Роль фотосинтеза

☰

Процесс фотосинтеза для жизни на Земле имеет не просто важное значение, а, можно сказать, определяющее. Не будь этого процесса, вряд ли бы жизнь на Земле смогла эволюционировать дальше бактерий. Для осуществления любого процесса в природе нужна энергия. На Земле она берется от Солнца. Солнечный свет улавливается растениями и преобразуется в энергию химических связей органических соединений. Это преобразование и есть фотосинтез.

Остальные организмы на Земле (за исключением некоторых бактерий) используют органические вещества растений, чтобы получить энергию для своей жизни. Это не значит, что все организмы едят растения. Например, хищники едят травоядных животных, а не растения. Однако энергия, которая хранится в травоядных животных, получена ими именно из растений.

Помимо запаса энергии и питания почти всего живого на Земле, фотосинтез важен и по другим причинам.

В процессе фотосинтеза выделяется кислород. Кислород необходим для процесса дыхания. При дыхания происходит обратных фотосинтезу процесс. Органические вещества окисляются, разрушаются и выделяется энергия, которую можно использовать на различные процессы жизнедеятельности (ходить, думать, расти и т. д.). Когда на Земле еще не было растений, то в воздухе кислорода почти не было. Примитивные живые организмы, обитавшие в те времена, окисляли органические вещества другими способами, не с помощью кислорода. Это было не эффективно. Благодаря кислородному дыханию живой мир получил возможность широкого и сложного развития. А кислород в атмосфере появился благодаря растениям и процессу фотосинтеза.

В стратосфере (это выше тропосферы — самого нижнего слоя атмосферы) кислород под действием солнечного излучения превращается в озон. Озон защищает живое на Земле от опасного ультрафиолетового солнечного излучения. Без озонового слоя жизнь не могла бы в процессе эволюции выйти из моря на сушу.

В процессе фотосинтеза из атмосферы поглощается углекислый газ. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания. Если бы он не поглощался, то накапливался бы в атмосфере и влиял наряду с другими газами на увеличение так называемого парникового эффекта. Парниковый эффект заключается в повышении температуры в нижних слоях атмосферы. При этом может начать меняться климат, начнут таять ледники, уровень океанов поднимется, в результате чего могут быть затоплены прибрежные земли и возникнут другие негативные последствия.

Во все органические вещества входит химический элемент углерод. Именно растения связывают его в органические вещества (глюкозу), получая из неорганических (углекислого газа). И делают они это в процессе фотосинтеза. В дальнейшем, «путешествуя» по пищевым цепям, углерод переходит из одних органических соединений в другие. В конечном итоге, при гибели организмов и их разложении, углерод снова переходит в неорганические вещества.

Для человечества фотосинтез также имеет важное значение. Уголь, торф, нефть, природный газ — это остатки растений и других живых организмов, накопившиеся за сотни миллионов лет. Они служат нам источником дополнительной энергии, что позволяет цивилизации развиваться.

7. Значение фотосинтеза. Планетарная роль зелёных растений

Фотосинтез — уникальный процесс создания органических веществ из неорганических. Это единственный на нашей планете процесс, который превращает солнечную энергию во внутреннюю энергию органических веществах. Все живые организмы, обитающие на Земле, живут за счёт энергии, запасённой растениями в белках, жирах и углеводах.

 

Выдающийся русский учёный конца \(XIX\) — начала \(XX\) в. Климент Аркадьевич Тимирязев (\(1843\)–\(1920\)) роль зелёных растений на Земле назвал космической. Он писал:

Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического.

Накопление органических веществ

Все живые организмы на Земле живут за счёт той солнечной энергии, которая получена растениями и законсервирована в процессе фотосинтеза в углеводах и других органических веществах. Углеводы — важный продукт фотосинтеза.

Пример:

многие растения, такие как сахарный тростник, сахарная свёкла, лук, горох, кукуруза, виноград, финик, запасают сахара в стеблях, корнях, луковицах, плодах и семенах. Именно сахара служат главным источником энергии для всех живых существ, так как легко могут стать одним из наиболее активных соединений в любой живой клетке.

Накопление энергии

Постоянно поглощая энергию в виде солнечного излучения, растения её накапливают. Накопление энергии — очень важное для живой природы явление, обусловленное фотосинтезом зелёных растений.

Пример:

органические вещества — отличный энергоноситель. Человек широко пользуется газом, нефтью, углём, дровами — всё это органические вещества, которые выделяют при сгорании энергию, некогда занесённую в зелёных растениях.

Обеспечение постоянства содержания углекислого газа в атмосфере

В атмосфере Земли углекислый газ составляет \(0,03\) % от объёма воздуха. Эта величина удерживается на протяжении многих тысячелетий, несмотря на то, что великое множество живых организмов в процессе дыхания выделяет углекислый газ. Ещё больше его выделяется при гниении и разрушении мёртвых тел, при извержении вулканов, при пожарах, при сжигании топлива. Всё это огромное количество углекислого газа поглощают зелёные растения в процессе фотосинтеза, сохраняя более или менее постоянное содержание углекислого газа в атмосфере Земли и тем самым обеспечивая возможность жизни на нашей планете.

Накопление кислорода в атмосфере

В древние времена, когда на нашей планете ещё не было растений, не было и кислорода в атмосфере. В настоящее время кислород воздуха в атмосфере занимает \(21\) % его объёма. Современный газовый состав атмосферы сформировался благодаря процессу фотосинтеза. Благодаря этому все организмы на Земле — бактерии, грибы, животные, человек и сами растения — могут дышать и осуществлять процессы своей жизнедеятельности.

 

Из кислорода на высоте около \(20\) км над поверхностью Земли под действием солнечной радиации образуется озон. Он задерживает ту часть ультрафиолетовых лучей, которая губительно действует на живые организмы. Озоновый слой, окружающий Землю, создаёт возможность для жизни организмов.

 

Образование почвы

Созданные растениями органические вещества используются другими живыми организмами (животными, грибами, бактериями). Продукты их жизнедеятельности, а также остатки этих организмов попадают в верхний слой земли, разлагаются там бактериями и создают очень важное природное образование — почву.

 

Почва — это продукт взаимодействия живых организмов с объектами неживой природы. Для образования почвы необходимы органические вещества, источником которых могут быть только живые организмы. 

 

Обрати внимание!

Фотосинтез — важнейший процесс на нашей планеты. Он выполняет космическую функцию, запасая в зелёных растениях огромное количество энергии и поставляя  в атмосферу кислород.

 

Процесс фотосинтеза: световая и темновая фазы, значение фотосинтеза

История открытия фотосинтеза

В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже в 6 классе.

Но еще 300-400 лет назад ответ на вопрос «откуда растения берут питательные вещества для строительства своих клеток?» занимал умы ученых во всем мире.

Первым и очевидным ответом было предположение, что из земли. Однако, в далеком 1600 году фламандский ученый Ян Батист ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный в своей простоте опыт. Естествоиспытатель взял веточку ивы и бочку с почвой. Предварительно их взвесил. А затем посадил отросток ивы в бочку с почвой.

Долгие пять лет ван Гельмонт поливал молодое деревце лишь дождевой водой. А через пять лет выкопал деревце, и вновь взвесил отдельно деревце и отдельно почву. Каково же было его удивление, когда весы показали, что деревце увеличило свой вес практически в тридцать раз, и совсем не походило на тот скромный прутик, что был посажен в кадку. А вес почвы уменьшился всего на 56 граммов.

Ученый сделал вывод. что почва практически не дает строительного материала растениям, а все необходимые вещества растение получает из воды.

После ван Гельмонта различные ученые повторили его опыт, и сложилась так называемая «водная теория питания растений».

Одним из тех, кто попытался возразить этой теории был М.В. Ломоносов. И строил он свои возражения на том, что на пустых, скудных северных землях с редкими дождями растут высокие, мощные деревья. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения впитывают через листья, но доказать свою теорию экспериментально он не смог.

И как часто бывает в науке, помог его величество случай.

Однажды нерадивая мышь, решившая поживиться церковными запасами, случайно перевернула банку и оказалась в ловушке. И через некоторое время погибла. К нашей удаче, эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, который был не просто священником, а по совместительству ученым-химиком, и очень интересовался химией газов и способами очистки испорченного воздуха. И тут церковным мышам не повезло. Они стали участницами различных опытов английского ученого.

Джозеф Пристли ставил под одну банку горящую свечу, а в другую сажал мышь. Свеча тухла, грызун погибал.

В наше время его самого зоозащитники посадили бы в банку, но в далеком 1771 году ученому никто не помешал продолжить свои опыты. Пристли посадил мышь в банку, где до этого потухла свеча. Животное погибло еще быстрее.

