Біологія Обмін речовин Складність: Середньо

Фотосинтез і хемосинтез: НМТ біологія, розбір теми

Коротко

Фотосинтез – це процес утворення органічних речовин із вуглекислого газу і води за рахунок енергії світла, а хемосинтез – утворення тих самих речовин за рахунок енергії окиснення неорганічних сполук. Обидва процеси автотрофні, різниця лише в джерелі енергії.

Програма НМТ прямо вимагає вміти записувати сумарні рівняння фотосинтезу й дихання та порівнювати ці процеси. Розібрати тему з викладачкою можна на курсі біології KEVIN.

🔑 Ключові формули

ДВА ГОЛОВНІ РІВНЯННЯ

Фотосинтез: \(6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\text{світло}} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}\).

Клітинне дихання (зворотний процес): \(\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2} \rightarrow 6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} + 38\,\mathrm{ATP}\).

Рівняння дзеркальні: те, що входить у фотосинтез, виходить із дихання. Побачивши це, половину завдань на порівняння закриваєте одразу.
ФОТОЛІЗ І СПІВВІДНОШЕННЯ ГАЗІВ

Фотоліз води у світловій фазі: \(2\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{H^+} + 4e^- + \mathrm{O_2}\).

Гліколіз для порівняння: \(\mathrm{C_6H_{12}O_6} \rightarrow 2\mathrm{C_3H_4O_3} + 2\mathrm{ATP}\).

На кожні 6 молекул поглинутого \(\mathrm{CO_2}\) виділяється 6 молекул \(\mathrm{O_2}\), тобто \(1:1\).

Кисень у фотосинтезі виділяється з ВОДИ, а не з вуглекислого газу. Якщо питають, звідки взявся \(\mathrm{O_2}\), відповідь завжди вода.
ТРИ ГРУПИ ХЕМОСИНТЕТИКІВ

Нітрифікувальні бактерії: \(\mathrm{NH_3} \rightarrow \mathrm{NO_2^-} \rightarrow \mathrm{NO_3^-}\) плюс енергія.

Сіркобактерії: \(2\mathrm{H_2S} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{S} + 2\mathrm{H_2O}\) плюс енергія.

Залізобактерії: \(4\mathrm{Fe^{2+}} + \mathrm{O_2} + 4\mathrm{H^+} \rightarrow 4\mathrm{Fe^{3+}} + 2\mathrm{H_2O}\) плюс енергія.

Усі троє - бактерії, тобто прокаріоти. Будь-який варіант, де хемосинтетиком названо гриб, рослину чи тварину, автоматично хибний.
ДЕ ЩО ВІДБУВАЄТЬСЯ

Світлозалежні реакції (світлова фаза): мембрани тилакоїдів (грани). Заходять вода і світло, виходять кисень, \(\mathrm{ATP}\) і \(\mathrm{NADPH}\).

Світлонезалежні реакції (темнова фаза): строма хлоропласта. Заходять \(\mathrm{CO_2}\), \(\mathrm{ATP}\) і \(\mathrm{NADPH}\), виходить глюкоза (цикл Кальвіна).

Строма - це хлоропласт, матрикс - мітохондрія. Грани - хлоропласт, кристи - мітохондрія.

Як розв'язувати — покроковий метод

  1. 1 Крок 1. Розберіть слово

    «Фото» – світло, «синтез» – створення; «хемо» – хімія. Коли слово розкладене, його вже не треба зубрити.

  2. 2 Крок 2. Запишіть рівняння і подивіться на коефіцієнти

    У задачах на кількість усе вирішують коефіцієнти: \(\mathrm{CO_2}\) і \(\mathrm{O_2}\) стоять \(1:1\), глюкоза і \(\mathrm{CO_2}\) – \(1:6\).

  3. 3 Крок 3. Визначте фазу за місцем

    Мембрани тилакоїдів – світлозалежні реакції. Строма – світлонезалежні. Якщо у варіанті стоїть «матрикс», це вже інша органела.

  4. 4 Крок 4. У питанні про тип живлення перевірте, хто це

    Гриб, рослина чи тварина хемосинтетиком бути не може: хемосинтетики – лише бактерії. Половину варіантів викреслюєте, не пригадуючи деталей.

  5. 5 Крок 5. Не плутайте «темнову» з «нічною»

    Темнова фаза не йде вночі: їй самій світло не потрібне, але потрібні \(\mathrm{ATP}\) і \(\mathrm{NADPH}\) зі світлової фази.

