Де відбувається фотосинтез: хлоропласти, листок і дві фази процесу

Біологія · Серпень 2026

Фотосинтез — це найважливіший біохімічний процес на планеті, завдяки якому живі організми перетворюють сонячне світло на органічні речовини. Щоб зрозуміти, де саме він відбувається, потрібно заглибитися в будову рослинної клітини — від листка до внутрішніх структур органели розміром у кілька мікрометрів.

Що таке фотосинтез і чому він важливий

Фотосинтез — це біохімічний процес, під час якого рослини, водорості та деякі мікроорганізми використовують енергію сонячного світла для утворення органічних речовин з неорганічних. Його загальне рівняння виглядає так:

Тобто з вуглекислого газу та води за допомогою світла утворюється глюкоза і виділяється кисень. Цей процес є основою харчування для більшості живих організмів на Землі — адже навіть тварини, які не вміють фотосинтезувати, живляться рослинами або тваринами, що їх їдять.

За даними наукових досліджень, рослини щорічно утворюють понад 100 млрд тонн органічної речовини й виділяють близько 145 млрд тонн кисню в атмосферу. При цьому приблизно 80% кисню продукують водорості — саме тому Світовий океан нерідко називають «легенями планети».

Фотосинтез відбувається у вищих рослинах, водоростях, багатьох бактеріях, деяких археях і найпростіших організмах, які разом називаються фототрофами. Це єдиний процес у біосфері, що перетворює сонячну енергію на хімічну енергію органічних речовин і забезпечує існування як самих рослин, так і всіх гетеротрофних організмів — тварин, грибів, більшості бактерій.

Де відбувається фотосинтез у рослин: від листка до хлоропласта

Головним органом фотосинтезу у вищих рослин є листок. Його будова ідеально пристосована для поглинання сонячного світла: плоска широка поверхня максимально вловлює промені, тонкий мезофіл забезпечує дифузію газів, а численні продихи регулюють надходження вуглекислого газу й виведення кисню та водяної пари.

Утім, фотосинтез може відбуватися в будь-яких клітинах рослини, що містять хлоропласти. Зелені стебла, незрілі плоди, чашечки квіток — у всіх цих тканинах є хлоропласти, а отже, там також здійснюється фотосинтез, хоча й значно менш інтенсивно, ніж у листках.

Клітини мезофілу листка — основної «зеленої» тканини — містять найбільшу кількість хлоропластів на одиницю об’єму. Саме в мезофілі відбувається основна частина фотосинтезу рослини.

Будова хлоропласта: де саме розгортається процес

Хлоропласт — це двомембранна органела рослинної клітини, що належить до класу пластид. Розміром він зазвичай від 3 до 10 мікрометрів. Усередині хлоропласта є кілька ключових структур, кожна з яких відіграє певну роль у фотосинтезі.

Тилакоїди нагадують плоскі диски, усередині яких є порожній простір — тилакоїдний люмен. Декілька шарів тилакоїдів, складених один на одний, утворюють грану. Саме на мембранах тилакоїдів розташовані молекули хлорофілу та комплекси фотосистем — головні «антени», що вловлюють сонячне світло.

Світлова фаза фотосинтезу: де і як відбувається

Світлова фаза фотосинтезу відбувається на мембранах тилакоїдів — точніше, у гранах хлоропласта. Саме тут зосереджені фотосинтетичні пігменти, згруповані у два типи комплексів: фотосистему І (ФС І) і фотосистему ІІ (ФС ІІ).

Процес починається з того, що молекули хлорофілу вловлюють кванти сонячного світла. Поглинаючи фотон, електрон атома магнію в молекулі хлорофілу переходить на вищий енергетичний рівень — «збуджується». Ця збуджена енергія передається далі по ланцюгу переносників.

Головним результатом світлової фази є: виділення кисню, утворення АТФ і НАДФН. Без постійного надходження світла ця фаза зупиняється — хлорофіл не збуджується і ланцюг переносників не запускається.

Темнова фаза фотосинтезу: де і як відбувається

Темнова фаза фотосинтезу відбувається в стромі хлоропласта — рідинному внутрішньому середовищі органели, що оточує тилакоїди. Назва «темнова» не означає, що ця фаза обов’язково протікає вночі: вона просто не потребує прямої участі світла і може відбуватися як удень, так і вночі — залежно від потреб клітини в глюкозі.

Основу темнової фази становлять циклічні реакції, відомі як цикл Кальвіна — названий на честь американського біохіміка Мелвіна Кальвіна (1911–1997), лауреата Нобелівської премії з хімії 1961 року, який першим детально описав цей механізм.

