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):
Читайте также: Из тканей вода уходит
– 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 :
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.
Читайте также: Жилет из ткани как украсить
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.
Фотосинтез
Превращение света в кислород. О нем рассказывают в школе, его тщательно изучают в институтах, над разгадкой его тайны вот уже не одно столетие бьются маститые ученые. Его «разложили по полочкам», ему «перемыли все косточки». Но этот удивительный процесс по-прежнему остается «знакомым незнакомцем».
Свет — это вечно натянутая пружина, приводящая в действие механизм земной жизни.
Юлиус Роберт Майер
Всем известна поговорка «Мы едим для того, чтобы жить. ». Потребляемая нами пища — это источник энергии, благодаря которой мы можем двигаться, думать, творить, в общем — жить. А чтобы эту энергию из пищи извлечь, нам необходимо еще и дышать, ибо, образно говоря, пища сгорает в пламени кислорода и, сгорая, высвобождает нужную нам энергию. Таким образом, для производства энергии нам необходимы пища и кислород. Всего за один год человечество умудряется съесть более 7•108 млн тонн. Но ведь потребность дышать и питаться испытывает и все остальное, более многочисленное население Земли. Значит, используемые запасы питательных веществ и кислорода должны непрерывно пополняться. И это действительно происходит — благодаря растениям с их удивительной способностью к фотосинтезу. За один год под действием света на Земле, по ориентировочным подсчетам, образуется 6•1011 млн тонн органических веществ.
В природе царит закон целесообразности. И одной из ярких его иллюстраций служат «безотходные технологии», когда отработанные вещества одной живой системы автоматически становятся исходными соединениями для деятельности другой. Иначе это можно назвать круговоротом веществ в природе. Так происходит и с фотосинтезом. Ведь для производства питательных веществ и кислорода растения используют не что иное, как «отходы» жизнедеятельности всех живых существ, а именно: воду и углекислый газ.
Итак, роль фотосинтеза ясна. Теперь попытаемся разобраться с его замысловатым механизмом. Фотосинтез (от греч. photos «свет») — это образование сложных биологических молекул из простых химических соединений под действием света. В настоящее время принято выделять в этом процессе две стадии: световую (проходящую на свету) и темновую (которая для своего протекания непосредственно в освещении не нуждается). Темновые реакции это собственно синтез — цепочка последовательных химических превращений углекислого газа в сахара. Чтобы эти процессы происходили, нужна энергия. И не любая энергия, а именно та, которая будет «говорить» с реагирующими молекулами на их языке — языке химических превращений. Значит, прежде чем «запустить» синтез, необходимо уловить энергию света и трансформировать ее в движущую силу химических реакций. А это уже задача световой стадии фотосинтеза. Таким образом, связующим звеном обеих стадий служит так называемая химическая энергия (энергия химической связи), которая есть поглощенная и трансформированная энергия Солнца. А собственно акт трансформации энергии является главным событием фотосинтеза в целом.
«Местом действия» фотосинтеза служит растительная клетка (время действия, разумеется, — светлое время суток). Растительная клетка — это сложная живая система, она содержит ряд структур и выполняет множество функций. Некоторые процессы в клетке имеют строгую локализацию. Это относится и к фотосинтезу, а точнее, к стадии световых реакций. Процессы улавливания (поглощения), проведения и трансформации солнечной энергии происходят в специальных органеллах растительной клетки — хлоропластах. Поэтому хлоропласты можно еще назвать фототрансформаторами, фотогенераторами энергии. В клетках животных, к фотосинтезу неспособных, хлоропластов нет.
Читайте также: С каких тканей шьют платья для фигурного катания
Вот мы и добрались до самого интересного — таинства «манипулирования» энергией. Где и как происходят три основных процесса: поглощение, проведение и трансформация солнечной энергии? Главными действующими лицами указанных событий являются специальные светочувствительные пигменты — хлорофиллы. Хлорофиллы могут поступать с энергией следующим образом: поглощать и передавать строго по назначению (это умеют все без исключения молекулы пигмента) и трансформировать световую энергию в химическую (а это по силам единицам).