📝 Розбір реальних завдань НМТ

Приклад 1 Тренувальне завдання у форматі НМТ

Кисень, що виділяється під час фотосинтезу, утворюється внаслідок розщеплення:

А) глюкози · Б) вуглекислого газу · В) води · Г) \(\mathrm{ATP}\)

💭 Спробуйте розв'язати самостійно, потім відкрийте розв'язання для перевірки
Приклад 2 Тренувальне завдання у форматі НМТ

Установіть відповідність між організмом і типом живлення. 1) залізобактерія; 2) евглена зелена; 3) печериця; 4) ціанобактерія.

А) фототроф · Б) хемотроф · В) гетеротроф · Г) міксотроф

💭 Спробуйте розв'язати самостійно, потім відкрийте розв'язання для перевірки
Приклад 3 Тренувальне завдання у форматі НМТ

У якій частині хлоропласта відбуваються світлонезалежні реакції фотосинтезу?

А) на мембранах тилакоїдів · Б) у стромі · В) на зовнішній мембрані · Г) у матриксі

💭 Спробуйте розв'язати самостійно, потім відкрийте розв'язання для перевірки
Приклад 4 Тренувальне завдання у форматі НМТ

Рослину помістили в камеру, де вона за годину поглинула 12 моль \(\mathrm{CO_2}\). Скільки моль кисню вона виділила і скільки моль глюкози утворила, якщо весь вуглекислий газ пішов на фотосинтез?

💭 Спробуйте розв'язати самостійно, потім відкрийте розв'язання для перевірки

⚠️ Типові помилки учнів

✗
«Темнова фаза йде вночі»

Неправильно. Назва каже лише про те, що самій фазі світло не потрібне, але вона працює на \(\mathrm{ATP}\) і \(\mathrm{NADPH}\) зі світлової фази. Немає світла – немає палива – фаза стає. Саме тому в програмі її назвали світлонезалежною.

✗
«Кисень виходить із вуглекислого газу»

Неправильно. Розщеплюється на світлі саме вода, і \(\mathrm{O_2}\) виходить з неї. Вуглекислий газ іде далі цілим, у цикл Кальвіна, на побудову вуглеводу.

✗
«Строма і матрикс - це те саме»

Неправильно. Строма – це хлоропласт, матрикс – це мітохондрія. Так само грани належать хлоропласту, а кристи – мітохондрії.

✗
«Хемосинтетиком може бути гриб або рослина»

Неправильно. Хемосинтетики – це лише бактерії, і в програмі перелічено рівно три групи: залізобактерії, сіркобактерії, нітрифікувальні. Побачили в переліку не бактерію – викреслюйте.

✗
«Удень рослина фотосинтезує, а вночі дихає»

Неправильно. Рослина дихає цілодобово, просто вдень фотосинтез інтенсивніший і виділення кисню перекриває його споживання. Дихання не вимикається ніколи, бо клітині \(\mathrm{ATP}\) потрібне постійно.

💡 З практики Соні

Друзі, не лякаємось. Тема виглядає страшно тільки через слова «світлозалежні реакції» і «фотоліз». Насправді тут маленький набір фактів, який тримається на трьох речах: рівняння, дві фази і список прикладів.

Розберемо саме слово, я так завжди роблю на уроці. «Фото» – це світло, «синтез» – створення. Так само з «хемосинтезом»: «хемо» – хімія. Коли слово розкладене, його вже не треба зубрити.

І найважливіше речення теми, я його на уроці кажу двічі: темнова фаза не означає, що вона йде вночі. Вона означає, що їй особисто світло не потрібне. Мій спосіб запамʼятати: темнова фаза не «нічна», а «несвітлочутлива».

Ще один зачіп: строма і світло обидва починаються на «с», тому строма – це хлоропласт. А кристи – це мітохондрія, тоді як стопки в хлоропласті – це грани.

📖 Міні-теорія

Означення. Фотосинтез – це процес утворення органічних речовин із вуглекислого газу і води за рахунок енергії світла, а хемосинтез – утворення тих самих речовин за рахунок енергії окиснення неорганічних сполук. Обидва процеси належать до автотрофного типу живлення, різниця лише в джерелі енергії.

Де і як іде фотосинтез. У хлоропластах, а головну роботу з уловлювання світла виконує хлорофіл. Кисень виділяється з води: вона розщеплюється на світлі, і цей процес зветься фотолізом.

Дві фази. Світлозалежні реакції потребують світла і йдуть на мембранах тилакоїдів: хлорофіл поглинає квант світла, іде фотоліз води, електрони рухаються транспортним ланцюгом, синтезуються \(\mathrm{ATP}\) і \(\mathrm{NADPH}\), кисень виходить у повітря. Світлонезалежні реакції йдуть у стромі: це цикл Кальвіна, тобто фіксація вуглекислого газу і поступове складання з нього вуглеводу. Темнова фаза не означає, що вона йде вночі: їй особисто світло не потрібне, але потрібні \(\mathrm{ATP}\) і \(\mathrm{NADPH}\) зі світлової.

