Фотосинтез и дыхание в ЕГЭ по биологии

Фотосинтез и дыхание в ЕГЭ по биологии

Фотосинтез и клеточное дыхание образуют взаимосвязанную пару антагонистических биохимических путей, играющих ключевую роль в энергетическом обмене автотрофов.

Фотосинтез – это процесс биосинтеза органических соединений из неорганических субстратов — диоксида углерода (CO₂) и воды (H₂O) — под действием световой энергии при участии фотосинтетических пигментов. У растений эту функцию выполняет хлорофилл, у бактерий — бактериохлорофилл или бактериородопсин. Результатом процесса является аккумуляция энергии в химических связях органических веществ. Помимо глюкозы, в ходе фотосинтеза образуются мономеры для синтеза сложных биополимеров (аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты). Таким образом, фотосинтез представляет собой механизм преобразования энергии солнечного излучения в химическую форму, пригодную для утилизации живыми организмами.

Механизм поглощения света происходит следующим образом. Ключевой пигмент фотосинтеза — хлорофилл — селективно поглощает фотоны преимущественно синего и красного диапазонов спектра. Его молекулы интегрированы:

• в тилакоидные мембраны пластид у эукариот;
• в инвагинации цитоплазматической мембраны у прокариот.

Для ЕГЭ по биологии важно запомнить, что зелёный свет не поглощается, а отражается, что придаёт фотосинтезирующим тканям характерную окраску.

Этапы фотосинтеза в ЕГЭ по биологии

Рассмотрим основные этапы фотосинтеза:

Светозависимые реакции (Световая фаза):

• преобразование энергии света в химическую энергию (АТФ и восстановленного НАДФ·Н). Протекает на свету в тилакоидных мембранах гран хлоропластов при участии электронтранспортной цепи и АТФ-синтазы.

Фотолиз воды:

• под действием квантов света в тилакоидах происходит расщепление молекул воды (фотоокисление): H₂O → 2H⁺ + 2e⁻ + 1/2O₂. Освобождаются протоны (H⁺), электроны (e⁻) и молекулярный кислород (O₂) как побочный продукт.

Восстановление НАДФ⁺:

• электроны и протоны используются для восстановления никотинамидадениндинуклеотидфосфата: 2H⁺ + 2e⁻ + НАДФ⁺ → НАДФ·Н.

Синтез АТФ (Фотофосфорилирование):

• движение электронов по цепи переносчиков создает протонный градиент. Энергия этого градиента используется ферментом АТФ-синтазой для фосфорилирования АДФ: АДФ + Фн → АТФ.

Светонезависимые реакции (Темновая фаза, Цикл Кальвина):

• фиксация углекислого газа и его восстановление до глюкозы (и других органических соединений) в строме хлоропластов за счет энергии АТФ и восстановительной силы НАДФ·Н.

Карбоксилирование:

• молекула CO₂ присоединяется к пятиуглеродному акцептору — рибулозо-1,5-бисфосфату (РиБФ) — под действием фермента РиБФ-карбоксилазы/оксигеназы, образуя нестабильный шестиуглеродный интермедиат, который немедленно распадается на две молекулы 3-фосфоглицерата (3-ФГК).

Восстановление:

• 3-ФГК восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата (ГАФ) с использованием АТФ (источник энергии) и НАДФ·Н (источник восстановительных эквивалентов). Часть молекул ГАФ используется для синтеза глюкозы, фруктозы, крахмала.

Регенерация акцептора (РиБФ):

• большая часть ГАФ через ряд реакций с затратой дополнительных молекул АТФ преобразуется обратно в РиБФ для продолжения цикла.Помимо углеводов, в строме могут синтезироваться аминокислоты, нуклеотиды, липиды.

Суммарное уравнение фотосинтеза (для растений и цианобактерий):

• 6 CO₂ + 6 H₂O + световая энергия → C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + 6 O₂↑ (процесс катализируется хлорофиллом и ферментами.).

Знание этапов фотосинтеза — критически важный навык для ЕГЭ по биологии. Эта тема проверяется в заданиях разных типов: от базовых вопросов на последовательность процессов до анализа графиков световых кривых и сравнения с хемосинтезом/дыханием.

Значение фотосинтеза в ЕГЭ по биологии

Фотосинтез — тема, где недостаточно механического заучивания. Нужно понимать причинно-следственные связи (почему без света нет глюкозы?) и контекст (роль в экосистеме).

Рассмотрим основное значение:

• генерация кислорода (O₂): кислород необходим для аэробного дыхания подавляющего большинства организмов;
• формирование озонового слоя (O₃): молекулярный кислород в верхних слоях атмосферы преобразуется в озон, защищающий биосферу от губительного ультрафиолетового излучения Солнца;
• фотосинтез — основа автотрофного питания и главный источник первичной продукции органических соединений (углеводов, а затем белков, липидов, нуклеиновых кислот) для всех гетеротрофных организмов в пищевых цепях;
• интенсивный фотосинтез снижает концентрацию углекислого газа в атмосфере, играя ключевую роль в углеродном цикле и климате Земли.

Понимание глобального значения фотосинтеза — не просто теория, а обязательный компонент для высокого балла в ЕГЭ по биологии. Экзамен проверяет не только знание этапов, но и способность анализировать его роль в биосфере, экосистемах и эволюции жизни.