Теперь по порядку. Солнечный свет улавливается группой из 200–300 молекул хлорофилла, которая называется антенный комплекс. Антенный комплекс представляет собой «воронку», собирающую энергию света и передающую ее к единому реакционному центру. Реакционный центр — это та самая уникальная молекула хлорофилла, обладающая редким, но очень ценным качеством — способностью к трансформации энергии. Не случайно ее еще называют «сердцем фотосистемы». Но вот что удивительно. В одиночку даже эта «сверхспособная» молекула, приняв порцию световой энергии, совершить трансформацию не сможет. В этом случае ее постигнет участь любой «заурядной» молекулы — «вспыхнуть на мгновение и погаснуть», то есть отдать поглощенную энергию в виде тепла и/или световой вспышки. Только тогда эта молекула будет «центром», когда станет центральным звеном в цепочке передачи энергетического импульса. Природа мудра, и в действительности все так и устроено: восприняв световую энергию от антенного комплекса, хлорофилл реакционного центра трансформирует ее и передает дальше по цепочке, которая так и называется — «цепь передачи электрона».
Откуда взялся электрон, и что произошло с энергией света? Под действием света электронейтральная молекула хлорофилла реакционного центра выходит из состояния равновесия и в ней «выделяются противоположности» — разделяются заряды: отрицательно заряженный электрон «вылетает» из молекулы, оставляя за собой положительно заряженное пустое место — «дырку». Выбитый с насиженного места электрон мгновенно перехватывается новой молекулой — первым звеном в «цепи передачи электронов» — и начинает свое путешествие по этой цепи от одного переносчика к другому. Таким образом энергия света трансформируется в энергию движущегося электрона. А что же молекула хлорофилла? Она временно «недееспособна». Чтобы стать готовой к восприятию новой порции солнечной энергии, молекула хлорофилла должна восстановить равновесие — воссоединить пустующую «дырку» с новым электроном. Откуда берется этот желанный электрон? Оказывается, из воды. Под действием света вода расщепляется на ионы водорода (протоны), электроны и кислород. Электроны немедленно заполняют вышеупомянутые «дырки», протоны тоже используются «во благо» фотосинтеза, а вот кислород в дальнейших превращениях не участвует и в качестве «побочного продукта» выделяется в атмосферу.
Стремление к равновесию есть стремление к воссоединению противоположностей. Хлорофилл реакционного центра свое равновесие уже восстановил. А что же с путешествующим по цепи передачи электроном? Им движет тот же самый принцип — стремление воссоединиться с недостающей «половинкой». Напомним, что этот электрон обладает энергией. В начале пути энергия максимальна. Дальше, по мере путешествия по цепи передачи от одного переносчика к другому, энергия электрона постепенно уменьшается. Этот путь можно сравнить с лестницей, ведущей вниз, где верх и низ — уровни энергии движущегося электрона. И чем круче ступенька лестницы, тем больший перепад энергии происходит. Но самое удивительное в том, что эта энергия не теряется, не превращается в тепло, а трансформируется в химическую энергию. Это означает, что энергия движения электрона запасается в виде конкретных молекул-посредников. И эта запасенная химическая энергия уже не рассеивается вовне, не требует дальнейших превращений, а может быть использована по мере необходимости для обеспечения энергетических нужд клетки. Именно этот вид энергии и обеспечивает в растительной клетке собственно синтез питательных веществ.
Что же это за чудесные несущие энергию молекулы-посредники? Это небезызвестная аденозинтрифосфорная кислота, или АТФ. АТФ в биоэнергетике так и называют — «энергетическая валюта». Ею клетка «расплачивается» за все процессы, требующие подачи энергии: транспорт и синтез веществ. А «банком», эту валюту выдающим, служат процессы, в результате которых энергия высвобождается: например, дыхание, брожение и, конечно же, световые реакции фотосинтеза. И мы с вами, «сжигая» пищу в «пламени кислорода», тоже получаем АТФ. Так что АТФ — это, к тому же, универсальная валюта, она едина для всего живого на Земле.
Солнце — источник жизни, и не только потому, что оно согревает нас и освещает окружающие нас предметы. Каждое утро его восход пробуждает нас ото сна, а приход весны ежегодно дарит надежды. Благодаря Солнцу дуют ветры, текут реки, волнуется, «дышит» океан. Солнце дарит энергию, позволяющую возобновлять запасы, расходуемые всеми живыми организмами при росте и дыхании, — синтезировать из «золы» жизненных процессов исходный материал — кислород и органические вещества, основу жизни.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом