Как связаны между собой проблемы фотосинтеза и обеспечения продовольствием населения Земли? Объясните, почему в процессе фотосинтеза используются углекислый газ и вода, и укажите, что служит источником побочного продукта фотосинтеза, то есть кислорода? Объясните, почему мы говорим, что энергию для жизни на Земле изначально поставляет Солнце?

Связь прямая: уровень фотосинтеза определяет первичную продукцию биомассы, а значит — сколько растений, зерна, фруктов, кормов для скота и, в конечном счёте, пищи для людей может быть получено с единицы площади. Если фотосинтез идёт медленно (из-за нехватки света, воды, CO₂, минералов, из-за жары или холода), урожайность падает. Если же удаётся повысить эффективность фотосинтеза (сортами, агротехникой, орошением, оптимизацией густоты посевов и листового полога), растёт и продовольственная обеспеченность. Вся пищевая пирамида — от зёрен пшеницы до мяса и молока — “стоит” на той энергии, которую растения запечатали в органических веществах во время фотосинтеза.

Почему используются CO₂ и H₂O

• CO₂ — источник углерода. В светонезависимых реакциях (цикл Кальвина) фермент RuBisCO присоединяет CO₂ к органическим молекулам. Эти атомы углерода затем превращаются в сахара, крахмал, целлюлозу и прочие органические соединения — строительный материал и “топливо” для клетки.

• H₂O — донор электронов и источник протонов. В световых реакциях фотосистема II расщепляет воду (фотолиз): H₂O → ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻. Электроны идут по электронтранспортной цепи, образуются АТФ и НАДФ·Н — “энергетическая валюта” и восстановитель, необходимые для восстановления CO₂ до углеводов. Протоны участвуют в создании протонного градиента для синтеза АТФ.

Откуда берётся кислород — побочный продукт фотосинтеза
Кислород, который выделяют растения, происходит из воды, а не из CO₂. Это было показано изотопными опытами: при использовании воды с тяжёлым кислородом метка уходит в выделяемый O₂. Иначе говоря, фотолиз воды в световых реакциях — прямой источник молекулярного кислорода.

Суммарно процесс часто записывают упрощённо:

mathematica
Копировать код
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂   (свет)

Но важно помнить: O₂ появляется из тех молекул воды, что расщепляются в световых реакциях.

Почему говорим, что энергию для жизни “поставляет” Солнце
Почти вся энергия в биосфере — солнечная, преобразованная в химическую (связи в сахарах) в ходе фотосинтеза. Растения и водоросли аккумулируют эту энергию, травоядные получают её, поедая растения, хищники — поедая травоядных, а мы — употребляя растительную и животную пищу. Даже ископаемое топливо — это древняя солнечная энергия, законсервированная в органике. Есть исключения (хемосинтез у бактерий у гидротермальных источников), но их вклад в мировое продовольствие ничтожен. Поэтому, говоря о жизни на Земле и о нашем продовольствии, справедливо считать Солнце первоисточником энергии, а фотосинтез — главным входом этой энергии в биосферу.