С помощью энергии солнца растения производят

Как живые организмы запасают энергию солнца — 3 класс Вахрушев Бурский Раутиан

1. Допиши фразы и объясни, откуда получают энергию все живые организмы на нашей планете.

С помощью энергии Солнца растения производят из углекислого газа воздуха, воды и минеральных веществ почвы органические вещества. Животные используют для жизни энергию органических веществ, содержащихся в растениях.

2. Ночью энергия Солнца на Землю не поступает. Выходит, жизнь растений и животных прекращается? Напиши свое мнение об этом.

Обмен веществ растений и животных ночью не останавливается. Это вожможно благодаря способности живых организмов запасать энергию .

3. Какие предметы и организмы способны постепенно накапливать, запасать энергию? Подчеркни. Допиши свои примеры.

Заяц , телевизор, батарейка , печка, дуб , компьютер, аккумулятор , одуванчик , автомобиль, тигр , молоток, пила, расческа, собака , дрова , газовая плита, дом, вода , уголь , бумага, лошадь , белый гриб .

4. Подчеркни красным карандашом живые организмы, которые самостоятельно запасают энергию Солнца. Синим карандашом подчеркни те организмы, которые получают энергию от других.

Береза , слон , оса , дуб , кит , микробы , подберезовик , крапива , вишня , крот , бабочка , мухомор , мох , обезьяна , ясень , тигр , кабачки , муха , ромашка , майский жук , гриб-трутовик , петрушка , корова , таракан , лиственница , белый гриб , сыроежка .

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

С помощью энергии солнца растения производят

Топливо из ниоткуда: зачем нужен искусственный фотосинтез

Фотосинтез позволяет растениям превращать энергию Солнца в топливо. Однако запасы ископаемых углеводородов рано или поздно закончатся, а технологии коммерческого производства водорода на базе фотосинтеза все еще требуют существенной доработки.

И тут на сцену выходит искусственный фотосинтез, который может произвести настоящую революцию в сфере возобновляемых источников энергии. Он позволяет расщепить солнечным светом воду с получением водорода и кислорода, которые образуют эффективное и экологически чистое топливо. Надо «всего лишь» не довести естественный процесс до конца, остановившись на первой стадии разделения молекулы воды на атомы кислорода и водорода под воздействием света и с помощью катализаторов.

Пока искусственный фотосинтез остается экспериментальным проектом, который требует серьезных научных исследований и анализа практического применения. Впервые искусственный метод фотосинтеза был смоделирован специально для производства возобновляемой энергии лишь несколько лет назад.

Полностью искусственный фотосинтез является сложным процессом, который требует использования дорогих и токсичных катализаторов. Однако ученые стремятся к применению более доступных материалов или некому «комбинированному» фотосинтезу, при котором применяются ферменты природного происхождения.
В частности, в Кембридже использовали фермент гидрогеназа — фермент водорослей, который в сочетании с синтетическими пигментами заставляет солнечный свет расщеплять воду на водород и кислород.

Топливное ассорти

Искусственный фотосинтез может одновременно решить две проблемы — преобразовывать углекислый газ из атмосферы, то есть бороться с глобальным потеплением, а также получать из воды водород, а затем использовать его как топливо.

В отличие от большинства методов получения альтернативной энергии искусственный фотосинтез может дать несколько видов топлива. Жидкий водород можно использовать как моторное топливо для транспорта и направлять в систему топливных элементов для выработки электричества путем химической реакции объединения водорода и кислорода в воду. Кроме того, можно получать метанол: фотоэлектрохимический элемент может генерировать метанольное топливо. Метанол добавляют в бензин или используют отдельно для автотранспорта и небольших котельных.

Способность производить чистое топливо без образования каких-либо вредных побочных продуктов, делает искусственный фотосинтез идеальным источником энергии для окружающей среды. Он не требует добычи, выращивания или бурения и может быть безграничным источником энергии.

