Фотосинтез и дыхание: что происходит в клетке растения

Зелёное растение и создаёт органические вещества, и использует их для получения доступной клетке энергии. Поэтому в одной клетке листа могут одновременно идти фотосинтез и клеточное дыхание. Чтобы различать процессы, задавай три вопроса: откуда берётся энергия, что происходит с органическими веществами и где идут реакции.

Фотосинтез: энергия света становится химической

У растений фотосинтез связан с хлоропластами. В световых реакциях пигменты поглощают свет, а его энергия используется для образования АТФ и восстановленного переносчика НАДФ·Н. Реакции идут на мембранах тилакоидов. При расщеплении воды образуется кислород, который может выделяться из листа.

Затем в строме хлоропласта углерод углекислого газа включается в органические вещества. На это расходуются АТФ и НАДФ·Н, полученные в световых реакциях. Так два этапа связаны между собой. Углерод будущего углевода поступает из CO₂, а выделяемый молекулярный кислород происходит из воды.

Название «темновая фаза» означает, что свет не является непосредственным участником этих реакций. Оно не означает обязательную работу ночью. В школьной модели этот этап рассматривают вместе со световым: ему нужны продукты, которые тот поставляет. Если свет надолго выключить, нельзя считать, что синтез органики будет бесконечно продолжаться с прежней скоростью.

Дыхание: энергия органических веществ используется клеткой

При энергетическом обмене часть энергии органических веществ запасается в АТФ. Эта молекула помогает обеспечивать синтез веществ, активный транспорт и другие процессы. При полном аэробном окислении глюкозы конечными продуктами служат углекислый газ и вода. Кислород нужен как конечный акцептор электронов дыхательной цепи.

Первый этап расщепления глюкозы, гликолиз, проходит в цитозоле. Одна шестиуглеродная молекула превращается в две трёхуглеродные. В ходе реакций сначала тратятся две молекулы АТФ, затем образуются четыре. Чистый выигрыш равен двум. Сам гликолиз непосредственно кислорода не расходует.

У эукариот дальнейшие этапы аэробного обмена связаны с митохондриями: цикл Кребса идёт в матриксе, дыхательная цепь расположена на внутренней мембране. Не переноси весь энергетический обмен в митохондрию: гликолиз остаётся за её пределами.

Что сравнивать в клетке зелёного листа

Признак	Фотосинтез	Аэробное дыхание
Основной смысл	Создание органических веществ с использованием энергии света	Окисление органических веществ с запасанием части энергии в АТФ
Источник углерода в рассматриваемом процессе	Углекислый газ	Органические вещества, например глюкоза
Отношение к свету	Свет нужен для световых реакций	Может идти и днём, и ночью
Основные места реакций	Тилакоиды и строма хлоропласта	Цитозоль и митохондрии

Пример: что измеряет опыт

Пусть за час на свету лист образовал при фотосинтезе 4 условные единицы кислорода, а на дыхание за то же время израсходовал 1,5. Сколько кислорода прибавится во внешней среде? Эти числа заданы для учебной модели, а не описывают скорость любого растения.

1. Разделяем образование и расход. Фотосинтез добавляет кислород, дыхание часть его использует.
2. Находим итог: 4 − 1,5 = 2,5 условной единицы. Именно такое изменение покажет измерение внешнего газообмена при заданных условиях.
3. Если в темноте дыхание сохраняет ту же скорость, а фотосинтез прекращается, кислорода во внешней среде станет меньше на 1,5 единицы за час. Положительный результат на свету не означал, что дыхания не было.

Пример: сколько получилось АТФ

Шесть молекул глюкозы прошли только гликолиз. Всего на завершающих реакциях образовалось 6 · 4 = 24 молекулы АТФ. Но до этого было потрачено 6 · 2 = 12. Поэтому чистый выход равен 24 − 12 = 12 АТФ. Если вопрос содержит слово «чистый», затраты обязательно вычитают.

Для полного окисления глюкозы встречаются разные расчётные модели выхода АТФ. В конкретной задаче используй данные условия и не подменяй ими результат одного гликолиза. Сначала определяй этап, затем выбирай нужное число.

Типичная ошибка

Фраза «растения дышат ночью» неполна: их живые клетки дышат также днём. На свету фотосинтез может перекрывать расход кислорода при дыхании, поэтому снаружи заметно его выделение. Проверяя утверждение о газообмене, различай отдельную реакцию и суммарный результат двух одновременно идущих процессов.