Растения это живые организмы которые используют для своей жизни солнечную: Прочитай текст. Растения — это живые организмы, которые используют для своей жизни солнечную энергию.

У растений обнаружен аналог нервной системы

Растения способны передавать и хранить информацию об интенсивности и спектральном составе света от одного листа к другому. Это напоминает работу нервной системы людей и животных, утверждают польские ученые.

Древнегреческий ученый Аристотель, размышляя, что собой представляют растения, определил их как живые организмы, неспособные самостоятельно передвигаться. За две с лишним тысячи лет, что прошли со времен Аристотеля, были открыты грибы и бактерии, классифицированные в итоге в отдельные царства живых организмов, и обнаружилось, что растения способны «думать» и обладают «памятью».

Два последних утверждения вовсе не являются слишком смелыми, как можно поначалу подумать.

К таким выводам пришли польские ученые во главе со Станиславом Карпинским из Варшавского университета наук о жизни, которые провели ряд экспериментов с резуховидкой Таля, растением из рода Arabidopsis. Эти растения обладают коротким годичным циклом развития (они могут пройти полный цикл развития за шесть недель) и потому часто используются в биологических исследованиях в качестве модельного организма.

Считается, что Arabidopsis в ботанике — это то же, что лабораторная мышь и плодовая мушка в зоологии.

Известно, что растениям свет так же необходим, как человеку нужен воздух. Под действием света в растениях происходят реакции фотосинтеза, в ходе которых растения не только поглощают углекислый газ и выделяют кислород, но и образуют свои новые клетки, то есть растут и эволюционируют.

В своем эксперименте ученые фиксировали влияние света на резуховидку. Так, они помещали растение в темноту и затем локально освещали отдельные листья внизу. Свет, естественно, вызывал химические реакции в освещенных листьях, что ученые благополучно зафиксировали.

Но, что удивительно, такие же реакции были зафиксированы и у листьев, расположенных наверху.

Кроме того, эти реакции продолжились и после того, как свет был выключен.

«Это стало для нас полной неожиданностью», — признался Станислав Карпинский, рассказывая о своей работе BBC.

Группа ученых установила, что, когда в клетке листа начинается химическая реакция, вызванная квантом света, возникает целый «каскад событий»: сигнал об этом передается остальной части растения через определенный вид клеток, так называемые «клетки обкладки ячейки».

Авторы работы считают, что этот механизм в растениях можно назвать аналогом нервной системы животных.

close

100%

Но на этом сюрпризы не закончились. Оказалось, что растения по-разному реагируют на то, светом какого цвета они освещаются. «Были характерные реакции растения на красный, синий и белый цвет света», — рассказал руководитель исследования.

По всей видимости, растения используют информацию о световом спектре для стимулирования защитных химических реакций. Ученые внимательно исследовали этот процесс: они облучали растение в течение часа и через сутки заражали его бактериями или вирусом — и растение сопротивлялось им. Но если резуховидка сначала заражалась, а потом освещалась, то растение не могло сопротивляться инфекции.

Поскольку свет в разное время года имеет разные спектральные свойства, получается, что именно таким образом растения могут подстраивать свои защитные системы против сезонных болезней и вредителей.

Результаты своих исследований ученые представили на ежегодном заседании Общества экспериментальной биологии, которое состоялось в начале июля в Праге. Соответствующая статья принята к печати в журнале Plant Cell.

Профессор Университета города Лидс Кристин Фойер, не принимавшая участие в исследованиях, комментируя для BBC значимость работы польских ученых, заявила, что им удалось сделать «шаг вперед».

«Растения порой подвержены стрессовым ситуациям, таким как засуха или холод, но они переживают их и продолжают расти. Для этого им требуется оценить ситуацию и подготовить адекватный ответ — и это в какой-то степени форма интеллекта», — заявила профессор.

Жить на Марсе и не гореть: на что способны самые живучие растения Земли

18 мая 2019

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Некоторые типы растений могут выживать вопреки самым суровым препятствиям

Некоторые растения настолько устойчивы и сильны, что могут спокойно выживать при экстремальных температурах и при минимальном количестве кислорода.

Эти удивительные показатели стойкости привлекли внимание ученых, исследующих выращивание овощей и фруктов в условиях изменения климата и адаптацию растительных культур к этим изменениям.

Но что же именно делает одно растение более живучим, чем другое?

Ботаник и ведущий Би-би-си Джеймс Вонг решил изучить этот вопрос и в процессе изучения выявил удивительные факты о самых выносливых растениях нашей планеты.

1. Древние растения могли бы выжить на Марсе

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Сможет ли этот лишайник так же свободно расти на марсианской поверхности?

Ученые из Германии полагают, что они выявили два типа растений, которые настолько живучи, что могут запросто произрастать даже на Марсе.

Неудивительно, что самые выносливые образцы — лишайники и цианобактерии из Швейцарии и Антарктиды — считаются одними из первых видов растений, появившихся на Земле.

Ученые имитировали марсианские условия (в том числе солнечную радиацию, резкие колебания температуры, экстремальную сухость и низкое атмосферное давление), чтобы проверить, смогут ли эти древние и стойкие культуры адаптироваться к ним.

Каков же был результат?

Эти растения не только выжили, но и развивались: в них продолжались фотосинтез и другие растительные процессы.

2. Клонирование — ключ к долголетию

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Чтобы достичь еще большего долголетия, некоторые деревья используют хитрый трюк: клонирование

Самым старым в мире деревом считается колючая сосна в восточной Калифорнии: в 2012 году ее возраст оценивался в 5062 года.

Чтобы достичь еще большего долголетия, некоторые деревья используют хитрый трюк: клонирование.

Да-да, они клонируют сами себя и живут в так называемых клональных колониях — это генетически идентичные деревья, связанные такой же корневой системой.

Клональные колонии могут существовать несколько тысяч лет. Например, возраст колонии Пандо в американском штате Юта оценивается в 80 тысяч лет, а колония дубов в долине Джурупа в Калифорнии еще старше — ей почти 13 тысяч лет.

3. «Живые камни» и богатый урожай

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Что это: насекомое, растение или минерал? Ответ: это литопсы!

Литопсы иногда называют «живыми камнями». Достаточно взглянуть на них, чтобы понять смысл этого прозвища: они больше похожи на гальку, чем на живую материю.

Однако эти удивительные организмы родом из южной Африки — на самом деле маскирующиеся растения, которые представляют собой ключ к получению обильных урожаев.

Эти растения способны выживать в экстремальных условиях пустыни и в скалах, используя своеобразный камуфляж, чтобы не быть съеденными.

Хотя основная часть этих растений находится под землей, литопсы имеют полупрозрачный верхний слой, который поглощает солнечный свет и превращает его в энергию.

Ученые надеются, что изучение способности литопсов использовать яркий надземный и тусклый подземный свет может помочь людям повысить эффективность урожаев в будущем.

4. Изменения климата и какао вместо кофе

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Кофе постепенно уходит в прошлое, уступая место какао

Повышение температуры воздуха может привести к исчезновению наиболее популярных видов кофейных зерен, однако им на смену может прийти более живучая культура — какао.

Ученые установили, что кофейные деревья арабика страдают от слишком жаркой погоды и сильнее подвержены листовой ржавчине — болезни, истребляющей кофейные плантации Центральной Америки в последние годы.

По мере повышения температур плантациям в низинах становится все сложнее производить качественный кофе, что может лишить средств к существованию тысяч людей.

Поэтому фермеры в Никарагуа, Гондурасе и Сальвадоре постепенно переключаются на выращивание какао — более устойчивых деревьев, адаптирующихся к жаркому климату.

Так что не удивляйтесь, если через несколько лет в один прекрасный день вместо традиционного утреннего эспрессо вам принесут чашку горячего шоколада.

5. Некоторые деревья не горят в огне

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Пирофитные растения вроде эвкалипта не боятся лесных пожаров

Эвкалиптовые деревья не только очень живучи — они еще и опасны.

Они принадлежат к так называемым пирофитам (от древнегреческого «огненное растение): им не страшен огонь, а иногда он им даже необходим для размножения и выживания.

Эти деревья часто сами провоцируют пожары, так как содержат горючие масла и смолы, а также сбрасывают сухие листья и кору, которая может запросто загореться и привести к разрушительным пожарам.

Однако когда лес объят пламенем, деревья вроде эвкалипта и некоторые виды сосен выживают.

Жар от огня активирует их семенные стручки, и пока другие растения с трудом восстанавливаются, их молодые побеги благополучно произрастают на выжженной земле.

Кроме того, исчезновение большинства крупных деревьев дает этим молодым деревцам возможность заполучить больше солнечного света.

6. Растения адаптируются к радиации

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

Многие растения выживают после крупных ядерных катастроф, однако их плоды и корни непригодны для еды

Радиация разрушает живые клетки и повреждает ДНК, поэтому вы можете подумать, что растения просто не могут выжить после ядерной катастрофы.

Однако ученые, изучавшие последствия аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году, выяснили, что это не всегда так.

На опытах со льном и соевыми бобами они установили, что растения могут биологически адаптироваться к жизни в загрязненной среде.

Ученые полагают, что эта способность пережить ядерные инциденты могла сформироваться миллионы лет назад, когда на планете был более высокий уровень радиации.

7. Семена могут жить 32 тысячи лет

Автор фото, Getty Images

Подпись к фото,

В хранилище Королевских ботанических садов Кью хранятся образцы около 10% мировых диких растений

Российским ученым удалось вырастить давно исчезнувший вид растения, используя семена, закопанные белкой 32 тысячи лет назад.