И тогда Пристли сделал вывод, что раз все живое на Земле до сих пор не погибло, Бог (мы же помним, что Пристли был священником), придумал некий процесс, чтобы воздух вновь был пригоден для жизни. И скорее всего, основная роль в нем принадлежит растениям.

Чтобы доказать это, ученый взял воздух из банки где погибла мышь, и разделил его на две части. В одну банку он поставил мяту в горшочке. А другая банка ждала своего часа. Через 8 дней растение не только не погибло, а даже выпустило несколько новых побегов. И он опять посадил грызунов в банки. В той, где росла мята — мышь была бодра и закусывала листиками. А в той, где мяты не было — практически моментально лежала дохлая мышиная тушка.

Опыты Пристли вдохновили ученых, и во всем мире начали отлавливать мелких грызунов и пытаться повторить его эксперименты.

Но мы же помним, что Пристли был священником и весь день, до вечерней службы мог заниматься исследованиями.

А Карл Шееле, аптекарь из Швейцарии, экспериментировал в домашней лаборатории в свободное от работы время, т.е. по ночам, и мыши дохли у него независимо от присутствия мяты в банке. В результате его экспериментов получалось, что растения не улучшают воздух, а делают его непригодным для жизни. И Шееле обвинил Пристли в обмане научной общественности. Пристли не уступил, и в результате противостояния ученых было установлено, что для восстановления воздуха растениям необходим солнечный свет.

Именно эти опыты положили начало изучению фотосинтеза.

Исследование фотосинтеза стремительно продолжалось. Уже в 1782 году, спустя всего лишь 11 лет после исследований Пристли, швейцарский ботаник Жан Сенебье доказал, что органоиды растений разлагают углекислый газ в присутствии солнечного света. И практически еще сто лет провальных и удачных экспериментов понадобилась ученым разных специальностей, чтобы в 1864 году немецкий ученый Юлиус Сакс смог доказать, что растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород в соотношении 1:1.

Биология. 6 класс. Рабочая тетрадь № 1.

Рабочая тетрадь разработана к учебнику «Биология. 6 класс» (авт. И.Н. Пономарева, О.А. Корнилова, В.С. Кучменко), входящему в систему «Алгоритм успеха». Содержит проблемные и тестовые задания, позволяющие учителю организовывать дифференцированную практическую работу шестиклассников, формировать основные биологические понятия, эффективно осуществлять контроль знаний, привлекая учащихся к самооценке учебной деятельности.

Купить

Значение фотосинтеза для жизни на Земле

И теперь становится понятна важность процесса фотосинтеза для жизни на земле. Именно благодаря этому сложному химическом процессу стало возможно зарождение жизни на земле и существование человека.

Кто-то может возразить, что на Земле есть места, где не растут ни деревья ни кустарники, например, пустыни или Арктические льды. Ученые доказали, что доля кислорода, выделяемого зеленой массой лесов, кустарников и трав — т. е. растений, что обитают на поверхности суши, составляет всего около 20% газообмена, а 80% кислорода приходится на мельчайшие морские и океанские водоросли, которые потоками воздуха переносятся по всей планете, позволяя дышать животным в экстремальных, практически лишенных растительности регионах нашей удивительной планеты.

Благодаря фотосинтезу вокруг нашей планеты сформировался защитный озоновый экран, защищающий все живое на земле от космической и солнечной радиации, и живые организмы смогли выйти на сушу из глубин океана.

Подробнее о «великой кислородной революции» можно прочитать в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А.А. Каменского на портале LECTA.

К сожалению, в настоящее время кислород потребляют не только живые существа, но и промышленность. Уничтожаются тропические леса, загрязняются океаны, что приводит к снижению газообмена и увеличению дефицита кислорода.

Определение и формула фотосинтеза

Определение и формула фотосинтеза

Слово фотосинтез состоит из двух частей: фото — «свет» и синтез — «соединение», «создание». Если подходить к определению упрощенно, то фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах.

Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста:

Вода + квант света + углекислый газ → кислород + углевод

или (на языке формул):

6СО₂ + 6Н₂О → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Если копнуть поглубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, выяснится удивительная вещь: вода и углекислый газ ни в одной из структурных частей листа непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

Фазы фотосинтеза

К фотосинтезу способны не только растения, но и многие одноклеточные животные благодаря специальным органоидам, которые называются хлоропласты.

Хлоропласты — это пластиды зеленого цвета фотосинтезирующих эукариот. В состав хлоропластов входят:

1. две мембраны;
2. стопки гранов;
3. диски тилакоидов;
4. строма — внутреннее вещество хлоропласта;
5. люмен — внутреннее вещество тилакоида.

Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как понятно из названия, световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света. Название темновая фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. Т.е. для реакций, происходящих в этой этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта.

Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человечеству кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н₂О.

Н₂О → Н+ + ОН-

Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида.

Получается такой бутерброд: с одной стороны отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида.

Гидроксильные ионы идут на производство кислорода:

4ОН → О₂ + 2Н₂О

Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов.

Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования.

На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу.

Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза:

1. Фотон попадает на хлорофилл с выделением электронов.
2. Фотолиз воды.
3. Выделение кислорода.
4. Накопление НАДФН+.
5. Накопление АТФ.

У некоторых растений фотосинтез идет по упрощенному варианту, который называется «циклическое фосфорилирование» и разбирается этот процесс в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А. А. Каменского на портале LECTA.

Что ещё почитать?

Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза — совокупность ферментативных реакций, которые происходят в строме хлоропласта. Результатом таких реакций является восстановление поглощенного СО₂ при помощи НАДФН+ и АТФ из световой фазы, а еще – синтез сложных органических веществ.

В настоящее время учеными открыто три различных варианта реакций, протекающих в темновую фазу фотосинтеза.

В зависимости от метаболизма, СО₂ растения делят на:

1. С₃-растения — большинство сельскохозяйственных культур, произрастающих в умеренном климате, у которых в результате реакций СО₂ превращается в фосфоглицериновую кислоту.
2. С₄-растения — растения тропиков и субтропиков, наиболее живучие сорняки. У этих растений в результате реакций СО₂ превращается в оксалоацетат.
3. САМ-растения — особый тип С₄-фотосинтеза у растений, испытывающих дефицит влаги.

Более подробно остановимся на реакциях С₃-фотосинтеза, присущих большинству растений и носящих название цикл Калвина.

Мелвин Калвин, американский химик, в 1961 году за определение последовательности реакций при усвоении СО₂ был удостоен Нобелевской премии в области химии.

В ходе реакций цикла образуется глюкоза. Чтобы получилась всего лишь одну молекулу глюкозы, последовательные реакции цикла Кальвина одна за другой происходят целых шесть раз и на ее построение тратится шесть молекул СО₂, восемнадцать молекул АТФ, двенадцать НАДФН+ и двадцать четыре протона.

В ходе дальнейших исследований с меченым радиоактивным углеродом было установлено, что у некоторых тропических и субтропических растений синтез углеводов идет другим путем. И в 1966 году австралийские ученые М. Хетч и К. Слэк описали С₄-фотосинтез, который в их честь называется циклом Хетча-Слэка.

Главное отличие этих путей фотосинтеза в том, что у С₃-растений процесс фотосинтеза протекает лишь в клетках мезофилла, а у С₄-растений как в клетках мезофилла, так и в клетках обкладки сосудистых пучков.

На первый взгляд, увеличение количества реакций может показаться лишенным смысла. Однако в природе не существует ничего бессмысленного или излишнего. И путь С₄-фотосинтеза — эволюционное приспособление растений к более сухому и жаркому климату. Произрастание в условиях ограниченного водоснабжения привело к снижению транспирации для уменьшения потерь

Роль Углекислого газа (СО2) в жизни Растений

 Проблема, которая рассматривается в этой статье, порой становится камнем преткновения к хорошим заработкам не только для малых, частныхтеплиц, но даже и для промышленных крупных. Зачастую далеко не всякий человек, даже тот, кто построил хорошую теплицу, отвечающую всем современным требованиям и хорошо сохраняющую тепло, придает этой проблеме должное значение. И когда эта теплица начинает приносить ему доход меньше, чем тот на который он рассчитывал, просчитывая ее постройку, чем его прошлая, практически примитивная – он расстраивается и недоумевает, почему ? А как ? Ведь в новой и герметичность лучше, и больше тепла и света – созданы все условия, чтобы урожайность, а как следствие и доходность была выше, а — нет! А все дело в доступе углекислого газа в теплицу. В старую, он проникал из атмосферы, и все ее щели играли “на руку” урожайности, а в новой такой современной, герметичной, светлой и хорошо освещенной — его не хватает.

