Растения для синтеза органических веществ используют энергию солнца

Фотосинтез

Поперечный срез листа

1. О том, что мы будем изучать

Сохранение жизни зависит от способности организмов использовать различные источники энергии. Какие же источники энергии используют живые организмы?

(Можно предоставить учащимся дать ответ на этот вопрос. Как правило, ответы бывают довольно разнообразные, их лучше записать на доске.)

При всем своем разнообразии организмы используют в основном два источника энергии: энергию химических связей органических веществ и энергию солнечного света.

(Здесь нужно вернуться к ответам учащихся, записанным на доске, и распределить их на две группы в соответствии с источником энергии. Необходимо упомянуть, что есть особая группа живых организмов, которые используют в качестве источника энергии химические связи неорганических веществ. Учащиеся могут сами назвать некоторые из организмов, относящихся к этой группе.)

Вопросы учащимся

1. Какие организмы используют энергию солнца и как они называются?
2. Как называются организмы, которые используют энергию химических связей органических веществ, и кто к ним относится?

Организмы, которые используют энергию органических веществ (совокупность всех органических веществ, используемых организмом, называется пищей), называются органотрофами. Все остальные организмы называют литотрофами. Эти названия для нас новые, однако обозначаемые этими терминами организмы нам хорошо знакомы: литотрофы относятся к автотрофам, а органотрофы – это гетеротрофы.

Автотрофные организмы используют для питания соединения, не представляющие энергетической ценности, такие как предельные окислы углерода (СО₂) или водорода (Н₂О), поэтому они нуждаются в дополнительном источнике энергии. Этим источником энергии для большинства автотрофных организмов является солнечный свет.

Автотрофные организмы испльзуют СО₂ в качестве единственного или главного источника углерода и обладают как системой ферментов для ассимиляции СО₂ , так и способностью синтезировать все компоненты клетки. Автотрофы делятся на две группы:

– фотоавтотрофы – зеленые растения, водоросли, бактерии, способные к фотосинтезу;
– хемоавтотрофы – бактерии, использующие окисление неорганических веществ (водород, сера, аммиак, нитраты, сероводород и др.). К ним относятся, например, водородные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии, метанобразующие бактерии.

Мы будем рассматривать только фотоавтотрофные организмы.

Можно предложить учащимся подготовить доклады или рефераты о хемоавтотрофах.

Поглощенный солнечный свет используется фотоавтотрофами для синтеза органических веществ. Поэтому можно дать следующее определение фотосинтеза.

Фотосинтез – это процесс преобразования поглощенной энергии света в химическую энергию органических соединений.

Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению энергии биосферы за счет внешнего источника – Солнца – и обеспечивающий существование как растений, так и практически всех гетеротрофных организмов.

2. Немного истории

Началом эры исследования фотосинтеза можно считать 1771 г., когда английский ученый Д.Пристли поставил классические опыты с растением мяты. Он помещал мяту под стеклянный колпак, под которым до того горела свеча. При этом «испорченный» горением свечи воздух становился пригодным для дыхания. Определяли это следующим образом. В одном случае под стеклянный колпак вместе с растением помещали мышь, в другом, для сравнения, – только мышь. Через некоторое время под вторым колпаком животное погибало, а под первым продолжало нормально себя чувствовать (рис. 1).

Рис. 1. Опыт Пристли. А – свеча, горящая в закрытом сосуде, через некоторое время гаснет. Б – мышь погибает, если оставить ее в закрытом сосуде. В – если вместе с мышью поместить в сосуд растение, то мышь не погибнет

Благодаря этим и другим опытам Д.Пристли в 1774 г. открыл кислород (одновременно с К.В. Шееле). Название этому газу дал французский ученый А.Л. Лавуазье, повторивший открытие год спустя. Дальнейшее изучение растений показало, что в темноте они, как и другие живые существа, выделяют не пригодный для дыхания газ СО₂.