Следы смолёвки узколистой (травянистого растения из северных широт) времен ледникового периода были найдены на берегу замерзшей реки в Сибири.

Исследователи взяли ткань с семян и использовали ее, чтобы вырастить новые растения, которые затем начали распространяться самостоятельно.

Эксперты надеются, что это лишь первый опыт восстановления исчезнувших видов растений, семена которых хранятся в условиях арктической вечной мерзлоты.

что происходит в растении в процессе фотосинтеза, что выделяется в световую и темновую фазу фотосинтеза

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Рис.1. Строение хлоропласта высших растений

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Пигменты хлоропластов

Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:

• хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
• хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
• хлорофилл c — у бурых водорослей,
• хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.

• каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
• ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот

• Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.

В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.

Хлорофилл

Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.

Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.

Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды

Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску. 

Функции каротиноидов:

• Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
• Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.

Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.

‍

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду

BIO72020 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества. 

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

1. Световая.

2. Темновая.

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Рис.2. Схема процессов фотосинтеза и суммарное уравнение фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I,   отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ. 

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
3. Фаза регенерации (превращения сахаров).
   

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле. 

Рис.3. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода. 

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Живые организмы одинаково хорошо приспособлены к выживанию — Наука

На Земле насчитывается более 8 млн видов живых существ. Все эти организмы конкурируют за ограниченный запас энергии, полученной главным образом в результате фотосинтеза. Эту энергию организмы используют для двух основных целей — выживания и размножения. При этом все животные смертны, потому что в течение жизни накапливают молекулярные и клеточные повреждения. Жизнь на планете продолжается только потому, что животные оставляют потомство. И, как показывает изучение миллионов лет эволюции, все существующие сейчас живые организмы и растения хорошо справляются с этой задачей.

В новом исследовании ученые построили модель распределения энергии, в которую включили показатели продолжительности жизни и скорости воспроизводства, время размножения (для людей это, к примеру, от 22 до 32 лет) и размеры и массу тела нескольких сотен видов — от микроорганизмов до млекопитающих.

Полученные данные ученые свели вместе и назвали парадигмой равной приспособленности. Согласно этой парадигме, большинство видов растений, животных и микробов, несмотря на совершенно разные размеры тела, местообитание и историю эволюции, одинаково хорошо пригодны к борьбе за существование своего вида. И связан этот феномен с тем, что каждое из живых существ в процессе воспроизводства передает своему потомству примерно одинаковое количество энергии — примерно 22,4 кДж на 1 грамм массы тела, поэтому никто не имеет явного энергетического преимущества.

И это, по словам ученых, означает, что даже самые большие животные, такие как слон или голубой кит, не потребляют для продолжения своего вида больше энергии на 1 грамм своей массы, чем маленькая бактерия. Также парадигма равной приспособленности включает в себя продолжительность жизни и скорость воспроизведения потомства. Если, к примеру, мелкие грызуны быстро размножаются и недолго живут, то и потребленная ими для продолжения вида энергия будет невелика. В то же время слон или кит живут намного дольше грызунов и потребляют для этого гораздо больше энергии, но и размножаются медленно и редко.

Поэтому все живые виды на Земле находятся в равных условиях, потребляя для размножения одинаковое количество энергии, исходя из своей массы и скорости размножения.

Исследование опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution.

Ранее ученые доказали, что старение неизбежно с точки зрения математики.

ИБВВ РАН

Эвтрофирование — процесс новообразования органического вещества в водоеме. Понятие трофии введено в лимнологию во втором десятилетии 20-ого века для характеристики способности водоема воспроизводить органическое вещество как основу рыбопродуктивности. Вскоре это понятие приобрело более широкое значение. В результате углубленных исследований комплекса лимнических процессов превращения вещества и энергии оно стало интегрирующей характеристикой водных экосистем и составило основу биолимнологической классификации и типологии водоемов.

Основными компонентами водных экосистем, способными самостоятельно создавать (продуцировать) органическое вещество являются автотрофные организмы (водоросли, высшая водная растительность) и хемосинтетики (бактерии). Однако именно органическое вещество растительного происхождения является исходной энергетической основой для всех последующих этапов продукционного процесса. В основе образования первичного органического вещества находится как известно балансовое равновесие фотосинтеза:

6 CO₂ + 6 H₂O + 2818.7 кДж → C₆H₁₂O₆ +6O₂

т.е. из 6 молекул углекислого газа и такого же количества молекул воды образуется 1 молекула глюкозы и выделяется 6 молекул кислорода. В процессе фотосинтеза природная вода, взаимодействуя с углекислым газом под влиянием солнечной радиации, является одновременно источником образования органического вещества. В отличие от животных и бактерий, которые используют для своей жизнедеятельности готовые органические вещества, растения сами их синтезируют. Использование световой энергии для биосинтеза стало возможно благодаря наличию у растений комплекса поглощающих свет пигментов, главным их которых является хлорофилл. Растения в грандиозных масштабах осуществляют процесс преобразования солнечной энергии в химическую энергию продуктов фотосинтеза, необходимую для поддержания жизни и круговорота вещества и энергии в биосфере нашей планеты. Основными фотосинтетиками в водоемах являются

фитопланктон и макрофиты.

Растения каждые 2 млнн. лет разлагают столько воды, сколько ее содержится в настоящее время в морях и океанах. Особенно велика роль микроскопических водорослей. Суммарное количество фитопланктона в Мировом океане сотавляет 1.5 млрд.т (для сравнения — бактериопланктона — 70 млрд.т, зоопланктона — 22.5 млрд.т, зообентоса -10 млрд.т, фитобентоса -0.2 млрд.т). Имеющаяся биомасса водорослей в водоемах неизмеримо ниже той, которая воспроизводится ими в течение года. Это объясняется тем, что водоросли — основной источник питания животных. Живое органическое вещество — основа кормовой базы населения гидросферы. По данным Богорова В.Г. годовая продукция водорослей мирового океана достигает 550 млрд.т, зоопланктона — 53 млрд.т, зообентоса — 3 млрд.т. Таким образом, водоросли — основной источник пищи и энергии для всего биоценоза. Их еще называют

первичными продуцентами.

Первичная продукция — скорость новообразования органического вещества за счет автотрофов. По ориентировочным расчетам первичная продукция в озерах и водохранилищах варьирует от 4 млн. до 2.1х10⁷ т С в год или 8.4х10⁶ — 4.4х10⁷ т органического вещества. Концентрация углекислоты в воде, используемая морским фитопланктоном, в 10 раз больше содержания ее в атмосферном воздухе. Планктонные водоросли имеют больше, чем наземные растения, возможности контакта с внешней средой для питания, так как воспринимающей поверхностью в процессе фотосинтеза у них является вся поверхность клеток.

Создавать органическое вещество своего тела могут и микроорганизмы — хемосинтетики, но на основе использования энергии различных химических реакций. Хемосинтетики — это хемосинтезирующие бактерии или хемотрофы. Углерод они как и в случае с фотосинтезом получают за счет углекислого газа, но используют в качестве энергии энергию окисления неорганических веществ и ферментов. Хемосинтезирующие бактерии — серобактерии, водородные, железобактерии, нитрифицирующие, марганцевые. Хемосинтезирующие бактерии встречаются во всех водоемах как пресных, так и морских. Они обитают в толще воды, на поверхности и в глубине грунта. В наибольшей степени они концентрируются там, где анаэробные условия сменяются аэробными, т.к. для своей жизнедеятельности нуждаются в кислороде и восстановленных соединениях, которые, в частности, образуются в результате анаэробного распада органических веществ. Наибольшее значение в водоемах имеют значение бактерии, окисляющие сероводород и серу. Так как хемосинтетики используют недоокисленные продукты анаэробного распада, наибольшее количество автотрофных анаэробных бактерий концентрируется в грунтах. Среди грунтов наиболее богаты ими илы, содержащие значительное количество органического вещества. Интенсивность хемосинтеза в толще воды обычно в десятки и сотни раз ниже, чем в грунтах. Хемосинтез в водоемах следует рассматривать как вторичный процесс, который в конечном итоге использует энергию органического вещества, создаваемого при фотосинтезе. Следовательно роль хемосинтетиков заключается не столько в создании первопищи, а сколько в трансформации энергии, аккумулированной фотосинтетиками. Таким образом, подавляющее количество органических веществ, образующихся в водоемах, синтезируются из минеральных в процессе фотосинтеза за счет утилизации солнечной энергии.

Количество органического вещества, продуцируемого в единицу времени, называется продуктивностью. Продуктивность автотрофных организмов называют первичной продуктивностью, а продуктивность других живых компонентов экосистем — вторичной продуктивностью.

Для синтеза органического вещества необходима углекислота, входящая в состав атмосферы или находящаяся в растворенном состоянии в воде. Основные звенья круговорота углерода указаны на рис. 1, из которого видно, что в процессе фотосинтеза углекислота превращается в органические вещества ( углевод, белки, липиды), служащие пищей животным. Дыхание, брожение (разложение) и сгорание топлива возвращают углекислоту в атмосферу.