Ведь углекислый газ очень важен для фотосинтеза растений. Многие это знают, но порой упускают это обстоятельство. Фотосинтез – это химический процесс, во время которого энергия света используется для того, чтобы преобразовать углекислый газ и воду в сахар у зеленых растений. А как не крути, но цель каждого, кто занимается тепличным хозяйством – это увеличение продуктивности растений за счет прироста массы органического вещества. Вот и получается очевидный ответ на вопросы: а почему? А как ?

Углекислый газ порой называют удобрением для растений. Вот только несколько примеров работы углекислого газа: у цветущих растений наступает более ранее цветение, урожайность плодов увеличивается, у роз реже отмирают бутоны и получаются более крупные цветы. Порой углекислый газ играет в вопросе урожайности даже более весомую роль, чем минеральные удобрения. Потому что 94% своей сухой массы растение синтезирует из воды и углекислого газа, и только оставшиеся 6% из минеральных удобрений. Доказательством важности углекислого газа в жизни растений является и тот факт, что было подмечено, что в зимнее время года более продуктивно растут растения по краям теплицы, чем в центре. Потому что, как бы не была теплица герметична, воздух все таки в нее проникает, а с ним и углекислый газ, но до ее центра он не доходит, так как поглощается растениями.

Искусственное увеличение углекислого газа в теплице – вот решение для подъема урожайности. Углекислый газ желательно добавлять в пространство теплицы еще до рассвета, так как доказано, что фотосинтез наиболее активно протекает у растений именно в утренние часы. Конечно же, перебарщивать с этой добавкой не стоит, так как для разных растений требуемый уровень углекислого газа разный. Но оптимальным содержанием считается значение 1300 ppm (частиц на миллион частиц). Если добиться такого показателя в теплице и его поддерживать, то можно смело надеяться, что урожайность нашей теплицы поползет вверх. Следить за уровнем углекислого газа нужно еще и потому, что он будет перерабатываться не только культурами, что мы выращиваем, но и теряться через вентиляцию и микрощели нашей теплицы.

 

Оборудование СО2

Хлорофилл роль в фотосинтезе — Справочник химика 21

    Какую роль играет хлорофилл в фотосинтезе  [c.164]
    Важнейшее значение для питания растений имеют азот, фосфор и калий, от которых зависят обмен веществ в растении и его рост. Азот входит в состав белков и хлорофилла, принимает участие в фотосинтезе. Соединения фосфора играют важную роль в дыхании и размножении растений, участвуя в процессах превращения углеводов и азотсодержащих веществ. Калий регулирует жизненные процессы, происходящие в растении, улучшает водный режим, способствует обмену веществ и образованию углеводов в тканях растений. [c.240]

    Хлорофилл (разд. 25.1)-пигмент, содержащийся в листьях растений, который играет главную роль в превращении солнечной энергии в химическую в процессе фотосинтеза. [c.466]

    Энергия, необходимая для восстановления углекислоты, доставляется в виде световой энергии, поглощается хлорофиллом и используется для фотохимической реакции. Таким образом, хлорофилл в процессе фотосинтеза играет роль фотосенсибилизатора. Поглощая световую энергию, он претерпевает изменения, а затем отдает эту энергию другим веществам и возвращается в исходное состояние. Эта роль хлорофилла в фотосинтезе была впервые открыта К. А. Тимирязевым, а затем подтверждена другими исследователями. [c.123]

    В живых организмах различные классы комплексных соединений выполняют специфические функции в обмене веществ. Исключительно велика роль природных комплексных соединений в процессах дыхания, фотосинтеза, биологического окисления и в ферментативном катализе. Так, например, ионы Ре ,М + в качестве комплексообразователей входят в состав важнейших природных соединений — гемоглобина и хлорофилла. Структурные формулы этих веществ весьма сложные. Тем не менее общий принцип их построения можно выразить следующей схемой  [c.207]

    Как указывалось на стр. 218 и сл., первичный эффект при действии излучения состоит в создании либо энергетически богатых молекул, либо осколков молекул (обычно атомов или свободных радикалов). Молекулы, обладающие высокой энергией, могут переходить в конечные продукты (по-видимому, достаточно редко) или же диссоциировать на свободные радикалы или атомы. В некоторых случаях такие молекулы могут сталкиваться с другими молекулами и действовать как сенсибилизаторы. Наилучшим примером последнего случая может служить действие атомов ртути, поглощающих линию 2537 А. Хлорофилл при фотосинтезе в растениях, несмотря на значительно более сложный характер процессов по сравнению с процессами, протекающими под действием атомов ртути, выполняет, по существу, поскольку в конечном счете он не изменяется, такую же роль фотосенсибилизатора. [c.236]

    Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла — зеленого красящего вещества растений, играющего роль своеобразного катализатора, переносчика солнечной энергии. Хлорофилл — это сложное органическое соединение, центральную часть которого составляют четыре ядра азотистого гетероцикла — пиррола, окружающие атом магния. Хлорофилл получен синтетически, выделять его в чистом виде из растений научились значительно раньше. [c.304]

    Чтобы понять роль хлорофилла в фотосинтезе, важно иметь подробные сведения о природе наиболее низкого возбужденного состояния молекулы хлорофилла, так как сенсибилизация должна быть обусловлена взаимодействием хлорофилла в этом возбужденном состоянии с первичным субстратом или субстратами сенсибилизации (например, с комплексом СО2 , представляющим собой результат соединения СОд с акцептором или с окислителем Н2О см. т. I, гл. VII). Если это взаимодействие по своей природе является обратимым окислительно-восстановительным процессом, что можно считать вероятным, то анализ природы возбужденного состояния может позволить сделать определенные выводы относительно наиболее вероятного типа окислений (или восстановлений). Теоретический анализ спектров [c.26]

    Комплексообразователем в хлорофилле выступает магний, а в гемоглобине — железо. В одной плоскости с металлом располагаются четыре атома азота органического лиганда. По одну сторону от плоскости железо присоединяет молекулу белка (глобина), а по другую сторону — молекулу кислорода. Такой продукт называется оксигемоглобином. Он образуется в легких, где гемоглобин присоединяет кислород воздуха и далее в виде оксигемоглобина разносится по всему организму. В кровеносных капиллярах происходит отщепление кислорода, который используется для осуществления различных ферментативных процессов окисления органических веществ. Гемоглобин возвращается в легкие и снова участвует в переносе кислорода. Хлорофилл играет важнейшую роль в процессах фотосинтеза, протекающих во всех зеленых растениях. [c.154]

    Первичным эффектом излучения, как было указано на стр. 11, является образование либо молекул с повышенной энергией, либо осколков молекул, обычно атомов или свободных радикалов. Молекулы с повышенной энергией могут (вероятно, редко) перегруппировываться в конечные продукты реакции немедленно или после ряда превращений или же они могут в конце концов диссоциировать на свободные радикалы или атомы. В некоторых случаях они могут сталкиваться с другими молекулами и передавать им частично или полностью свою энергию. В таких случаях они выполняют роль, как говорят, сенсибилизаторов. Наилучшим примером последних служит действие атомов ртути, которые поглощают излучение длины волны 2537 А и вызывают множество химических реакций. Атомы ртути не уводятся из сферы реакции надолго. Роль хлорофилла в фотосинтезе растений, несмотря на значительно более сложное строение его, чем ртутных атомов, является по существу ролью фотосенсибилизатора, поскольку он в конечном счете не изменяется. [c.29]

    Велика роль координационных соединений в жизнедеятельности животных и растительных организмов. Достаточно назвать гемоглобин — переносчик кислорода в крови, хлорофилл, с которым связаны процессы фотосинтеза в растениях. [c.244]

    Не менее важной заслугой Тимирязева является открытие роли хлорофилла как сенсибилизатора фотохимических реакций, происходящих при фотосинтезе. Он экспериментально установил, что фотосинтез осуществляется преимущественно п красных и синих лучах видимого спектра. Тимирязев провел следующий опыт. Ряд стеклянных трубочек, наполненных смесью воздуха и диоксида углерода и содержащих по одному одинаковому зеленому листу, был выставлен на разложенный с помощью трехгранной призмы солнечный свет так, что в каждой части солнечного спектра находилась одна трубочка. Через каждые несколько часов определялось содержание диоксида углерода в трубочках. Оказалось, усвоение СО2 происходит только в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом, т. е. в красных, оранжевых и желтых частях спектра. Некоторые результаты опыта представлены на ркс. 49 в виде графика, на котором по оси ординат отложены количества поглощенной СО2 в каждой из трубочек. [c.176]