Отличие дыхания у растений от фотосинтеза для ЕГЭ по биологии

Растения, как и все аэробные организмы, осуществляют процесс клеточного дыхания. Для этого они поглощают кислород (O₂) из атмосферы, а также используют O₂, образующийся внутри них в ходе фотосинтеза и накапливающийся в межклетниках. Дыхание происходит постоянно – как днем, так и ночью:

• днем: основной путь поступления атмосферного кислорода – через устьица листьев и молодых побегов, а также через ризодерму молодых корней и чечевички коры;
• ночью: у большинства растений устьица закрыты. В этот период они преимущественно используют кислород, накопленный в межклетниках в результате дневного фотосинтеза. O₂ диффундирует по системе межклетников ко всем живым клеткам растения.

Рекомендуем к ознакомлению: разбор 11 задания ЕГЭ по биологии.

Выделение CO₂ и пути его удаления:

• углекислый газ (CO₂), образующийся в процессе клеточного дыхания растений, выводится из организма через те же структуры, что обеспечивают газообмен:
• устьица листьев и молодых стеблей;
• чечевички старых стеблей и корней;
• поверхность клеток ризодермы (поглощающей кожицы) молодых корней.

Умение чётко различать дыхание и фотосинтез — ключевое требование ЕГЭ по биологии, особенно для заданий на сопоставление (№22), анализ графиков (№21) и развёрнутые ответы (линии 23-28). Ошибка в одном критерии может стоить балла.

Взаимосвязь фотосинтеза и дыхания. Как правильно ответить на ЕГЭ по биологии?

Процессы фотосинтеза и дыхания у растений являются взаимосвязанными, но противоположно направленными:

• фотосинтез: поглощает CO₂ и H₂O, использует солнечную энергию для синтеза органических веществ (глюкозы и др.) и выделяет O₂. Продукты фотосинтеза используются самим растением и другими организмами;
• дыхание: поглощает O₂, расщепляет органические вещества (глюкозу и др.), высвобождает энергию (запасаемую в АТФ), необходимую для жизнедеятельности клеток, и выделяет CO₂ и H₂O. Энергия дыхания используется растением и может передаваться по пищевым цепям;
• энергетический баланс: энергия, высвобождаемая при дыхании органических веществ, равна энергии солнечного света, которая была затрачена на их синтез из CO₂ и H₂O в процессе фотосинтеза.

Таким образом, без фотосинтеза не было бы органики и O₂ для дыхания; без дыхания растение не получило бы АТФ для роста и фотосинтеза.

Выделение углекислого газа при дыхании. Что спросят на ЕГЭ по биологии?

Рассмотрим подробнее структуру опыта, доказывающий выделение CO₂ при дыхании.

Начало опыта: комнатное растение помещают на стеклянную подставку. Рядом с растением ставят стакан с прозрачной известковой водой (раствор гидроксида кальция, Ca(OH)₂). Всю систему накрывают стеклянным колпаком и помещают в темноту (чтобы исключить фотосинтез, поглощающий CO₂).

Через сутки: наблюдается помутнение известковой воды.

Вывод: помутнение доказывает образование значительного количества углекислого газа (CO₂) под колпаком. Мутный осадок — это карбонат кальция (CaCO₃), образующийся при реакции: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Так как растение находилось в темноте и не могло фотосинтезировать, источником CO₂ является его дыхание.

Без знания ключевых опытов невозможно решить задания №21-22 и получить баллы за линии 23-28.

Дыхание всех органов растения

Дыхание характерно для всех живых частей растения. Это можно продемонстрировать, поместив в отдельные герметичные стеклянные банки:

• банка 1: свежесрезанные побеги (стебли с листьями);
• банка 2: корнеплоды (например, моркови);
• банка 3: используются именно набухшие (начавшие прорастать) семена, так как в сухих семенах метаболизм и дыхание резко замедлены.

В каждую банку помещают небольшой сосуд с известковой водой. Банки закрывают и ставят в темное место. Через некоторое время: известковая вода мутнеет во всех банках.

Вывод:

• Помутнение известковой воды в каждой банке свидетельствует о выделении CO₂, что доказывает протекание процесса дыхания в побегах, корнеплодах и прорастающих семенах.

 Не забывайте повторять методы биологических исследований!

Фотосинтез: задания ЕГЭ

Рассмотрим задания на установление соответствия:

Типичные ошибки и как их избежать:

• считать, что кислород выделяется при дыхании;
• правильно: кислород — продукт фотосинтеза (при фотолизе воды). При дыхании он потребляется;
• полагают, что вещества расходуются при фотосинтезе (из-за слова «расход»);
• правильно: при фотосинтезе вещества синтезируются, при дыхании — расходуются (глюкоза разрушается).

Используйте карточки для запоминания:

Лицевая сторона:

• «Какой опыт доказал, что источник O₂ при фотосинтезе — вода?»

Оборотная сторона:

• ответ: эксперимент с меченым кислородом;
• суть: при использовании h₂¹⁸o выделялся ¹⁸o₂.

Советы для ЕГЭ по биологии

Помните суть процессов:

• фотосинтез: синтез органики из CO₂ и H₂O на свету;
• дыхание: распад органики до CO₂ и H₂O с синтезом АТФ.

Контрольные фразы:

• «выделяется O₂» → фотосинтез;
• «поглощается O₂», «расходуются вещества», «АТФ» → дыхание.

Если при подготовке к ЕГЭ возникли сложности — центр подготовки к ОГЭ/ЕГЭ «Педсистема» готов стать вашим надежным проводником в мир высоких баллов!