Органические вещества в водоеме обычно подразделяют на автохтонные и аллохтонные. Запасы автохтонного органического вещества пополняются за счет фотосинтеза фитопланктона, а запасы аллохтонного — за счет выноса их с водосборной площади, поступления с атмосферными осадками, а также с бытовыми и промышленными стоками. Однако именно органическое вещество растительного происхождения является исходной энергетической базой для последующих этапов продукционного процесса. Перенос энергии пищи от ее источника — автотрофов через ряд организмов, происходящий путем поедания одних организмов другими, называется пищевой цепью. Пищевые цепи знакомы всем- человек съедает крупную рыбу, она ест мелкую рыбу, которая поедает зоопланктон, который питается фитопланктоном, улавливающем солнечную энергию. Или более короткая пищевая цепь — человек -корова- трава- солнечная энергия. Зеленые растения занимают 1-ый трофический уровень и их называют продуценты, травоядные — второй трофический уровень (первичные консументы), хищники — вторичные консументы, вторичные хищники — третичные консументы. Можно выделить консументов 4, 5, и 6 порядков. Обычно пищевые цепи состоят не более чем из 5-6 звеньев. В ряду человек → корова → трава → человек → консумент второго порядка. Конечное звено пищевой цепи образуют деструкторы или редуценты — организмы, разлагающие органические вещества. Это микроорганизмы-бактерии, дрожжи, грибы-сапрофиты. Пищевые цепи можно разделить на 2 основных типа: пастбищная цепь и детритная цепь.

Пасбищная — начинается с зеленого растения (фитопланктон) и далее идет к растительноядным животным (пасущимся), поедающие живые растительные клетки. Детритная — идет от мертвого органического вещества к микроорганизмам, а затем детритофагам и к их хищникам (цепи разложения). Детрит — совокупность взвешенных в воде органо-минеральных частиц.

Пищевые цепи не изолированы друг от друга и тесно переплетаются, образуя так называемые пищевые сети. В ответ на воздействие факторов внешней среды в экосистеме может быстро происходить переключение потоков. Чем длиннее пищевая цепь, тем большая роль различных плотоядных (хищников), чем короче — тем выше роль детритной цепи (повышается роль редуцентов).

С переходом с одного трофического уровня к следующему численность и биомасса нередко снижается зя счет трансформации органического вещества на каждой ступени. С точки зрения законов термодинамики принципы организации пищевых цепей выглядят следующим образом — приток энергии на каждый трофический уровень уравновешивается ее оттоком и каждый перенос энергии сопровождается ее рассеиванием в форме, недоступной для использования (при дыхании). На каждом последующем уровне поток энергии уменьшается. Так на 1-ом трофическом уровне поглощается 50% падающего света, а превращается в энергию пищи всего 1% поглощенной энергии. Вторичная продуктивность на каждом последующем трофическом уровне консументов составляет 10% предыдущей. Поскольку растения и животные производят немало трудно п еревариваемого органического вещества (целлюлоза, лигнин, хитин), а также химические ингибиторы, препятствующие поеданию всевозможными консументами, то средняя эффективность переноса энергии между трофическими уровнями в целом составляет 20% и менее.

Приложение — Коммерсантъ Review (117933)

Первичный источник энергии для жизни на Земле — Солнце. Фотосинтез растений и микроорганизмов позволяет аккумулировать эту энергию в биомассе, после чего ее используют другие живые существа. Задача биоэнергетики — понять, как устроены такие механизмы энергетической трансформации, и научиться использовать их во благо на практике.

Раиф Василов, доктор биологических наук, профессор, начальник отдела биотехнологий и биоэнергетики Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт»

Электрический ток в живом организме

В исследованиях ученые Курчатовского института уделяют особое внимание разработкам биотопливных элементов, которые позволят получить электроэнергию. Ключом к биологическому способу добычи энергии служат метаболические реакции, которые можно дополнительно ускорить биокатализаторами — ферментами или живыми клетками. Биотопливный элемент состоит из двух электродов (анода и катода), один или оба из которых биологического происхождения и содержат биокатализатор.

Потребляя органическое соединение, биокатализатор анода генерирует электроны, которые, в свою очередь, участвуют в восстановлении деполяризатора (в основном это кислород) на поверхности катода. При таких реакциях источником энергии могут служить разнообразнейшие субстраты: глюкоза крови или других биологических жидкостей, древесный сок, сточные воды и т. д. А устройства, генерирующие энергию посредством таких «электростанций», можно применять в самых разных технологических сферах: от имплантированных медицинских устройств до роботов и различных других технических средств. К примеру, на основе полученных в Курчатовском институте биоэлектродов созданы биотопливные элементы, которые удалось имплантировать в живые организмы для генерации электрического тока.

Микроводоросли и дрожжи в биоэнергетике

Органическая биомасса — широко распространенный и повсеместно доступный возобновляемый ресурс, который целесообразно использовать для генерации электрической и тепловой энергии в регионах, удаленных от централизованных энергосистем, и, конечно же, в промышленности и сельском хозяйстве. Важное достоинство этого источника энергии состоит в том, что его применение также способствует значительному снижению экологической напряженности.

Источником сырья для переработки может служить биомасса микроводорослей: скорость, с какой растут микроводоросли, значительно превосходит скорость роста сельскохозяйственных растений. Кроме того, в микроводорослях содержится много белков (доля которых может превышать 70%), сахаров, липидов, в том числе незаменимых полиненасыщенных жирных кислот, витаминов и пигментов. Помимо кормов и различных биологически активных веществ из микроводорослей делают и биотопливо.

В Курчатовском институте исследуются возможности перерабатывать липиды в биотопливо посредством специальных катализаторов. Для этого был, в частности, создан штамм дрожжей Yarrowia lipolytica, на клеточной стенке которого как раз расположены ферменты — липазы, катализирующие процесс переработки липидов в биотопливо. В результате эти грибы помогли, сохранив все преимущества ферментного катализа, исключить дорогостоящий процесс выделения и очистки фермента. Дополнительное преимущество в том, что Yarrowia lipolytica демонстрируют хороший рост на глицерине, который образуется в качестве побочного продукта при производстве биодизеля.

Потенциал российской биомассы

Россия располагает крупнейшими ресурсами биомассы в мире — 20% площади всех лесов мира (первое место) и 8,8% площади всех мировых пахотных земель (третье место). Уточнить современный биоэнергетический потенциал России и определить, насколько рационально до сих пор использовались имеющиеся биоресурсы, взялся отдел биотехнологий и биоэнергетики Курчатовского института. В результате появилась интегральная оценка территориального распределения биоэнергетических ресурсов России. Выяснилось, что на долю растительных отходов агропромышленного комплекса приходится 42% суммарного потенциала, отходов животноводства — 10%, отходов лесопромышленного комплекса — 23%, твердых коммунальных отходов — 25%. Современный уровень использования биоэнергетического потенциала России составляет всего 12%, да и то 40% этих ресурсов — древесная биомасса.

Энергетическая утилизация отходов сельского хозяйства (растениеводства и животноводства) практически равна нулю, тогда как именно в этой отрасли наблюдается наибольший, быстрорастущий потенциал. Оценка мирового биоэнергетического потенциала находится в диапазоне от 64 ЭДж до 161 ЭДж, а доля России в нем составляет от 1,3% до 3,5%. При максимальном использовании биоэнергетического потенциала возможно было бы заместить вплоть до 29% существующего потребления тепла и электроэнергии в России, не говоря уже о том, что в отдельных регионах технический биоэнергетический потенциал и вовсе превышает существующее потребление тепла и энергии.

Разнообразие географических условий, специфика рассеянного, некомпактного расселения на большей части территории страны создают большую проблему: по разным оценкам, свыше 60% территории России не входит в единую энергосистему и нуждается в автономной энергетике. Как показывает мировой опыт, наиболее успешной моделью автономной энергогенерации становится комплексное использование различных местных возобновляемых источников, таких как биомасса, ветрогенераторы, фотоэлементы, биогазовые реакторы, газификаторы, тепловые насосы, топливные элементы и т. д., для производства тепла и электроэнергии в широком диапазоне мощностей. Разработка таких автономных систем энергообеспечения удаленных и труднодоступных территорий является еще одним направлением деятельности Курчатовского института в сфере биоэнергетики.

Космические лучи как источник питания – аналитический портал ПОЛИТ.РУ

Микроорганизм, открытый в 2002 году в южноафриканской шахте, может послужить моделью распространения жизни в космической среде.

На Земле большинство растений и некоторые бактерии используют энергию солнечного света для создания сложных молекул органических веществ. Ту же солнечную энергию, но опосредованно, используют и животные, которые едят растения или друг друга. Организмы, усваивающие солнечную энергию самостоятельно, биологи называют автотрофами, а те, которые пользуются плодами чужого труда, гетеротрофами.

Помимо фотосинтеза автотрофы могут использовать хемосинтез, где в качестве источника энергии выступает не солнечный свет, а окислительно-восстановительные реакции с неорганическими веществами из природной среды. Хемосинтезом занимаются многие представители двух царств органического мира: бактерий и архей. В качестве источников энергии для них выступают, например, сероводород, аммиак, сера и ее соли, соединения железа.

Нельзя, правда, сказать, что все хемосинтезирующие организмы полностью независимы от Солнца. Например, бактерии, которые получают энергию, превращая аммиак в азотную кислоту, в качестве источника аммиака используют разлагающуюся органику – то есть животных или растения, которые зависели от солнечного света. Существуют подземные бактерии, которые живут за счет окисления сульфатов, но и им для такой химической реакции нужен кислород, который выработали фотосинтезирующие организмы.