    Гемоглобин и миоглобин —комплексы железопорфиринов с белками, выполняющие функцию фиксации и транспорта молекулярного кислорода в организмах животных. Цитохромы, имеющие аналогичную принципиальную структуру, выполняющие роль переносчика электрона в схемах фотосинтеза, дыхания, окислительного фосфорилирования и др. окислительно-восстановительных реакциях, найдены у всех животных, растений и микроорганизмов. Хлорофиллы — главные участники процессов фотосинтеза — содержатся в высших растениях, водорослях и фотосинтезирующих бактериях. [c.265]

    Несмотря на чрезвычайно малое содержание микроэлементов в растениях, роль их очень велика при достаточном наличии микроудобрений образование хлорофилла повышается, интенсивность фотосинтеза возрастает, деятельность ферментативного комплекса усиливается, дыхание растений улучшается, восприимчивость растений к заболеваниям понижается. Все это приводит к повышению урожайности. [c.423]

    Хлорофилл Ь непосредственно не участвует в фотосинтетических превращениях. Его роль состоит в том, что он улавливает и собирает свет. После фотовозбуждения хлорофилл Ь быстро передает избыточную энергию молекуле хлорофилла а, которая затем принимает непосредственное участие в превращениях фотосинтеза. [c.162]

    Вся жизнь на земле в конечном счете зависит от синтеза углеводов за счет усвоения углекислоты из атмосферы. Солнечный свет обеспечивает энергией этот процесс, в целом известный под названием фотосинтеза. Первой стадией фотосинтеза является поглощение фотона пигментами в многоклеточных растениях наиболее важную роль играет хлорофилл-а. Энергия фотона трансформируется в химическую энергию, обеспечивающую протекание реакции СО2—и образование углерод-углеродных связей эта реакция представляет собой восстановительное карбоксилирование, со- [c.216]

    Однако суммарное уравнение фотосинтеза не дает представления о его механизме. Это сложный многоступенчатый процесс, в котором с биохимической точки зрения центральная роль принадлежит хлорофиллу — органическому веществу зеленого цвета. [c.608]

    Важную роль играет сенсибилизация в фотосинтезе, где в качестве сенсибилизатора выступает хлорофилл. [c.160]

    Из курса биологии известно, что азот играет огромную роль в жизни. Об азоте говорят он более драгоценен, чем самые редкие из благородных металлов. Мы знаем, что он входит в состав белковых веществ — основы жизни (содержание азота в белках достигает 16—18%), а также в состав других органических соединений, в том числе хлорофилла. При недостатке азота рост растений задерживается, листья приобретают сначала бледно-зеленую окраску, затем желтеют и процесс фотосинтеза прекращается. Между тем растения не могут усваивать свободный азот из воздуха и азот органических веществ из почвы. Они извлекают азот из почвы в виде ионов аммония NH + и нитратных ионов NOa . Эти ионы образуются при участии бактерий из органических соединений азота. Однако, некоторые бактерии переводят азот в свободное состояние. [c.59]

    Комплексообразователем в хлорофилле выст пает магний, а в гемоглобине — железо. В одной плоскости с металлом располагаются четыре атома азота органического лиганда. По одну сторону от плоскости железо присоединяет молекулу белка (глобина), а по другую — молекулу кислорода. Такой продукт называется оксигемоглобином. Он образуется в легких, где гемоглобин присоединяет кислород воздуха и далее в виде оксигемоглобина разносится по всему организму. Хлорофилл играет важнейшую роль в процессах фотосинтеза, протекающих во всех зеленых растениях. [c.110]

    Пластиды — это органеллы клеток растений, выполняющие различные функции. Наиболее важную роль играют хлоропласты, содержащие-хлорофилл структуры, в которых протекает фотосинтез. Как и в митохондриях, в хлоропластах имеется складчатая внутренняя мембрана и некоторое количество ДНК небольшого молекулярного веса. [c.34]

    Соединения азота. Азот — важнейший элемент питания, необходимый для нормального развития растений. Он входит в состав белков (до 16—18 % их массы), нуклеиновых кислот, нуклеопротеидов, хлорофилла, гемоглобина, фосфатидов, алкалоидов. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новых клеток. В формировании почвенного покрова и плодородия экосистем, в повышении продуктивности земледелия и улучшении белкового питания человека азот столь же незаменим, как углерод. [c.66]

    В дореволюционной России систематических исследований в области химии лекарственных веществ почти не проводилось. Между тем, замечательные открытия А. М. Бутлерова (1828—1886), создавшего теорию химического строения, Н. Н. Зинина (1812—1880), впервые получившего анилин из нитробензола и положившего этим начало синтезу искусственных красителей, исследования А. А. Воскресенского (1809—1880) и А. Н. Вышнеградского (1851—1880) в области установления строения алкалоидов, Н. И. Лунина (1854—1937), открывшего существование и значение витаминов, К. А. Тимирязева (1843—1920), выявившего роль хлорофилла в фотосинтезе у растений, и исследования многих других русских ученых в различных разделах химии и биологии, в значительной мере способствовали развитию естественных наук, а в том числе и химии физиологически активных и биологически важных веществ. Вместе с тем, Россия не имела собственной фармацевтической промышленности. Огромные сырьевые возможности использовались в самой незначительной мере. Потребность в лекарственных средствах удовлетворялась почти исключительно за счет импорта. [c.12]

    Детали синтеза углеводов и механизмов фотофосфорилирования лежат за пределами настояш,ей книги. Однако мы остановимся здесь на роли в этих процессах пигментов, поскольку они имеют фундаментальное значение в улавливании и утилизации энергии света. Светособирающая роль хлорофилла в фотосинтезе— вероятно, наиболее яркий пример специфических биологических фотофункций природного пигмента. Функционирование каротиноидов и фикобилинов в качестве вспомогательных пигментов также прямо связано с их светопоглощающими свойствами. Другие окрашенные молекулы, в том числе цитохромы и флавопротеины, участвуют в фотосинтезе как часть электронтранспортных систем способность этих соединений поглощать видимый свет не имеет отношения к их функционированию. Ниже будут освещены вопросы о том, как поглощающие свет пигменты расположены в фотосинтетическом аппара- [c.328]

    Феопорфирин а и дезоксофилоэритрин были получены полным синтезом (Г. Фишер), причем подтвердилось приведенное выше строение хлорофиллов. Недавно был осуществлен полный синтез хлорофилла одновременно двумя коллективами одним — под руководством Р. Б. Вудворда и другим — под руководством М. Стрелла и А. Коло-янова (1960 г.). О роли хлорофилла в фотосинтезе в зеленых листьях уже говорилось. [c.634]

    В главе XIV мы увидим доказательства в пользу существования хлорофилл-белкового комплекса. Сохранность этого комплекса может быть необходима для фотосинтетической способности хлорофилла. Были разработаны различные методы экстрагирования этого комплекса из листьев, и оказалось, что такие экстракты имеют некоторые из свойств хлорофилла в листе (например, абсорбционный спектр, химическая устойчивость и флуоресценция). Однако и у них отсутствовала фотосинтетическая активность. Эйслер и Порт-гейм [21] сообщили, что искусственные хлорофилл-белковые комплексы, приготовленные добавлением лошадиного серума к хлоро-фильным растворам, могут восстанавливать двуокись углерода и выделять кислород на свету однако методы этих исследователей были грубы и отсутствовало детальное изложение опытов. Нет ничего удивительного в том, что хлорофилл-белковые комплексы неспособны к фотосинтезу, если вспомнить, что изолированные хлоропласты в лучшем случае сохраняют лишь часть своей нормальной фото-синтетической активности. Речь идет не о том, способны ли хлорофильные препараты к полному фотосинтезу, а о том, сохраняются ли в них какие-либо свойства, связанные с ролью хлорофилла в фотосинтезе. Как указано в главе Ш, эта роль сводится к утилизации световой энергии для переноса водородных атомов против градиента химического потенциала. Хлорофилл может это осуществлять или путем чисто физического переноса энергии к клеточной окислительно-восстановительной системе, или же, что более вероятно, прямым химическим участием в этой системе. Отсюда, следовательно, и возникает вопрос, образует ли хлорофилл in vitro окислительно-восстановительную систему, а если это происходит, то увеличивается ли при поглощении света окислительная способность окисленной формы или восстановительная способность восстановленной формы (или и то и другое). [c.73]

    Количественное исследование с различными растворителями и акцепторами и с различными интенсивностями света и длинами волн должно внести ясность в проблему сенсибилизированных хлорофиллом реакций in vitro. Это может явиться важным шагом вперед в понимании роли хлорофилла в фотосинтезе. Предпосылкой таких исследований является необходимость работы с чистыми свежими препаратами хлорофилла, а пе с грубыми экстрактами или препаратами, хранившимися продолжительное время. Окислительно-восстановительные свойства хлорофилла, повидимому, наиболее чувствительные признаки этого весьма чувствительного соединения, и они могут быстро изменяться при хранении не только в растворе, но и в сухом состоянии. [c.527]

    Современное состояние знаний о фотосинтезе является результатом двухвековой работы ученых. Сначала Пристли (1771 г.), затем Сенебьи (1782 I.) и Соссюр (1804 г.) установили выделение чистого воздуха (кислорода) и накопление углерода при фотосинтезе растений. Буссенго точно определил газообмен растений и первым установил, что при усвоении 6 моль СО2 выделяется 6 моль кислорода. Исключительно важную роль в развитии учения о фотосинтезе сыграли исследования Тимирязева. Он пришел к убеждению, что световая энергия, необходимая для фотосинтеза, поглощается хлорофиллом — сенсибилизатором фотосинтеза. Тимирязев писал Я был первым ботаником, заговорившим о законе сохранения энергии и соответственно с этим заменившим и слово свет выражением лучистая энергия [7]. [c.7]

    Мацков еще в 193S году обнаружил, что начиная с фазы колошения у пшеницы абсолютное и относительное содержание хлорофилла в листьях постепенно уменьшается, а в листовых влагалищах, стеблях и колосьях — возрастает. Эти факты были подтверждены позднее многими исследователями, изучавшими роль фотосинтеза колосьев в образовании зерна у пшеницы и других культурных злаков (ячмень, рис и др.). [c.61]

    В связи с различными условиями питания изучались рост и развитие корневой системы пшеницы, линейный рост растений, изменения структурных эле-> ментов урожаТ , а из физиологических показателей интенсивность и продуктивность фотосинтеза, содержание хлорофилла, роль ферментов (каталазы), показатели водного режима, накопление сухого вещества по орГ анам растения, ди .aмикa налива зерна и другие. -Все. эТи показатели каждый в отдельности и в совокупности должны были характеризовать значимость отдельных удобрений и их место в формировании урожая в конкретной обстановке (почвенная разность, сорт, различная водообеспеченность). [c.17]

    Комплексы с участием порфина называются порфи-ринами. Они отличаются друг от друга центральными ионами-комцлексообразователями и заместителями, присоединенными к атомам углерода на периферии лиганда. В наиболее простом виде порфиновый цикл представлен четырьмя атомами азота, соединенными углеродными цепями (рис. 3.4, а). Кроме того, имеются четыре или более заместителей — радикалов К], Кг, Кз, К4 — В зеленом катализаторе фотосинтеза — хлорофилле роль комплексообразователя выполняет магний (рис. 3.4, б). Макроциклический комплекс железа входит в состав гемоглобина (рис. 3.4, в). [c.74]

    Недавно А. Н. Терениным [291] была дана новая теория фотохимических реакций красителей, предполагаюш ая в качестве первичного фотохимического процесса превращение сенсибилизирующего красителя в состояние малоустойчивого бирадикала с двумя изолированными электронами. Такой, обладающий высокой активностью, бирадикал вступает затем во вторичные окислительно-восстановительные реакции. Эта теория приводит к новым точкам зрения на роль и судьбу хлорофилла при фотосинтезе. [c.310]

    История изучения фотосинтеза начинается с 1881 г., когда Ю.Л. Мейер доказал, что фотосинтез протекает в структурах листьев растений — хлоро-пластах. В 20-х годах XX в. К.А. Тимирязев исследовал роль специальных структур — пигментов, называемых хлорофиллами, в поглощении солнечного света (особенно красного и синего) и использовании световой энергии в фотосинтезе. В 1937 г. Р. Хилл открыл фотолиз воды, или фотохимическое окисление воды и образование кислорода, а в 50-х годах М. Калвин с сотрудниками изучили так называемую темновую стадию, во время которой образуются органические вещества. Фотосинтез протекает в хлоропла-стах, которые содержат все необходимое для синтеза органических соединений фоточувствительные пигменты, переносчики электронов, ферменты, коферменты, различные органические соединения, используемые в ходе биосинтеза на темновой стадии. Световая стадия фотосинтеза показана на рис. 39 и может быть описана суммарным уравнением  [c.92]

    Недавно удалось показать, что в порфириноподобных молекулах также происходят синглетно-триплетные переходы [21]. Исследовались как флуоресценция (т10 сек.) целого ряда веществ—зтиопорфиринов, фтало-цианинов и феофорбидов. Было обнаружено, что в молекулах с непарамагнитным металлическим ионом (соединения, содержащие Mg , 2п ) наблюдается яркая флуоресценция, тогда как молекулы, содержащие парамагнитные ионы (Си , N1 ), фосфоресцируют, но не флуоресцируют. Авторы цитируемой работы воспользовались своими результатами при обсуждении роли хлорофилла в фотосинтезе (см. гл. VI). [c.110]

    БольшуЕО роль играют хелатные соединения и в природе. Так, гемоглобин состоит из комплекса — гема, связанного с белком — глобином, В геме центральным ионом является ион Fe +, вокруг которого координированы четыре атома азота, принадлежащие к сложному лиганду с циклическими группировками. Гемоглобин обратимо присоединяет кислород и доставляет его из легких по кровеносной системе ко всем тканям. Хлорофилл, участвующий п процессах фотосинтеза в растениях, построен аналогично, но в качестве центрального иона содержит Mg +. [c.588]

    Процессы фотосинтеза весьма детально изучаются в течение ряда лет, однако они еще ни в коей мере не могут считаться окончательно выясненными. В особенности спорной является первая стадия фотосинтеза— образование восстанавливающего первичного продукта под действием света. Мы знаем, что для этого необходимы зеленые красители листьев —хлорофилл а и в некоторых ассимилирующих бактериях соответствуюн1ую роль играет бактериальный хлорофилл . Возможно, что для процессов ассимиляции необходимы также другие пигменты так, неоднократно высказывалось мнение, что в процессах ассимиляции принимает участие -каротин. [c.983]

    В конце XIX столетия польские ученые Ненцкий и Мархлевский установили, что в составе хлорофилла, так же как и в гемоглобине, центральное место занимает порфириновое кольцо, построенное из четырех молекул пиррола, соединенных мостиками из СН групп в центральной полости всей структуры помещается магний, так же как в гемоглобине железо. Этому важному открытию сразу приписали роль доказательства общности генезиса растений и животных. Это мнение еще усилилось недавно, когда открыто было, что и в растениях при фотосинтезе наряду с магниевым пор-фирином действует также и порфирин железный. [c.339]

    Поскольку при переходе в возбужденные состояния (синглетные и триплетные) энергия молекул повышается, последние приобретают химические свойства, которых не было у невозбужденных молекул [67, 67а]. Изменения значений рА а функциональных групп при переходе в возбужденное состояние могут приводить к диссоциации протонов или к их присоединению. Диссоциация на ионы или радикалы иногда сопровождается разрывом связей. Могут протекать реакции фотоприсоединения и фотоотш,епления, а также изомеризация молекул, играюш,ая важную роль в функционировании зрительных рецепторов. Возбужденные молекулы могут стать сильными окислительными агентами, способными принимать атомы водорода или электроны от других молекул. Примером такого рода служит фотоокисление ЭДТА рибофлавином (подвергающимся фотовосстановлению, как показано на рис. 8-15). Более важным с точки зрения биологии процессом является фотосинтез, в ходе которого возбужденные молекулы хлорофилла осуществляют фотовосстановление других молекул, временно оказываясь при этом в окисленном состоянии. К сожалению, ценность исследования фотохимических реакций сильно снижается возможностью протекания множества параллельных реакций, зачастую приводящих к образованию огромного количества разных фотохимических продуктов (достаточно взглянуть на тонкослойную хроматограмму продуктов распада рибофлавина, рис. 2-34). [c.33]

    Пигменты зеленых частей растений, содержащиеся в хлоропластах наряду с каротино-идами (в соотношении 3 1),-сине-зеленый хлорофилл а (XVI R = = Hj) и желто-зеленый хлорофилл 6 (XVI R = СНО), играющие важную роль в процессах фотосинтеза (см. Хлорофиллы). Кроме [c.491]

    Неравновесные электронно-возбужденные состояния молекул играют решающую роль в первичных актах фотосинтеза. Кванты света поглощаются системой молекул хлорофилла, затем по экситонному механизму энергия возбуждения передается димеру хлорофилла с послед, фотохим. разделением заряда. Порождаемые внеш. воздействием (светом, хим. превращениями в среде) неравновесно возбужденные атомы, молекулы, сложные мол. комплексы обусловливают высокую избирательность биохим. р-ций, управление и самоорганизацию хим., биол. и физиол. процессов, характерных для живой природы (см. Самоорганизация в неравновесных процессах). [c.219]

