«Фотосинтез — это процесс образования органических веществ из неорганических на свету». Ты выучил определение, а на контрольной вопрос: «Откуда берётся кислород, который выделяет растение?» Из углекислого газа — ведь там же есть кислород, CO2? И это ошибка, которую делает половина класса.
Фотосинтез — тема, которую проходят три раза: в 6 классе как «растения на свету делают сахар», в 9–10 как две фазы с АТФ и НАДФ, и на ЕГЭ — с вопросами, где одно неточное слово стоит балла. Хорошая новость: на всех уровнях это один и тот же процесс, и если понять его логику один раз, детали ложатся сверху сами.
В статье — суть фотосинтеза на уровне 6 класса, потом две фазы для старших, таблица «фотосинтез против дыхания», расчётная задача с решением и разбор пяти типовых вопросов, на которых чаще всего теряют баллы.
Суть фотосинтеза за один абзац
Растение берёт углекислый газ из воздуха и воду из почвы, с помощью энергии света, которую улавливает хлорофилл, соединяет их в глюкозу (сахар) и выделяет кислород как побочный продукт.
Уравнение:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 (на свету, в хлоропластах)
Проверь баланс: слева углерода 6, водорода 12, кислорода 12 + 6 = 18. Справа: углерода 6, водорода 12, кислорода 6 + 12 = 18. Сходится.
Где происходит: в хлоропластах — зелёных пластидах, в основном в клетках листа. Зачем: глюкоза — это и строительный материал (из неё делают целлюлозу, крахмал), и запас энергии.
Почему это важно не только растению: весь кислород атмосферы и почти вся органика на Земле — результат фотосинтеза. Животные (и мы) едим либо растения, либо тех, кто ел растения.
Строение листа и хлоропласта
Лист устроен под фотосинтез:
| Часть листа | Роль в фотосинтезе |
|---|---|
| Кожица (эпидермис) с устьицами | Через устьица входит CO2 и выходит O2; испаряется вода |
| Столбчатая ткань (под верхней кожицей) | Основные клетки с хлоропластами — здесь идёт большая часть фотосинтеза |
| Губчатая ткань | Меньше хлоропластов, много межклетников для газообмена |
| Жилки (проводящие пучки) | Ксилема приносит воду, флоэма уносит сахар |
Хлоропласт: двойная мембрана, внутри — строма (жидкость) и тилакоиды — плоские мешочки, сложенные в стопки-граны. В мембранах тилакоидов сидит хлорофилл. Запомни два места: тилакоиды — там световая фаза, строма — там темновая.
Две фазы фотосинтеза
Это уровень 9–11 класса. Фотосинтез разделён на две части: одна требует света напрямую, другая — нет.
| Световая фаза | Темновая фаза (цикл Кальвина) | |
|---|---|---|
| Где | Мембраны тилакоидов | Строма хлоропласта |
| Нужен ли свет | Да | Напрямую нет, но нужны продукты световой фазы |
| Что входит | Вода, свет, АДФ, НАДФ+ | CO2, АТФ, НАДФ·H |
| Что происходит | Фотолиз воды (расщепление светом), синтез АТФ, восстановление НАДФ+ до НАДФ·H | Фиксация CO2, восстановление до глюкозы за счёт энергии АТФ и водорода НАДФ·H |
| Что выходит | O2 (в атмосферу), АТФ, НАДФ·H | Глюкоза, АДФ, НАДФ+ (возвращаются в световую фазу) |
Логика связи: световая фаза заряжает «батарейки» (АТФ) и запасает водород (НАДФ·H), темновая тратит их на сборку глюкозы из CO2. Название «темновая» не значит, что она идёт ночью: ночью быстро заканчиваются АТФ и НАДФ·H, и она останавливается.
Пример: классический вопрос на ЕГЭ — «Какие процессы происходят в световой фазе?» Ответ из трёх пунктов: фотолиз воды с выделением кислорода; синтез АТФ; образование НАДФ·H. Если написать «образование глюкозы» — балл снимут: это темновая фаза.
Откуда кислород: главная ловушка
Кислород, который выделяет растение, образуется при расщеплении воды в световой фазе — это называется фотолиз воды:
2H2O → 4H+ + 4e− + O2 (под действием света)
Кислород из CO2 никуда не улетает — он остаётся в молекуле глюкозы. Это доказано опытами с мечеными атомами: если растению дать воду с тяжёлым изотопом кислорода, тяжёлый кислород оказывается в выделяемом O2, а если меченый CO2 — в глюкозе.