Как правило, такие хемосинтезирующие организмы образуют вокруг своего источника питания экосистему из нескольких видов. Но главный герой нашего рассказа – та самая южноафриканская бактерия – одиночка. И представляет собой единственный пример вида, живущего в полной изоляции от остальной биосферы и не пользующегося ничем, что было бы произведено другими организмами.

История ее открытия началась в ЮАР, на золотодобывающей шахте Мпоненг. При работах на глубине 2,8 километра среди базальтовых пород наткнулись на водоносный слой. Вода эта проникла туда не менее 2,7 милиарда лет назад. Она довольно горячая (60° C), имеет сильнощелочную реакцию (рН 9,3) и богата различными минеральными примесями. В некоторых скважинах биологи нашли сообщества из микроорганизмов, получающих энергию за счет окисления сульфатов. Но результат пробы из одной скважины оказался неожиданным. Ученые проанализировали 2600 литров этой подземной воды и убедились, что там присутствует один-единственный вид бактерий, родственный бактериями из рода Desulfotomaculum.

Название для нее взяли из романа Жюля Верна «Путешествие к центру Земли». Сюжет книги начинается с находки письма исландского ученого XVI века Арне Сакнуссена, которое заканчивалось словами: descende, audas viator, et terrestre centrum attinges – «спустись, отважный путник, и ты достигнешь центра Земли». Вот и бактерия, обитающая в подземных глубинах, была названа Desulforudis audaxviator.

Бактерия Desulforudis audaxviator представляет собой палочковидную бактерию размером примерно приблизительно 4 мкм. Ее геном составляют 2,35 миллиона пар нуклеотидов. Жить она способна только в бескислородной среде. А энергию получает из сульфат-ионов и водорода, находящихся в воде. Необходимый для бактерии водород выделяется из молекул воды и гидрокарбонатов под действием радиоактивного излучения горных пород. В первую очередь, источником этого излучения служит оксид урана (уранинит), а также радиоактивные изотопы тория и калия. Бактерия также умеет выделять из окружающей среды необходимые ей для жизни углерод (из ионов HCO₂^–, HCO₃^– и CO₃^2–) и азот (из ионов аммония). Таким образом, живущая за счет энергии радиоактивного распада бактерия сохранится, даже если Солнце погаснет, из земной атмосферы исчезнет кислород, а все прочие живые организмы исчезнут.

Подобная самодостаточность бактерии заставила астробиолога и специалиста по вычислительной физике Димитру Атри (Dimitra Atri), работающего в Институте космических наук Блю Марбл в Сиэтле (Blue Marble Space Institute of Science), предположить, что подобный механизм может позволить бактериям выжить и в условиях космоса. В качестве источника ионизирующего излучения в данном случае будут выступать не радиоактивные горные породы, а галактические космические лучи, представляющие собой протоны или ядра различных химических элементов (от гелия до урана), которые летят через Вселенную с энергией до 10²⁰ эВ. Источниками этих лучей служат преимущественно взрывы сверхновых звезд.

На Земле от действия космических лучей живые организмы защищены атмосферой и магнитосферой, но на других планетах атмосфера может быть значительно менее протяженной или вовсе отсутствовать, могут они не иметь и собственного магнитного поля. Поэтому, считает Димитра Атри, галактические космические лучи достигают поверхности этих небесных тел с энергией, достаточной, чтобы обеспечить существование организмов, подобных Desulforudis audaxviator. Расчеты, подкрепляющие эту гипотезу, Димитра Атри опубликовал в Journal of the Royal Society Interface.

Ближайшим к нам кандидатом на существование жизни, получающей энергию от космических лучей, Атри считает Марс. Его тонкая атмосфера не составляет серьезной преграды для этих лучей, а значит они смогут вызывать распад веществ в марсианских горных породах. Атри отмечает: «Забавно, что мы сейчас надеемся найти жизнь на планетах с очень плотной атмосферой, хотя для этих форм жизни нужно искать нечто противоположное».

Астробиолог из Университета Сент-Эндрюса Дункан Форган (Duncan Forgan) согласен с Атри отчасти. Он разделяет взгляды на Марс как на потенциальное место существования форм жизни, подобных Desulforudis audaxviator. В пользу этого, по мнению Форгана, свидетельствуют относительно стабильные температуры Марса и состав горных пород. Но на других планетах, которые получают слишком мало света своей звезды, по мнению Форгана, температура будет слишком низкой для существования любых форм жизни. К тому же в случаях слишком большой интенсивности космических лучей жизнь на планете тоже будет невозможна, так как они повреждают и сам организм бактерии.

Для проверки своей гипотезы Димитра Атри планирует воссоздать в своей лаборатории условия шахты Мпоненг и выяснить, как на Desulforudis audaxviator будут влиять различные уровни радиации, в том числе те, что характерны для Марса, Европы и других небесных тел.

автотрофов | Национальное географическое общество

Автотроф — это организм, который может производить свою собственную пищу, используя свет, воду, углекислый газ или другие химические вещества. Поскольку автотрофы сами производят еду, их иногда называют производителями.

Растения — наиболее известный тип автотрофов, но существует множество различных видов автотрофных организмов. Водоросли, обитающие в воде и более крупные формы которых известны как водоросли, являются автотрофными. Фитопланктон, крошечные организмы, обитающие в океане, являются автотрофами.Некоторые виды бактерий являются автотрофами.

Большинство автотрофов для приготовления пищи используют процесс, называемый фотосинтезом. При фотосинтезе автотрофы используют энергию солнца для преобразования воды из почвы и углекислого газа из воздуха в питательное вещество, называемое глюкозой. Глюкоза — это разновидность сахара. Глюкоза дает растениям энергию. Растения также используют глюкозу для производства целлюлозы — вещества, которое они используют для роста и построения клеточных стенок.

Все растения с зелеными листьями, от мельчайших мхов до высоких елей, синтезируют или создают себе пищу посредством фотосинтеза.Водоросли, фитопланктон и некоторые бактерии также осуществляют фотосинтез.

Некоторые редкие автотрофы производят пищу посредством процесса, называемого хемосинтезом, а не посредством фотосинтеза. Автотрофы, выполняющие хемосинтез, не используют энергию солнца для производства пищи. Вместо этого они производят пищу, используя энергию химических реакций, часто соединяя сероводород или метан с кислородом.

Организмы, использующие хемосинтез, живут в экстремальных условиях, где обнаружены токсичные химические вещества, необходимые для окисления.Например, бактерии, живущие в действующих вулканах, окисляют серу для производства собственной пищи. В Йеллоустонском национальном парке в американских штатах Вайоминг, Айдахо и Монтана в горячих источниках были обнаружены бактерии, способные к хемосинтезу.

Бактерии, обитающие в глубинах океана, возле гидротермальных источников, также производят пищу посредством хемосинтеза. Гидротермальный источник — это узкая трещина на морском дне. Морская вода просачивается через трещину в горячую, частично расплавленную породу внизу. Затем кипящая вода возвращается обратно в океан, наполненная минералами из раскаленных камней.Эти минералы включают сероводород, который бактерии используют в хемосинтезе.

Автотрофные бактерии, производящие пищу посредством хемосинтеза, также были обнаружены в местах на морском дне, называемых холодными просачиваниями. При холодных выходах сероводород и метан просачиваются из-под морского дна и смешиваются с океанской водой и растворенным углекислым газом. Автотрофные бактерии окисляют эти химические вещества для производства энергии.

Автотрофы в пищевой цепи

Чтобы объяснить пищевую цепочку — описание того, какие организмы питаются другими организмами в дикой природе, ученые сгруппировали организмы по трофическим или питательным уровням.Есть три трофических уровня. Поскольку автотрофы не потребляют другие организмы, они находятся на первом трофическом уровне.

Автотрофы поедаются травоядными животными, организмами, питающимися растениями. Травоядные животные — второй трофический уровень. Хищники, существа, которые едят мясо, и всеядные, существа, питающиеся всеми типами организмов, составляют третий трофический уровень.

Травоядные, плотоядные и всеядные животные являются потребителями — они потребляют питательные вещества, а не производят свои собственные. Основными потребителями являются травоядные животные.Плотоядные и всеядные животные являются вторичными потребителями.

Все пищевые цепочки начинаются с какого-то автотрофа (производителя). Например, в Скалистых горах растут автотрофы, такие как травы. Олени-мулы — травоядные животные (основные потребители), питающиеся автотрофными травами. Плотоядные животные (вторичные потребители), такие как горные львы, охотятся и поедают оленей.

В гидротермальных источниках производителем пищевой цепи являются автотрофные бактерии. Основные потребители, такие как улитки и мидии, потребляют автотрофов.Плотоядные животные, такие как осьминоги, потребляют улиток и мидий.

Увеличение количества автотрофов обычно приводит к увеличению количества животных, которые их поедают. Однако уменьшение количества и разнообразия автотрофов в районе может разрушить всю пищевую цепочку. Если лесной участок загорится в результате лесного пожара или будет расчищен для строительства торгового центра, травоядные животные, такие как кролики, больше не смогут найти пищу. Некоторые кролики могут переехать в лучшую среду обитания, а некоторые могут умереть. Без кроликов лисы и другие мясоеды, которые ими питаются, также теряют источник пищи.Они тоже должны двигаться, чтобы выжить.

