Живые организмы энергию солнца: Организмы, использующие энергию солнечного света — Аккумуляторы WESTA

Энергетика живой клетки. Дети Солнца

Татьяна Потапова
«В мире науки» №3, 2006

Дети Солнца

Вселенная наполнена энергией, но для живых организмов подходят лишь немногие ее виды. Основной источник энергии для подавляющего большинства биологических процессов на нашей планете – солнечный свет. Мощность излучения Солнца в среднем оценивается как 4 × 10³³ эрг/с, что обходится нашему светилу в ежегодные потери 10^–15–10^–14 массы. Есть и гораздо более мощные излучатели. Например, 1–2 раза в столетие в нашей галактике происходят вспышки сверхновых звезд, каждая из которых сопровождается сильнейшим взрывом мощностью более 10⁴¹ эрг/с. А квазары (ядра галактик, удаленных от нас на сотни миллионов световых лет), излучают еще большие мощности — 10⁴⁶–10⁴⁷ эрг/с.

Клетка — основная единица жизни, она непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нуждается в постоянном притоке свободной энергии.

Технологически решить такую задачу ей непросто, поскольку живая клетка должна выделять и использовать энергию при постоянной (и притом довольно низкой) температуре в разбавленной водной среде. В ходе эволюции, за сотни миллионов лет, сформировались изящные и совершенные молекулярные механизмы, способные действовать необыкновенно эффективно в очень мягких условиях. В итоге к.п.д. клеточной энергетики оказывается намного выше, чем у любых инженерных устройств, изобретенных человеком.

Клеточные трансформаторы энергии представляют собой комплексы специальных белков, встроенных в биологические мембраны. Независимо от того, поступает в клетку извне свободная энергия непосредственно с квантами света (в процессе фотосинтеза) или в результате окисления пищевых продуктов кислородом воздуха (в процессе дыхания), она запускает движение электронов. В итоге производятся молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и увеличивается разность электрохимических потенциалов на биологических мембранах. АТФ и мембранный потенциал — два относительно стационарных источника энергии для всех видов внутриклеточной работы.

Движение вещества через клетки и организмы легко воспринимается нашим сознанием как потребность в пище, воде, воздухе и удалении отходов. Движение же энергии практически неощутимо. На клеточном уровне оба этих потока согласованно взаимодействуют в той чрезвычайно сложной сети химических реакций, которая составляет клеточный обмен веществ. Процессы жизнедеятельности на любом уровне, от биосферы до отдельной клетки, в сущности, выполняют одну и ту же задачу: превращают питательные вещества, энергию и информацию в увеличивающуюся массу клеток, отходы жизнедеятельности и тепло.

Способность захватывать энергию и приспосабливать ее для совершения разных видов работы, по-видимому, и есть та самая жизненная сила, которая с незапамятных времен волнует философов. В середине XIX в. физика сформулировала закон сохранения энергии, согласно которому в изолированной системе энергия сохраняется; в результате тех или иных процессов она может преобразовываться в иные формы, но ее количество всегда будет постоянным.

Однако живые организмы представляют собой незамкнутые системы. Каждая живая клетка хорошо об этом «знает» уже сотни миллионов лет и непрерывно пополняет свои энергетические запасы.

За год растения суши и океана манипулируют колоссальными количествами вещества и энергии: они усваивают 1,5 × 10¹¹ т углекислого газа, разлагают 1,2 × 10

11 т воды, выделяют 2 × 10¹¹ т свободного кислорода и запасают 6 × 10²⁰ калорий энергии Солнца в виде химической энергии продуктов фотосинтеза. Многие организмы, такие как животные, грибы и большинство бактерий, не способны к фотосинтезу: их жизнедеятельность целиком и полностью зависит от органического вещества и кислорода, которые продуцируются растениями. А потому можно смело утверждать, что в целом биосфера существует за счет солнечной энергии, и античные мудрецы нисколько не ошибались, провозглашая, что солнце — основа жизни.

Исключение из гелиоцентрического взгляда на глобальный поток энергии представляют некоторые виды бактерий, которые живут за счет неорганических процессов, таких как восстановление двуокиси углерода до метана или окисления сульфида водорода.

Некоторые из этих «хемолитотрофных» существ хорошо исследованы (например, метаногенные бактерии, живущие в желудке коров), но огромное их количество неизвестно даже специалистам-микробиологам. Большинство хемолитотрофов облюбовали на редкость неуютные среды обитания, которые очень трудно исследовать — лишенные кислорода, слишком кислые или слишком горячие. Многие из таких организмов не удается вырастить в чистой культуре. До недавнего времени хемолитотрофов было принято расценивать как некую экзотику, интересную с биохимической точки зрения, но мало значимую для энергетического бюджета планеты. В перспективе такая позиция может оказаться ошибочной по двум причинам. Во-первых, бактерии все чаще обнаруживаются в местах, прежде считавшихся стерильными: в исключительно глубоких и раскаленных скальных породах земной коры. В наше время выявлено такое количество мест обитания организмов, способных извлекать энергию из геохимических процессов, что их население, может статься, составляет существенную долю общей биомассы планеты.

Во-вторых, есть основания полагать, что самые первые живые существа зависели от неорганических источников энергии. Если эти предположения оправдаются, наши взгляды как на глобальный поток энергии, так и на его связь с происхождением жизни могут существенно измениться.

Источники энергии для организмов

Главнейшим источником энергии, определяющим тепловой баланс и термический режим биосферы Земли, является лучистая энергия Солнца.

Солнце освещает и обогревает Землю, поставляя энергию, которую зеленые растения используют для синтеза соединений, обеспечивающих их жизнедеятельность и потребляемых в пищу практически всеми остальными организмами. Кроме того, солнечная энергия поддерживает круговорот важнейших химических веществ и является движущей силой климатических и метеорологических систем, перераспределяющих тепло и влагу на земной поверхности.

Энергия Солнца излучается в космос в виде спектра ультрафиолетового, видимого светового и инфракрасного излучения и других форм лучистой или электромагнитной энергии.

Поверхности Земли достигают в основном ближнее ультрафиолетовое излучение, видимый свет и ближнее инфракрасное излучение. Около 34% лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли, сразу же отражается назад в космос облаками, пылью и другими веществами, находящимися в атмосфере, а также собственно поверхностью Земли. Подавляющая часть из остающихся 66% идет на нагревание атмосферы и суши, испарение и круговорот воды, преобразуется в энергию ветров. И лишь незначительная доля этой энергии (0,5%) улавливается зелеными растениями и используется в процессе фотосинтеза для образования органических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности организмов.

Основная доля вредного ионизирующего излучения Солнца. Особенно ультрафиолетовой радиации, поглощается молекулами озона (О3) в верхней части атмосферы (стратосфере) и водяным паром в нижней части атмосферы. Без этого экранирующего эффекта большинство современных форм жизни на Земле не могло бы существовать.

Таким образом, все живое на Земле существует за счёт незагрязняющей среду и практически вечной солнечной энергии, количество которой относительно постоянно и избыточно.

Растения используют всего лишь 0,5 % солнечного света, достигающего Земли. Даже если бы люди существовали исключительно за счет солнечной энергии, они бы использовали еще меньшую часть ее. Таким образом, поступающей на Землю солнечной энергии вполне достаточно для удовлетворения любых мыслимых потребностей человечества. Поскольку вся солнечная энергия в конечном счете превращается в тепло, увеличение ее использования для хозяйственных нужд не должно повлиять на динамику биосферы. Солнечная энергия – абсолютно чистая энергия, имеющаяся в неисчерпаемом объеме и по неизменной цене (бесплатно). На ее поступление не влияют политическое эмбарго и экономические трудности. В то же время, она слишком рассеяна: чтобы она служила человечеству, ее надо сконцентрировать,  и это препятствие вполне преодолимо.

Говоря об энергии, следует иметь в виду, что энергия – это способность производить работу или теплообмен между двумя объектами, обладающими разной температурой. Энергия различается по качеству или способности совершать полезную работу. Качество энергии – это мера ее эффективности. Энергия высокого качества характеризуется большой степенью упорядоченности, или концентрации, а значит, высокой способностью производить полезную работу. В качестве примеров носителей таких форм энергии можно привести электричество, каменный уголь, бензин, концентрированную солнечную энергию, а также высокотемпературное тепло и др. Энергии низкого качества  свойственны неупорядоченность и малая способность производить полезную работу. Пример носителя такой энергии – низкотемпературное тепло в воздухе вокруг нас, в реке, озере, океане. Например, общее количество тепла в Атлантическом океане значительно превышает количество энергии высокого качества в нефтяных скважинах Саудовской Аравии. Но тепло настолько рассеяно в океане, что мы не в состоянии его использовать.

Говоря об энергии, следует напомнить о двух законах природы, которым энергия подчиняется.

Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии): энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной форму в другую. Закон подразумевает, что в результате превращений энергии никогда нельзя получить её больше, чем затрачено: выход энергии всегда равен её затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нужно платить.

Второй закон термодинамики: при любых превращениях энергии часть её теряется в виде тепла. Это низкотемпературное тепло обычно рассеивается в окружающей среде и неспособно выполнять полезную работу.

При сгорании бензина высококачественной химической энергии в двигателе автомобиля в механическую и электрическую энергию превращается около 1%, остальные 99% в виде бесполезного тепла рассеиваются в окружающей среде и, в конечном счете, теряются в космическом пространстве. В лампе накаливания 5% электрической энергии превращается в полезное световое излучение, а 95% в виде тепла рассеивается в окружающей среде. Согласно первому закону термодинамики, энергия никогда не истощится, поскольку она не может ни возникать, ни исчезать. Но согласно второму закону термодинамики, общее количество концентрированной высококачественной энергии, которую мы можем получить из всех источников, постоянно сокращается, превращаясь в низкокачественную энергию. Мы не только не можем получить нечто из ничего, мы не в состоянии нарушить выравнивание качества энергии.

Большая часть неотражённой земной поверхностью солнечной радиации, в соответствии со вторым законом термодинамики, преобразуется в низкотемпературную тепловую энергию (излучение «дальнего» ИК диапазона) и излучается обратно в космическое пространство; количество энергии, возвращающейся в космос в виде тепла, зависит от наличия в атмосфере молекул воды, диоксида углерода, метана, оксида азота, озона и некоторых форм твердых частиц. Эти вещества, действуя наподобие избирательного фильтра, позволяют некоторым высококачественным формам лучистой энергии Солнца пройти сквозь атмосферу к земной поверхности и в то же время задерживают и поглощают (и повторно излучают назад) часть возникающего потока низкокачественного теплового излучения Земли.

Одной из важнейших характеристик состояния термодинамической системы является энтропия (превращение – <греч. >) — отношение количества теплоты, введённого в систему или отведённого от неё, к термодинамической температуре: dS = dQ/T. Можно утверждать, что энтропия характеризует количество энергии в системе, недоступной для совершения работы, т. е. недоступной для использования. Система обладает низкой энтропией, если в ней происходит непрерывное рассеяние упорядоченной энергии и превращение её в другой, менее упорядоченный вид, например, превращение энергии света или пищи в тепловую энергию. Поэтому часто энтропию определяют как меру неупорядоченности системы. Важнейшей особенностью организмов является их способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. состояние с низкой энтропией.

Любое нагретое тело, в том числе и живое, будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой окружающей среды. В конечном счёте энергия любого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия, и любые энергетические процессы становятся невозможными, т. е. система приходит в состояние максимальной энтропии или минимальной упорядоченности.

Для того чтобы энтропия организма не возрастала в результате непрерывного рассеяния энергии путём её превращения из форм с высокой степенью упорядоченности (например, химической энергии пищи) в тепловую форму с минимальной степенью упорядоченности, организм должен непрерывно накапливать упорядоченную энергию извне, т. е. как бы извлекать извне «упорядоченность» или отрицательную энтропию.

Живые организмы извлекают отрицательную энтропию из пищи, используя упорядоченность ее химической энергии. Для того чтобы экологические системы и биосфера в целом имели возможность извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию, необходима энергетическая дотация, которая в действительности и получается в виде даровой солнечной энергии. Растения в процессе автотрофного питания – фотосинтеза создают органическое вещество с повышенным уровнем упорядоченности его химических связей, что и обусловливает уменьшение энтропии. Травоядные животные поедают растения, которых, в свою очередь, поедают хищники и т. д.

Таким образом, жизнь можно рассматривать как процесс непрерывного извлечения некоторой физической системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеяния этой энергии при передаче её от одного звена к другому.

Обеспечивая низкий уровень энтропии, организмы препятствуют стремлению системы к термодинамическому равновесию и тем самым поддерживают свою жизнь.

В состояние термодинамического равновесия организм или экосистема может перейти лишь в случае их гибели, когда прерывается упорядоченный поток энергии.

Воздействие хозяйственной деятельностью человека на окружающую среду в конечном итоге сводится к повышению неупорядоченности (повышению энтропии) экосистем. И если такое повышение энтропии превысит некоторый уровень, который экосистема не способна компенсировать, то, очевидно, становится неизбежной необратимая деградация данной экосистемы.

Рекомендуем прочитать:

ru/ekologiya/»>Конспект по экологии

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 HCO

2^–, 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.

3. Потоки вещества и энергии в экосистеме

В экосистемах происходит непрерывный обмен энергией и веществом между живой и неживой природой. Энергия и вещество постоянно необходимы живым организмам, и они черпают их из окружающей неживой природы.

 

Вещества и энергия в сообществах передаются по пищевым цепям. Количества вещества и энергии, проходящие через живые организмы, чрезвычайно велики.

Пример:

полевая мышь способна за свою жизнь съесть десятки килограммов зерна; рост растений сопровождается огромным потреблением воды и т. д.

Обрати внимание!

Энергия не может передаваться по замкнутому кругу.

Она доступна живым организмам в форме солнечной радиации, которая может быть связана в процессе фотосинтеза. Расходуясь затем в виде химической энергии, она теряется, превращаясь в тепло.

Необходимые для жизни элементы и растворённые соли условно называют питательными веществами, или биогенными (дающими жизнь) элементами.

Пример:

к биогенным элементам относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов (макроэлементы): углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера. А также элементы и их соединения, необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах (микроэлементы): железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт.

Совершенно ясно, что если бы живые организмы безвозвратно заимствовали все необходимые им питательные вещества из неживой природы, ничего при этом не возвращая обратно, запасы питательных веществ на Земле иссякли бы, и жизнь прекратилась. Этого не происходит, потому что питательные вещества постоянно возвращаются в окружающую среду в результате жизнедеятельности самих организмов.

 

Обрати внимание!

Биогенные вещества могут передаваться по замкнутым циклам, многократно циркулируя между организмами и окружающей средой. Это явление получило название круговорота веществ.

Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в разделе о биосфере.

 

Разные виды организмов в сообществе оказываются тесно связанными друг с другом, взаимозависимыми друг от друга.

Передаваясь по цепям питания, и вещество, и энергия претерпевают ряд превращений.

 

Часть вещества может использоваться как материал для строительства тел организмов, питающихся растениями (которые в свою очередь поставляют такой же «строительный материал» хищникам). Вследствие отмирания организмов всё биологическое вещество в конечном счёте достаётся микроорганизмам-редуцентам, участвующим в превращении сложных органических соединений в простые, которые вновь используются растениями. Таким образом, возникает устойчивый круговорот веществ, решающую роль в котором играют живые организмы.

 

Запасы биогенных элементов непостоянны. Процесс связывания некоторой их части в виде живой биомассы снижает количество, остающееся в среде экосистемы. И если бы растения и другие организмы в конечном счёте не разлагались бы, запас биогенных элементов исчерпался бы, и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофов и, в первую очередь, организмов, функционирующих в детритных цепях, — решающий фактор сохранения круговорота биогенных элементов и, следовательно, жизни на нашей планете.

Источники:

Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.

http://school-collection.edu.ru

Организмы использующие энергию солнечного света, углекислый газ и воду

Солнечная энергия и её влияние на живые организмы

Солнечная энергия распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн (световая и тепловая энергии). Для организмов важными являются длина волны, его интенсивность и продолжительность воздействия.

Свет – первичный источник энергии, без которого невозможна жизнь на Земле. Около 99 % всё энергии солнечной радиации составляют лучи с длиной волны (170-4000 нм), в том числе 48 % приходится на видимую часть спектра (390…. 760 нм), 45 % — на близкую инфракрасную (760…. 4000 нм) и около 7 % — на ультрафиолетовую (< 400 нм).

Преимущественное значение для фотосинтеза имеют лучи с = 380 … 710 нм. Длинноволновая (дальняя инфракрасная) солнечная радиация (> 4000 нм) незначительно влияет на процессы жизнедеятельности организмов. Ультрафиолетовые лучи с длиной 320 нм в малых дозах необходимы животным и человеку, так как под их действием в организме образуется витамин Д.

При прохождении через атмосферный воздух солнечный свет отражается, рассеивается и поглощается. Чистый снег отражает примерно 80 – 95 % солнечного света, загрязнённый – 40 – 50 %, черноземная почва – до 5 %, сухая светлая почва – 35 – 45 %, хвойные леса – 10 – 15 %.

Важное значение для растений имеет интенсивность освещения. По отношению к освещенности они подразделяются на светолюбивые (гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые (факультативные гелиофиты). Первые не выносят тени, вторые – яркого солнечного света, теневыносливые имеют широкий диапазон толерантности к свету. К гелиофитам относятся мать-и-мачеха, одуванчик, верблюжья колючка, нивяник обыкновенный, берёза бородавчатая, сосна обыкновенная и др.

Факультативные гелиофиты – культурные растения (пшеница, рожь, ячмень, кукуруза и т. д.) и большинство видов лесной зоны (спирея обыкновенная, герань обыкновенная и др.), многие комнатные растения тропического происхождения (седум, сальвиния и др.). Сциофитами являются ландыш майский, недотрога, папоротник-орляк, герань лесная и др.

Свет играет большую и разнообразную роль в различных жизненных процессах у животных, что определяется его физическими свойствами. Биологическое действие радиации (ионизирующее излучение) осуществляется на субклеточном уровне (ядра, митохондрии, микросомы). При небольших дозах повреждающий эффект может сменяться стимулирующим. Ионизирующая радиация при действии н7а генетический аппарат вызывает мутационные изменения.

Ультрафиолетовая радиация обладает канцерогенным (вызывает опухоли) действием, а также инактивируют в коже клетки Лангерганса, отвечающие за её иммунитет, активируют некоторые микробы. Однако, лучи от 300 нм стимулируют процессы клеточного синтеза (например, повышается продуктивность молодняка сельскохозяйственных животных при их облучении). Под действием этих лучей в организме синтезируется витамин Д, регулирующий обмен Са и Р, а соответственно нормальный рост и развитие скелета (например, «солнечное купание» свойственно многим птицам, лисам и барсукам).

Видимая часть спектра важна для животных, так как это связано с ориентированием в окружающей среде.. Многие ночные виды ориентируются с участием органов зрения, так как абсолютная темнота в сфере обитания животных встречается редко. Ослабление интенсивности света вызывает адаптивные перестройки органов зрения (совы, козодои, некоторые ночные млекопитающие). Обитание в условиях полной темноты, как правило, связано с редукцией органов зрения (виды, обитающие в пещерах и многие почвенные организмы).

В океане интенсивность освещения падает с глубиной. У рыб, обитающих на мелководье, где спектральный состав света мало отличается от суши, имеется в сетчатке большой процент колбочек, чувствительных к красному цвету. Среди глубоководных рыб большинство имеют в сетчатке лишь один тип палочек, чувствительных к синему свету. Дальнейшее увеличение глубины связано у одних видов с редукцией органов зрения, а у других – с развитием гипертрофированных глаз, воспринимающих очень слабый свет.

Последнее в значительной степени определяется наличием на больших глубинах светящихся организмов, способных иногда создавать освещение порядка 10 -2 мкВт/см2, что выше порога световой чувствительности животных. Биологическое свечение используют многие рыбы, образуя симбиотические связи со светящимися микроорганизмами.

Освещённость земной поверхности существенно колеблется в зависимости от времени года и суток, географической широты, экспозиции склона, состояния атмосферы и т.п.

Свет имеет большое сигнальное значение и вызывает регулярные адаптации организмов. Вследствие вращения Земли периодически чередуются светлое и тёмное время суток. Цветение, прорастание семян у растений, миграция, зимняя спячка, размножение животных в природе связаны с длительностью фотопериода (длиной дня).

Фотопериод – это некое «реле времени«, включающее последовательность физиологических процессов в организме. Необходимость в свете для растений обуславливает быстрый рост в высоту, ярусную структуру леса. Водные растения распространяются преимущественно в поверхностных слоях водоёмов.

Развитие живой природы по сезонам года проходит в соответствии с биоклиматическим законом, который носит имя Хопкинса: сроки наступления различных сезонных явлений (фенодат) зависят от широты, долготы местности и её высоты над уровнем моря. Значит, чем севернее, восточнее и выше местность, тем позже наступает весна и раньше осень. Для Европы на каждом градусе широты сроки сезонных событий наступают через три дня.

Температура также связана с солнечным излучением. Она служит важнейшим из ограничивающих (лимитирующих) факторов. Пределами толерантности для любого вида являются максимальная и минимальная летальные температуры, за пределами которых вид смертельно поражают жара или холод. При температуре ниже точки замерзания живая клетка физически повреждается образующимися кристаллами льда и гибнет, а при высоких температурах происходит денатурация (изменение естественных свойств белков) ферментов. Абсолютное большинство растений и животных не выдерживает отрицательных температур тела. Верхний температурный предел жизни редко поднимается выше 40-45 о С.

В диапазоне между крайними границами скорость ферментативных реакций (следовательно, и интенсивность обмена веществ) удваивается с повышением температуры на каждые 10 0 С.

Закон биологической стойкости (по М. Ламмоту), применимый к любому из важнейших лимитирующих факторов, гласит: величина «оптимального интервала» характеризует величину «стойкости» организма, т. е. его величину толерантности к этому фактору, или «экологическую валентность».

Организмы, способные контролировать (поддерживать) температуру тела, называют гомойотермными — теплокровными (от греч. homoios – подобный, therme – теплота): рыбы, земноводные, пресмыкающиеся, насекомые и др.

Гомойотермные организмы – холоднокровные(от греч. poiklos – различный, переменчивый, разнообразный), зависят от температуры окружающей среды: млекопитающие и птицы.

Не меньшее значение температура играет в жизни растений. При повышении температуры на 10 0 С интенсивность фотосинтеза увеличивается в два раза, но лишь до + 30 – 35 0 С, затем его интенсивность падает и при + 40 0 С – 45 0 С фотосинтез прекращается. При 50 0 С большинство наземных растений погибают.

Температура также зависит от географической широты, сезона, времени суток и экспозиции склона. Изменение температуры по мере подъёма в воздушную среду или погружения в водную среду называется температурной стратификацией.

Растения и животные способны приспосабливаться (адаптироваться) к параметрам интенсивности света. Приспособления наземных растений направлены на улавливание и поглощение световой энергии.

К первой группе адаптаций следует отнести увеличение площади фотосинтетической поверхности, например явление листовой мозаики, когда листья не перекрывают друг друга (у липы, клёна и др. ). У травянистых растений верхние листья располагаются почти вертикально, нижние, более затенённые, — под небольшим углом к горизонтали, а средние — занимают промежуточное положение (например у злаков в посевах и на лугах). Важно в экологическом отношении понятие «индекс листовой поверхности» или ИЛП.

Известно, что ИЛП соснового леса примерно 7-10 (т.е. на 1 га леса приходится 7-10 га листовой поверхности. Однако, увеличение площади листьев (выгодное по отношению к световому фактору) одновременно означает увеличение транспирации. В связи, с чем при недостатке водоснабжения растения не увеличивают площадь листьев. К тому же, сильное загущение насаждений, вызывает их затенение, что в свою очередь снижает суммарный фотосинтез и способствует усилению конкурентных отношений между растениями. Следствием затенения является недоразвитие механической ткани в стебле, это может привести к полеганию растений. Следовательно, повышение продуктивности за счёт увеличения листовой поверхности имеет определённый предел.

ИЛП культурных растений и естественных фитоценозов составляет всего 5-6, т.е. поверхность почвы в фитоценозе затенена 5-6 слоями листьев. Видимо, такая листовая поверхность является оптимальной для большинства фитоценозов, и их продуктивность при этом максимальна.

Второй группой приспособлений к улавливанию света служит увеличение общей поверхности самих хлоропластов , которым свойственен фототаксис (перемещение к источнику света или от него). Если интенсивность света высока, то хлоропласты переходят на боковые стенки и «подставляют» лучам свои боковые грани. Приспособлением для улавливания света служит изменение концентрации хлорофилла в листьях. Известно, что в ясные дни она снижается. Количество хлорофилла в листьях соответствует оптимальной для данного вида напряжённости света.

Если изменяется эта величина, то количество пигментов падает (и при увеличении и при уменьшении интенсивности света). Минимальное количество хлорофилла у световых растений отмечается при полном дневном освещении. При повышении температуры разрушение хлорофилла идёт быстрее, чем его образование, и рост растения снижается, поэтому при ярком свете и высокой температуре растения стараются избегать перегрева, для чего поворачивают листовую пластинку ребром к солнечным лучам.

Третья группа приспособлений относится к способу поглощения радиации листом. Лучи, отраженные от листа или прошедшие через него, сильно обеднены фотохимически активной радиацией (ФАР). ФАР совпадает с диапазоном видимой части спектра (400 – 700 нм). Некоторые бактерии, имеющие бактериохлорофиллы, способны поглощать свет в длинноволновой части спектра (в области 800 – 1000 нм). Зелёный лист поглощает в среднем 75 % падающей на него лучистой энергии.

Однако коэффициент использования её на фотосинтез составляет около 10 % при низкой освещённости и лишь 1-2 % — при высокой. Остальная энергия переходит в тепловую, которая затрачивается на транспирацию и другие процессы. Фотосинтез зависит от температуры. Минимальная температура, при которой возможен фотосинтез, видоспецифична и отражает приспособленность вида к температурным условиям среды. У многих видов она совпадает с температурой замерзания тканевых жидкостей (-1 0 С, -2 0 С), но у наиболее холодолюбивых форм опускается до -5… -7 0 С.

Максимальная температура фотосинтеза в среднем на 10 -12 0 С ниже точки тепловой смерти. Температурный максимум фотосинтеза выше у южных растений. Оптимальной температурной зоной для фотосинтеза принято считать тепловые условия, при которых фотосинтез достигает 90 % своей максимальной величины; эта зона зависит от освещённости: повышается при её увеличении и снижается в условиях затенения. При низкой освещенности фотосинтез идёт активнее при более низких температурах, а при высокой (более 3000 лк) интенсивность этого процесса увеличивается с повышением температуры.

Освещенность также влияет на процесс фотосинтеза и характеризуется кривой насыщения: вначале с повышением освещённости кривая потребления СО идёт вверх, затем – по достижении определённого порога освещённости – нарастание фотосинтеза снижается, кривая приобретает форму гиперболы. Прослеживаются закономерности экологического плана: у тенелюбивых растений насыщение наступает при меньшей освещённости, чем у светолюбивых. Минимальное освещение, при котором поглощение диоксида углерода для фотосинтеза равно выделению его при дыхании, называют точкой компенсации; у светолюбов она располагается выше, чем у тенелюбов. Положение этой точки зависит от концентрации СО2 и от температуры.

Источники углерода

Организмы, живущие за счет неорганического источника углерода (двуокиси углерода), называют автотрофными (автотрофами) (греч. autos — сам), а организмы, использующие органический источник углерода, — гетеротрофными (гетеротрофами) (греч. heteros — другой). В отличие от гетеротрофов автотрофы удовлетворяют все свои потребности в органических веществах, синтезируя их из простых неорганических соединений.

В табл. 9.1 представлены обе эти классификации — по источнику энергии и по источнику углерода.

Хорошо видны их взаимоотношения. Кроме того, выявляется еще один очень важный принцип, а именно то, что хемотрофные организмы целиком зависят от фототрофных, которые поставляют им энергию, а гетеротрофные организмы полностью зависят от автотрофов, снабжающих их соединениями углерода.

Таблица 9.1. Классификация живых организмов в соответствии с основным источником углерода и энергии*

Самые важные группы — фотоавтотрофы (к которым относятся все зеленые растения) и хемогетеротрофы (все животные и грибы).

Если на время пренебречь некоторыми бактериями, положение еще более упростится, и можно будет сказать, что гетеротрофные организмы в конечном счете зависят от зеленых растений, доставляющих им энергию и углерод. Иногда фотоавтотрофные организмы называют голофитными (греч. holos — целый, полный, phyton — растение).

9.1. Дайте определение, что такое фотоавтотрофное питание и хемогетеротрофное питание.

Игнорируя пока две меньшие группы (см. табл. 9.1), мы должны, однако, сразу же отметить, что жизнедеятельность хемосинтезирующих организмов тоже имеет очень важное значение.

Несколько организмов нельзя всецело отнести к какой-то одной из четырех групп. Так, например, Euglena обычно ведет себя как автотроф, но некоторые виды могут жить как гетеротрофы и в темноте, если имеется источник органического углерода.

Взаимоотношения между двумя главными категориями еще лучше представлены на рис. 9.1; здесь показано также, каким образом потоки энергии и углерода включаются в общий круговорот между живыми организмами и средой. Эти вопросы имеют важное значение для экологии.

Рис. 9.1. Поток энергии (белые стрелки) и круговорот углерода (закрашенные стрелки) у фотоавтотрофов и хемогетеротрофов и сбалансированность фотосинтеза и дыхания. Световая энергия превращается в химическую в процессе фотосинтеза; химическая энергия используется для синтеза органических соединений из неорганических компонентов. Органические соединения служат источником углерода и энергии для хемогетеротрофов: углерод и энергия вновь высвобождаются в процессе дыхания (этот процесс идет и у растений).

Всякое превращение сопровождается некоторой потерей энергии в виде тепла

Углерод высвобождается в процессе дыхания в виде СО2, а СО2 затем снова превращается в процессе фотосинтеза в органические соединения. Более подробно круговорот углерода представлен на рис. 9.2, где показана и та роль, которую играют в этом процессе хемосинтезирующие организмы.

Рис. 9.2. Круговорот углерода. Жирными стрелками показан преобладающий путь (из двух возможных). По некоторым приблизительным оценкам действительное количество углерода составляет: В океане: (в основном в составе фитопланктона): 40·1012 кг углерода в год фиксируется в процессе фотосинтеза в виде СО2.

Большая часть его затем высвобождается при дыхании. На суше: 35·1012 кг углерода в год фиксируется при фотосинтезе в виде СО2; 10·1012 кг углерода в год выделяется при дыхании растений и животных; 25·1012 кг углерода в год выделяется при дыхании редуцентов; 5·1012 кг углерода в год высвобождается при сжигании ископаемого топлива; этого количества вполне достаточно для постепенного увеличения концентрации двуокиси углерода в атмосфере и в океанах

Обеспечение клеток энергией

Любой живой организм, как и отдельная клетка, является открытой системой, т. е. обменивающейся с окружающей средой веществом и энергией. Всю совокупность ферментативных реакций обмена веществ, протекающих в организме, называют метаболизмом (от греч. «метаболе» — превращение).

Метаболизм состоит из взаимосвязанных реакций ассимиляции — синтеза высокомолекулярных соединений (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов) и диссимиляции — расщепления и окисления органических веществ, идущих с превращением энергии.

Ассимиляция, называемая также пластическим обменом, невозможна без энергии, выделяющейся в результате диссимиляции (энергетического обмена). Диссимиляция, в свою очередь, не идет без ферментов, образующихся в результате пластического обмена.

Любое проявление жизнедеятельности (поглощение воды и растворенных в ней неорганических соединений, синтез органических веществ, расщепление полимеров на мономеры, генерация тепла, движение и др.) нуждается в затрате энергии.

Основным источником энергии для всех живых существ, которые населяют нашу планету, служит энергия солнечного света. Однако непосредственно ее используют только клетки зеленых растений, одноклеточных водорослей, зеленых и пурпурных бактерий. Эти клетки за счет энергии солнечного света способны синтезировать органические вещества — углеводы, жиры, белки, нуклеиновые кислоты.

Биосинтез, происходящий при использовании световой энергии, называют фотосинтезом. Организмы, способные к фотосинтезу, называют фотоавтотрофными.

Исходными веществами для фотосинтеза служат вода, углекислый газ атмосферы Земли, а также неорганические соли азота, фосфора, серы из водоемов и почвы.

Источником азота являются также молекулы атмосферного азота (N2), которые усваиваются бактериями, живущими в почве и в корневых клубеньках главным образом бобовых растений. Газообразный азот переходит при этом в состав молекулы аммиака — Nh4, который впоследствии используется для синтеза аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и иных азотсодержащих соединений.

Клубеньковые бактерии и бобовые растения нужны друг другу. Совместное взаимовыгодное существование разных видов организмов называют симбиозом.

К синтезу органических веществ из неорганических, кроме фото-автотрофов, способны и некоторые бактерии (водородные, нитрифицирующие, серобактерии и др.).

Они осуществляют этот синтез за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Их называют хемоавтотрофами. Процесс хемосинтеза был открыт в 1887 г. русским микробиологом С. Н. Виноградским.

Все живые существа нашей планеты, неспособные синтезировать органические вещества из неорганических соединений, называют ге-теротрофами.

Все животные и человек живут за счет запасенной растениями энергии Солнца, превращенной в энергию химических связей вновь синтезированных органических соединений.

Следует отметить, что и фотосинтезирующие и хемосинтезирующие организмы также способны получать энергию благодаря окислению органических веществ.

Однако гетеротрофы получают эти вещества извне готовыми, а автотрофы синтезируют их из неорганических соединений.

Фотосинтезирующие клетки, поглощая углекислый газ из атмосферы, выделяют в нее кислород. До появления на нашей планете фотосинтезирующих клеток атмосфера Земли была лишена кислорода. С появлением фотосинтезирующих организмов постепенное наполнение атмосферы кислородом привело к возникновению клеток с энергетическим аппаратом нового типа.

Это были клетки, производящие энергию за счет окисления готовых органических соединений, главным образом углеводов и жиров, при участии атмосферного кислорода в качестве окислителя. При окислении органических соединений высвобождается энергия.

В результате насыщения атмосферы кислородом возникли аэробные клетки, способные использовать кислород для получения энергии.

Фотосинтез. Преобразование энергии света в энергию химических связей

Первые клетки, способные использовать энергию солнечного света, появились на Земле примерно 4 млрд лет тому назад в архейскую эру. Это были цианобактерии (от греч. «цианос» — синий).

Их окаменелые остатки были найдены в слоях сланцев, относящихся к этому периоду в истории Земли. Потребовалось еще около 1,5 млрд лет для насыщения атмосферы Земли кислородом и возникновения аэробных клеток.

Очевидно, что роль растений и иных фотосинтезирующих организмов в развитии и поддержании жизни на нашей планете исключительно велика: они превращают энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений, которая далее используется всеми остальными живыми существами; они насыщают атмосферу Земли кислородом, который служит для окисления органических веществ и извлечения таким способом запасенной в них химической энергии аэробными клетками; наконец, определенные виды растений в симбиозе с азотфиксирующими бактериями вводят газообразный азот атмосферы в состав молекул аммиака, его солей и органических азотсодержащих соединений.

Роль зеленых растений в планетарной жизни трудно переоценить. Сохранение и расширение зеленого покрова Земли имеет решающее значение для всех живых существ, населяющих нашу планету.

Запасание энергии света в биологических «аккумуляторах»

Поток солнечных лучей несет волны света разной длины.

Растения с помощью световых «антенн» (это главным образом молекулы хлорофилла) поглощают волны света красной и синей частей спектра. Волны света зеленой части спектра хлорофилл пропускает не задерживая, и поэтому у растений зеленый цвет.

С помощью энергии света электрон в составе молекулы хлорофилла переносится на более высокий энергетический уровень. Далее этот высокоэнергетический электрон, как по ступенькам, перескакивает по цепи переносчиков электронов, теряя энергию.

Энергия электронов при этом расходуется на «зарядку» своего рода биологических «аккумуляторов». Не углубляясь в химические особенности их строения, скажем, что один из них — аденозинтрифосфорная кислота, которую называют также аденозинтрифосфатом (сокращенно — АТФ). Как уже говорилось в § 6, в АТФ содержатся связанные между собой три остатка фосфорной кислоты, которые присоединены к аденозину.

Схематически АТФ можно описать формулой: аденозин—Ф—Ф~Ф, где Ф — остаток фосфорной кислоты. В химической связи между вторым и третьим концевым фосфатом запасается энергия, которую отдает электрон (такая особая химическая связь изображена волнистой линией). Это происходит в результате того, что при передаче электроном своей энергии к аденозиндифосфату (аденозин—Ф—Ф, АДФ) присоединяется еще один фосфат: АДФ+Ф+Е → АТФ, где Е — энергия электрона, которая запасается в АТФ.

При расщеплении АТФ ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФазой) концевой фосфат отщепляется и освобождается энергия:

В растительной клетке энергия АТФ используется для транспорта воды и солей, для деления клеток, роста и движения (вспомните, как поворачивается вслед за Солнцем головка подсолнуха).

Энергия АТФ необходима для синтеза в растениях молекул глюкозы, крахмала, целлюлозы и иных органических соединений.

Однако для синтеза в растениях органических веществ необходим еще один биологический «аккумулятор», запасающий энергию света. Этот аккумулятор имеет труднопроизносимое длинное название: никотин-амидадениндинуклеотидфосфат (сокращенно — НАДФ, произносится как «над-эф»).

Это соединение существует в восстановленной высокоэнергетической форме: НАДФ-Н (произносится как «над-эф-аш»).

Потерявшая энергию окисленная форма этого соединения представляет собой НАДФ+ (произносится как «над-эф-плюс»).

Теряя один атом водорода и один электрон, НАДФ-Н превращается в НАДФ+ и восстанавливает углекислый газ (при участии молекул воды) до глюкозы С6Н1206; недостающие протоны (Н+) берутся из водной среды.

В упрощенной форме этот процесс можно записать в виде химического уравнения:

Однако при смешивании углекислого газа и воды глюкоза не образуется. Для этого нужна не только восстанавливающая сила НАДФ-Н, но и энергия АТФ и соединение, связывающее С02, которое используется на промежуточных этапах синтеза глюкозы, а также ряд ферментов — биологических катализаторов этого процесса.

Фотолиз воды

Каким образом в ходе фотосинтеза образуется кислород?

Дело в том, что энергия света расходуется также на расщепление молекулы воды — фотолиз. При этом образуются протоны (Н+), электроны (О и свободный кислород:

Электроны, образующиеся при фотолизе, восполняют потери их хлорофиллом (как говорят, заполняют «дырку», возникшую в хлорофилле).

Часть электронов при участии протонов восстанавливает НАДФ+ до НАДФ-Н. Кислород — побочный продукт этой реакции (рис. 19). Как видно из суммарного уравнения синтеза глюкозы, при этом выделяется кислород.

Когда растения используют энергию солнечного света, кислород им не нужен.

Однако в отсутствие солнечного освещения растения становятся аэробами. В ночной темноте они потребляют кислород и окисляют запасенные днем глюкозу, фруктозу, крахмал и другие соединения, уподобляясь в этом животным.

Световая и темновая фазы фотосинтеза

В процессе фотосинтеза различают световую и темновую фазы. При освещении растений энергия света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ-Н. Энергия этих соединений легко освобождается и используется внутри клетки растения для разных целей, в первую очередь для синтеза глюкозы и иных органических соединений.

Поэтому такую начальную стадию фотосинтеза называют световой фазой. Без освещения солнечным или искусственным светом, в спектре которого есть красные и синие лучи, синтез АТФ и НАДФ-Н в клетке растения не происходит. Однако, когда в растительной клетке уже накопились молекулы АТФ и НАДФ-Н, синтез глюкозы может происходить и в темноте, без участия света. Для этих биохимических реакций освещение не нужно, поскольку они уже обеспечены энергией света, запасенной в биологических «аккумуляторах».

Эту стадию фотосинтеза называют темповой фазой.

Рис. 19. Схема фотосинтеза

Все реакции фотосинтеза происходят в хлоропластах — утолщенных овальных или круглых образованиях, расположенных в цитоплазме растительной клетки (кратко о хлоропластах уже говорилось в § 9).

В каждой клетке находится 40—50 хлоропластов. Хлоропласты ограничены снаружи двойной мембраной, а внутри их размещаются тонкие плоские мешочки — тилакоиды, также ограниченные мембранами. В тилакоидах находятся хлорофилл, переносчики электронов и все ферменты, участвующие в световой фазе фотосинтеза, а также АДФ, АТФ, НАДФ+ и НАДФ-Н.

Десятки тилакоидов плотно уложены в стопки, которые называют гранами. Во внутреннем пространстве между гранами — в строме хлоропластов — размещаются ферменты, участвующие в восстановлении С02 до глюкозы за счет энергии продуктов световой фазы фотосинтеза — АТФ и НАДФ-Н.

Следовательно, в строме происходят реакции темновой фазы фотосинтеза, тесно связанные со световой фазой, которая развертывается в тилакоидах. Световая и темновая фазы фотосинтеза схематически изображены на рисунке 19.

Хлоропласты имеют свой собственный генетический аппарат — молекулы ДНК и автономно воспроизводятся внутри клеток. Полагают, что более 1,5 млрд лет назад они были свободными микроорганизмами, которые стали симбионтами клеток растений.

Фотосинтез

Растения хищники

Все растения можно разделить на две большие группы по типу получения питательных веществ – автотрофы и гетеротрофы. Подавляющее большинство существующих на Земле растений относится к автотрофам, которые образуют органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза.

Небольшое количество видов растений принадлежат к группе гетеротрофов, которые получают питательные вещества или за счет организма хозяина (растения-паразиты), или поедая непосредственно насекомых (растения-хищники).

Растения-хищники – это, в основном, многолетние травянистые растения.

Они ловят насекомых, в редких случаях и других небольших животных, используя их в качестве дополнительного источника питания (главную роль играет азотистое питание).

Насекомоядные растения широко распространены по всей Земле. К ним относятся приблизительно 50 видов из шести семейств (росянковые, непентесовые, пузырчатковые, цефалотовые и сарранциевые). В России произрастают 18 видов из четырех родов, которые принадлежат к двум семействам: пузырчатковых (жирянка, пузырчатка) и росянковых (альдрованда, росянка).

Средой обитания насекомоядных растений являются пресные водоемы или заболоченные луга и болота, где наблюдается недостаток азотистых соединений, необходимых для роста растений.

Чтобы восполнить недостаток азота, а также калия, фосфора и других необходимых веществ, растения-хищники прибегают к ловле насекомых с помощью ловчих аппаратов – видоизмененных листьев.

Энергия солнца на Земле

Источник солнечной энергии – Солнце, которое имеет примерный радиус в 695300 км и массы около 2×10³⁰ кг. Температура поверхности Солнца – около 6 000^oС, внутри Солнца – около 40 000 000^oС. В течение года Солнце излучает в космическое пространство около 1,3×10²⁴ Кал.

На верхней границе атмосфера Земли получает инсоляцию, равную 1,39 кВт•/м^—2, или 1,39×10³Дж•м^—2•с^—1. Это так называемая «солнечная постоянная» (e_o), которую примем за 100%. Значение e_o в действительности меняется в течение года: на ±1,5% из-за изменения потока солнечного излучения во времени; на ±4% из-за изменения расстояния между Землей и Солнцем в течение года (рис. 1). Кроме того, солнечное излучение меняется и по годам из-за изменения интенсивности по так называемым многолетним годовым циклам солнечной активности. Из них наиболее известен цикл Вольфа, равный 11 годам (рис. 2). Из сказанного следует, что для получения достаточно доверительных результатов фотоэлектрических расчетов требуется наличие длительных периодов наблюдений за солнечным излучением – не менее 25—50 лет в зависимости от вида расчетов.

---

Рисунок 1. Солнечная постоянная.

Рисунок 2. Цикл Фольфа.

---

Основные газы атмосферы (азот, кислород) почти не поглощают инсоляции, но вот переменные её составные части сильно поглощают именно длинноволновую часть излучения. Особенно хорошо она поглощается и рассеивается водяными парами, меньше — окислами азота и соединениями углерода, пылью и т. д. Большое значение в поглощении имеют углекислый газ и озон. При прохождении через атмосферу 25% тепловых лучей (инсоляции) рассеивается молекулами воздуха, пылью, водяными парами; эту часть называют «диффузным рассеянием». При этом 9% возвращается обратно в космос, т.е. остается так называемая рассеянная радиация неба, или противоизлучение, равное 16%. Далее, 33% от общей солнечной радиации составляет отражение от облаков и тоже уходит в космос. Таким образом, из солнечной постоянной для Земли теряется 42%. Поэтому говорят, что отражение, или альбедо Земли, равно 0,42 (или 42%). Следовательно, в атмосферу проникает только 58% от общего солнечного излучения. 15% общей инсоляции поглощается газами при прохождении через атмосферу, что вызывает частичное нагревание воздушной оболочки. То есть до земной поверхности доходит лишь 43% от общей инсоляции (солнечной постоянной, e_o). Но из этих 43%, как мы уже говорили, 16% составляют рассеянную радиацию неба (или противоизлучение). В итоге из прямого солнечного излучения (солнечной постоянной) до поверхности Земли доходит только 27% (рис. 3, 4).

---

Рисунок 3. Рассеивание солнечной энергии.

Рисунок 4. Пути расходования солнечной энергии на поверхности Земли.

---

На всю поверхность Земли приходится около 0,85—1,2×10¹⁴ кВт или 7,5—10×10¹⁷ кВт×ч/год при среднем удельном поступлении солнечной инсоляции 200—250 Вт/м² или 1752—2190 кВт×ч/м²×год. При этом диапазон удельного прихода солнечной энергии на Землю меняется весьма значительно, как во времени, так и по ее территории: 170—1000 Вт/м² или 17—100×10⁴ Вт×ч/км². Приход всех прочих видов энергии составляет всего 19 кВт/км², что говорит об огромных возможностях солнечной энергии на Земле.

Если принять, что мощность всех видов энергоустановок на Земле составляет сегодня около 10 ТВт или 10×10⁹ кВт, то мощность солнечной энергии превышает современные потребности человечества в тысячи раз.

Основной естественный потребитель солнечной энергии на Земле — зелёные растения (фотоавтотрофы). Пигменты фотоавтотрофов, поглощая кванты солнечных лучей, преобразуют их энергию в энергию разделенных электрических зарядов, что, в конечном счете, приводит к формированию химических связей высокоэнергетических органических соединений. Этот процесс составляет важнейший на Земле фотобиологический процесс — фотосинтез. Помимо того, что в ходе фотосинтеза запасается свободная энергия, процесс этот сопровождается выделением в атмосферу молекулярного кислорода, образующегося при фоторазложении воды. Благодаря фотосинтезу, в атмосфере поддерживается постоянное нужное для животных и человека содержание кислорода. Мир гетеротрофных организмов — преобладающая часть бактерий, животные и человек — потребляют для своей жизнедеятельности свободную энергию, запасаемую фотоавтотрофными организмами, способными осуществлять фотосинтетический процесс.

---

Фотосинтез фотоавтрофных организмов ЕДИНСТВЕННЫЙ источник кислорода на Земле. Кроме того, фотоавтотрофные организмы — НАЧАЛО И ОСНОВАНИЕ пищевой цепи на Земле (рис. 5).

---

Масштабы фотосинтеза на Земле грандиозны. При помощи энергии Солнца и СO₂ атмосферы каждый год фотосинтезирующими организмами Земли создаётся около 2,4•10¹⁰ т органического углерода. Еще выше продуктивность фотоавтотрофов Мирового океана, синтезирующих до 1,55•10¹¹ т углерода в составе органических веществ. Для сравнения укажем, что современный земной расход энергии человеком, который для этой цели использует нефть и каменный уголь, существенно ниже — 3,4•10⁹ т органического углерода (рис. 6).

---

Рисунок 5. Схема пищевой цепи.

Рисунок 6. Продукция органического углерода.

---

За этот же промежуток времени приблизительно такое же количество живого вещества окисляется, превращаясь в CO₂ и H₂O в результате дыхания живых организмов. За последние 150 лет существенное влияние на состав атмосферы оказала хозяйственная деятельность человека (активное использование человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива и вырубка лесов) — концентрация CO₂ в атмосфере значительно повысилась, что создало глобальную проблему в связи с изменением климата. Начиная с 2000 г. скорость прироста CO₂ в атмосфере Земли составляет 1,7% ежегодно.

---

Углекислый газ ядовит для животных и человека. При его концентрации 5—8% появляются признаки раздражения слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей, головная боль, шум в ушах, возбуждение, головокружение, ощущение жара, сердцебиение, одышка, тошнота, учащение и углубление дыхания, повышение артериального давления, понижение температуры тела. Уже при содержании в закрытом помещении 3% углекислого газа и 13,6% кислорода может наступить удушение. Вдыхание высоких концентраций двуокиси углерода вызывает смерть от остановки дыхания.

---

Попадающая на Землю энергия солнечных лучей огромна — 20,9•10²⁰ кДж/мин (5•10²⁰ ккал/мин). Зеленые растения усваивают до 2% энергии солнечных лучей, достигающих земной поверхности. Остальное излучение преобразуется в энергию, которая идет на испарение и нагрев воды, нагрев атмосферы, образование ветров, волн, течений и т. д. Энергия этого излучения такжеи доступна нам, как неисчерпаемый источник альтернативной энергии.

---

---

Опубликовано: 03-11-2015 Просмотров: 10767

от 4 478 USD Сетевая солнечная электростанция для дома и зеленого тарифа, пиковой мощностью 10 кВт. КПД системы: 98%; Годовая выработка: ≈10 547 кВт*ч Годовой доход: ≈2 192 USD Гарантийный …

Опубликовано: 03-11-2015 Просмотров: 1603

от 6 084 USD Сетевая солнечная электростанция для дома и зеленого тарифа, пиковой мощностью 15 кВт. КПД системы: 98%; Годовая выработка: ≈16 500 кВт*ч Годовой доход: ≈3 089 USD Гарантийный …

Опубликовано: 03-11-2015 Просмотров: 2423

от 12 251 USD Сетевая солнечная электростанция для дома и зеленого тарифа, пиковой мощностью 30 кВт. КПД системы: 98%; Годовая выработка: ≈32 000 кВт*ч Годовой доход: ≈5 800 USD Гарантийный …

Опубликовано: 28-10-2015 Просмотров: 3362

от 0,92 USD за 1 Вт

Опубликовано: 04-11-2015 Просмотров: 3193

от 1,17 USD за 1 Вт

Опубликовано: 03-11-2015 Просмотров: 3135

от 1,10 USD за 1 Вт

Опубликовано: 09-11-2018 Просмотров: 963

Опубликовано: 09-11-2018 Просмотров: 979

Опубликовано: 09-11-2018 Просмотров: 1136

Опубликовано: 09-11-2018 Просмотров: 801

Солнечная энергия — Справочник химика 21

    Как известно, из всей солнечной энергии, доходящей до поверхности Земли, энергия, усваиваемая в процессе фотосинтеза всей растительностью земного шара, составляет в среднем только 0,3%. Культурные растения используют солнечную энергию полнее, чем дикие. Используемая ими доля солнечной энергии составляет примерно 0,5—1,5%, а для таких культур, как рис, соевые бобы, сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза и некоторых других, 4— 5% от общего количества солнечной энергии, попадающей на посевы за вегетационный период. Есть основание считать, что полное раскрытие наукой механизма процесса фотосинтеза и овладение управлением им даст возможность повысить коэффициент использования солнечной энергии растениями в два-три раза и более. [c.8]
    При фотосинтезе растения поглощают солнечную энергию и синтезируют из простых молекул большие, богатые энергией молекулы. Энергия солнца переходит в химическую энергию этих молекул. При попадании в организм [c.238]

    Реакции гидролиза, т. е. расщепления органических высокомолекулярных соединений действием воды, имеют большое биологическое и техническое значение. Путем гидролиза происходит распад белковых веществ, крахмала, гликогена, клетчатки, жиров, восков, глюкозидов и тому подобных веществ, причем образуются более простые низкомолекулярные соединения. Реакции гидролиза противоположны по направлению реакциям межмолекулярной дегидратации. В животных и растительных организмах между этими процессами существует биологическое равновесие. В организмах путем дегидратаций происходит образование полисахаридов, белков, жиров и других сложных соединений. Эти эндотермические по своему характеру процессы осуществляются при участии солнечной энергии, которая таким образом вовлекается в биосферу земли. Поэтому сложные химические вещества растений являются как бы аккумуляторами солнечного тепла. [c.534]

    Крахмал-также полимер глюкозы, но с а-связью, показанной на рис. 21-16, б. Крахмал представляет собой стандартную форму, в которой хранится глюкоза, использующаяся в качестве источника пищи в растениях и являющаяся основным источником запасенной солнечной энергии. Крахмал накапливается в стеблях растений, листьях, корнях и семенах. Все организмы обладают ферментами, необходимыми для усвоения крахмала. Первой стадией ферментации независимо от того, происходит она в желудке или в пивном чане, является расщепление крахмала в глюкозу. Если долго подержать во рту хлеб, он в конце концов приобретает сладкий вкус, потому что ферменты нашей слюны могут превращать в сахар содержащийся в хлебе крахмал. [c.312]

    Эти два соединения, хлорофилл и гем, играют важнейшую роль в сложном механизме поглощения солнечной энергии и ее превращении для использования живыми организмами. Мы уже знаем, что характерным свойством комплексов переходных металлов является наличие нескольких близко расположенных -уровней, что позволяет им поглощать свет в видимой области спектра и придает окраску. Порфириновый цикл вокруг иона Mg в молекуле хлорофилла выполняет такую же роль. Хлорофилл в растениях поглощает фотоны видимого света и переходит в возбужденное электронное состояние (рис. 20-22). Эта энергия возбуждения может инициировать цепь химических реакций, приводящих в конце концов к образованию сахаров из диоксида углерода и воды  [c.255]

    Что мы понимаем под словами нефть — это сохраненная солнечная энергия  [c.211]

    И Других звезд. Солнечная энергия (количество которой не уменьшается в течение миллиардов лет) является энергией ядерного синтеза. [c.179]

    Земля получает солнечное излучение интенсивностью 1,07-10 кДж/мин. Каков массовый эквивалент солнечной энергии, падающей на Землю в течение 24-часового периода Если энергию, выделяемую в реакции [c.278]

    Предлагается также вариант нефтяных плантаций . Существует болсе 2000 видов растений семейства молочаев, способных поглощать солнечную энергию и сохранять ее в виде углеводородов, а не углеводов. Можно ли это использовать для получения конкурентоспособных заменителей нефти Будущее покажет.  [c.228]

    На рис. VI. 12 показано, как расходуется солнечная энергия, попадающая в земную атмосферу. Часть падающего излучения никогда не достигает земной поверхности. Она отражается в космос облаками и частицами в атмосфере. Небольшая часть излучения отражается также снегом, песком, бетоном. Такой отражаемый свет позволяет видеть освещенную поверхность Земли из космоса. [c.398]

    Примерно четверть солнечной энергии идет на гидрологический цикл, который, как вы узнали из первой главы, представляет собой непрерывный круговорот воды, входящей в атмосферу и выходящей из нее, испаряющейся и конденсирующейся. [c.398]

    Всякий живой организм, существующий на Земле (а до сих пор нам известны только земные организмы), представляет собой сложное сочетание молекул на углеродной основе, которые приспособлены эволюцией к выживанию и прямому или непрямому использованию солнечной энергии для осуществления самопроизвольно не протекающих реакций и поддержания низкой энтропии внутри организма. Организм живет до тех пор, пока могут поддерживаться такие условия. Когда биологический механизм поддержания этих условий разрушается, индивидуальный организм переходит в состояние с низкой энергией и высокой энтропией, которое принято называть смертью. [c.339]

    При составлении энергетического баланса печного комплекса тепловая энергия, получаемая от преобразования электрической энергии в тепловую, должна входить в статью электрической составляющей, а полученная от прямой солнечной энергии — в свою. [c.139]

    В солнечных печах особую сложность при эксплуатации представляют системы слежения и преобразования солнечной энергии в тепловую и контроль за температурой элементов печной системы. [c.257]

    В природе и технике широко распространены процессы, связанные с превращением энергии в работу и работы в теплоту. Так, на земле работу производят ветер, водопады, реки, солнечная энергия. В технике для производства работы используют тепловые машины, аккумуляторы, солнечные батареи. ПрЬ- [c.85]

    Авария, случившаяся ровно через 5 лет после аварии 1943 г., считается некоторыми исследователями во многом аналогичной предшествующей, поскольку она обусловлена той же причиной, что и предыдущая авария -гидравлическим разрывом. Оба раза гидравлический разрыв происходил в результате нагрева под действием солнечной энергии поверхности переполненной цистерны, которая на этот раз содержала диметиловый эфир. Однако, как будет показано ниже, эта специфика никоим образом не сказалась на развитии событий. [c.315]

    На основе анализов обычных проб, взятых из цистерны, позже обнаруженной среди обломков аварии, в отчете сделан вывод о том, что цистерна была заполнена чистым диметиловым эфиром, следы пероксидов не обнаружены. На основе проведенных анализов также исключается наличие заметного количества несконденсированного газа, имевшегося в паровом облаке. Таким образом, возможны два варианта объяснения причин повреждения цистерны а) цистерна была переполнена, и при ее нагреве под действием солнечной энергии произошел гидравлический разрыв б) разрыв произошел под действием давления пара внутри цистерны, что объясняется дефектом ее конструкции. В итоге исследователи остановились на первом варианте, который в настоящее время считается официальной причиной аварии. [c.317]

    Сушка торфяной крошки производится в полевых условиях с использованием тепла солнечной энергии. Для ускорения сушки [c.159]

    Выдвигаются проекты применения водорода в качестве универсального топлива будущего [2]. Предлагают заменить нефть и природный газ водородом, получаемым из воды с помощью термоядерной и солнечной энергии. [c.6]

    Природные ресурсы делятся на неисчерпаемые и исчерпаемые. Неисчерпаемыми ресурсами называют те физические тела, процессы и явления, количество и качество которых практически не изменяются за время существования человечества. К ним относятся солнечная энергия, планетарные запасы воды, энергия ветра, атмосферный воздух, энергия приливов, тепло земных недр. [c.9]

    Отражением взаимосвязей в биосфере является биогеоценоз, представляющий основное структурное звено биосферы. Биогеоценоз — это однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (животные, растения, микроорганизмы) и косных (почва, солнечная энергия, нижний слой атмос- [c.14]

    Использование других альтернативных источников энергии ограничивается проблемой концентрации энергии (H.H. Семенов). Так, например, все энергетические потребности человечества может удовлетворить всего 0,5% солнечной энергии, падающей на землю. Однако для ее поглощения и утилизации необходимы гелиоустановки общей площадью 130000 км . В связи с этим возникает задача изыскания более технологичных концентрированных видов энергии. Она может быть решена переходом от традиционной схемы выработки электрической энергии через механическую [c.62]

    В настоящее время, когда атомная энергия только начинает применяться, а солнечная энергия еще не используется, основная доля в мировом топливно-энергетическом балансе приходится уголь, нефть и природный газ. Причем уже в 30-х годах XX в. начался спад темпов развития добычи угля и уменьшение его значения в мировом производстве энергии, так как нефтяное топливо стало вытеснять уголь в ведущих отраслях промышленности и прежде всего на теплоэлектростанциях, в железнодорожном транспорте, морском флоте. Переход на нефтяное топливо дал возможность повысить грузоподъемность судов, увеличить радиус их действия и придал нефтяному топливу большое политико-экономичес сое и военное значение. [c.15]

    В природных условиях осуществляется постоянный круговорот воды, сопровождающийся процессами ее очистки. За счет солнечной энергии вода испаряется с поверхности водоемов, переходя в атмосферу, а при конденсации выпадает в виде дождя и снега. Вода выносит огромные массы растворенных веществ в моря и океаны, где происходят сложные химические и биохимические процессы. [c.219]

    Еще более ярким примером асимметрического синтеза является процесс фотосинтеза в растениях, где солнечная энергия превращается в химическую с помощью молекул хлорофилла. В этом многостадийном процессе ахиральный диоксид углерода превращается в конечном счете в о-глюкозу. [c.205]

    Так как испытания должны проводиться в наиболее жестких условиях, характерных для каждого полимера, а интенсивность действия солнечных лучей зависит от угла падения, предусмотрено расположение образцов под углом к горизонту, равным географической широте месторасположения испытательной станции. Определяющее влияние количества солнечной энергии, получаемой образцами за время солнечного сияния, на старение многих полимеров подтверждено результатами многих исследований. [c.128]

    Последнее особенно важно для химико-биологических процессов, протекающих чаще всего за счет солнечной энергии. В промышленности особое значение имеют реакции С, СО и СН4 с кислородом. [c.563]

    Солнечная энергия и энергия, запасаемая в виде биомолекул, — это основные энергетические источники жизни на нашей планете. Использование различных видов згшасенной солнечной энергии, ставшее возможным после открытия явления трения, сыграло основополагающую роль в развитии человеческой цивилиз 1ции. В ходе интервью, вы, вероятно, убедились в том, [c.195]

    Но, с другой стороны, живые организмы являются системами открытыми, поэтому, используя энергию обмена, могут сами заряжаться до более высокого потенциала и с этой точки зрения имеет место противоречие второму началу термодинамики. Так, зеленые растения для повышения энергетического потенциала используют солнечную энергию, а животные — энергию, поступающую с пищей. Таким образом, хотя энтропия самого организма может изменяться в любом направлении, т. е. она может уменьшаться за счет непрерывного поглощения свободной энергии из окружащей среды, энтропия системы организм — среда, взято в целом, несомненно увеличивается. Это дает основание для общего вывода длж живых организмов, как и для тел неживой природы, полностью выполняются законы термодинамики. [c.75]

    На фотохимических процессах основана фотография — воздействие света на светочувствительные материалы. Широко применяются в промышленности цепные реакции фотохлорирования и фотосульфо-хлорирования, имеются промышленные способы фотохимического модифицирования полимерных пленок и волокон. Фотохимия непосредственно связана с одной из важнейших научно-технических проблем — использованием солнечной энергии. Создание искусственных систем, осуществляющих процессы, аналогичные фотосинтезу в растениях, имело бы значение, которое трудно переоценить. [c.202]

    Достижения биогехнологии позволяют в принципе превратить солнечную энергию, запасенную в биомассе растений, в исходное сырье для химической промышленности. Надо еще учесть, что в настоящее время мы находимся в самом начале развития этой области науки и техники. Тем не менее уже имеются примеры успешного использования ферментов (биохимических катализаторов с высокой избирательностью действия) для получения ряда веществ. Сейчас методами биотехнологии в широких масштабах получают шесть важных химических соединений, включая этанол и уксусную кислоту. Они, конечно, сейчас болс е дороги, чем получаемые из нефти. Но со временем цена нефти растет, а биотехнологические способы становятся более конкурентоспособными. Весьма вероятно, в недалеком будущем основой большой химии будут нефть, уголь и биомасса. Конкретный вклад каждого из источников будет опред, 1яться экономической ситуацией в каждой конкретной стране. [c.229]

    Чтобы П0НЯТ1., как формируется климат, важно знать, как солнечная энергия взаимодейспвует с атмосферой Земли. Солнце нагревает поверхность. Нагретая поверх1Ю(ть Земли в свою очередь нагревает воздух над ней. Так как нагретый воздух расширяется, его плотность понижается и он поднимается вверх. Более холодный и плотный воздух опускается. Это движение создает непрерывные потоки воздуха, управляющие погодой. [c.397]

    Ежегодно возрастает потребление солнечной эне)ргии для подогрева воды и домов. В 1988 г. малые гидростанции мощностью менее 10 тыс. кВт произвели энергии в 4 раза больше, чем все атомные С1внции. В среднем на 15й ежегодно растет выпуск оборудования для использования геотермальной, солнечной энергии и энергии ветра. (За последние 15 лет затраты нефти на единицу продукции снизили(ъ в США в 1,5 раза, а в Японии — вдвое. )  [c.12]

    Примерно половина солнечной энергии поглощается, нагревая атмосферу, океаны и континенты. Все тела с температурой выше абсолютного нуля излучают энергию, количество которой зависит от их температуры. Земная поверхность переизлучает большую часть поглощенной энергии, но не на исходной, а на меньшей частоте — в ИК-области спектра. Это возвращаемое излучение играет исключительно важную роль в поддержании баланса энергии на Земле. Его фотоны, обладающие более низкой энергией, чем исходные, легче поглощаются атмосферой и таким образом ее нагревают. [c.398]

    Таким образом, благодаря хлорофиллу при действии солнечного света происходит передача растению солнечной энергии и накопление ее в растительном веществе. Сгорацие углеродистых соединений возвращает в виде тепла освобожденную солнечную энергию, которая и используется для приведения в действие машин, превращающих энергию тепловую в лшханическую. [c.22]

    Теплота вводимая в процесс дополнятельно за счет сжигания топлива, преобразования электрической энергии в тепловую, а также в виде теплоты прямой и солнечной энергии может быть определена по формулам 1) при сжигании топлива [c. 140]

    Авторы цитируемой работы полагают, что авария 1943 г. произошла в результате гидравлического разрыва при нагреве под действием солнечной энергии поверхности цистерны взрыв последовал через 10 — 25 с. В публикации также не указаны источники данной информации. Давенпорт [Davenport,1984] оценивает материальный ущерб от аварии в 53 млн. долл. (по курсу 1983 г.). [c.314]

    Тем не менее маловероятно, чтобы в июньский день в Людвигсхафене температура всего количества содержимого цистерны достигла 40 °С. Цистерна была защищена от прямых солнечных лучей деревянным экраном, поэтому более вероятно предположить, что температура вещества равнялась максимальной температуре воздушного пространства, т. е. максимальной температуре в тени. Необходимо также помнить, что цистерна была ориентирована с севера на юг, что соответствует минимальной площади нагрева под действием солнечной энергии в середине дня. [c.319]

    Перестройка энергетики с переходом на новые источники энергии, т. е. радикальное решение топливно-энергетической проблемы, имеет два наиболее реальных направления 1) широкое развитие ядерной энергетики и 2) резкое увеличение потребления твердого топлива, мощность запасов которого на несколько порядков выше, чем нефти и газа (см. табл. 2). Энергетические установки, использующие гидравлическую энергию, теплоту земных недр, солнечную энергию, энергию ветров, морских приливов, не потребляют ископаемого топлива, но по мощности не могут конку-р1фовать с ядерной энергетикой. Такие установки могут применяться в тех районах, где это экономически целесообразно (например, использование солнечной энергии в Среднеазиатских республиках СССР, в странах Ближнего Востока и т. д.). [c.35]

    Растения поглощают на свету оксид з глерода (IV). Процесс усвоения этого оксида, поды и минеральных солей под действием солнечной энергии с образованием углеводов, белков и жиров называется фотосинтезом. Ежегодно мировая флора потребляет около 10 кг углерода. В то же время углекислый газ непрерывно пополняет атмосферу за счет жизнедеятельности животных и растений, промышленной деятельности человека, процессов разложения органических соединений и вулканической активности. В результате происходит постоянный круговорот углерода в природе. [c.131]

    Известно, что в составе буровых растворов содержится значительное количество компонентов, загрязняющих деятельный почвенный слой. При их попадании в почву происходит разрушение хлорофилла у зеленых растений, за счет че 0 резко снижается поглощение ими солнечной энергии. В результате этого прекращается фотосинтез и уменьшается ппояуктияность ппчпенно-пястчтельного покрова. [c.78]

---

Биохимия Том 3 (1980) — [ c.61 ]

Методы и средства неразрушающего контроля качества (1988) — [ c.168 ]

Водород свойства, получение, хранение, транспортирование, применение (1989) — [ c. 12 , c.26 , c.423 ]

Основы биохимии Т 1,2,3 (1985) — [ c.17 , c.376 ]

Возможности химии сегодня и завтра (1992) — [ c.61 , c.71 ]

Лекции по общему курсу химии (1964) — [ c.0 ]

Биология Том3 Изд3 (2004) — [ c.10 , c.97 , c.108 , c.341 , c.386 , c.387 , c.395 , c.404 ]

Фотосинтез (1983) — [ c. 15 , c.16 ]

Химия окружающей среды (1982) — [ c.0 ]

---

3. Энергия в биологических процессах

Обучение энергии в биологических процессах поддерживается 6 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 двуокиси углерода 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 по-разному соединяются и рекомбинируются.На каждом уровне пищевой цепочки 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 сети 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, исходно испускаемая 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 цепи снижается.(Узнайте больше о передаче энергии в пищевой цепочке. )

Это также указывает на критический фактор в распределении энергии в пище 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 надлежащее питание растущего населения.

Эти идеи также раскрывают происхождение органических веществ, которые впоследствии могут стать ископаемыми видами топлива. Первоначальным источником энергии в ископаемом топливе является солнечный свет, который питает 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).

Помогаем учащимся 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 органических материалов 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,
• расчет доступной энергии 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, популяционная динамика 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 галерей 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 Энергии 1 и 2 этот принцип более конкретен и легче визуализируется.У всех нас есть непосредственный опыт употребления разных видов пищи. Многие из этих концепций, например, как солнечный свет управляет фотосинтезом и пищевыми цепями, обычно преподаются в учебных программах средних и старших классов. Педагоги могут воспользоваться этими возможностями, чтобы связать тему энергетики с этими темами.

Количественный подход может использоваться 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 учеников через последовательность действий, которые подчеркивают воплощенную энергию, необходимую для производства различных видов пищи (средняя школа или колледж начального уровня).

Проект «Образ жизни» призывает студентов 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

Fisheries Unit 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.
• Видеоролик «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 мероприятии есть инструкции по созданию водной биосферы в бутылке, а затем по управлению переменными.
• Пищевые сети обычно преподаются с помощью концептуальных карт, таких как Oceanic Food Web. Связи, похожие на концептуальную карту, 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 белка. Это упражнение можно сочетать 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 вводный колледж высший колледж поиск все классы

Список литературы

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 множество информации и ссылки на ресурсы о создании фермы на территории кампуса, управлении финансами фермы и продолжении бизнеса.

Солнце животворное

Курсы Calspace Изменение климата · Часть первая Изменение климата · Часть вторая Введение в астрономию Введение в программу обучения астрономии 1.0 — Введение 2.0 — Как делается наука 3.0 — Большой взрыв 4.0 — Открытие Галактики 5.0 — Возраст и происхождение Солнечной системы 6.0 — Методы наблюдательной астрономии 7.0 Солнце животворное · 7.1 — Электромагнитный спектр · 7.2 — Структура Солнца. и Nuc. Fusion 8.0 — Планеты Солнечной системы 9.0 — Земля в космосе 10.0 — Поиски внесолнечных планет 11.0 — Современные виды Марса 12.0 — Финал Вселенной Жизнь во Вселенной Глоссарий: изменение климата Глоссарий: Астрономия Глоссарий: Жизнь во Вселенной

Электромагнитный спектр Фальшивое цветное изображение корональных петель, фонтанов извергающегося газа, образовавшихся на поверхности Солнца (любезно предоставлено НАСА) Поскольку Солнце приводит в действие все жизненные процессы на Земле, долгая история жизни на Земле возможна только потому, что у Солнца достаточно энергетических ресурсов, чтобы гореть тысячи миллионов лет. (Фактически, уголь, нефть и газ, которые мы сжигаем таким расточительным образом, представляют собой солнечную энергию, собранную формами жизни за более чем двести миллионов лет.) Энергия, обеспечиваемая Солнцем, должна иметь нужное количество, форму и форма быть полезной для Жизни на Земле. Жизнь не может использовать рентгеновские лучи или радиоволны в качестве источника энергии. Видимый свет — это как раз то, что растения используют для создания растительной материи путем фотосинтеза, мы и многие другие организмы используем его, чтобы видеть. Точно так же количество энергии, доставляемой Солнцем на нашу планету, как раз подходит для работы гидрологического цикла: вода и водяной пар меняются взад и вперед, а небольшое количество льда (2 процента от общего количества воды) собирается около полюса.Таким образом, климат находится между холодным и теплым, сухим и влажным. Солнце излучает световые и тепловые лучи (так называемые инфракрасные, ИК) и немного ультрафиолетового света (УФ). УФ опасно для живых организмов; среди прочего он повреждает глаза, человеческую кожу и листья деревьев. К счастью, только несколько процентов энергии поступает в виде УФ, остальное — половина видимого света, половина (невидимого) ИК. Кроме того, атмосфера поглощает большую часть ультрафиолетового излучения, прежде чем достигнет земли. Озоновый слой в нижних слоях стратосферы (чуть выше самых высоких облаков) особенно важен для защиты живых существ от УФ-излучения. Количество и тип энергии, излучаемой Солнцем, близко соответствует ожидаемой температуре его поверхности (6000 градусов Кельвина). Звезды горячее Солнца имеют более голубоватый оттенок (и излучают относительно большее количество УФ-излучения), а более холодные звезды более красноватые (с большим количеством ИК-излучения). Видимый свет состоит из многих цветов. Мы можем видеть три из них (наш мозг конструирует из этой информации все виды цветовых оттенков). Другие организмы с глазами не обязательно видят мир так, как мы; некоторые не видят цвета, но некоторые могут видеть не только цвет, но и ультрафиолет (многие насекомые). У некоторых есть органы, воспринимающие инфракрасное излучение, для охоты на теплую добычу (змей). Энергия, поступающая от Солнца, должна быть возвращена в космос, чтобы Земля не перегревалась. Фактически, Земля посылает в космос столько же тепла, сколько получает от Солнца (плюс немного больше, соответствующее собственному производству тепла Землей в результате радиоактивного распада). Около 30 процентов приходящей радиации просто отражается. Отражательная способность планеты называется ее «альбедо». У Венеры очень высокое альбедо (поэтому эта планета такая блестящая), а у Земли — промежуточное.Облака и снежные поля особенно хорошо отражают солнечный свет. То, что не отражается (70 процентов), поглощается атмосферой и землей, а затем повторно излучается в космос нагретыми объектами в инфракрасной части спектра (то есть в виде теплового излучения). Как поддерживается этот баланс? Земля нагревается точно до температуры, необходимой для повторного излучения точно нужного количества энергии. Многие древние (и не очень древние) культуры почитали Солнце как бога (Ра у египтян, Гелиос у греков, Митра у персов, Аполлон у римлян, Уицилопочтли у инков).Древняя астрономия возникла из-за необходимости нанести на карту путь Солнца по небу, чтобы знать, когда сеять и собирать урожай, а когда приносить жертвы богам, чтобы урожай был хорошим. Сохраняя часть старой языческой традиции, люди в скандинавских странах празднуют удлинение дней в конце декабря, то есть возвращение Солнца, и максимальную продолжительность дня (когда Солнце находится выше всего над горизонтом). Причина в том, что солнце согревает и делает сельскую местность зеленой, что нигде не ценится так, как в регионах с суровыми зимами. Солнце — одна из 100 миллиардов звезд в галактике, и примерно четверть из них очень похожи на него. Таким образом, недостатка в звездах солнечного типа нет. Однако мы не знаем, у скольких из этих звезд есть планетная система, подобная нашей. Две тысячи пятьсот лет назад философ-компьютерщик Анаксагор утверждал, что Солнце — не бог (который регулирует выработку энергии в соответствии с потребностями человека), а огромный огненный шар (который не особо заботится о людях). Эта идея не понравилась и привела к изгнанию философа после надлежащего испытания за нечестие. Внутреннее строение Солнца. (Предоставлено: UN-ESA)

Влияние солнечного света на животных и растения

Все живые организмы на Земле прямо или косвенно полагаются друг на друга в плане пропитания. Солнечный свет напрямую влияет на выживание растений и животных, поскольку вся жизнь на Земле зависит от получения необходимого количества солнечного света для получения энергии и питания.

Функция Солнца в растениях

••• Александр Тарасов / iStock / Getty Images

Солнце — источник света и энергии для растений.Они получают энергию от солнечного света, углекислого газа из воздуха и воды для производства глюкозы — сахара, который растения хранят для получения энергии. Растения также богаты витамином D, важным питательным веществом для животных, благодаря поглощаемому ими солнечному свету.

Функция Солнца у животных

••• Ануп Шах / Digital Vision / Getty Images

Энергия солнца передается от растений животным, когда животные поедают растения. Животные также получают пользу от воздействия солнца на свое тело, потому что солнечный свет на коже производит витамин D, который важен для формирования крепких костей.Животные также получают витамин D, поедая растения.

Влияние слишком малого или слишком большого количества солнца на растения

••• Fuse / Fuse / Getty Images

Если растение получает слишком мало солнечного света, оно не будет таким зеленым, в нем будет храниться столько же глюкозы или энергии, и оно будет не выжить так долго. Слишком много солнечного света может вызвать испарение воды растения и привести к его гибели.

Влияние слишком малого или слишком большого количества солнца на животных

••• aaron_belford / iStock / Getty Images

Слишком мало солнца на животных может вызвать дефицит витамина D, что приводит к ломкости и слабости костей. Слишком много солнца может вызвать загар или ожог кожи.

Соображения

••• SZE FEI WONG / iStock / Getty Images

Растения мало что могут сделать для обеспечения получения нужного количества солнечного света, поскольку они находятся во власти окружающей среды. Однако люди могут изменить свою окружающую среду, переработав переработку, чтобы использовать меньше ресурсов, защищая окружающую среду от загрязнения путем совместного использования автомобилей и используя более здоровые способы передвижения.

Живым существам для выживания нужен солнечный свет

Солнце является источником всей энергии, тепла и света.Количество солнечного света в местности определяет, какое живое существо может там выжить.

Например, верхняя часть моря или океана получает много солнечного света. Поэтому здесь теплее, чем дно океана, на котором мало света или совсем нет света. Поэтому живые существа, живущие ближе к поверхности, сильно отличаются от живых существ на дне океана.

Живым существам для жизни нужен солнечный свет.

Растения:

Разным растениям для выживания требуется разное количество солнечного света. Например, папоротникам нужно меньше света, а одуванчикам — много прямых солнечных лучей.

Все растения используют солнечный свет для производства пищи (сахаров) в процессе, называемом фотосинтезом. Они хранят пищу в своих листьях, и энергия передается другим животным, которые поедают листья. Когда листья опадают, над почвой работают разлагатели с помощью влаги и тепла от солнца.

Животные:

Солнечный свет жизненно важен для всех животных, хотя разные животные нуждаются в разном количестве солнечного света и по-разному. Например, многие млекопитающие и рептилии, такие как змеи, черепахи и ящерицы, выходят днем, чтобы погреться на солнце, чтобы повысить температуру своего тела и стать активными.В то же время некоторые животные, например летучие мыши, убегают, когда встает солнце, чтобы спастись от жары. Но им тоже нужно солнце. Ты знаешь почему?

Косвенно, многим ночным животным (ночным животным) тоже нужен свет. Когда они выходят ночью, они питаются живыми существами, которые получают энергию от солнца. Вот еще один пример: животные на дне океана зависят от органических веществ (мертвых растений и организмов), которые опускаются на дно с поверхности. Такое органическое вещество содержит энергию, которая была впервые произведена Солнцем.

Количество солнечного света, которому подвергаются живые существа, вызывает миграцию некоторых птиц, а также способствует цветению и опылению. Без этого естественного разнообразия живые существа не смогут нормально функционировать.

Энергия Солнца | manoa.hawaii.edu/sealearning

Это упражнение основано на приведенном ниже содержимом. Для получения дополнительной информации о росте растений ознакомьтесь с материалами для выращивания растений.

---

Энергия в повседневной жизни

На обычном языке люди говорят о «производстве» или «использовании» энергии. Однако, когда мы говорим «производить энергию», мы на самом деле имеем в виду преобразование энергии из одной формы в другую. Например, накопленная энергия воды за плотиной высвобождается, когда вода течет вниз по склону и приводит в действие турбогенератор (рис. 1A). Точно так же ветряные мельницы позволяют нам улавливать энергию, когда дует ветер (рис. 1B).

---

---

Энергия в вашей пище

Вся энергия, которую мы получаем от еды, восходит к солнцу! Растения используют энергию солнца для преобразования воды и углекислого газа в пригодные для использования сахара. Этот процесс называется фотосинтезом.Затем эти растения могут быть съедены насекомыми, которых съедают животные, а затем их съедают более крупные животные. Итак, весь процесс работает на солнце!

Пища, которую мы едим, питает наше тело, чтобы расти, исцелять, сохранять тепло и дает нам энергию в течение дня. В повседневной жизни мы можем съесть курицу, которая съела гусеницу, которая съела лист, выросший в результате фотосинтеза. Этикетки на наших продуктах питания содержат список ингредиентов и сведения о питании, которые помогают нам понять, что мы едим (рис.2).

---

Цепи питания

Пищевые цепи — это упрощенные модели, описывающие кормовые отношения между различными видами организмов в экологическом сообществе. Пищевые цепи — полезные инструменты для понимания трофических уровней организмов в экологическом сообществе. Стрелки используются для линейного представления передачи энергии от каждого уровня (рис. 3).

В этом примере пищевой цепи водоросли представляют основных продуцентов, которые являются автотрофными организмами, которые производят себе пищу, преобразовывая энергию солнечного света в энергию пищи.Потребители — это гетеротрофные организмы, которые не могут производить себе пищу и должны получать пищу, поедая другие вещи. Морской еж — травоядное животное, поедает растения или водоросли, и в этом примере он является основным потребителем. Плотоядные животные едят травоядных и других видов хищников. Осьминог — плотоядное животное, и поскольку это первое плотоядное животное в пищевой цепи, оно также является основным хищником. Угорь — вторичное плотоядное животное. И, наконец, улуа — главный хищник в этом примере пищевой цепи, потому что ни один другой потребитель не ест его.

---

Пищевые сети

В данной экосистеме или сообществе множество различных пищевых цепей могут быть объединены в пищевую сеть (рис. 4). Пищевые сети дают более реалистичную картину кормящих отношений.

Рассмотрим, например, пищевую цепочку, описанную выше. На самом деле водоросли едят морские ежи, а также множество различных видов рыб и других беспозвоночных. На диаграмме пищевой сети можно использовать множество стрелок, чтобы указать от водорослей к множеству различных организмов, которые ими питаются.Точно так же и другие потребители едят морских ежей, осьминогов и угрей. Можно нарисовать много стрелок для объяснения кормовых отношений различных организмов в сообществе коралловых рифов.

Приложение Жизнь рыб: пищевые сети Раздаточный материал «Рыбная жизнь» был подготовлен Отделом водных ресурсов и профинансирован Федеральной программой помощи в восстановлении спортивной рыбы. Другие, подобные этому, проиндексированы и загружены на этом сайте NOAA.

---

Передача энергии

Растения улавливают энергию непосредственно от солнца. Все источники пищи можно проследить до растений. В качестве основных производителей растения находятся в основании энергетической пирамиды (рис. 5). Различные части пирамиды называются трофическими уровнями. Фактически с одного трофического уровня на другой передается только часть энергии. Чаще всего часть энергии используется для выполнения работы, а часть энергии теряется в виде тепла в окружающую среду.Та же идея может быть применена к энергии, необходимой нашему телу для выживания. С каждым последовательно более высоким трофическим уровнем доступно все меньше и меньше энергии. В большинстве сообществ снижение доступной энергии на каждом трофическом уровне отражается в падении относительной численности (количества организмов) и общей биомассы (количества живого вещества на единицу площади) организмов. Об этом свидетельствуют все меньшие и меньшие трофические уровни внутри пирамиды.

---

Сохранение энергии

Энергия сохраняется с течением времени.Хотя некоторая часть энергии теряется в виде тепла, когда животные переваривают пищу, тепло также является формой энергии. А тепло — важный вид энергии для поддержания тепла у млекопитающих, таких как люди. Но даже когда энергия теряется в виде тепла в окружающую среду, сама энергия не разрушается.

Например, при горении древесины большая часть энергии древесины превращается в тепло. Часть этого тепла уйдет, а часть может быть захвачена для работы, например, для приготовления пищи или обогрева дома. И часть энергии и вещества из дерева останется в виде золы (которую можно добавить в почву, а оставшуюся энергию использовать некоторые организмы).

---

Энергия Солнца Словарь Автотрофный : любой организм, способный к самовоспитанию за счет использования неорганических материалов в качестве источника питательных веществ и фотосинтеза или хемосинтеза в качестве источника энергии, как и большинство растений и некоторых бактерий. Двуокись углерода (CO2) : бесцветный газ без запаха, состоящий из одного атома углерода и двух атомов кислорода, связанных вместе. CO2 вырабатывается растениями и животными во время клеточного дыхания.CO2 также образуется при сжигании углерода и органических соединений. CO2 естественным образом присутствует в воздухе и поглощается растениями во время фотосинтеза. Плотоядные : животные, которые питаются в основном или исключительно животными. Потребители : организм, которому требуются сложные органические соединения для пищи, которые он получает, охотясь на другие организмы или поедая частицы органического вещества Энергетическая пирамида : графическая модель потока энергии в сообществе. Пищевая цепочка : упрощенные линейные модели, которые описывают кормовые отношения между различными видами организмов в экологическом сообществе. Пищевая сеть : Комбинация множества различных пищевых цепочек в данной экосистеме или сообществе, которые дают более реалистичную картину кормовых отношений. Травоядные : животные, питающиеся только растениями Гетеротрофные : организмы, которые получают питание в результате проглатывания и разложения органических веществ, например растения и животные Фотосинтез : процесс, при котором зеленые растения и некоторые другие организмы используют солнечный свет для синтеза пищи из углекислого газа и воды. В фотосинтезе растений обычно участвует зеленый пигмент хлорофилл, и в качестве побочного продукта образуется кислород. Хищник : организм, который в первую очередь получает пищу, убивая и поедая другие организмы Первичный потребитель : животное, которое питается первичными производителями; травоядное животное. Основные производители : любое зеленое растение или любой из различных микроорганизмов, которые могут преобразовывать световую или химическую энергию в органическое вещество. Вторичный потребитель : животное, которое питается только травоядными животными; плотоядное животное. Трофические уровни : любой класс организмов, занимающий такое же положение в пищевой цепи, что и первичные потребители, вторичные потребители и третичные потребители.

Энергия и жизнь: преобразование энергии в живых организмах — видео и стенограмма урока

Хотя солнце является отличным источником энергии, не все формы жизни могут напрямую использовать солнечную энергию. В этом уроке рассказывается, как растения преобразуют солнечную энергию в потенциальную энергию, хранящуюся в сахаре, как живые организмы используют энергию сахара для выполнения работы и как взаимосвязь между фотосинтезом и клеточным дыханием необходима для жизни.

Энергия и жизнь

Организмы используют сахар как источник энергии для работы.

Все живые существа нуждаются в энергии для выполнения работы, необходимой для выживания и воспроизводства.Это верно для бактерий, растений и животных. Но что такое энергия? Энергия — это просто способность выполнять работу, где работа выполняется, когда сила перемещает объект. Давайте на мгновение рассмотрим ваши собственные потребности. Вам нужна энергия, чтобы включить и выключить компьютер. Вам нужна энергия, чтобы встать с постели по утрам. Вам даже нужна энергия, чтобы послушать этот урок и подумать о том, о чем он говорит. И да, вам нужна энергия для воспроизводства. Итак, откуда берется энергия и как мы ее используем? На Земле энергия в конечном итоге исходит от Солнца.Растения используют энергию солнца для производства сахара. Организмы, в свою очередь, используют сахар как источник энергии для работы.

В этом уроке мы исследуем, как живые организмы используют энергию. Сначала мы рассмотрим, как растения используют энергию солнца для производства сахара. Затем мы узнаем, как организмы используют энергию сахара для работы.

Как растения преобразуют энергию солнца

Растения используют энергию солнечного света для производства сахара и кислорода из углекислого газа и воды. Процесс, посредством которого углекислый газ и вода превращаются в сахар и кислород с использованием солнечного света, называется фотосинтезом .Это эндергоническая реакция , что означает, что для реакции требуется энергия. В частности, для соединения двуокиси углерода и молекул воды с образованием сахара требуется энергия. Солнце обеспечивает энергию, необходимую для фотосинтеза, а часть энергии, используемой для производства сахара, сохраняется в молекуле сахара.

Солнце дает энергию, необходимую для фотосинтеза.

Как организмы используют энергию сахара

Теперь, когда мы знаем, как растения синтезируют сахар, давайте посмотрим, как организмы используют сахар в качестве источника энергии.Короче говоря, организмы расщепляют сахар, чтобы высвободить накопленную энергию. Энергия, выделяющаяся при расщеплении сахара, используется клетками для производства другого химического вещества, которое мы называем аденозинтрифосфатом или сокращенно АТФ . Синтез АТФ клетками обозначается как клеточное дыхание . Это экзергоническая реакция , поскольку в результате реакции выделяется энергия. Энергия высвобождается при расщеплении сахара на более мелкие части: углекислый газ и воду. Как вы можете видеть на экране, сахар и кислород являются реагентами, а углекислый газ и вода — продуктами клеточного дыхания. Вам знакома эта реакция? Так и должно быть, потому что клеточное дыхание — это просто обратный процесс фотосинтеза. Фотосинтез и клеточное дыхание связаны, поскольку продукты одного становятся реагентами для другого. Фактически, клеточное дыхание и фотосинтез зависят друг от друга.

Почему клетке необходимо преобразовывать энергию, хранящуюся в сахаре, в энергию, хранящуюся в АТФ? Почему клетка не может просто использовать сахар в качестве источника энергии для выполнения необходимой работы? Другими словами, почему клеточное дыхание необходимо для жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте подумаем об энергии как об аналоге денег.Все мы любим деньги. Хотя японская иена — это действительно настоящие деньги, вы не можете использовать ее для покупки товаров в американском магазине. Поэтому сначала нужно обменять иены на доллары, а потом покупать вещи в американском магазине. Точно так же сахар является хорошим источником энергии. Сахар — хороший источник энергии, но клетки не могут напрямую использовать его для работы. Следовательно, сахар сначала нужно преобразовать в более пригодную для использования форму, и этой пригодной формой является АТФ. Давайте посмотрим на пример: наши мышечные клетки нуждаются в АТФ и используют его для работы по сокращению.Мышцы расщепляют сахар, чтобы получить энергию, необходимую для производства АТФ.

Клеточное дыхание противоположно фотосинтезу.

Краткое содержание урока

Таким образом, всем живым организмам требуется энергия как для выживания, так и для воспроизводства. Энергия — это способность выполнять работу, где работа выполняется, когда сила перемещает объект. В то время как солнце обеспечивает энергией всю нашу планету, солнечная энергия должна быть преобразована в формы, более удобные для живых организмов. Растения используют фотосинтез для производства сахара и кислорода из углекислого газа и воды. Фотосинтез — это эндергоник , так как для реакции требуется энергия. Солнце дает энергию для фотосинтеза. Клетки, в свою очередь, используют сахар как источник энергии. Клеточное дыхание — это синтез АТФ с использованием энергии, выделяемой при расщеплении сахара до двуокиси углерода и воды. Поскольку в результате реакции высвобождается энергия, разложение сахара составляет экзергонических .Продуктами клеточного дыхания являются углекислый газ и вода. Эти продукты используются растениями для производства сахара и кислорода посредством фотосинтеза. Энергия, выделяемая при расщеплении сахара, используется клетками для производства АТФ, который является наиболее используемой формой энергии клетками. Затем клетки расщепляют АТФ, чтобы обеспечить энергию, необходимую для выполнения работы — например, сокращения наших мышц.

Результаты обучения

Завершение этого урока позволит вам:

• Определить энергию и работу
• Различия между эндергонической и экзэргонической реакциями
• Обобщите фотосинтез и клеточное дыхание, а также определите продукты каждого
• Понять, почему фотосинтез и клеточное дыхание зависят друг от друга

Моделирование фотосинтеза и клеточного дыхания

Теперь, когда студенты понимают важную взаимосвязь между клеточным дыханием и фотосинтезом, они собираются создать микрокосм этого в пробирке. Для проведения этого эксперимента вам понадобятся четыре пробирки, два источника водных растений, две водных улитки, вода и индикатор pH, такой как бромтимоловый синий (BTB). Улиток можно было собрать в местном ручье или купить у онлайн-поставщика.

Инструкции для учащихся

Теперь, когда вы понимаете, насколько важны для жизни фотосинтез и клеточное дыхание, пора создать небольшую модель. Для этого совместим в пробирке водную улитку (животное) и водное растение.Чтобы измерить производство углекислого газа, мы будем использовать индикатор pH, называемый бромтимоловым синим (BTB). Чем ниже pH, тем более желтый цвет, потому что углекислый газ в воде превращается в угольную кислоту. Следуйте инструкциям ниже, чтобы создать модель, а затем ответьте на вопросы.

1. Начните с наполнения четырех пробирок водой на 3/4 их объема.
2. Добавьте по пять капель BTB в каждую пробирку.
3. Обозначьте каждую пробирку 1-4. В пробирку 1 ничего не добавляйте, в пробирку 2 кладите одну веточку водного растения, в пробирку 3 — одну улитку, а в пробирку 4 — улитку и веточку водного растения.
4. Поместите все четыре пробирки на прямой солнечный свет и наблюдайте за любыми изменениями цвета или образованием пузырьков в течение следующего часа. Запишите свои наблюдения в таблицу ниже.

Пробирка	Содержимое	Начальный цвет	Конечный цвет	Пузырьки
1
			9013
4

Вопросы

1. Какие пробирки производили больше углекислого газа и почему? Как ты узнал?
2. Опишите отношения между улиткой и водным растением с точки зрения преобразования энергии.
3. Исходя из этого эксперимента, почему растения важны для жизни человека?

Ожидаемые результаты

Учащиеся должны наблюдать, как цвет меняется на желтый в пробирке с улиткой, потому что улитка вырабатывает углекислый газ, который снижает pH. Цвет не должен меняться в пробирке с одним водным растением, без ничего или с обоими. Это связано с тем, что растение поглощает углекислый газ во время фотосинтеза, и, следовательно, pH раствора не меняется, даже если улитка вырабатывает углекислый газ во время клеточного дыхания.Вот почему животным, в том числе людям, для жизни необходимы растения. Однако, если учащиеся не получают ожидаемых результатов, они должны указать причину, например, человеческая ошибка или проблемы с сохранением живых организмов.

Энергия и обмен веществ | Безграничная биология

Роль энергии и метаболизма

Всем организмам требуется энергия для выполнения задач; метаболизм — это набор химических реакций, высвобождающих энергию для клеточных процессов.

Цели обучения

Объясните важность обмена веществ

Основные выводы

Ключевые моменты

• Всем живым организмам нужна энергия для роста и размножения, поддержания своей структуры и реакции на окружающую среду; метаболизм — это набор процессов, делающих энергию доступной для клеточных процессов.
• Метаболизм — это комбинация химических реакций, которые являются спонтанными и высвобождают энергию, и химических реакций, которые не являются спонтанными и требуют энергии для протекания.
• Живые организмы должны получать энергию через пищу, питательные вещества или солнечный свет, чтобы выполнять клеточные процессы.
• Транспортировка, синтез и разложение питательных веществ и молекул в клетке требует использования энергии.

Ключевые термины

• метаболизм : полный набор химических реакций, происходящих в живых клетках
• биоэнергетика : исследование превращений энергии, происходящих в живых организмах
• энергия : работоспособность

Энергия и обмен веществ

Всем живым организмам нужна энергия для роста и размножения, поддержания своей структуры и реакции на окружающую среду.Метаболизм — это набор поддерживающих жизнь химических процессов, которые позволяют организмам преобразовывать химическую энергию, хранящуюся в молекулах, в энергию, которая может использоваться для клеточных процессов. Животные потребляют пищу, чтобы восполнить энергию; их метаболизм расщепляет углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, чтобы обеспечить химическую энергию для этих процессов. В процессе фотосинтеза растения преобразуют световую энергию солнца в химическую энергию, хранящуюся в молекулах.

