлорофилла в нём есть другие пигменты.

В рекламе ламп для растений часто сравнивают только цвета. Но рост зависит не только от энергии одного фотона. Важны количество падающего света за сутки, спектр лампы, расстояние до листьев, температура, вода и вид растения. Для любопытства можно в калькуляторе энергии фотона сравнить, например, 450 и 680 нм. У фотона с более короткой длиной волны энергия выше. Из этого одного числа нельзя заключить, что синяя лампа вырастит растение быстрее красной: калькулятор показывает энергию одного фотона, а не скорость фотосинтеза целого листа.

Что будет с фикусом на тёмной полке? Его клетки продолжат дышать и расходовать ранее накопленные сахара. Света для создания новых может не хватать. Побеги иногда вытягиваются, листья становятся тоньше, рост замедляется. В ясный день на окне света больше, но если почва пересохла, открывание устьиц ограничится и результат снова ухудшится. Растению нужен набор условий, а не один «волшебный» цвет света.

Как читать формулу фотосинтеза

В школе процесс часто сокращают до одной записи:

6CO₂ + 6H₂O + энергия света → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Слева шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды, справа условная молекула глюкозы и шесть молекул кислорода. Числа нужны, чтобы сохранить количество атомов: химические реакции переставляют атомы, а не создают их из ничего. Свет написан отдельно, потому что он даёт энергию, но не добавляет в глюкозу атомы.

Проверим углерод: в шести молекулах CO₂ шесть атомов C, в C₆H₁₂O₆ тоже шесть. Водорода слева двенадцать атомов, справа столько же. Кислорода слева восемнадцать атомов: двенадцать в CO₂ и шесть в воде. Справа шесть в глюкозе и двенадцать в O₂. Формула уравнена.

Но она описывает общий итог, а не один щелчок внутри листа. Между исходными веществами и продуктами идут многие реакции; часть образованных соединений растение расходует или превращает. Упрощённая формула также не показывает, из какого именно исходного вещества вышли атомы выделенного O₂. Если просто провести линию от CO₂ слева к O₂ справа, получится неверная история: выделяемый кислород образуется из воды.

Как проверить объяснение на обычном растении

Начните с наблюдения, которое доступно дома. Поставьте два похожих сеянца одного вида в одинаковые горшки с одной почвой. Оставьте их рядом, но один освещайте сильнее, например направив на него безопасную LED-лампу на несколько часов в день. Проверяйте влажность почвы у каждого растения отдельно и поддерживайте её примерно одинаковой: на свету вода может испаряться быстрее. Сфотографируйте сеянцы в первый день рядом с линейкой, через неделю и ещё через неделю. Сравнивайте не только высоту, но и число новых листьев, их цвет и форму. Вытянувшийся в тени стебель не всегда означает, что растению «лучше»: он может искать свет.

Такой опыт показывает, как освещение связано с ростом в ваших условиях, но не измеряет фотосинтез напрямую. Лампа может ещё и нагревать листья, а два сеянца никогда не совершенно одинаковы. Чтобы увереннее связать различие именно со светом, повторите опыт с несколькими растениями в каждой группе и следите, чтобы расстояние от лампы не вызывало заметного нагрева. Не держите растение в полной темноте долго ради опыта: ему нужны условия для жизни.

Более наглядный школьный опыт делают с водным растением под водой: при хорошем освещении на листьях могут появляться пузырьки газа. Но число пузырьков зависит также от температуры, растворённого CO₂ и вида растения. Без дополнительной проверки нельзя считать каждый пузырёк чистым кислородом и переводить их количество в скорость фотосинтеза. Зато наблюдение даёт повод спросить, какие входы процесса вы контролировали, а какие нет.

Что происходит с растением ночью

Ночью световые реакции почти прекращаются, потому что нет света. Но клетки растения продолжают дышать: расщепляют запасённые органические вещества, чтобы получить энергию для жизни. При дыхании они используют кислород и выделяют CO₂. Днём дыхание тоже идёт; просто при достаточно ярком свете фотосинтез может поглощать CO₂ и выделять O₂ быстрее, чем дыхание делает обратное.

Поэтому фраза «растение дышит только ночью» неверна. А идея о том, что комнатный цветок ночью опасно «крадёт кислород», обычно сильно преувеличена. Для сна важнее нормальная вентиляция помещения. Растение не переключается с фотосинтеза на дыхание как устройство между двумя режимами: дыхание сопровождает его круглые сутки, фотосинтез зависит от освещения.

Почему фотосинтез важен не только для растений

Сахара, произведённые растением, становятся основой питания для самого растения и для животных, которые его едят. Потом энергия переходит дальше по пищевым цепям. Люди получают её прямо из растений или через животных. Даже древесина, бумага и хлопок появились благодаря тому, что живые организмы когда-то собрали углерод в органические вещества.

Фотосинтезом занимаются также водоросли и цианобактерии, микроскопические бактерии, способные использовать свет. Поэтому история кислорода и пищевых цепей не ограничивается лесом. При этом атмосфера не является баллоном, который каждый день наполняет одно отдельное дерево. Кислород производится и расходуется множеством организмов и химических процессов; длительный баланс зависит от того, какая часть органического вещества сохраняется, а какая разлагается или сгорает.

Есть и обратная сторона роста: когда дерево, лист или водоросль разлагаются, значительная часть связанного углерода возвращается в окружающую среду. Фотосинтез входит в круговорот углерода, а не навсегда убирает весь поглощённый CO₂ из воздуха. Древесина или почва могут хранить углерод дольше, но срок и количество зависят от условий.

Что запомнить

Фотосинтез собирает органическое вещество из CO₂ и воды, используя свет как источник энергии. Углерод нового ствола поступает главным образом из воздуха, выделяемый кислород возникает из воды, а сахар затем идёт на рост, запас и дыхание растения. Если хотите разобраться в конкретном растении, проследите три входа: свет до листа, вода от корней и CO₂ через устьица. Отсутствие любого из них ограничит результат, даже когда остальные в избытке.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.