Почему это важно для задач: когда спрашивают «источник кислорода при фотосинтезе», единственный правильный ответ — вода.
Фотосинтез и дыхание: не путать
Растения не только фотосинтезируют, но и дышат — круглые сутки, во всех живых клетках, как и животные.
| Признак | Фотосинтез | Дыхание |
|---|---|---|
| Где | Хлоропласты | Митохондрии (и цитоплазма) |
| Когда | Только на свету | Круглосуточно |
| В каких клетках | Только с хлоропластами (зелёные) | Во всех живых |
| Поглощается | CO2, H2O | O2, глюкоза |
| Выделяется | O2, глюкоза | CO2, H2O |
| Энергия | Запасается (свет → химическая) | Освобождается (химическая → АТФ) |
| Органика | Образуется | Разрушается |
Уравнение дыхания — фотосинтез наоборот: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + энергия.
Днём на ярком свету фотосинтез идёт быстрее дыхания, и растение в сумме выделяет кислород. Ночью — только дыхание, растение поглощает кислород. Отсюда старый совет не держать много растений в спальне — хотя на практике их вклад в ночной расход кислорода ничтожен по сравнению с самим человеком.
Разбор задач и вопросов
Задача 1. Сколько граммов кислорода выделится при образовании 180 г глюкозы?
- Уравнение: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. На 1 моль глюкозы — 6 моль O2.
- Молярная масса глюкозы C6H12O6: 6 · 12 + 12 · 1 + 6 · 16 = 72 + 12 + 96 = 180 г/моль. Значит, 180 г — это ровно 1 моль.
- Кислорода выделяется 6 моль. Молярная масса O2 = 32 г/моль. Масса: 6 · 32 = 192 г.
Ответ: 192 г кислорода. Заодно: углекислого газа поглотится 6 моль · 44 г/моль = 264 г, воды — 6 · 18 = 108 г. Проверка по закону сохранения массы: 264 + 108 = 372 = 180 + 192. Сходится.
Задача 2. Растение поставили в тёмный шкаф на трое суток. Что произойдёт с содержанием крахмала в листьях и почему?
- В темноте нет световой фазы → нет АТФ и НАДФ·H → темновая фаза тоже останавливается → глюкоза не образуется.
- Дыхание продолжается круглосуточно и расходует запасённые углеводы.
- Крахмал — запасная форма глюкозы — расщепляется и тратится на дыхание.
Ответ: содержание крахмала уменьшится: новый не образуется без света, а имеющийся расходуется на дыхание. Это основа классического опыта с йодом: лист из темноты не синеет, а лист со света — синеет.
Задача 3. Почему у растений, растущих в тени, листья крупнее и темнее, чем у тех же видов на солнце?
- В тени света мало. Чтобы уловить больше, растение увеличивает площадь листа.
- Тёмный цвет — больше хлорофилла на единицу площади, значит, больше улавливается света.
- Это приспособление (адаптация) к условиям освещения, не отдельный вид.
Ответ: большая площадь и больше хлорофилла компенсируют недостаток света. На солнце листья мельче и светлее — им хватает света, а крупные листья потеряли бы слишком много воды.
Задача 4. Определи последовательность процессов при фотосинтезе: а) фиксация CO2; б) поглощение света хлорофиллом; в) синтез глюкозы; г) фотолиз воды; д) синтез АТФ.
- Всё начинается с поглощения света — б.
- Энергия света расщепляет воду — г (выделяется кислород).
- За счёт энергии возбуждённых электронов синтезируется АТФ — д. Конец световой фазы.
- В темновой фазе CO2 присоединяется к органическому веществу — а.
- С затратой АТФ и НАДФ·H образуется глюкоза — в.
Ответ: б → г → д → а → в.
Задача 5. Чем автотрофы отличаются от гетеротрофов, и к какой группе относится растение-паразит повилика?
- Автотрофы сами синтезируют органику из неорганики (растения — за счёт света, некоторые бактерии — за счёт химических реакций, хемосинтез).
- Гетеротрофы получают готовую органику извне (животные, грибы, большинство бактерий).