В 1782 г. Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, одновременно поглощают двуокись углерода. Это позволило ему предположить, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав двуокиси углерода.

Австрийский врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку ивы в воду и наблюдал на свету образование на листьях пузырьков кислорода. Если листья находились в темноте, пузырьки не появлялись.

Дальнейшие опыты показали, что органическая масса растения формируется не только за счет углекислого газа, но и за счет воды. Обобщая результаты перечисленных опытов, немецкий ученый В.Пфеффер в 1877 г. дал описание процесса поглощения СО₂ из воздуха при участии воды и света с образованием органического вещества и назвал его фотосинтезом.

Большую роль в выявлении сущности фотосинтеза сыграло открытие закона сохранения и превращения энергии Ю.Р. Майером и Г.Гельмгольцем.

Для развития межпредметных связей рекомендуется, чтобы ученики дома письменно ответили на вопрос: почему открытие закона сохранения и превращения энергии имело большое значение для выявления сущности фотосинтеза?

Для дальнейшего изучения фотосинтеза, как показывает наш опыт, необходимо, чтобы учащиеся вспомнили материал по следующим вопросам из химии и физики (повторение материала можно дать как домашнее задание):

– строение атома;
– виды орбиталей;
– энергетические уровни;
– окислительно-восстановительные реакции.

Дальнейшее изучение фотосинтеза строится по следующему плану:

– физико-химические основы фотосинтеза;
– состав и строение фотосинтетического аппарата;
– фазы и процессы фотосинтеза;
– виды фотосинтеза.

3. Физико-химические основы фотосинтеза

В общих чертах физико-химическую суть фотосинтеза можно описать следующим образом.

Молекула хлорофилла поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние, характеризующееся электронной структурой с повышенной энергией и способностью легко отдавать электрон. Такой электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, – он также приобретает дополнительную потенциальную энергию. Электрон, как по ступеням, перемещается по цепочке сложных органических соединений, встроенных в мембраны хлоропласта. Эти соединения отличаются друг от друга своими окислительно-восстановительными потенциалами, которые к концу цепи повышаются. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Растративший свою энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает молекулу хлорофилла. Электрон снова проходит по тому же пути, расходуя свою энергию на образование новых молекул АТФ, и весь цикл повторяется.

В этом описании выделены ключевые понятия, разбор которых поможет учащимся глубже понять суть процесса фотосинтеза.

Что же представляет собой главный «герой» фотосинтеза – квант света? Солнечный свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме с максимально возможной скоростью (с). Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, амплитудой и частотой. Свойства электромагнитного излучения сильно зависят от длины волны (рис. 2).

Рис. 2. Шкала электромагнитного излучения. Ангстрем – единица длины, равная 10-8 смм

Видимый свет занимает очень маленькую часть электромагнитного спектра, но именно ее используют растения для фотосинтеза.

Электромагнитные волны излучаются и поглощаются не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (фотонами). Каждый квант света несет определенное количество энергии, которая находится в обратной зависимости от длины волны :

Е=hc/,

т.е. чем больше длина волны, тем меньше энергия кванта (h – постоянная Планка).

От длины волны зависит не только энергия кванта, но и его цвет (рис. 2).

Попадая на какую-либо поверхность, квант света отдает ей свою энергию, в результате чего поверхность нагревается. Но в некоторых случаях при поглощении кванта света молекулой его энергия не сразу превращается в тепло и может привести к различным изменениям внутри молекулы. Например, под действием света происходит фотолиз воды:

т.е. вода диссоциирует на ион водорода и ион гидроксила. Затем ион гидроксила теряет свой электрон, и радикалы гидроксила образуют воду и кислород:

Что же происходит в молекуле под действием кванта света? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить строение атома. В атоме электроны находятся на различных орбиталях и обладают различной энергией (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней электронных оболочек

Энергия поглощенного кванта света в атоме или молекуле передается электрону. За счет этой дополнительной энергии он может перейти на другой, более высокий энергетический уровень, оставаясь по-прежнему в молекуле. Такое состояние атома или молекулы называют возбужденным. Молекула в возбужденном состоянии нестабильна – она «стремится» отдать лишнюю энергию и перейти в стабильное состояние с наименьшей энергией. От избытка энергии молекула может избавиться разными путями: изменением спина электрона, выделением тепла, флуоресценцией, фосфоресценцией. Если энергия кванта слишком велика, возможно «выбивание» электрона из молекулы, которая превращается в катион.

