Поток энергии через живую клетку и круговорот веществ - ЦИТОЛОГИЯ.РЕГУЛЯЦИЯ НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ

Постановка проблемы урока

Фотосинтез:

вода + углекислый газ + свет —> кислород + углевод

Энергетический обмен:

углевод + кислород —> вода + углекислый газ + энергия

• Что вас удивило? (В чём сходство и различие этих формул?) Какой вопрос возникает? (Предложите свой вариант и сравните с авторским на с. 349.)

Необходимые базовые знания

• В чём отличие динамической и статической форм устойчивости? (§ 1)

• Какова роль фотосинтезирующих организмов в истории Земли? (5 класс)

• Какие вещества поглощает и выделяет растение? (5 класс)

• Какие формы жизни, кроме растений, способны производить органическое вещество из неорганического? (5 класс)

• Что такое внешнее, лёгочное дыхание? (8 класс)

Решение проблемы

Турбина в потоке света

Жизнь невозможна без потребления вещества и энергии. Способ, которым это делают организмы, - питание ~ разделяет их на две основные группы: автотрофов и гетеротрофов. Первые поглощают энергию солнца (или, реже, — химических реакций) и превращают её в энергию химических связей организма. Вторые поедают первых и становятся потребителями той же энергии в преобразованном виде. Таким образом, связывание световой энергии в процессе фотосинтеза — основной источник жизни.

В отличие от атомов вещества энергия не образует круговорота: она представляет собой поток. Использованная энергия рассеивается в виде тепла и становится недоступной. Но жизнь существует благодаря постоянному притоку энергии из космоса. Фотосинтез — единственный способ усвоения космической энергии биосферой, своего рода турбина в потоке света.

Фотосинтез растений насытил атмосферу кислородом — своим побочным продуктом. Благодаря этому стало возможным кислородное дыхание — почти всеобщий способ извлечения организмами энергии для жизненных процессов.

Фотосинтез идёт в хлоропластах

Реакции фотосинтеза идут в “силовых станциях” клеток зелёных растений — мембранных органеллах хлоропластах. Хлоропласты могут присутствовать в клетках плодов, стеблей, но главным органом, анатомически приспособленным к улавливанию света, безусловно, является лист. Столбчатая паренхима листа наиболее богата хлоропластами. В них содержится пигмент хлорофилл,способный поглощать энергию света (рис. 8.1).

Общий результат фотосинтеза можно записать в виде суммарного уравнения таким образом:

вода + углекислый газ + свет —> кислород + углевод 6Н₂О + 6СО₂ + hv = 6O₂ + С₆Н₁₂O₆

8.1. Строение хлоропласта.

Фотосинтез зелёных растений проходит в два этапа (рис. 8.2). Первый объединяет реакции, идущие только на свету, и называется световой фазой. В ней энергия солнечного света превращается в энергию химических связей молекул-переносчиков (АТФ). С помощью молекул-переносчиков (НАДФ) накапливается водород, выделяющийся при разложении молекул воды, а в качестве побочного продукта реакции выделяется кислород.

8.2. Процесс фотосинтеза.

Второй этап, не зависящий от освещения, называется темповой фазой. В ней углекислый газ соединяется с водородом и с помощью энергии, полученной в световой фазе, превращается в глюкозу (С₆H₁₂О₆).

Хлорофилл и ферменты световой фазы расположены в тилакоидах, а ферменты темновой фазы — в строме.

• В какой фазе фотосинтеза растение выделяет кислород, а в какой потребляет углекислый газ?

Без энергии Солнца

Фотосинтез — не единственный путь создания органических веществ в природе. Некоторые бактерии способны использовать энергию, выделяемую при окислении неорганических веществ, для синтеза органических веществ. Многие организмы в глубинах океана, куда не проникает свет, получают энергию окислением водорода двуокисью углерода с образованием метана. Другие используют реакцию окисления сероводорода или аммония. Многие бактерии, живущие в различных водоёмах и почве, добывают энергию за счёт окисления аммиака и азотистой кислоты, делая азот доступным для растений. Этот способ автотрофного питания называется хемосинтезом. Так же, как и фотосинтезирующие организмы, хемосинтезирующие бактерии используют углекислый газ для синтеза глюкозы, а АТФ заряжается энергией химических реакций.

Продуктами хемосинтеза прошлых эпох являются залежи железных и марганцевых руд.

Энергетический обмен - источник энергии для жизненных процессов

ОКОЛО 2 млрд лет назад произошла “кислородная революция”: содержание свободного кислорода в атмосфере Земли достигло 1% от современного, в результате чего некоторые организмы перешли к более совершенному типу обмена веществ — кислородному дыханию.

Теперь без кислорода жизнь для большинства организмов невозможна. Многие из них имеют специальную систему органов для доставки кислорода каждой клетке — дыхательную систему. Почему же кислород так важен для живых организмов? Дело в том, что с его помощью в клетке происходит многоступенчатое окисление поступивших с пищей органических веществ, что освобождает энергию для жизнедеятельности. Биологическое окисление органических молекул называется энергетическим обменом. В рамках этого процесса важную роль играет клеточное дыхание, идущее в митохондриях (рис. 8.3) и ведущее к зарядке биохимических аккумуляторов АТФ. Полный результат энергетического обмена при разложении углеводов выражается суммарным уравнением:

углевод + кислород —> вода + углекислый газ + энергия

С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ = 6Н₂O + 6СO₂ + Е

• Сравните энергетический обмен с фотосинтезом. В чём сходство и различие этих процессов?

8.3. Реакции клеточного дыхания идут в митохондриях.

Круговорот жизни

• Найдите процессы синтеза и разложения органических веществ.

Итак, автотрофные организмы улавливают энергию солнечного света и запасают её в виде энергии химических связей органических веществ. Эти вещества в клетках всех организмов (и автотрофных, и гетеротрофных) в конечном счёте снова разрушаются до простых неорганических соединений и возвращаются в биосферный круговорот. Выделяющаяся при этом энергия используется в процессах жизнедеятельности и, в отличие от вещества, рассеивается. Вот почему жизнь нуждается в постоянном притоке энергии Солнца (рис. 8.4).

8.4. Обмен веществ и поток энергии в клетках.

Обобщение новых знаний

Автотрофы в результате фото- и хемосинтеза создают первичное органическое вещество из неорганических компонентов, используя энергию света или химических реакций. Важнейшим продуктом фотосинтеза является кислород, изменивший состав атмосферы Земли. Противоположный процесс - энергетический обмен - состоит в извлечении энергии из органических соединений в результате окислительных процессов. Он свойствен всем живым организмам, как автотрофам, так и гетеротрофам.

Фотосинтез, хемосинтез, энергетический обмен

Применение знаний

1. Как образуется первичное органическое вещество в биосфере Земли?

2. Как связаны химические процессы фотосинтеза автотрофов и использования органического вещества гетеротрофами?

3. В чём суть энергетического обмена?

4. Согласны ли вы с мнением Тимирязева о космической роли зелёных растений?