- Повилика — растение, но без хлорофилла: она присасывается к другим растениям и берёт у них готовые вещества.
Ответ: повилика — гетеротроф, хотя и растение. Признак группы — способ питания, а не царство.
Как отвечать на вопросы по фотосинтезу
- Определи уровень вопроса: «что и где» (6 класс) или «какая фаза и какие вещества» (старшие).
- Назови место: хлоропласт; для фаз — тилакоиды или строма.
- Назови вещества на входе и выходе именно для этой фазы.
- Если вопрос про кислород — источник только вода.
- Если вопрос «почему» — ищи связь с энергией: нет света → нет АТФ → нет глюкозы.
Совет: нарисуй две коробки — «световая» и «темновая» — и стрелками покажи, что переходит из одной в другую: АТФ и НАДФ·H вправо, АДФ и НАДФ+ влево. Одна такая схема на черновике решает почти любой вопрос про фазы.
Типичные ошибки
- Кислород «из углекислого газа». Нет: из воды, при фотолизе. Кислород CO2 остаётся в глюкозе.
- Темновая фаза идёт ночью. Она идёт и днём, параллельно световой, а ночью останавливается из-за нехватки АТФ и НАДФ·H.
- Растения не дышат. Дышат круглосуточно, во всех живых клетках, включая корни. Корням тоже нужен кислород — поэтому рыхлят почву.
- Хлорофилл «производит» кислород. Хлорофилл только улавливает свет. Кислород образуется при расщеплении воды.
- Глюкоза образуется в световой фазе. В темновой. Световая даёт только АТФ, НАДФ·H и O2.
- Путать фотосинтез с хемосинтезом. Хемосинтез — тоже автотрофное питание, но за счёт энергии химических реакций, без света. Его ведут некоторые бактерии (серобактерии, нитрифицирующие).
- Забывать про пластиды у водорослей. У них хлоропласты есть, и водоросли дают заметную долю кислорода планеты.
Частые вопросы
Что такое фотосинтез простыми словами?
Это способ, которым растения «готовят себе еду» из воздуха и воды с помощью солнечного света. Из углекислого газа и воды в зелёных пластидах — хлоропластах — образуется сахар (глюкоза), а кислород выделяется наружу. Растение получает и стройматериал, и запас энергии, а все остальные живые организмы — кислород и пищу.
В чём разница между световой и темновой фазой?
Световая фаза идёт в мембранах тилакоидов, требует света, расщепляет воду с выделением кислорода и запасает энергию в АТФ и НАДФ·H. Темновая идёт в строме хлоропласта, не требует света напрямую, но использует АТФ и НАДФ·H, чтобы из углекислого газа собрать глюкозу. Первая фаза заряжает батарейки, вторая их тратит.
Откуда берётся кислород при фотосинтезе?
Из воды. В световой фазе молекулы воды расщепляются под действием света (фотолиз): водород идёт на восстановление НАДФ+, а кислород выделяется в атмосферу. Атомы кислорода из углекислого газа в O2 не попадают — они входят в состав образующейся глюкозы. Это подтверждено опытами с мечеными изотопами.
Почему фотосинтез идёт только на свету, а дыхание — всегда?
Фотосинтезу нужна внешняя энергия — свет, чтобы запасти её в органике. Без света нет АТФ и НАДФ·H, и синтез глюкозы прекращается. Дыхание, наоборот, извлекает энергию из уже готовой органики, для этого нужен только кислород и глюкоза, а они есть у клетки и днём и ночью. Поэтому растение дышит круглосуточно, а фотосинтезирует — пока светло.
Как решать задачи на массу веществ при фотосинтезе?
Записать уравнение 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2, найти молярные массы (CO2 — 44, H2O — 18, глюкоза — 180, O2 — 32 г/моль), перевести данную массу в моли, по коэффициентам найти моли искомого вещества и умножить на его молярную массу. Проверка — закон сохранения массы: сумма масс слева должна равняться сумме справа.
Что дальше
- Клетка: разбор строения и функций органоидов
- Задачи по генетике: разбор
- Молярные расчёты: разбор задач
- Биология: как учить, чтобы понимать
- Не сходится задача на фазы или массу веществ? Спроси в Razbery — получишь разбор с объяснением каждого шага.