Вернемся к фотосинтезу. Следующим «героем» фотосинтеза является молекула хлорофилла, основная функция которой состоит в поглощении кванта света (рис. 4).

Рис. 4. Строение молекулы хлорофилла

Хлорофилл – зеленый пигмент. Основу молекулы составляет Мg-порфириновый комплекс, состоящий из четырех пирольных колец. Пирольные кольца в молекуле хлорофилла образуют систему сопряженных связей. Такая структура облегчает поглощение кванта света и передачи энергии света электрону хлорофилла.

Существует несколько типов хлорофиллов, различающихся строением, а следовательно, и спектрами поглощения. Все растения имеют два вида хлорофилла: основной, присутствует у всех растений, это хлорофил a и дополнительный, который у разных растений разный: у высших растений и зеленых водорослей это хлорофилл b, у бурых и диатомовых – хлорофилл с, у красных водорослей – хлорофилл d. У фототрофных бактерий присутствует аналог хлорофилла – бактериохлорофилл.

Кроме хлорофилла, в растениях присутствуют и другие пигменты. К желтым пигментам, каротиноидам, относятся оранжевые или красные пигменты – каротины, желтые – ксантофиллы. На фоне хлорофилла каротиноиды в листе не заметны, но осенью после разрушения хлорофилла придают листьям желтую и красную окраску. Как и хлорофилл, каротиноиды принимают участие в поглощении света при фотосинтезе, но хлорофилл является основным пигментом, а каротиноиды – дополнительными. Каротиноиды выполняют роль стабилизаторов фотосинтеза, защищая хлорофилл от самоокисления и разрушения.

Все пигменты, участвующие в фотосинтезе, находятся в специальных органоидах растительной клетки – хлоропластах.

4. Состав и строение фотосинтетического аппарата

Перед изучением этого раздела рекомендуется дать домашнее задание на повторение строения листа.

Хлоропласты являются внутриклеточными двумембранными органоидами, в которых осуществляется фотосинтез.

У высших растений хлоропласты находятся преимущественно в клетках палисадной и губчатой тканей мезофилла листа. Они присутствуют также в замыкающих клетках устьиц эпидермиса листьев.

Хлоропласты сосудистых растений имеют форму двояковыпуклой, плоско-выпуклой или вогнуто-выпуклой линзы с круглым или эллипсоидным контуром. Внутренняя структура всех хлоропластов (рис. 5) характеризуется наличием системы мембран, называемых также ламеллами, погруженных в гидрофильный белковый матрикс, или строму.

Рис. 5. Строение хлоропласта

Основной субъединицей этой мембранной структуры является тилакоид – пузырек, образованный одинарной мембраной (рис. 6).

Рис. 6. Часть тилакоидной системы

Хлоропласты зрелых клеток имеют максимально развитую тилакоидную систему. Ее структура в хлоропластах разных растений различна и связана главным образом с отношением данного вида растений к свету: хлоропласты светолюбивых растений содержат много мелких гран, хлоропласты теневыносливых – меньшее количество гран, но крупных.

В клетке хлоропласты постоянно перемещаются с током цитоплазмы или самостоятельно, ориентируясь по отношению к свету. Если падающий на лист поток света имеет высокую интенсивность, то хлоропласты располагаются вдоль световых лучей и занимают боковые стенки клеток. Если свет слабый, то хлоропласты ориентируются перпендикулярно световому потоку, тем самым увеличивая площадь поглощения света. Это проявление фототаксиса у хлоропластов.