Обзор фотосинтеза — Концепции биологии — 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обобщить процесс фотосинтеза
• Объясните важность фотосинтеза для других живых существ
• Определить реагенты и продукты фотосинтеза
• Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе

Все живые организмы на Земле состоят из одной или нескольких клеток.Каждая клетка работает на химической энергии, содержащейся в основном в молекулах углеводов (пища), и большинство этих молекул производится одним процессом: фотосинтезом. Посредством фотосинтеза определенные организмы преобразуют солнечную энергию (солнечный свет) в химическую энергию, которая затем используется для создания молекул углеводов. Энергия, используемая для удержания этих молекул вместе, высвобождается, когда организм расщепляет пищу. Затем клетки используют эту энергию для выполнения работы, такой как клеточное дыхание.

Энергия фотосинтеза непрерывно поступает в экосистемы нашей планеты и передается от одного организма к другому.Следовательно, прямо или косвенно процесс фотосинтеза обеспечивает большую часть энергии, необходимой живым существам на Земле.

Фотосинтез также приводит к выбросу кислорода в атмосферу. Короче говоря, в том, чтобы есть и дышать, люди почти полностью зависят от организмов, осуществляющих фотосинтез.

Концепция в действии

Щелкните следующую ссылку, чтобы узнать больше о фотосинтезе.

Некоторые организмы могут осуществлять фотосинтез, а другие — нет.Автотроф — это организм, который может производить себе пищу. Греческие корни слова autotroph означают «сам» ( auto ) «кормушка» ( troph ). Растения — самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей (рис. 5.2). Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Растения также являются фотоавтотрофами, типом автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов.Все организмы, осуществляющие фотосинтез, нуждаются в солнечном свете.

Рис. 5.2. (А) Растения, (б) водоросли и (в) некоторые бактерии, называемые цианобактериями, являются фотоавтотрофами, которые могут осуществлять фотосинтез. Водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность. (Фото a: Стив Хиллебранд, Служба охраны рыбных ресурсов и дикой природы США; кредит b: «эвтрофикация и гипоксия» / Flickr; кредит c: НАСА; данные по шкале Мэтта Рассела)

Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, которые поэтому должны получать энергию и углерод из пищу, поедая другие организмы.Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов. Даже если пищевым организмом является другое животное, происхождение этой пищи восходит к автотрофам и процессу фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные. Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов. Олени и волки — гетеротрофы. Олень получает энергию, поедая растения. Волк, поедающий оленя, получает энергию, которая изначально поступала от растений, поедаемых этим оленем.Энергия в растении поступала от фотосинтеза, и поэтому в данном примере это единственный автотроф (рис. 5.3). Используя это рассуждение, вся пища, потребляемая людьми, также связана с автотрофами, которые осуществляют фотосинтез.

Рис. 5.3. Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь. Хищник, который ест этих оленей, получает энергию, происходящую от фотосинтезирующей растительности, которую потребляли олени. (Источник: Стив Ван Рипер, Служба охраны рыболовства и дикой природы США)

Фотосинтез в продуктовом магазине

Рисунок 5.4 Фотосинтез — это происхождение продуктов, составляющих основные элементы питания человека. (кредит: Associação Brasileira de Supermercados)

Основные продуктовые магазины в Соединенных Штатах разделены на отделы, такие как молочные продукты, мясо, продукты, хлеб, крупы и т. д. В каждом проходе находятся сотни, если не тысячи, различных продуктов, которые покупатели могут покупать и потреблять (рис. 5.4).

Хотя существует большое разнообразие, каждый элемент связан с фотосинтезом. Мясо и молочные продукты связаны с фотосинтезом, потому что животных кормили растительной пищей.Хлеб, крупы и макаронные изделия в основном получают из злаков, которые являются семенами фотосинтезирующих растений. А как насчет десертов и напитков? Все эти продукты содержат сахар — основную молекулу углеводов, образующуюся непосредственно в процессе фотосинтеза. Связь фотосинтеза применима к каждому приему пищи и к каждой еде, которую потребляет человек.

Фотосинтез требует солнечного света, двуокиси углерода и воды в качестве исходных реагентов (рис. 5.5). После завершения процесса фотосинтез высвобождает кислород и производит молекулы углеводов, чаще всего глюкозу.Эти молекулы сахара содержат энергию, необходимую живым существам для выживания.

Рис. 5.5. Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для выделения кислорода для производства энергосберегающих молекул сахара. Фотосинтез — это происхождение продуктов, составляющих основные элементы питания человека. (кредит: Associação Brasileira de Supermercados)

Сложные реакции фотосинтеза можно резюмировать с помощью химического уравнения, показанного на рисунке 5.6.

Рис. 5.6. Процесс фотосинтеза можно представить уравнением, в котором углекислый газ и вода производят сахар и кислород, используя энергию солнечного света.

Хотя уравнение выглядит простым, многие шаги, которые происходят во время фотосинтеза, на самом деле довольно сложны, как в том, как реакция, суммирующая клеточное дыхание, представляет собой множество индивидуальных реакций. Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с задействованными физическими структурами.

У растений фотосинтез происходит в основном в листьях, которые состоят из многих слоев клеток и имеют дифференцированную верхнюю и нижнюю стороны.Процесс фотосинтеза происходит не на поверхностных слоях листа, а в среднем слое, называемом мезофиллом (рис. 5.7). Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами.

У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом. У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную (внутреннюю и внешнюю) мембрану. Внутри хлоропласта находится третья мембрана, которая образует многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами.В тилакоидную мембрану встроены молекулы хлорофилла, пигмента (молекула, поглощающая свет), через которую начинается весь процесс фотосинтеза. Хлорофилл отвечает за зеленый цвет растений. Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое тилакоидным пространством. В фотосинтезе участвуют и другие типы пигментов, но хлорофилл, безусловно, является наиболее важным. Как показано на рис. 5.7, стопка тилакоидов называется гранумом, а пространство, окружающее гранум, называется стромой (не путать с устьицами, отверстиями на листьях).

Рис. 5.7 Не все клетки листа осуществляют фотосинтез. Клетки в среднем слое листа содержат хлоропласты, которые содержат фотосинтетический аппарат. (кредит «лист»: модификация работы Кори Занкера)

В жаркий и сухой день растения закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

Фотосинтез проходит в два этапа: светозависимые реакции и цикл Кальвина. В светозависимых реакциях, которые происходят на тилакоидной мембране, хлорофилл поглощает энергию солнечного света, а затем преобразует ее в химическую энергию с использованием воды.Светозависимые реакции высвобождают кислород в результате гидролиза воды в качестве побочного продукта. В цикле Кальвина, который имеет место в строме, химическая энергия, полученная в результате светозависимых реакций, управляет как захватом углерода в молекулах углекислого газа, так и последующей сборкой молекул сахара. Две реакции используют молекулы-носители для передачи энергии от одной к другой. Носители, которые перемещают энергию из светозависимых реакций в реакции цикла Кальвина, можно рассматривать как «полные», потому что они несут энергию.После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются к светозависимым реакциям, чтобы получить больше энергии.

Процесс фотосинтеза изменил жизнь на Земле. Используя энергию солнца, фотосинтез позволил живым существам получить доступ к огромному количеству энергии. Благодаря фотосинтезу живые существа получили доступ к достаточному количеству энергии, что позволило им развить новые структуры и достичь биологического разнообразия, которое очевидно сегодня.

Только некоторые организмы, называемые автотрофами, могут осуществлять фотосинтез; они требуют наличия хлорофилла, специального пигмента, который может поглощать свет и преобразовывать световую энергию в химическую энергию.Фотосинтез использует углекислый газ и воду для сборки молекул углеводов (обычно глюкозы) и высвобождения кислорода в воздух. У эукариотических автотрофов, таких как растения и водоросли, есть органеллы, называемые хлоропластами, в которых происходит фотосинтез.

Глоссарий

автотроф: организм, способный производить собственную пищу

хлорофилл: зеленый пигмент, улавливающий световую энергию, которая управляет реакциями фотосинтеза

хлоропласт: органелла, в которой происходит фотосинтез

granum: стопка тилакоидов, расположенных внутри хлоропласта

гетеротроф: организм, потребляющий другие организмы в пищу

светозависимая реакция: первая стадия фотосинтеза, когда видимый свет поглощается с образованием двух энергоносителей (АТФ и НАДФН)

мезофилл: средний слой клеток в листе

фотоавтотроф: организм, способный синтезировать собственные молекулы пищи (запасать энергию), используя энергию света

пигмент: молекула, способная поглощать световую энергию

стома: отверстие, регулирующее газообмен и регулирование воды между листьями и окружающей средой; множественное число: устьица

строма: заполненное жидкостью пространство, окружающее грану внутри хлоропласта, где происходят реакции фотосинтеза цикла Кальвина

тилакоид: дискообразная мембранная структура внутри хлоропласта, где происходят светозависимые реакции фотосинтеза с использованием хлорофилла, встроенного в мембраны

Как растения превращают солнечный свет в пищу — Биологическая стратегия — AskNature

Катализатор химического разложения

Жизнь зависит от образования и разрушения биологических молекул.Катализаторы в форме белков или РНК играют важную роль, резко увеличивая скорость химического превращения, не расходясь при этом в реакции. Регуляторная роль, которую катализаторы играют в сложных биохимических каскадах, является одной из причин, по которой в живых клетках в воде при окружающих условиях может происходить так много одновременных химических превращений. Например, каталитическое расщепление 10-фермента и превращение глюкозы в пируват в метаболическом пути гликолиза.