Биоэнергетика и химические реакции

Ученые используют термин биоэнергетика, чтобы обсудить концепцию потока энергии через живые системы, такие как клетки.Клеточные процессы, такие как построение и разрушение сложных молекул, происходят в результате пошаговых химических реакций. Некоторые из этих химических реакций являются спонтанными и высвобождают энергию, тогда как другие требуют энергии для протекания. Все химические реакции, происходящие внутри клеток, включая те, которые используют энергию, и те, которые высвобождают энергию, являются метаболизмом клетки.

Большая часть энергии прямо или косвенно исходит от Солнца. : Большинство форм жизни на Земле получают энергию от Солнца.Растения используют фотосинтез для улавливания солнечного света, а травоядные животные поедают эти растения для получения энергии. Плотоядные животные поедают травоядных, а разлагатели переваривают вещества растений и животных.

Клеточный метаболизм

Каждое задание, выполняемое живыми организмами, требует энергии. Энергия необходима для выполнения тяжелой работы и упражнений, но люди также расходуют много энергии во время размышлений и даже во время сна. Для каждого действия, требующего энергии, происходит множество химических реакций, обеспечивающих химическую энергию системам тела, включая мышцы, нервы, сердце, легкие и мозг.

Живые клетки каждого организма постоянно используют энергию для выживания и роста. Клетки расщепляют сложные углеводы на простые сахара, которые клетка может использовать для получения энергии. Мышечные клетки могут потреблять энергию для построения длинных мышечных белков из небольших молекул аминокислот. Молекулы можно модифицировать и переносить по клетке или можно распространять по всему организму. Так же, как энергия требуется как для строительства, так и для сноса здания, энергия требуется как для синтеза, так и для разрушения молекул.

Многие клеточные процессы требуют постоянного снабжения энергией, обеспечиваемой метаболизмом клетки. Сигнальные молекулы, такие как гормоны и нейротрансмиттеры, должны быть синтезированы, а затем транспортироваться между клетками. Патогенные бактерии и вирусы попадают в организм и разрушаются клетками. Клетки также должны экспортировать отходы и токсины, чтобы оставаться здоровыми, и многие клетки должны плавать или перемещать окружающие материалы за счет биения клеточных придатков, таких как реснички и жгутики.

Питание дает энергию для таких действий, как полет. : Колибри нуждается в энергии, чтобы поддерживать длительные периоды полета.Колибри получает энергию, принимая пищу и превращая питательные вещества в энергию с помощью ряда биохимических реакций. Летательные мышцы птиц чрезвычайно эффективны в производстве энергии.

Типы энергии

Различные типы энергии включают кинетическую, потенциальную и химическую энергию.

Цели обучения

Различия между видами энергии

Основные выводы

Ключевые моменты

• Все организмы используют разные формы энергии для поддержания биологических процессов, которые позволяют им расти и выживать.
• Кинетическая энергия — это энергия, связанная с движущимися объектами.
• Потенциальная энергия — это тип энергии, связанный со способностью объекта выполнять работу.
• Химическая энергия — это тип энергии, высвобождаемой при разрыве химических связей, который может использоваться для метаболических процессов.

Ключевые термины

• химическая энергия : чистая потенциальная энергия, высвобождаемая или поглощаемая в ходе химической реакции.
• потенциальная энергия : энергия, которой обладает объект из-за его положения (в гравитационном или электрическом поле) или его состояния (в виде растянутой или сжатой пружины, в качестве химического реагента или благодаря массе покоя).
• кинетическая энергия : энергия, которой обладает объект из-за его движения, равная половине массы тела, умноженной на квадрат его скорости.

Энергия — это свойство объектов, которое может быть передано другим объектам или преобразовано в другие формы, но не может быть создано или уничтожено. Организмы используют энергию для выживания, роста, реакции на раздражители, воспроизводства и для всех типов биологических процессов. Потенциальная энергия, хранящаяся в молекулах, может быть преобразована в химическую энергию, которая в конечном итоге может быть преобразована в кинетическую энергию, позволяющую организму двигаться.В конце концов, большая часть энергии, используемой организмами, преобразуется в тепло и рассеивается.

Кинетическая энергия

Энергия, связанная с движущимися объектами, называется кинетической энергией. Например, когда самолет находится в полете, он очень быстро движется по воздуху, выполняя работу по изменению своего окружения. Реактивные двигатели преобразуют потенциальную энергию топлива в кинетическую энергию движения. Крушащий шар может нанести большой урон даже при медленном движении.Однако все еще разрушающийся шар не может выполнять никакой работы и, следовательно, не имеет кинетической энергии. Ускоряющаяся пуля, идущий человек, быстрое движение молекул в воздухе, выделяющих тепло, и электромагнитное излучение, такое как солнечный свет, — все они обладают кинетической энергией.

Потенциальная энергия

Что, если тот же самый неподвижный шар для разрушения поднять на два этажа над автомобилем с краном? Если подвешенный шар для разрушения не движется, связана ли с ним энергия? Да, разрушающий шар обладает энергией, потому что разрушающий шар может выполнять свою работу.Эта форма энергии называется потенциальной энергией, потому что объект может выполнять работу в данном состоянии.

Объекты переносят свою энергию между потенциальным и кинетическим состояниями. Поскольку разрушающий шар неподвижно висит, он имеет кинетическую энергию [latex] \ text {0%} [/ latex] и [latex] \ text {100%} [/ latex]. Как только мяч выпущен, его кинетическая энергия увеличивается по мере того, как мяч набирает скорость. В то же время мяч теряет потенциальную энергию при приближении к земле. Другие примеры потенциальной энергии включают энергию воды, удерживаемой за плотиной, или человека, который собирается прыгнуть с парашютом из самолета.

Зависимость потенциальной энергии от кинетической : Вода за плотиной имеет потенциальную энергию. Движущаяся вода, например, в водопаде или в быстро текущей реке, обладает кинетической энергией.

Химическая энергия

Потенциальная энергия связана не только с местонахождением материи, но и со структурой материи. Пружина на земле обладает потенциальной энергией, если она сжимается, как и натянутая резинка. Тот же принцип применим к молекулам. На химическом уровне связи, которые удерживают атомы молекул вместе, обладают потенциальной энергией.Этот тип потенциальной энергии называется химической энергией, и, как и вся потенциальная энергия, ее можно использовать для выполнения работы.

Например, химическая энергия содержится в молекулах бензина, которые используются в автомобилях. Когда газ воспламеняется в двигателе, связи в его молекулах разрываются, и выделяемая энергия используется для приведения в движение поршней. Потенциальная энергия, хранящаяся в химических связях, может быть использована для выполнения работы для биологических процессов. Различные метаболические процессы разрушают органические молекулы, чтобы высвободить энергию для роста и выживания организма.

Химическая энергия : Молекулы бензина (октановое число, указанная химическая формула) содержат химическую энергию. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая позволяет автомобилю мчаться по гоночной трассе.

Метаболические пути

Анаболический путь требует энергии и строит молекулы, в то время как катаболический путь производит энергию и разрушает молекулы.

Цели обучения

Опишите два основных типа метаболических путей

Основные выводы

Ключевые моменты

• Метаболический путь — это серия химических реакций в клетке, которые создают и разрушают молекулы для клеточных процессов.
• Анаболические пути синтезируют молекулы и требуют энергии.
• Катаболические пути расщепляют молекулы и производят энергию.
• Поскольку почти все метаболические реакции протекают не спонтанно, белки, называемые ферментами, помогают облегчить эти химические реакции.

Ключевые термины

• катаболизм : деструктивный метаболизм, обычно включающий выделение энергии и расщепление материалов
• фермент : глобулярный белок, катализирующий биологическую химическую реакцию
• анаболизм : конструктивный метаболизм тела в отличие от катаболизма

Метаболические пути

Процессы производства и расщепления углеводных молекул иллюстрируют два типа метаболических путей.Метаболический путь — это последовательный ряд взаимосвязанных биохимических реакций, которые преобразуют молекулу или молекулы субстрата через ряд промежуточных продуктов метаболизма, в конечном итоге приводя к конечному продукту или продуктам. Например, один из метаболических путей углеводов расщепляет большие молекулы на глюкозу. Другой метаболический путь может превращать глюкозу в большие молекулы углеводов для хранения. Первый из этих процессов требует энергии и называется анаболическим. Второй процесс производит энергию и называется катаболическим.Следовательно, метаболизм состоит из этих двух противоположных путей:

1. Анаболизм (построение молекул)
2. Катаболизм (разрушение молекул)

Анаболические и катаболические пути : Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Катаболические пути — это те, которые генерируют энергию за счет разрушения более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Анаболические пути

Анаболические пути требуют ввода энергии для синтеза сложных молекул из более простых.Одним из примеров анаболического пути является синтез сахара из CO ₂ . Другие примеры включают синтез больших белков из строительных блоков аминокислот и синтез новых цепей ДНК из строительных блоков нуклеиновых кислот. Эти процессы имеют решающее значение для жизни клетки, происходят постоянно и требуют энергии, обеспечиваемой АТФ и другими высокоэнергетическими молекулами, такими как НАДН (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФН.

Катаболические пути

Катаболические пути включают разложение сложных молекул на более простые, высвобождая химическую энергию, хранящуюся в связях этих молекул.Некоторые катаболические пути могут улавливать эту энергию для производства АТФ, молекулы, используемой для питания всех клеточных процессов. Другие запасающие энергию молекулы, такие как липиды, также расщепляются с помощью аналогичных катаболических реакций с выделением энергии и образованием АТФ.

Важность ферментов

Химические реакции метаболических путей редко происходят спонтанно. Каждая стадия реакции облегчается или катализируется белком, называемым ферментом. Ферменты важны для катализирования всех типов биологических реакций: тех, которые требуют энергии, а также тех, которые выделяют энергию.

Метаболизм углеводов

Организмы расщепляют углеводы для производства энергии для клеточных процессов, а фотосинтезирующие растения производят углеводы.

Цели обучения

Анализируйте важность углеводного обмена для производства энергии

Основные выводы

Ключевые моменты

• Распад глюкозы, которую живые организмы используют для производства энергии, описывается уравнением: [латекс] {\ text {C}} _ ​​{6} {\ text {H}} _ {12} {\ text {O}} _ {6} +6 {\ text {O}} _ {2} \ rightarrow 6 {\ text {CO}} _ {2} +6 {\ text {H}} _ {2} \ text {O} + \ text {энергия} [/ латекс].
• Процесс фотосинтеза, который растения используют для синтеза глюкозы, описывается уравнением: [латекс] 6 \ text {CO} _ {2} +6 {\ text {H}} _ {2} \ text {O} + \ text { энергия} \ rightarrow {\ text {C}} _ ​​{6} {\ text {H}} _ {12} {\ text {O}} _ {6} +6 \ text {O} _ {2} [/ латекс].
• Глюкоза, которая потребляется, используется для производства энергии в виде АТФ, который используется для выполнения работы и химических реакций в клетке.
• Во время фотосинтеза растения преобразовывают световую энергию в химическую энергию, которая используется для создания молекул глюкозы.

Ключевые термины

• аденозинтрифосфат : многофункциональный нуклеозидтрифосфат, используемый в клетках в качестве кофермента, часто называемый «молекулярной единицей энергетической валюты» при внутриклеточном переносе энергии
• глюкоза : простой моносахарид (сахар) с молекулярной формулой C6h22O6; это основной источник энергии для клеточного метаболизма

Метаболизм углеводов

Углеводы — одна из основных форм энергии для животных и растений.Растения вырабатывают углеводы, используя световую энергию солнца (в процессе фотосинтеза), в то время как животные едят растения или других животных, чтобы получить углеводы. Растения хранят углеводы в длинных полисахаридных цепях, называемых крахмалом, а животные хранят углеводы в виде молекулы гликогена. Эти большие полисахариды содержат много химических связей и, следовательно, хранят много химической энергии. Когда эти молекулы расщепляются во время метаболизма, энергия химических связей высвобождается и может использоваться для клеточных процессов.

Все живые существа используют углеводы как форму энергии. : Растения, такие как дуб и желудь, используют энергию солнечного света для производства сахара и других органических молекул. И растения, и животные (например, эта белка) используют клеточное дыхание для получения энергии из органических молекул, изначально производимых растениями

Производство энергии из углеводов (клеточное дыхание)

Метаболизм любого моносахарида (простого сахара) может производить энергию для использования клеткой.Избыточные углеводы хранятся в виде крахмала в растениях и в виде гликогена у животных, готовые к метаболизму, если потребность организма в энергии внезапно возрастет. Когда эта потребность в энергии увеличивается, углеводы расщепляются на составляющие моносахариды, которые затем распределяются по всем живым клеткам организма. Глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) является типичным примером моносахаридов, используемых для производства энергии.

Внутри клетки каждая молекула сахара расщепляется в ходе сложной серии химических реакций.Поскольку химическая энергия высвобождается из связей в моносахариде, она используется для синтеза высокоэнергетических молекул аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ — это основная энергетическая валюта всех клеток. Точно так же, как доллар используется в качестве валюты для покупки товаров, клетки используют молекулы АТФ для немедленной работы и проведения химических реакций.

Распад глюкозы во время метаболизма — клеточное дыхание — можно описать уравнением:

[латекс] {C} _ {6} {H} _ {12} {O} _ {6} +6 {O} _ {2} \ rightarrow 6 {CO} _ {2} +6 {H} _ {2} О + энергия [/ латекс]

Производство углеводов (фотосинтез)

Растения и некоторые другие виды организмов производят углеводы в процессе фотосинтеза.