Источник

Преобразование энергии солнечного света и организмы использующие её

Сегодня мы поговорим об организмах, которые используют в своей жизнедеятельности солнечную энергию. Для этого нужно затронуть такую науку, как биоэнергетика. Она изучает способы преобразования энергии живыми организмами и использование её в процессе жизнедеятельности. В основе биоэнергетики лежит термодинамика. Эта наука описывает механизмы преобразования различных видов энергии друг в друга. В том числе, использование и преобразование различными организмами солнечной энергии. С помощью термодинамики можно полностью описать энергетический механизм процессов, происходящих вокруг нас. Но с помощью термодинамики нельзя понять природу того или иного процесса. В этой статье мы попробуем объяснить механизм использования солнечной энергии живыми организмами.

Как живые организмы получают солнечную энергию?

Для описания преобразования энергии в живых организмах или прочих объектах нашей планеты следует рассмотреть их с точки зрения термодинамики. То есть, системы, обменивающейся энергией с окружающей средой и объектами. Их можно подразделить на следующие системы:

Через некоторое время эти вещества разрушаются и обеспечивают организм энергией. Их продукты распада удаляются из организма. Их место в организме заполняют другие молекулы. При этом целостность структуры организма не нарушается. Такое усвоение и переработка энергии в организме обеспечивает обновление организма. Энергетический обмен необходим для существования всех живых организмов. При остановке процессов преобразования энергии в организме он умирает.

4Н ⇒ Не4 + 2е + hv, где

v ─ длина волны гамма-лучей;

h ─ постоянная Планка.

В дальнейшем, после взаимодействия гамма-излучения и электронов, энергия выделяется в виде фотонов. Эту световую энергию излучает небесное светило.

Солнечная энергия при достижении поверхности нашей планеты улавливается и преобразуется растениями. В них энергия солнца превращается в химическую, которая запасается в виде химических связей. Это связи, которые в молекулах соединяют атомы. Примером может служить синтез глюкозы в растениях. Первая стадия этого преобразования энергии ─ фотосинтез. Растения обеспечивают его с помощью хлорофилла. Этот пигмент обеспечивает превращение лучистой энергии в химическую. Происходит синтез углеводов из H₂O и CO₂. Это обеспечивает рост растений и передачу энергии на следующую ступень.

Фотосинтез у растений

Здесь стоит дать ответ на часто задаваемый вопрос: «Какой органоид использует энергию солнечного света?». Это хлоропласты, участвующие в процесс фотосинтеза. Они используют её для синтеза из неорганических веществ органических.

В непрерывном потоке энергии заключается суть всего живого. Он постоянно движется между клетками и организмами. На клеточном уровне для преобразования энергии существуют эффективные механизмы. Можно выделить 2 основные структуры, где происходит превращение энергии:

Человек, как и другие живые организмы на планете, пополняет энергетический запас из продуктов. Причём, часть потребляемых продуктов растительного происхождения (яблоки, картофель, огурцы, помидоры), а часть животного (мясо, рыба и другие морепродукты). Животные, которые мы употребляем в пищу, энергию также получают из растений. Поэтому вся получаемая нашим организмом энергия преобразуется из растений. А у них она появляется в результате преобразования солнечной энергии.

По типу получения энергии все организмы можно разделить на две группы:

• Фототрофы. Черпают энергию из солнечного света;
• Хемотрофы. Получают энергию во время окислительно-восстановительной реакции.

Как преобразуется энергия в живых организмах?