Сто деревьев на замену

Леса — легкие планеты — вырубаются по всему миру, и ученые бьются над поисками замены источников кислорода, необходимого человечеству. У естественного фотосинтеза достаточно низкая эффективность: растениям он необходим, чтобы расти и развиваться, а не заботится о климате. Поэтому естественный фотосинтез обеспечивает получение лишь 1-2% от того объема энергии, который мог бы потенциально преобразовать.
Листья с помощью энергии солнца перерабатывают двуокись углерода, которая в реакции с водой и формирует биомассу растения, а углекислый газ и вода превращаются в глюкозу и кислород.

Между тем, английские ученые разработали синтетические листы, способные выполнять функции фотосинтеза. Листы используют хлоропласты из обычных растений, помещенные в белковую среду. Эти «листья» позволяют получить кислород в городских условиях.
Два года назад имперский колледж Лондона объявил о создании первого проекта со стартапом Arborea по выращиванию искусственных «листьев» — BioSolar Leaf. В рамках проекта создаются структуры для зданий или открытого пространства, похожие на солнечные панели, в которых размещаются микроскопические растения. Растения в процессе естественного фотосинтеза поглощают свет и углекислый газ и очищают воздух от парниковых газов. Площадь этих структур равна площади одного дерева, при этом они удаляют столько же двуокиси углерода, сколько 100 деревьев. Панели можно устанавливать прямо на поверхности домов.

Ученые Кембриджского университета создали прототип так называемых «фотолистов», работающих за счет искусственного фотосинтеза. Устройство использует CO2, воду и солнечный свет для производства кислорода и муравьиной кислоты, которая может быть использована напрямую или преобразована в водород.

Взаимодействие и окисление в «фотолисте» происходят, когда солнечный свет попадает на лист в воде, при этом катализатор создан на основе кобальта. Лист полностью автономный и практически не производит никаких побочных продуктов. Размер прототипа — всего 20 квадратных сантиметров, однако изобретатели готовы масштабировать его и уверяют, что смогут обойтись при этом без огромных затрат. Листы можно производить примерно в тех же масштабах, в которых сейчас выпускаются солнечные панели.

Топливо из солнечного света

Ученые из Национальной лаборатории в Беркли в США разработали систему искусственного фотосинтеза из наноразмерных трубок для получения топлива. «Солнечная топливная плитка» содержит миллиарды наноразмерных трубок, каждая из которых изнутри содержит слой из оксида кобальта, средний слой из диоксида кремния и внешний слой из диоксида титана. Энергия солнечного света расщепляет молекулы воды, образуя свободные протоны и кислород. Протоны объединяются с диоксидом углерода и образуют монооксид углерода, то есть топливо. При этом система имитирует живые фотосинтетические клетки внутри хлоропласта.

Профессор энергетики и химии Калифорнийского университета в Беркли Ян Пэйдун получил ежегодную премию «Глобальная энергия» за изобретение солнечных элементов на основе наночастиц и искусственного фотосинтеза. Созданная учеными технология позволяет получать кислород и органические соединения из солнечного света, углекислого газа и воды.

Устройство представляет собой гибридную систему – «лес» из нанопроволоки на основе кремния и бактерий, который улавливает солнечные фотоны, расщепляет молекулы углекислого газа и производит питательные вещества. Бактерии могут размножаться, что позволяет решить проблему обеспечения покорителей планет в будущем. Так как атмосфера, например, Марса, почти полностью состоит из углекислого газа, в первую очередь такой биогенератор был бы необходим для освоения «красной планеты», однако устройство будет полезно и на Земле, уверен Пэйдун. Устройство позволило бы обеспечить людей не только кислородом, но и топливом.

НАСА планирует представить прототипы таких устройств, которые смогут вырабатывать 40 Квт, к 2023 году для обеспечения энергией человека в космосе.

Если энергия, произведенная солнечными панелями, должна где-то храниться, то искусственный фотосинтез решает эту проблему, преобразуя солнечную энергию в химическую и сохраняя ее в химических связях.
Несомненно, технологии искусственного фотосинтеза имеют огромное значение для повышения энергобезопасности любых стран.

Например, одна из альтернатив естественному фотосинтезу — специальный «брезент» с солнечными элементами, который можно развернуть где угодно, а затем, после поглощения им воды и света, поместить в резервуар с катализаторами для преобразования CO2 в химическое топливо, которое можно хранить или использовать немедленно.

Источник