Химическая сборка органических соединений

Одна из причин того, что реакции синтеза (химическая сборка) могут происходить в таких мягких условиях, как температура окружающей среды и давление в воде, заключается в том, что чаще всего они протекают поэтапно, опосредованно ферментами, потягивая или высвобождая небольшое количество энергии на каждом шаге.Например, синтез глюкозы из углекислого газа в цикле Кальвина представляет собой 15-этапный процесс, каждый этап которого регулируется отдельным ферментом.

Преобразование химической энергии

Химия жизни основана на преобразовании энергии, хранящейся в химических связях. Например, глюкоза является основной молекулой хранения энергии в живых системах, потому что окислительное расщепление глюкозы на углекислый газ и воду высвобождает энергию. Животные, грибы и бактерии хранят до 30 000 единиц глюкозы в одной единице гликогена, молекуле с трехмерной структурой с разветвленными цепями молекул глюкозы, исходящими из ядра белка.Когда энергия необходима для метаболических процессов, молекулы глюкозы отделяются и окисляются.

Преобразование лучистой энергии (свет)

Солнце является основным источником энергии для многих живых систем. Солнце излучает лучистую энергию, которая переносится светом и другим электромагнитным излучением в виде потоков фотонов. Когда лучистая энергия достигает живой системы, могут произойти два события. Лучистая энергия может преобразовываться в тепло, или живые системы могут преобразовывать ее в химическую энергию. Последнее преобразование непросто, но представляет собой многоступенчатый процесс, начинающийся, когда живые системы, такие как водоросли, некоторые бактерии и растения, улавливают фотоны.Например, растение картофеля улавливает фотоны, а затем преобразует энергию света в химическую энергию посредством фотосинтеза, сохраняя химическую энергию под землей в виде углеводов. Углеводы, в свою очередь, питают другие живые системы.

Биологическая солнечная панель — Научно-исследовательская лаборатория растений МГУ-ДОЭ

Растения и водоросли — это природные биологические солнечные батареи. Улавливая световую энергию солнца и преобразовывая ее в молекулы плотной энергии в процессе фотосинтеза, эти организмы поддерживают большую часть жизни на нашей планете.

Фотосинтез — это сложная система процессов, состоящая из сотен составных частей, которые работают вместе на клеточном уровне. Два основных процесса фотосинтеза — это так называемые светозависимые и темновые реакции.

В первом случае фотосинтезирующие организмы улавливают и перерабатывают «сырую» энергию солнечного света, которая не может быть потреблена живыми существами. Темные реакции используют эту световую энергию для улавливания углекислого газа из атмосферы и преобразования его в соединения, которые можно использовать для потребления.

Задача: объединить знания о фотосинтетических процессах, которые действуют в широком диапазоне пространственных и временных масштабов

Десятилетия исследований научили нас многому о фотосинтетических компонентах, но ученые до сих пор не имеют полного представления о том, как фотосинтез работает в целом.

Частично сложность заключается в том, что большинство исследований сосредоточено на организмах, выращиваемых в статических лабораторных условиях, вместо того, чтобы наблюдать, как фотосинтетические компоненты динамически реагируют на естественные условия жизни.

Фотосинтетические процессы происходят во временных масштабах, начиная от фотохимических реакций в доли миллисекунды и заканчивая сезонным ухудшением состояния и обновлением листьев с течением времени.

Пространственные масштабы также огромны, от молекул до целых листьев. Поэтому сложно изучать фотосинтез в рамках одной лаборатории или одной дисциплины, поскольку этот процесс охватывает целый ряд физических, биохимических и структурных областей научных знаний.

Наш подход: целостное понимание биологической солнечной панели

Целостный взгляд на конструкцию и работу биологической солнечной панели, начиная с улавливания солнечного света и заканчивая тем, как молекулы углерода распределяются для различных функций.
Заводская лаборатория МГУ-ДОЭ

Научно-исследовательская лаборатория растений МГУ-ДОЭ нацелена на комплексное изучение компонентов и процессов. Мы хотим разработать модели в нескольких масштабах, которые описывают, как фотосинтез работает в целом.

Если мы сможем понять процессы в целом, это будет способствовать нашим долгосрочным усилиям по повышению эффективности фотосинтеза и увеличению урожайности за счет перепроектирования различных частей системы, чтобы они работали лучше.

Для достижения этой цели мы сотрудничаем в различных областях. Наши участвующие исследователи обладают опытом в таких областях, как биофизика, биохимия, физиология, фотобиология, генетика и клеточная биология.

В настоящее время мы изучаем фотосинтез с четырех сторон:

1. Мы фокусируемся на хлоропластах , субклеточном компартменте, в котором начинается фотосинтез. Мы хотим понять, как создаются и поддерживаются мембраны хлоропластов у живых растений.Мы также хотим изучить , как хлоропласт взаимодействует с другими частями клетки, которые участвуют в фотосинтетических процессах ( Benning, Brandizzi и Hu labs ).
2. Мы изучаем, как структурные особенности биологической солнечной панели влияют на доступность углекислого газа в фотосинтетических отсеках . Мы также хотим посмотреть, как работают вместе фотодыхание и регуляция цикла Кальвина-Бенсона ( Hu, Brandizzi, Ducat, He и Sharkey labs ).
3. Мы изучаем , как выход энергии цикла Кальвина-Бенсона координируется с изменением интенсивности света в окружающей среде. Мы также стремимся понять, как эти результаты соответствуют светозависимым реакциям клетки ( Sharkey, Froehlich, Howe и Kramer labs ).
4. Мы используем искусственно созданную модель растений (арабидопсис) и цианобактерии, чтобы понять, как эти организмы ощущают сдвиги в выделении углерода , сырья для производства высококалорийных соединений.Мы также стремимся понять , как изменения в условиях окружающей среды, включая различные стрессы, влияют на распределение углерода и активность фотосинтеза ( Ducat, Howe, Kramer, Montgomery, and Sharkey labs ).

Благодаря такому разнообразию точек зрения в сочетании с уникальными технологиями, имеющимися в нашем распоряжении, мы имеем все возможности для целостного понимания биологических солнечных панелей.

Это исследование — один из трех основных проектов, финансируемых Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.

Обзор фотосинтеза | БИО 101

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Обобщить процесс фотосинтеза
• Объясните важность фотосинтеза для других живых существ
• Определить реагенты и продукты фотосинтеза
• Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе

Все живые организмы на Земле состоят из одной или нескольких клеток.Каждая клетка работает на химической энергии, содержащейся в основном в молекулах углеводов (пища), и большинство этих молекул производится одним процессом: фотосинтезом. Посредством фотосинтеза определенные организмы преобразуют солнечную энергию (солнечный свет) в химическую энергию, которая затем используется для создания молекул углеводов. Энергия, используемая для удержания этих молекул вместе, высвобождается, когда организм расщепляет пищу. Затем клетки используют эту энергию для выполнения работы, такой как клеточное дыхание.

Энергия фотосинтеза непрерывно поступает в экосистемы нашей планеты и передается от одного организма к другому.Следовательно, прямо или косвенно процесс фотосинтеза обеспечивает большую часть энергии, необходимой живым существам на Земле.

Фотосинтез также приводит к выбросу кислорода в атмосферу. Короче говоря, в том, чтобы есть и дышать, люди почти полностью зависят от организмов, осуществляющих фотосинтез.

Концепция в действии

Узнать больше о фотосинтезе.

Солнечная зависимость и производство продуктов питания

Некоторые организмы могут осуществлять фотосинтез, а другие — нет.Автотроф — это организм, который может производить себе пищу. Греческие корни слова autotroph означают «сам» ( auto ) «кормушка» ( troph ). Растения — самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей (рис. 1). Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Растения также являются фотоавтотрофами, типом автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов.Все организмы, осуществляющие фотосинтез, нуждаются в солнечном свете.

Рис. 1. (а) Растения, (б) водоросли и (в) некоторые бактерии, называемые цианобактериями, являются фотоавтотрофами, которые могут осуществлять фотосинтез. Водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность. (Фото a: Стив Хиллебранд, Служба охраны рыбных ресурсов и дикой природы США; кредит b: «эвтрофикация и гипоксия» / Flickr; кредит c: НАСА; данные шкалы от Мэтта Рассела)

Рис. 2. Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь.Хищник, который ест этих оленей, получает энергию, происходящую от фотосинтезирующей растительности, которую потребляли олени. (Источник: Стив Ван Рипер, Служба охраны рыболовства и дикой природы США)

Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, поэтому они должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы. Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов.Даже если пищевым организмом является другое животное, происхождение этой пищи восходит к автотрофам и процессу фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные. Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов. Олени и волки — гетеротрофы. Олень получает энергию, поедая растения. Волк, поедающий оленя, получает энергию, которая изначально поступала от растений, поедаемых этим оленем. Энергия в растении поступала от фотосинтеза, и поэтому в данном примере это единственный автотроф (рис. 2).Используя это рассуждение, вся пища, потребляемая людьми, также связана с автотрофами, которые осуществляют фотосинтез.

Биология в действии

Фотосинтез в продуктовом магазине

Рис. 3. Фотосинтез — это происхождение продуктов, составляющих основные элементы питания человека. (кредит: Associação Brasileira de Supermercados)

Основные продуктовые магазины в Соединенных Штатах разделены на отделы, например, молочные продукты, мясо, продукты, хлеб, крупы и т. Д.В каждом проходе находятся сотни, если не тысячи, различных продуктов, которые покупатели могут покупать и потреблять (рис. 3).