Хлорофіл. Поглинає енергію світла і переводить її в енергію збуджених електронів. Він зелений, бо поглинає переважно червону і синьо-фіолетову частини спектра, а зелену відбиває – тому лист зелений не тому, що зелене світло йому найпотрібніше, а навпаки. Розташований хлорофіл на мембранах тилакоїдів; стопки тилакоїдів звуться грани, зʼєднані вони ламелами, а рідина навколо – строма.

Хемосинтез. Синтез органічних речовин з неорганічних за рахунок енергії окиснення. Світло не потрібне, тому хемосинтетики живуть у ґрунті, у глибинах, у джерелах. Програма дає три групи: нітрифікувальні бактерії, сіркобактерії, залізобактерії. Відкрив хемосинтез Сергій Виноградський, досліджуючи сіркобактерії.

Типи живлення разом. Гетеротрофи беруть і енергію, і карбон з готової органіки (тварини, гриби, більшість бактерій). Міксотрофи вміють і так, і так: евглена зелена і комахоїдні рослини. Комахоїдні рослини фотосинтезують повноцінно, а комах ловлять заради Нітрогену, тому гетеротрофами їх називати не можна.

Значення для біосфери. Фотосинтез – єдине масштабне джерело вільного кисню в атмосфері й початкова ланка практично всіх ланцюгів живлення: утворення органічних речовин для гетеротрофів, виділення кисню, утворення озонового шару, вилучення \(\mathrm{CO_2}\) з атмосфери, накопичення енергії Сонця у вигляді біомаси, вугілля, нафти, торфу. Хемосинтез менший масштабом, але нітрифікувальні бактерії роблять Нітроген доступним для рослин, а бактерії глибоководних джерел годують цілі спільноти там, де світла немає.

🗝 Шпаргалка по темі «Обмін речовин»
Ключові формули та правила, які виручать на НМТ
Фотосинтез і хемосинтез: що тримати в голові
  1. Два рівняння напамʼять: фотосинтез і дихання. Вони дзеркальні.
  2. Кисень – з води (фотоліз), вуглець глюкози – з \(\mathrm{CO_2}\).
  3. Світлозалежні реакції – мембрани тилакоїдів; світлонезалежні – строма.
  4. Строма це хлоропласт, матрикс це мітохондрія.
  5. Хемосинтетики – лише бактерії, і їх рівно три групи.
  6. Різниця фотосинтезу й хемосинтезу одна: джерело енергії.

❓ Часті запитання

Чи відбувається фотосинтез у темряві

Ні. Без світла зупиняються світлозалежні реакції, а разом з ними припиняється постачання \(\mathrm{ATP}\) і \(\mathrm{NADPH}\) у строму, тому й світлонезалежні реакції не працюють. Назва «темнова фаза» стосується лише того, що ця фаза не потребує світла безпосередньо.

Де саме відбувається фотосинтез у клітині

У хлоропластах: світлозалежні реакції на мембранах тилакоїдів, світлонезалежні у стромі. У ціанобактерій хлоропластів немає, тому пігменти в них розташовані на впʼячуваннях клітинної мембрани.

Чому листя зелене

Бо хлорофіл поглинає червону та синьо-фіолетову частини спектра, а зелену відбиває. В око нам потрапляє саме відбите зелене світло, тобто та частина, яку рослина використовує найменше.

Хто такі хемосинтетики і де вони живуть

Це бактерії, які отримують енергію з окиснення неорганічних сполук: залізобактерії, сіркобактерії та нітрифікувальні бактерії. Живуть у ґрунті, у сірководневих джерелах, у глибинах океану, тобто там, де світла немає або його недостатньо.

Чим фотосинтез відрізняється від клітинного дихання

Фотосинтез синтезує глюкозу і запасає енергію, дихання розщеплює глюкозу і вивільняє енергію. Рівняння дзеркальні, а місце теж різне: хлоропласт і мітохондрія.

Чи є комахоїдні рослини гетеротрофами

Ні, вони міксотрофи. Органіку вони роблять самі шляхом фотосинтезу, а комах ловлять заради Нітрогену та інших мінеральних елементів, яких бракує у бідному ґрунті.

Готуєтеся до НМТ з біології?
Запишіться на безкоштовну онлайн-діагностику з викладачем KEVIN — визначимо ваш рівень і складемо план підготовки.
Отримати план підготовки
Без спаму. Відповімо протягом 2 годин.