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
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): \(\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2} \rightarrow 6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} + 38\,\mathrm{ATP}\).
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 \(1:1\).
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.
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).
Як розв'язувати — покроковий метод
-
1 Крок 1. Розберіть слово
«Фото» – світло, «синтез» – створення; «хемо» – хімія. Коли слово розкладене, його вже не треба зубрити.
-
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 Крок 3. Визначте фазу за місцем
Мембрани тилакоїдів – світлозалежні реакції. Строма – світлонезалежні. Якщо у варіанті стоїть «матрикс», це вже інша органела.
-
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 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
Кисень, що виділяється під час фотосинтезу, утворюється внаслідок розщеплення:
А) глюкози · Б) вуглекислого газу · В) води · Г) \(\mathrm{ATP}\)
Крок 1. Заходять у процес \(\mathrm{CO_2}\) і \(\mathrm{H_2O}\). Глюкоза і \(\mathrm{ATP}\) – продукти або посередники, тому А і Г відпадають одразу.
Крок 2. Лишаються вода і вуглекислий газ. У світловій фазі відбувається фотоліз саме води; вуглекислий газ у темновій фазі не розщеплюється, він фіксується цілим.
В.
Хто обрав Б, той попався на назві: у слові «вуглекислий» кисень чується першим. Дивіться на фазу, а не на назву речовини.
Установіть відповідність між організмом і типом живлення. 1) залізобактерія; 2) евглена зелена; 3) печериця; 4) ціанобактерія.
А) фототроф · Б) хемотроф · В) гетеротроф · Г) міксотроф
Крок 1. Печериця – гриб, а всі гриби гетеротрофи.
Крок 2. Залізобактерія окиснює \(\mathrm{Fe^{2+}}\) до \(\mathrm{Fe^{3+}}\) і живе з цієї енергії – хемотроф.
Крок 3. Евглена зелена – класичний міксотроф: на світлі фотосинтезує, у темряві живиться готовою органікою.
Крок 4. Ціанобактерія лишається фототрофом: вона фотосинтезує з виділенням кисню, попри те що прокаріот.
1-Б, 2-Г, 3-В, 4-А.
У таких завданнях завжди починайте з найочевиднішої пари: вона звужує вибір для решти.
У якій частині хлоропласта відбуваються світлонезалежні реакції фотосинтезу?
А) на мембранах тилакоїдів · Б) у стромі · В) на зовнішній мембрані · Г) у матриксі
Крок 1. Викреслюємо Г: матрикс – це внутрішній вміст мітохондрії, а не хлоропласта.
Крок 2. Зовнішня мембрана реакцій фотосинтезу не проводить, вона лише відмежовує органелу.
Крок 3. На мембранах тилакоїдів сидить хлорофіл, тому там ідуть світлозалежні реакції; світлонезалежні йдуть у стромі.
Б.
Строма і матрикс - слова схожі за змістом, але привʼязані до різних органел, і саме на цьому ловлять багатьох.
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?
Крок 1. Записуємо рівняння: \(6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}\).
Крок 2. \(\mathrm{CO_2}\) і \(\mathrm{O_2}\) стоять \(6:6\), тобто \(1:1\): кисню виділиться 12 моль.
Крок 3. Глюкоза і \(\mathrm{CO_2}\) стоять \(1:6\), тому \(\frac{12}{6} = 2\).
12 моль \(\mathrm{O_2}\) і 2 моль глюкози.
Такі задачі виглядають як хімія, а насправді це вміння дивитися на коефіцієнти. Якщо рівняння записане правильно, задача розвʼязується за півхвилини.
⚠️ Типові помилки учнів
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.
Неправильно. Розщеплюється на світлі саме вода, і \(\mathrm{O_2}\) виходить з неї. Вуглекислий газ іде далі цілим, у цикл Кальвіна, на побудову вуглеводу.
Неправильно. Строма – це хлоропласт, матрикс – це мітохондрія. Так само грани належать хлоропласту, а кристи – мітохондрії.
Неправильно. Хемосинтетики – це лише бактерії, і в програмі перелічено рівно три групи: залізобактерії, сіркобактерії, нітрифікувальні. Побачили в переліку не бактерію – викреслюйте.
Неправильно. Рослина дихає цілодобово, просто вдень фотосинтез інтенсивніший і виділення кисню перекриває його споживання. Дихання не вимикається ніколи, бо клітині \(\mathrm{ATP}\) потрібне постійно.
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.
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.
- Два рівняння напамʼять: фотосинтез і дихання. Вони дзеркальні.
- Кисень – з води (фотоліз), вуглець глюкози – з \(\mathrm{CO_2}\).
- Світлозалежні реакції – мембрани тилакоїдів; світлонезалежні – строма.
- Строма це хлоропласт, матрикс це мітохондрія.
- Хемосинтетики – лише бактерії, і їх рівно три групи.
- 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.