    Огромную роль в процессе фотосинтеза играет маг-нимсодержащий растительный пигмент хлорофилл, образующий комплексные соединения с белками и липидами хлор он ластов. Хлорофилл весьма близок по строению к гему. Показано, что и пути образования этих соединений принципиально одинаковы. [c.44]

    Азот — важнейший элемент питания, необходимый для нормального развития растений и живьк организмов. Он входит в состав белков (до 16-18% их массы), нуклеиновьк кислот, хлорофилла. Соединения азота играют большую роль в процессах фотосинтеза, обмена веществ, образования новьк клеток. [c.16]

    Экстрактивные вещества имеют важное практическое значение. Они играют очень большую роль в жизни дерева участвуют в процессе фотосинтеза (хлорофилл) служат резервными питательными веществами (крахмал, жиры и др.) обладая фунгицидным, бактерицидным и инсектицидным действием, обеспечивают устойчивость к дереворазрушающим фибам, микроорганизмам и насекомым (фенольные соединения) защищают при повреждениях (экссудаты). Экстрактивные вещества в значительной степени определяют цвет и запах древесины. Содержащиеся в некоторых древесных породах красители делают их древесину ценным отделочным материалом (красное дерево и т.п.). При механической переработке древесины экстрактивные вещества могут повлиять на ее обрабатываемость инструментами и привести к их коррозии. Экстрактивные вещества оказывают сильное влияние на проницаемость древесины и тем самым на процессы ее пропитки растворами антисептиков, антипиренов и химических реагентов. [c.501]

---

Биолого-почвенный факультет

Вопросы для самоподготовки по дисциплине Б1.Б.17 Физиология растений

Тема 1. ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Основные понятия и термины, обязательные для изучения:

Физиология растений, 4 типа превращения: превращение вещества, энергии, информации, формы; лабораторный, вегетационный, полевой методы исследования; основные компоненты типичной растительной клетки, функции отдельных компартментов. Клеточная стенка, структурный компонент, матрикс, инкрустирующий и адкрустирующий компоненты и их функции, первичная, вторичная и третичная клеточная стенка, их биогенез, эволюция клеточной стенки, вакуоли, тонопласт. Внутриклеточные системы регуляции: ферментативная, генетическая, мембранная, рецепторно-конформационный принцип. Межклеточные системы регуляции: трофическая, гормональная, электро­физиологическая, потенциал покоя, действия. Диффузия и осмос, плазмолиз и его разновидности, осмотические показатели клетки и взаимосвязь между ними.

Контрольные вопросы по теме «Физиология растительной клетки»:

1. Особенности строения растительной клетки, связанные с фотоавтотрофным типом питания.
2. Химический состав и структура клеточной стенки растительных клеток.
3. Функции клеточной стенки растительных клеток.
4. Химический состав и функции вакуолей.
5. Микротельца растительной клетки (глиоксисомы, пероксисомы, олеосомы) и их функции.
6. Перечислите физиологические системы растительного организма с указанием их основных функций.
7. Укажите, какой принцип положен в основу внутриклеточной регуляции процессов. На чём он основан?
8. Ферментативная и генетическая регуляция внутриклеточных процессов. Охарактеризуйте их суть и кратко опишите.
9. Изложите способы передачи внеклеточных сигналов в клетку.
10. Кратко опишите межклеточные системы регуляции.

Пример тестовых заданий по теме «Физиология растительной клетки»:

1.          Раздел физиологии растений, в котором изучается цикл Кальвина

а) дыхание

б) водный режим

в) минеральное питание

г) фотосинтез

д) устойчивость

2.         Основателем физиологии растений как науки считают

а) Я. Шлейдена

б) В. Полевого

в) Ж. Сенебье

г) М. Чайлахяна

д) А. Фаминицына

3.         Основоположники клеточной теории

а) Гаффрон и Вольф

б) Кальвин и Бэнсон

в) Янсон и Левенгук

г) Мальпиги и Бэр

д) Шванн и Шлейден

4. Органоид растительной клетки, с которым наружная мембрана ядра имеет непосредственную связь

а) аппарат Гольджи

б) хлоропласт

в) эндоплазматический ретикулум

г) митохондрия

д) вакуоль

5. «Завод» по строительству элементов плазмалеммы и клеточной стенки с собственным «транспортным средством»

а) эндоплазматический ретикулум

б) ядро

в) аппарат Гольджи

г) рибосома

д) диктиосома

е) центриоль

6. Протопласт-цитоплазма=

а) плазмалемма

б) органоиды

в) гиалоплазма

г) ядро

д) клеточная стенка

е) ничего

7. Какие из перечисленных структур формируют цитоскелет растительной клетки?

а) центриоли

б) микротрубочки

в) микрофиламенты

г) включения

д) клеточная стенка

е) ядро

ж) вакуоль

8. Способный к автономному делению органоид, имеющийся как у растительных, так и у грибных клеток

а) аппарат Гольджи

б) хлоропласт

в) эндоплазматический ретикулум

г) митохондрия

д) центриоль

9. Клеточный органоид, к которому относится наибольшее число терминов из списка: тонопласт, хлорофилл, матрикс, грана, одинарная мембрана, хроматин, диктиосомы, тилакоид, везикулы, нуклеоплазма, кристы, строма, двойная мембрана, микротрубочки, цикл Кальвина, ламелла

а) ядро

б) аппарат Гольджи

в) хлоропласт

г) эндоплазматический ретикулум

д) митохондрия

10. Пластиды растительной клетки, основной функцией которых является накопление запасных веществ

а) хромопласты

б) лейкопласты

в) хлоропласты

г) пропластиды

д) этиопласты

 

Тема 2. ФОТОСИНТЕЗ

Основные понятия и термины, обязательные для изучения:

Хлоропласта, тилакоиды, граны, строма, ламеллы. Фотосинтетические пигменты: хлорофиллы, каротиноиды, фикобилины; сопряженная система связей, π-электроны, вакантные орбитали, способы дезактивации возбужденного состояния хлорофилла. Хроматическая адаптация. Светособирающие комплексы, реакционные центры, элентрон-транспортные цепи, АТФ-синтазный комплекс, водорасщепляющий комплекс. Фотофизический, фотохимический и энзиматический этапы световой фазы. Фотосистемы: принцип работы, характеристика переносчиков, причины создания протонного градиента. Виды фотофосфорилированиящиклический, нециклический, псевдоциклический.

Темновая фаза фотосинтеза: метод меченых атомов, фиксация углекислого газа, разнообразие путей восстановления СО₂: цикл Кальвина, цикл Хэтча-Слэка, САМ-метаболизм, фотодыхание (линейное и циклическое), причины и условия фотодыхания, преимущество растений С4-типа перед растениями СЗ-типа.

Регуляция световой и темновой фаз: активность рибузодифосфат-карбоксилазы, дополнительный ССК2, геном и пластом, их взаимодействие, взаимодействие хлоропластов и цитоплазмы.

Экология фотосинтеза: спектр действия и ФАР, компенсационные пункты, ассимиляционное число, чистая и валовая продукция, продуктивность растений и пути повышения ее.

Контрольные вопросы по теме «Фотосинтез»:

1. Что такое фотосинтез? И в чём его космическая и планетарная роль?
2. Перечислите основные этапы формирования представлений о природе фотосинтеза.
3. Назовите фотосинтетические пигменты растений, какова их роль? В чём заключается явление хроматической адаптации?
4. На чём основано деление процесса фотосинтеза на световую и темновую фазы?
5. Составьте схему преобразования энергии в процессе фотосинтеза.
6. Дайте определение фотосинтетического фосфорилирования. Какие виды фотофосфорилирования Вам известны?
7. Назовите основные продукты световой фазы фотосинтеза.
8. Что такое темновая фаза фотосинтеза? Как связаны световая и темновая фазы?
9. Какие пути ассимиляции СО₂ в растениях Вам известны?

10. В чём сходство и различие ферментов рибулозодифосфаткарбоксилазы и фосфоенолпируваткарбоксилазы?