Хотя существует большое разнообразие, каждый элемент связан с фотосинтезом. Мясо и молочные продукты связаны с фотосинтезом, потому что животных кормили растительной пищей. Хлеб, крупы и макаронные изделия в основном получают из злаков, которые являются семенами фотосинтезирующих растений. А как насчет десертов и напитков? Все эти продукты содержат сахар — основную молекулу углеводов, образующуюся непосредственно в процессе фотосинтеза.Связь фотосинтеза применима к каждому приему пищи и к каждой еде, которую потребляет человек.

Основные структуры и краткое описание фотосинтеза

Фотосинтез требует солнечного света, двуокиси углерода и воды в качестве исходных реагентов (рис. 4). После завершения процесса фотосинтез высвобождает кислород и производит молекулы углеводов, чаще всего глюкозу. Эти молекулы сахара содержат энергию, необходимую живым существам для выживания.

Рис. 4. Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для выделения кислорода и производства энергосберегающих молекул сахара.

Сложные реакции фотосинтеза можно описать химическим уравнением, показанным на рисунке 5.

Рис. 5. Процесс фотосинтеза можно представить уравнением, в котором углекислый газ и вода производят сахар и кислород, используя энергию солнечного света.

Хотя уравнение выглядит простым, многие шаги, которые происходят во время фотосинтеза, на самом деле довольно сложны, как в том, как реакция, суммирующая клеточное дыхание, представляет собой множество индивидуальных реакций.Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с задействованными физическими структурами.

У растений фотосинтез происходит в основном в листьях, которые состоят из многих слоев клеток и имеют дифференцированную верхнюю и нижнюю стороны. Процесс фотосинтеза происходит не на поверхностных слоях листа, а в среднем слое, называемом мезофиллом (рис. 6). Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами.

У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом. У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную (внутреннюю и внешнюю) мембрану. Внутри хлоропласта находится третья мембрана, которая образует многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами. В тилакоидную мембрану встроены молекулы хлорофилла, пигмента (молекула, поглощающая свет), через которую начинается весь процесс фотосинтеза.Хлорофилл отвечает за зеленый цвет растений. Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое тилакоидным пространством. В фотосинтезе участвуют и другие типы пигментов, но хлорофилл, безусловно, является наиболее важным. Как показано на рисунке 6, стопка тилакоидов называется гранумом, а пространство, окружающее гранум, называется стромой (не путать с устьицами, отверстиями на листьях).

Art Connection

Рисунок 6. Не все клетки листа осуществляют фотосинтез.Клетки в среднем слое листа содержат хлоропласты, которые содержат фотосинтетический аппарат. (кредит «лист»: модификация работы Кори Занкера)

В жаркий и сухой день растения закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

Две части фотосинтеза

Фотосинтез проходит в два этапа: светозависимые реакции и цикл Кальвина. В светозависимых реакциях, которые происходят на тилакоидной мембране, хлорофилл поглощает энергию солнечного света, а затем преобразует ее в химическую энергию с использованием воды.Светозависимые реакции высвобождают кислород в результате гидролиза воды в качестве побочного продукта. В цикле Кальвина, который имеет место в строме, химическая энергия, полученная в результате светозависимых реакций, управляет как захватом углерода в молекулах углекислого газа, так и последующей сборкой молекул сахара. Две реакции используют молекулы-носители для передачи энергии от одной к другой. Носители, которые перемещают энергию из светозависимых реакций в реакции цикла Кальвина, можно рассматривать как «полные», потому что они несут энергию.После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются к светозависимым реакциям, чтобы получить больше энергии.

Сводка раздела

Процесс фотосинтеза изменил жизнь на Земле. Используя энергию солнца, фотосинтез позволил живым существам получить доступ к огромному количеству энергии. Благодаря фотосинтезу живые существа получили доступ к достаточному количеству энергии, что позволило им развить новые структуры и достичь биологического разнообразия, которое очевидно сегодня.

Только некоторые организмы, называемые автотрофами, могут осуществлять фотосинтез; они требуют наличия хлорофилла, специального пигмента, который может поглощать свет и преобразовывать световую энергию в химическую энергию.Фотосинтез использует углекислый газ и воду для сборки молекул углеводов (обычно глюкозы) и высвобождения кислорода в воздух. У эукариотических автотрофов, таких как растения и водоросли, есть органеллы, называемые хлоропластами, в которых происходит фотосинтез.

Дополнительные вопросы для самопроверки

1. В жаркий и сухой день растения закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?

2. Какова общая цель световых реакций при фотосинтезе?

3.Почему плотоядные животные, такие как львы, зависят от фотосинтеза, чтобы выжить?

ответов

1. Уровень углекислого газа (реагента) упадет, а уровень кислорода (продукта) повысится. В результате скорость фотосинтеза замедлится.

2. Преобразование солнечной энергии в химическую энергию, которую клетки могут использовать для работы.

3. Потому что львы едят животных, которые едят растения.

Глоссарий

автотроф: организм, способный производить собственную пищу

хлорофилл: зеленый пигмент, улавливающий световую энергию, которая управляет реакциями фотосинтеза

хлоропласт: органелла, в которой происходит фотосинтез

granum: стопка тилакоидов, расположенных внутри хлоропласта

гетеротроф: организм, потребляющий другие организмы в пищу

светозависимая реакция: первая стадия фотосинтеза, когда видимый свет поглощается с образованием двух энергоносителей (АТФ и НАДФН)

мезофилл: средний слой клеток в листе

фотоавтотроф: организм, способный синтезировать собственные молекулы пищи (запасать энергию), используя энергию света

пигмент: молекула, способная поглощать световую энергию

стома: отверстие, регулирующее газообмен и регулирование воды между листьями и окружающей средой; множественное число: устьица

строма: заполненное жидкостью пространство, окружающее грану внутри хлоропласта, где происходят реакции фотосинтеза цикла Кальвина

тилакоид: дискообразная мембранная структура внутри хлоропласта, где происходят светозависимые реакции фотосинтеза с использованием хлорофилла, встроенного в мембраны

Управление океанических исследований и исследований NOAA

Фотосинтез и хемосинтез — это процессы, посредством которых организмы производят пищу; фотосинтез осуществляется за счет солнечного света, а хемосинтез — за счет химической энергии.

Для просмотра этого видео включите JavaScript и рассмотрите возможность обновления до веб-браузера, который поддерживает видео HTML5

Большая часть жизни на планете основана на пищевой цепи, которая вращается вокруг солнечного света, поскольку растения производят пищу посредством фотосинтеза. Однако в глубоком океане нет света и, следовательно, нет растений; поэтому вместо солнечного света, являющегося первичной формой энергии, химическая энергия вырабатывается посредством хемосинтеза. Места, где обитают хемосинтезирующие организмы, могут стать оазисами жизни в окружающей среде, которая в противном случае лишена пищи. Видео любезно предоставлено Управлением исследования океана NOAA, Мексиканский залив, 2017 год. Загрузить более крупную версию (mp4, 108,2 МБ).

Экосистемы зависят от способности некоторых организмов превращать неорганические соединения в пищу, которую другие организмы могут затем использовать (или съесть!). Большая часть жизни на планете основана на пищевой цепи, которая вращается вокруг солнечного света, поскольку растения производят пищу посредством фотосинтеза. Однако в окружающей среде, где нет солнечного света и, следовательно, нет растений, организмы вместо этого полагаются на первичное производство посредством процесса, называемого хемосинтезом, который основан на химической энергии.Вместе фотосинтез и хемосинтез подпитывают всю жизнь на Земле.

Фотосинтез происходит у растений и некоторых бактерий везде, где достаточно солнечного света — на суше, на мелководье, даже внутри и под прозрачным льдом. Все фотосинтезирующие организмы используют солнечную энергию для превращения углекислого газа и воды в сахар (пищу) и кислород: 6CO ₂ + 6H ₂ O -> C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ .

Хемосинтез происходит в бактериях и других организмах и включает использование энергии, выделяемой в результате неорганических химических реакций, для производства пищи.Все хемосинтезирующие организмы используют энергию, выделяемую в результате химических реакций, для производства сахара, но разные виды используют разные пути. Например, в гидротермальных источниках бактерии, выделяющие газ, окисляют сероводород, добавляют углекислый газ и кислород и производят сахар, серу и воду: CO ₂ + 4H ₂ S + O ₂ -> CH ₂ 0 + 4S + 3H ₂ O. Другие бактерии производят органическое вещество за счет восстановления сульфида или окисления метана.

Наши знания о хемосинтетических сообществах являются относительно новыми, они были обнаружены в ходе исследования океана, когда люди впервые наблюдали выход на глубокое дно океана в 1977 году и нашли процветающее сообщество, где не было света.С тех пор хемосинтетические бактериальные сообщества были обнаружены в горячих источниках на суше и на морском дне вокруг гидротермальных источников, холодных выходов, туш китов и затонувших кораблей. Никому и в голову не приходило их искать, но эти общины существовали всегда.

3. Энергия в биологических процессах

Обучение использованию энергии в биологических процессах поддерживается шестью ключевыми концепциями:

3.1 Солнце является основным источником энергии для организмов и экосистем, частью которых они являются.Такие производители, как растения, водоросли и цианобактерии, используют энергию солнечного света для производства органических веществ из углекислого газа и воды. Это устанавливает начало потока энергии почти через все пищевые сети.