Порівняння світлової і темнової фаз фотосинтезу

Де відбувається фотосинтез у водоростей і бактерій

У вищих рослин фотосинтез чітко локалізований у хлоропластах — окремих органелах. Але у водоростей і бактерій ситуація дещо відрізняється.

Водорості — різноманітна група організмів, що здійснюють фотосинтез. Більшість зелених водоростей мають хлоропласти, схожі за будовою на рослинні. Бурі та червоні водорості також містять хлоропласти, але з іншим набором пігментів (наприклад, фікобіліни у червоних водоростей). Важливо, що саме водорості, за різними оцінками, виробляють близько 80% усього кисню атмосфери Землі.

Ціанобактерії — прокаріоти, що здійснюють фотосинтез. У них немає окремих хлоропластів (бо взагалі немає мембранних органел), тому фотосинтез відбувається на спеціальних внутрішніх мембранах — тилакоїдних мембранах прямо в цитоплазмі.

Пурпурні та зелені бактерії здійснюють аноксигенний фотосинтез — без виділення кисню. Джерелом електронів для них є не вода, а сірководень, органічні кислоти або водень. Фотосинтез у них відбувається на мезосомах — впинаннях цитоплазматичної мембрани.

Умови, від яких залежить інтенсивність фотосинтезу

Фотосинтез не є процесом, що відбувається з постійною швидкістю. На його інтенсивність впливає кілька ключових чинників.

Інтенсивність освітлення. Чим більше світла отримує листок, тим активніша світлова фаза. Однак є межа насичення: після певного рівня освітлення інтенсивність фотосинтезу перестає зростати — лімітуючим стає темнова фаза або кількість CO₂.

Концентрація вуглекислого газу. CO₂ є сировиною для темнової фази — він фіксується в циклі Кальвіна. При підвищенні концентрації CO₂ в атмосфері до певного рівня інтенсивність фотосинтезу зростає. Саме тому в теплицях штучно підвищують вміст CO₂ — до 1000–1500 ppm проти природних 420 ppm.

Температура. Ферментативні реакції темнової фази чутливі до температури. Оптимум для більшості рослин помірного клімату — 20–30°C. При надто високій температурі ферменти денатурують, при надто низькій — уповільнюються.

Наявність води. Вода є не лише сировиною для фотолізу, а й необхідним середовищем для всіх біохімічних реакцій. При дефіциті води рослина закриває продихи — що обмежує надходження CO₂ і різко знижує інтенсивність фотосинтезу.

Типи фотосинтезу: С3, С4 і CAM

Більшість рослин помірного клімату використовують так звану С3-стратегію фотосинтезу — перша стабільна сполука в циклі Кальвіна має три вуглеці. До таких рослин належать пшениця, рис, соняшник, більшість дерев.

С4-рослини розвинули механізм попередньої фіксації CO₂ в клітинах мезофілу з наступним перенесенням до клітин обкладки судинних пучків, де відбувається власне цикл Кальвіна. Це дозволяє ефективніше використовувати CO₂ при жаркому кліматі. До С4-рослин належать кукурудза, цукрова тростина, сорго.

CAM-рослини (кактуси, агави, ананаси) відкривають продихи вночі для поглинання CO₂, який накопичується у вакуолях, а вдень використовують його в циклі Кальвіна при закритих продихах — що мінімізує втрату води в посушливих умовах.

Значення фотосинтезу для біосфери і людини

Фотосинтез є основним джерелом органічних речовин для всіх гетеротрофів — тварин, грибів і більшості бактерій, які не здатні самостійно синтезувати їжу. Весь ланцюг харчування починається з фотосинтезуючих організмів.

Крім того, фотосинтез забезпечив і підтримує сучасний склад атмосфери Землі з вмістом кисню близько 21%. До появи фотосинтезуючих організмів (близько 3,5 млрд років тому) атмосфера Землі практично не містила вільного кисню. Саме ціанобактерії близько 2,4 млрд років тому спричинили так звану «Велику оксигенацію» — насичення атмосфери киснем, що докорінно змінило умови життя на планеті.

Для людини значення фотосинтезу виходить далеко за межі їжі та дихання. Усі викопні палива — вугілля, нафта, газ — є не чим іншим, як запасеною сонячною енергією, зафіксованою через фотосинтез мільйони років тому. Сільське господарство, фармацевтика, матеріалознавство — всі ці галузі тим чи іншим чином спираються на продукти фотосинтезу.