Фотосинтез — это процесс, используемый растениями и другими организмами для преобразования световой энергии в химическую энергию , которая посредством клеточного дыхания может впоследствии высвобождаться для подпитки деятельности организма. Часть этой химической энергии хранится в молекулах углеводов , таких как сахара и крахмалы , которые синтезируются из углекислого газа и воды — отсюда и название фотосинтез , от греческого phōs ( φῶς ), «свет», и sunthesis ( σύνθεσις ), « складываем».[1] [2] [3] В большинстве случаев кислород также высвобождается как побочный продукт, который хранит в три раза больше химической энергии, чем углеводы. [4] Фотосинтез осуществляют большинство растений , водорослей и цианобактерий ; такие организмы называются фотоавтотрофами . Фотосинтез в значительной степени отвечает за производство и поддержание содержания кислорода в атмосфере Земли и поставляет большую часть энергии, необходимой для жизни на Земле. [5]
Хотя фотосинтез осуществляется по-разному у разных видов, этот процесс всегда начинается, когда энергия света поглощается белками , называемыми реакционными центрами , которые содержат зеленый хлорофилл (и другие цветные) пигменты/хромофоры. У растений эти белки содержатся внутри органелл , называемых хлоропластами , которых больше всего в клетках листа, а у бактерий они встроены в плазматическую мембрану . В этих светозависимых реакциях некоторая энергия используется для отрыва электронов .из подходящих веществ, таких как вода, с выделением газообразного кислорода. Водород, высвобождаемый при расщеплении воды, используется для создания еще двух соединений, которые служат краткосрочными запасами энергии, позволяя передавать ее для запуска других реакций: эти соединения представляют собой восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН) и аденозинтрифосфат ( АТФ), «энергетическая валюта» клеток.
В растениях, водорослях и цианобактериях сахара синтезируются посредством последующей последовательности независимых от света реакций, называемых циклом Кальвина . В цикле Кальвина атмосферный углекислый газ включается в уже существующие органические соединения углерода, такие как рибулозобисфосфат (РБФ). [6] Используя АТФ и НАДФН, полученные в результате светозависимых реакций, полученные соединения затем восстанавливаются и удаляются с образованием дополнительных углеводов, таких как глюкоза . У других бактерий для достижения той же цели используются другие механизмы, такие как обратный цикл Кребса .
Первые фотосинтезирующие организмы, вероятно, возникли в начале эволюционной истории жизни и, скорее всего, использовали восстановители, такие как водород или сероводород , а не воду, в качестве источников электронов. [7] Позднее появились цианобактерии; избыток кислорода , который они производили, непосредственно способствовал насыщению Земли кислородом [ 8] , что сделало возможной эволюцию сложной жизни . Сегодня средняя скорость захвата энергии фотосинтезом во всем мире составляет примерно 130 тераватт [ 9] [10] [11] .что примерно в восемь раз превышает нынешнее энергопотребление человеческой цивилизации . [12] Фотосинтезирующие организмы также ежегодно превращают около 100–115 миллиардов тонн (91–104 петаграммов ) углерода в биомассу . [13] [14] То, что растения получают некоторую энергию от света — в дополнение к воздуху, почве и воде — было впервые обнаружено в 1779 году Яном Ингенхаузом .
Фотосинтез жизненно важен для климатических процессов, поскольку он улавливает углекислый газ из воздуха, а затем связывает углерод в растениях, а затем в почве и продуктах урожая. Одни только зерновые , по оценкам, ежегодно связывают 3825 Тг (тераграммов) двуокиси углерода, т.е. 3,825 миллиарда тонн. [15]