3.2 Пища — это биотопливо, используемое организмами для получения энергии для внутренних жизненных процессов. Пища состоит из молекул, которые служат топливом и строительным материалом для всех организмов, поскольку энергия, хранящаяся в молекулах, высвобождается и используется. Распад молекул пищи позволяет клеткам накапливать энергию в новых молекулах, которые используются для выполнения многих функций клетки и, следовательно, организма.

3.3 Энергия, доступная для полезной работы, уменьшается по мере ее передачи от организма к организму. Химические элементы, из которых состоят молекулы живых существ, проходят через пищевые цепи и соединяются и рекомбинируются по-разному. На каждом уровне пищевой цепи часть энергии накапливается во вновь созданных химических структурах, но большая часть рассеивается в окружающей среде. Постоянное поступление энергии, в основном солнечного света, поддерживает процесс.

3.4 Энергия течет через пищевые цепи в одном направлении от производителей к потребителям и разлагателям.Организм, который ест на более низком уровне пищевой цепи, более энергоэффективен, чем тот, который ест на более высоком уровне пищевой цепи. Производители поедания — это самый низкий и, следовательно, самый энергоэффективный уровень, на котором животное может есть.

3.5 На экосистемы влияют изменения в доступности энергии и вещества. Количество и вид доступной энергии и вещества ограничивают распространение и численность организмов в экосистеме, а также способность экосистемы перерабатывать материалы.

3.6 Люди являются частью экосистем Земли и влияют на поток энергии через эти системы.Люди изменяют энергетический баланс экосистем Земли с возрастающей скоростью. Изменения происходят, например, в результате изменений в технологиях сельского хозяйства и пищевой промышленности, потребительских привычках и численности населения.

Энергия Солнца питает жизнь на Земле

Постоянное поступление энергии, в основном солнечного света, поддерживает жизненный процесс. Солнечный свет позволяет растениям, водорослям и цианобактериям использовать фотосинтез для преобразования углекислого газа и воды в органические соединения, такие как углеводы.Этот процесс является основным источником органического материала в биосфере. Есть несколько исключений из этого, например, экосистемы, живущие вокруг гидротермальных источников на дне океана, которые получают свою энергию от химических соединений, таких как метан и сероводород. В любом случае общая продуктивность экосистемы контролируется общей доступной энергией.

Энергия течет через все живое на Земле

Схема пищевой цепи водоплавающих птиц Чесапикского залива.Изображение из Геологической службы США.

Происхождение: Изображение из Геологической службы США
Повторное использование: Этот элемент находится в общественном достоянии и может использоваться повторно без ограничений.

Пищевые сети показывают, как энергия движется по системе. Растения используют энергию Солнца для создания органического вещества. Затем растения поедают первичные потребители, которые, в свою очередь, едят вторичные потребители, и так далее. На каждом шаге энергия, которая изначально была испущена Солнцем, потребляется, но эта энергия также рассеивается с каждым шагом.Животные используют 90% энергии, содержащейся в еде, для их нормальной деятельности. Таким образом, следующему потребителю остается только 10% первоначальной энергии. По мере продвижения вверх эффективность пищевой цепочки снижается. (Узнайте больше о передаче энергии в пищевой цепочке.)

Это также указывает на важный фактор в распределении энергии в продуктах питания человека. Употребление в пищу производителей (растений) в нижней части пищевой цепочки — самый эффективный способ получения человеком энергии для жизни.Это имеет значение для людей, поскольку мы стремимся обеспечить достаточное питание растущего населения.

Эти идеи также представляют происхождение органического вещества, которое позже может стать ископаемым топливом. Первоначальным источником энергии в ископаемом топливе является солнечный свет, питающий фотосинтез. Нефть и природный газ поступают из фотосинтетического планктона, который сохраняется в отложениях на дне океана, нагревается и химически превращается в углеводороды. Уголь поступает из растений, которые были закопаны в отложения, уплотнены и законсервированы.Эти идеи более подробно рассматриваются в Энергетическом принципе 4. (Узнайте больше о происхождении нефти).

Помогая студентам понять эти идеи

В то время как многие студенты могут легко понять идею земной пищевой сети, морская пищевая сеть может быть им менее знакома. Студенты могут быть удивлены, узнав, что около половины первичной продуктивности органического материала на Земле происходит из океанов.

Другие темы, связанные с этой темой:

• изучение методов измерения первичной продуктивности в различных экосистемах,
• картографирование распределения первичной продуктивности в океанах и на суше,
• вычисляет доступную энергию на разных трофических уровнях,
• расчет энергии, воплощенной в различных продуктах питания,
• с учетом науки, техники, экономики или этики сельского хозяйства и животноводства,
• исследует различные воздействия на энергетический баланс экосистем, такие как пожары, болезни, динамика населения и изменения в землепользовании.

Реализация этих идей в вашем классе Разнообразие продуктов питания, каждая из которых имеет свой собственный энергетический и экологический след.

Происхождение: Изображение из галереи изображений Microsoft.
Повторное использование: Если вы хотите использовать этот элемент за пределами этого сайта способами, которые выходят за рамки добросовестного использования (см. Http://fairuse.stanford.edu/), вы должны получить разрешение от его создателя.

По сравнению с Принципами Энергетики 1 и 2 этот принцип более конкретен и легче визуализируется.У всех нас есть непосредственный опыт употребления различных видов пищи. Многие из этих концепций, например, как солнечный свет управляет фотосинтезом и пищевыми сетями, обычно преподаются в учебных программах средних и старших классов. Педагоги могут воспользоваться этими возможностями, чтобы связать тему энергетики с этими темами.

Количественный подход можно использовать для изучения энергии, содержащейся в различных типах продуктов питания. Вот несколько примеров действий, которые это делают.

Сколько энергии на моей тарелке? проводит учащихся через последовательность учебных шагов, которые выделяют вложенную энергию, необходимую для производства различных видов пищи.проводит учащихся через последовательность действий, которые подчеркивают воплощенную энергию, необходимую для производства различных видов пищи (средняя школа или колледж начального уровня).

Проект «Образ жизни» ставит перед студентами задачу резко снизить потребление энергии, и переход на вегетарианскую диету является одним из путей, которые студенты могут выбрать. Этот проект можно использовать в средней школе и в колледжах.

Сопутствующие учебные материалы

Преподавание еды с учебными материалами для студентов колледжей

Подразделение рыболовства от EarthLabs

Практический способ преподавать эти темы — с точки зрения еды или общественного сада.Все концепции, содержащиеся в этом принципе, можно проиллюстрировать на примере сада, в котором выращивают пищу.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

Средняя школа

• To Boldly Go … — это веб-мероприятие, посвященное основным причинам исследования океана — изучению взаимосвязанных вопросов изменения климата, здоровья океана, энергетики и здоровья человека. Студенты изучают типы технологий, которые ученые-океанологи используют для сбора важных данных.
• Видео «Зеленые машины океана» исследует морскую пищевую сеть путем изучения фитопланктона. Эти организмы составляют основу морской пищевой сети, являются источником половины кислорода на Земле и являются важным средством удаления CO ₂ из атмосферы. Это видео подходит для средней и старшей школы.
• Рыба во внутренних водоемах и потепление вод — это деятельность, которая связывает температуру воды со здоровьем рыболовства в пределах внутренних пресноводных водосборов.
• «Мир перемен: обезлесение Амазонки» — это серия спутниковых снимков НАСА, сделанных за 10-летний период, 2000-2010 гг., Которые показывают масштабы обезлесения в западной Бразилии.

Средняя школа

• Подчеркнутый! Это мероприятие, в ходе которого студенты исследуют различные темы о здоровье океана, такие как чрезмерный вылов рыбы, разрушение среды обитания, инвазивные виды, изменение климата, загрязнение и закисление океана. В необязательном дополнительном упражнении есть инструкции по созданию водной биосферы в бутылке и последующему манипулированию переменными.
• Пищевые сети обычно преподаются с помощью концептуальных карт, таких как Oceanic Food Web. Связи в виде концептуальной карты на этой визуализации побуждают студентов связывать абиотические и биотические взаимодействия в океанической пищевой сети. Это также подходит для студентов начального уровня.
• Ферментация в мешке и биоразведка микробов, разлагающих целлюлозу, — это два практических занятия, которые исследуют производство целлюлозного этанола.

Колледж

• Сколько энергии на моей тарелке? проводит учащихся через последовательность учебных шагов, которые выделяют вложенную энергию, необходимую для производства различных видов пищи.Учащиеся начинают с обдумывания компонентов основного приема пищи, а затем их просят оценить количество энергии, необходимое для производства различных типов протеина. Это задание можно совместить с Проектом «Образ жизни».
• Влияние Эль-Ниньо / Ла-Нинья на фитопланктон и рыбу Видео иллюстрирует влияние климатических циклов на популяции фитопланктона. Фитопланктон составляет основу пищевой сети и обеспечивает половину всего кислорода, которым мы дышим.

Найдите занятия и наглядные пособия для преподавания этой темы

Поиск по классу: средняя школа старшая школа введение колледж высший колледж поиск все классы

Ссылки

Энергетическая экономика в экосистемах Что движет жизнью? В большинстве экосистем солнечный свет поглощается и преобразуется в полезные формы энергии посредством фотосинтеза.Эти полезные формы энергии основаны на углероде.

Производительность океана Цель этого веб-сайта — предоставить науке и более широким кругам общественности обновленные глобальные оценки продуктивности океана.

Фермеры в кампусе Сайт предлагает обширную информацию и ссылки на ресурсы о создании фермы на территории кампуса, управлении финансами фермы и продолжении бизнеса.

No related posts.