Существует 3 основных разновидности энергии, преобразуемой организмами:

• Преобразование лучистой энергии. Этот вид энергии несёт солнечный свет. В растениях лучистая энергия улавливается пигментом хлорофиллом. В результате фотосинтеза она превращается в химическую энергию. Та, в свою очередь, используется в процессе синтеза кислорода и других реакциях. Солнечный свет несёт в себе кинетическую энергию, а в растениях она превращается в потенциальную. Полученный энергетический запас сохраняется в питательных веществах. К примеру, в углеводах;
• Преобразование химической энергии. Из углеводов и прочих молекул она превращается в энергию макроэргических фосфатных связей. Эти преобразования проходят в митохондриях.
• Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей. Она расходуется клетками живого организма для совершения разных видов работ (механическая, электрическая, осмотическая и т. д.).

Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей

Использование организмами накопленной энергии

В процессе метаболизма организм получает энергетический запас, расходуемый на совершение биологической работы. Это может быть световая, механическая, электрическая, химическая работа. И очень большая часть энергии организм расходует в виде тепла.

Ниже кратко описаны основные типы энергии в организме:

• Механическая. Характеризует движение макротел, а также механическую работу по их перемещению. Её можно разделить на кинетическую и потенциальную. Первая определяется скоростью передвижения макротел, а вторая ─ их местоположением по отношению друг к другу;
• Химическая. Определяется взаимодействием атомов в молекуле. Она является энергией электронов, которые двигаются по орбитам молекул и атомов;
• Электрическая. Это взаимодействие заряженных частиц, которое вызывает их движение в электрическом поле;
• Осмотическая. Расходуется при передвижении против градиента концентраций молекул вещества;
• Регуляторная энергия.
• Тепловая. Определяется хаотическим движением атомов и молекул. Основной характеристикой этого движения является температура. Этот вид энергии является самым обесцененных из всех, перечисленных выше.

r ─ постоянная Больцмана (1,380*10 -16 эрг/град).
Вернуться к содержанию

Как из питательных веществ освобождается энергия?

В процессе извлечения энергии из питательных веществ есть 3 условных этапа;

• Подготовительный. Этот этап требуется для перевода биополимеров в клетках пищи в мономеры. Эта форма лучше всего подходит для извлечения энергии. Этот процесс (гидролиз) протекает в кишечнике или внутри. Гидролиз идёт с участием лизосом и ферментов цитоплазмы. Энергетическая ценность этого этапа нулевая. На этой стадии высвобождается 1 процент энергетической ценности субстратов, и вся она теряется в виде тепла;
• На втором этапе частично распадаются мономеры с образованием промежуточных продуктов. Образуются кислоты цикла Кребса и ацетил─КоА. Количество исходных субстратов на этой стадии уменьшается до трёх и высвобождается до 20 процентов энергетического запаса субстратов. Процесс идёт анаэробно, то есть, без доступа кислорода. Энергия частично накапливается в фосфатных связях АТФ, а остаток расходуется в форме тепла. Распад мономеров идёт в гиалоплазме, а остальные процессы ─ в митохондриях;
• На заключительном этапе происходит распад мономеров до Н₂O и СO₂ в реакции с участием кислорода. Биологическое окисление происходит с полный высвобождением энергетического запаса. Из 3 трёх метаболитов, которые присутствовали на предыдущем этапе, остаётся лишь H₂. Он является универсальным топливом в цепочке дыхания. На этом этапе освобождаются оставшиеся 80 процентов энергетического запаса. Часть энергии выходит в виде тепла, а остальная накапливается в фосфатных связях. Все реакции этого этапа идут в митохондриях.

Схема освобождения энергии из питательных веществ

Высвобождение энергии в живых клетках происходит постепенно. На всех этапах выделения она может накапливаться в химической форме, удобной для клеток вещества. Энергетическое строение клетки включает 3 разных функциональных блока, в которых идут различные процессы:

• I─процессы (образование субстратов окисления, которые соответствую окислительному ферменту в клетках);
• Блок S-H₂ (субстрат окисления);
• Процессы H генерации водорода. На выходе получается КН₂ (водород с коферментом).

Источник