 

Пример тестовых заданий по теме «Фотосинтез»:

1. Балансовое уравнение фотосинтеза 6СО₂+6Н₂О=С₆Н₁₂О₆+6О₂ было предложено

а) Тимирязевым

б) Кальвином

в) Буссенго

г) Сенебье

д) Ингенхаузом

2. Фотосинтетический аппарат растительной клетки локализован в

а) клеточных мембранах

б) мембране хлоропластов

в) строме хлоропластов

г) мембране и строме хлоропластов

д) цитоплазме

3. Выделяющийся в ходе фотосинтеза кислород отщепляется от:

а) СO₂

б) Н₂O

в) СО₂ и Н₂О

г) С₆Н₁₂O₆

4. Гипотезу о существовании двух типов фотосистем впервые высказали

а) Эмерсон и Арнольд

б) Пельтье и Каванту

в) Кальвин и Бассэм

г) Тимирязев и Фаминицын

д) Шванн и Шлейден

5. Темновые реакции фотосинтеза протекают

а) на свету

б) в темноте

в) на свету и в темноте

6. Основными продуктами световой фазы фотосинтеза являются:

а) углеводы

б) АТФ

в) углеводы и АТФ

г) углеводы, АТФ и НАДФН₂

д) АТФ и НАДФН₂

7. Первичным акцептором электронов в ФС-1 является:

а) феофитин

б) ферродоксин

в) пластоцианин

г) одна из форм хлорофилла

8. Первичным акцептором электронов в ФС-2 является

а) феофитин

б) ферродоксин

в) пластоцианин

г) одна из форм хлорофилла

9. Передача энергии светового возбуждения от ССК в РЦ фотосистем осуществляется в ходе:

а) фотохимической стадии световой фазы

б) фотохимической стадии темновой фазы

в) фотофизической стадии световой фазы

г) фотофизической стадии темновой фазы

10. Процесс биосинтеза АТФ в ходе световой фазы без участия ФС-2

а) возможен

б) невозможен

 

Тема 3. ДЫХАНИЕ

Основные понятия и термины, обязательные для обучения:

Анаболизм, катаболизм, свободная энергия, переносчики свободной энергии, субстраты дыхания, дыхательный коэффициент, аэробные, анаэробные дегидрогеназы, оксидазы, разнообразие путей дыхания, гликолиз, субстратное фосфорилирование, окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование, цианидрезистентное дыхание у растений, анаэробное дыхание, пентозофосфатный путь окисления глюкозы, глиоксилатный цикл, глюконеогенез, немитохондриальные оксидазы, оксигеназы (моно- и ди-), активные формы кислорода, супероксиддисмутаза, каталаза, энергетический выход, центральная роль цикла Кребса в клеточном метаболизме, активные метаболиты, взаимосвязь углеводного, липидного и белкового обменов, анаплеротические реакции, экология дыхания, регуляция.

Контрольные вопросы по теме «Дыхание»:

1. Охарактеризуйте значение процесса дыхания в жизнедеятельности растительного организма.
2. Какие основные пути дыхания различают? В чём их значение?
3. Составьте схему преобразования энергии в процессе аэробного дыхания.
4. В чём сходство и различие субстратного и фосфорилирования мембранного типа как двух форм окислительного фосфорилирования?
5. Перечислите, в какие метаболические пути может включаться конечный продукт гликолиза ПВК.
6. Охарактеризуйте кратко глиоксилатный путь дыхания.
7. Как связано дыхание с азотным обменом растений?
8. Из какого промежуточного продукта дыхания образуются жирные кислоты?
9. Составьте схему процессов, протекающих в растительной клетке. Для этого изобразить некую универсальную клетку, в которой происходят основные метаболические процессы как катаболические, так и анаболические, связанные между собой амфиболическим процессом – циклом Кребса. То есть в центре схемы находится цикл Кребса, которому отводится центральная роль в клеточном метаболизме.

Пример тестовых заданий по теме «Дыхание»:

1. К катаболическим (диссимиляционным) процессам относится

а) фотосинтез

б) трансляция

в) брожение

г) транскрипция

д) азотфиксация

2. Согласно современной теории биологического окисления в процессе дыхания происходит

а) присоединение кислорода к субстрату

б) передача электронов от донора к акцептору

в) передача протонов от донора к акцептору

г) передача протонов и электронов от донора к акцептору

д) высвобождение кислорода из субстрата

3. Балансовое уравнение С₆Н₁₂О₆ + 6СО₂= 6СО₂ + 6Н₂О реально протекающей при дыхании химической реакцией

а) является

б) не является

4. Процесс восстановления кислорода из воды и окисления субстрата до СО₂ в ходе внутриклеточного дыхания:

а) разделены во времени протекания

б) разделены в пространстве

в) разделены во времени и пространстве

г) объединены во времени протекания и в пространстве

5. Макроэргические связи в молекуле АТФ образованы

а) остатками фосфорной кислоты

б) аминогруппой в аденине

в) группами ОН в рибозе

г) связью аденина с рибозой

д) связью рибозы с остатками фосфорной кислоты

6. В процессе дыхания АТФ образуется в результате фосфорилирования:

а) окислительного

б) окислительного и субстратного

в) окислительного, субстратного и фотофосфорилирования

г) восстановительного

7. Основным поставщиком АТФ на восстановительный пентозофосфатный цикл (образование глюкозы) в растительной клетке является

а) дыхание

б) брожение

в) свободное окисление

г) световая фаза фотосинтеза

8. Процесс, являющийся начальной стадией как дыхания, так и брожения:

а) субстратное фосфорилирование

б) окислительное декарбоксилирование ПВК в)гликолиз

г) образование ацетил-КоА

д) образование молочной кислоты

9. Конечными акцепторами электронов и протонов при брожении являются:

а) кислород

б) вода

в) различные органические вещества

г) СO₂

д) коферменты НАД⁺ и НАДФ⁺

10. Аэробную фазу брожения составляет:

а) окислительное фосфорилирование

б) окислительное декарбоксилирование ПВК

в) гликолиз

г) гидролиз сахаров

д) ни один из перечисленных

 

Тема 4. ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ

Основные понятия и термины, обязательные для изучения:

Аномальные физико-химические свойства воды, водородные связи, поверхностное натяжение, адгезия, когезия. Свободная и связанная вода, осмотически связанная вода, коллоидно связанная вода, осмос, набухание биоколлоидов, осмотическое давление, уравнение Вант-Гоффа, тургор, сосущая сила, водный потенциал, матричный потенциал, гравитационный потенциал, осмотический потенциал, капиллярная вода, гравитационная вода, гигроскопическая вода, полевая влагоемкость, влажность завядания, мертвый запас, нижний концевой двигатель, верхний концевой двигатель, плач растений, гуттация, теория водного сцепления, кавитация, транспирация устьичная и кутикуллярная, замыкающие клетки, устьичная регуляция, показатели транспирации, пойкило- и гомойогидрические растения, гигрофиты, мезофиты, ксерофиты.

Контрольные вопросы по теме «Водный режим растений»:

1. Какова роль воды в растении?
2. Охарактеризуйте основные физические свойства воды.
3. Состояние воды в растении.
4. Какое значение имеют явление осмоса и процесс набухания биоколлоидов в поступлении воды в растение?
5. Какие особенности имеет корневая система растения в связи с поглощением воды из почвы?
6. Что является движущей силой поступления воды в растения?
7. Зависит ли поступление воды от дыхания растения?
8. Какие процессы определяют передвижение воды по растению?
9. Как регулируется процесс поступления и процесс испарения воды растением?
10. Какие типы приспособлений к недостатку влаги вы можете назвать?

Пример тестовых заданий по теме «Водный режим растений»:

1. При растворении солей количество кластеров в жидкой воде

а) уменьшается

б) увеличивается

в) не меняется

2. Соотношение скоростей поглощения и испарения воды растениями называется

а) водный режим

б) водный баланс

в) водообмен

г) водный дефицит

3. Тип связанной воды, наиболее свойственный для оболочек растительных клеток

а) коллоидно связанная

б) осмотически связанная

в) капиллярная

г) пленочная

4. Структура растительной клетки, содержащая наибольшее отношение объемов свободной воды к связанной (Vсвоб/Vсвяз):

а) цитоплазма

б) хлоропласт

в) ядро

г) вакуоль

д) клеточная стенка

5. Поступление воды в корень преимущественно осуществляется в зоне

а) корневого чехлика

б) растяжения

в) активных меристем

г) корневых волосков

д) ветвления

6. Радиальный транспорт воды в корне по апопластному пути происходит от ризодермы до:

а) эндодермы

б) паренхимы

в) перицикл

г) корневых волосков

д) сосудов ксилемы

7. Механизм восходящего тока воды у древесных растений при работе верхнего концевого двигателя объясняет теория:

а) адгезии

б) когезии

в) амнезии

г) гуттации

д) эвапорации

8. Сосущая сила клеток возрастает в системе:

а) корень-стебель-лист

б) лист-стебель-корень

в) стебель-корень-лист

9. Процесс транспирации запускает работу:

а) верхнего концевого двигателя

б) нижнего концевого двигателя

в) обоих механизмов

г) не связан с этими механизмами

10. Через раневые поверхности у лиственных деревьев в весенний период выделяется:

а) флоэмный сок

б) гутта

в) пасока

г) солод

д) вода

 

Тема 5. МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ

Основные понятия и термины, необходимые для изучения:

Биогенные элементы, макро-, микро- и ультрамикроэлементы, зольные элементы, органогены, растения — аккумуляторы, отражатели, индикаторы, гуматы, цеолиты, почвенный поглощающий комплекс, контактный обмен, физико-химическая адсорбция, свободные пространства, доннановский электропотенциал, трансмембранный перенос катионов и анионов, АТФ-азы, пирофосфатазы, первичный и вторичный активный транспорт, ближний и дальний транспорт, метаболическая роль тканей корня, коэффициент распределения, синтетическая деятельность корней, аминирование и переаминирование , физиологическая роль макро- и микроэлементов, редукция нитратов, круговороты азота в растениях и в природе, химическая и биологическая азотфиксация, свободно живущие и симбиотические азотфиксаторы, нитрогеназный комплекс, леггемоглобин, бактероиды, Nod-факторы и nod-гены, клубеньки, инфекционная нить, аммонификация, нитрификация, денитрификация, круговорот серы и фосфора, минеральные удобрения, физиологически кислые, основные и нейтральные соли, простые, сложные и комплексные удобрения, микроудобрения, бактериальные удобрения, гидропоника.

Контрольные вопросы по теме «Минеральное питание растений»:

1. Что такое органогены, макро-, микро- и ультрамикроэлементы?
2. Как происходит транспорт ионов в клетку. В чём роль клеточных стенок и мембран?
3. Как происходит транспорт ионов по тканям корня в радиальном направлении?
4. В чём различие ксилемного и флоэмного транспорта?
5. Восстановление нитратов до аммиака в зелёной водоросли хлорелла значительно ускоряется под влиянием света. Каков возможный механизм этого влияния?
6. Проследите биохимические метаболические пути молекул углекислого газа в растении, начиная с атмосферы и заканчивая их появлением в той или иной аминокислоте.
7. Поясок Каспари в эндодермальных клетках может играть роль в поглощении солей ксилемой корня, а также воды в условиях положительного корневого давления. Объясните функцию пояска Каспари в отмеченных явлениях.
8. В чём заключается синтетическая деятельность корней? Приведите примеры.
9. Что такое микориза и в чём её функция?

10.В чём сходство и различие свободноживущих, симбиотических и ассоциативных азотфиксаторов?

Пример тестовых заданий по теме «Минеральное питание растений»:

1. Основоположник теории минерального питания растений:

а) Прянишников

б) Гельмонт

в) Либих

г) Аристотель

д) Пристли

е) Сакс

2. Транспорт кислорода к бактероидам при симбиотическойазотфиксации осуществляет:

а) гемоглобин

б) нитрогеназа

в) леггемоглобин

г) молибден

д) оксигеназа

е) цитохромоксидаза

3. Соединение, присутствующее в составе растительной клетки в небольшом количестве:

а) белок

б) целлюлоза

в) липиды

г) вода

д) минеральные соли

4. Важнейшие органические соединения в растениях, в состав которых не входит азот:

а) хлорофиллы

б) белки

в) АТФ

г) ПВК

д) ФЕП-карбоксилаза

е) АБК

ж) НАДФН₂

з) цитокинины

5. Вид транспорта минеральных веществ, к которому относится загрузка ксилемы и флоэмы:

а) простая диффузия

б) активный транспорт

в) облегченная диффузия

г) диффузия через ионные каналы

6. Форма взаимодействия ионов в растворе, при которой суммарный эффект воздействия на растение много больше суммы каждого эффекта?

а) антагонизм

б) синергизм

в) аддитивное действие

7. Бактерии рода нитробактер участвуют в процессе:

а) симбиотической азотфиксации

б) несимбиотической азотфиксации

в) аммонификации

г) нитрификации

д) денитрификации

8. Нитритредуктаза осуществляет катализ процесса:

а) восстановление NO₃^—

б) восстановление молекулярного азота до аммония

в) восстановление NO₂^—

г) аммонификация

д) аминирование кетокислот

е) окисление аммония до нитратов и нитритов

9. Карбоновые кислоты, участвующие в процессе первичного аминирования в ходе круговорота азота в растении:

а) яблочная

б) фумаровая

в) α-кетоглутаровая

г) изолимонная

д) аспарагиновая

е) глутаминовая

ж) ЩУК

10. Процесс азотного обмена в растениях, требующий затраты НАДФН_2:

а) редукция нитратов

б) редукция нитритов

в) первичное аминирование кетокислот

г) переаминирование

д) образование амидов

е) дезаминирование

 

Тема 6. РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ

Основные понятия и термины, обязательные для изучения:

Определение понятия рост, развитие, генотип, фенотип, морфогенез, органогенез, эмбриональная фаза роста клетки, фаза роста растяжением, фаза дифференциации клетки, старение и смерть дифференцированной клетки, базальный, апикальный, латеральный, интеркалярный типы роста, кривая роста Сакса: лог-фаза, лаг-фаза, фаза торможения роста, критерии роста, скорость роста, влияние внешних факторов на рост, фитогормоны: ауксины, цитокинины, гиббереллины, абсцизовая кислота, этилен, жасминовая кислота, брассинстероиды, их биогенез физиологические эффекты, место синтеза, транспорт, ростовые движения: тропизмы и настии, циркадные ритмы, сезонная периодичность, глубокий и вынужденный покой растений, скарификация, стратификация, метод теплых ванн. Этапы развития растений: эмбриональный, ювенильный, зрелости и размножения, старости и отмирания как этапы программы онтогенеза, влияние внешних условий на развитие растений — фотопериодизм, яровизация, роль фитохрома, криптохрома, антезина. Детерминация пола у растений.

Контрольные вопросы по теме «Рост и развитие растений»:

1. Различие понятий «рост» и «развитие». Разделены ли эти процессы в жизни растений?
2. Охарактеризуйте эмбриональную фазу развития клетки.
3. Известно, что рост клеток растяжением – это быстрый рост. Чем он достигается? Почему он свойственен только растениям?
4. Что происходит на этапе дифференциации в онтогенезе клетки?
5. Кратко охарактеризуйте гормоны-активаторы.
6. Кратко охарактеризуйте гормоны-ингибиторы.
7. Типы роста растений. На чём основано выделение типов роста?
8. Какую адаптивную роль выполняет покой растений? Чем отличаются вынужденный и глубокий виды покоя?
9. Назовите фазы онтогенеза растений. Чем они отличаются друг от друга?
10. В чём значение фотопериодизма и яровизации?

Пример тестовых заданий по теме «Рост и развитие растений»:

1. Фаза начального медленного роста растений, связанная с процессом первичной адаптации к внешним условиям

а) лаг-фаза

б) лог-фаза

в) экспоненциальная

г) фаза замедления роста

2. Критерии роста растений:

а) увеличение площади листьев

б) увеличение длины и толщины стебля

в) дифференцировка клеток

г) прирост биомассы

д) переход к генеративной фазе

е) увеличение содержания белков в клетках

3. Критерии развития растений

а) увеличение площади листьев

б) увеличение длины и толщины стебля

в) дифференцировка клеток

г) прирост биомассы

д) переход к генеративной фазе

е) увеличение содержания белков в клетках

4. В эмбриональную фазу онтогенеза растительной клетки происходят процессы:

а) роста растяжением

б) митоза

в) подготовки к делению

г) дифференцировки

д) интенсивного увеличения объема

5. В онтогенезе животных клеток, в отличие от растительных, отсутствует фаза:

а) эмбриональная

б) дифференцировки

в) замедления роста

г) роста растяжением

д) старения и смерти

6. В процессе старения растительной клетки цитоплазма:

а) закисляется

б) защелачивается

в) нейтрализуется

г) среда не меняется

7. Термин «многосетчатый рост» характеризует особенности роста:

а) наружной мембраны ядра

б) плазмалеммы

в) клеточной стенки

г) диктиосом аппарата Гольджи

д) цитоскелета

8. Набор хромосом, образующийся в результате слияния спермия с центральной клеткой зародышевого мешка у цветковых растений:

а) диплоидный

б) триплоидный

в) тетраплоидный

г) полиплоидный

9. Рост стебля покрытосеменных растений в длину обеспечивается меристемами:

а) апикальными

б) латеральными

в) интеркалярными

г) инициальными

д) маргинальными

10. Примерами травматической регенерации у растений являются:

а) восполнение отмерших клеток корневого чехлика

б) восстановление утраченных апикальных меристем

в) замена старых элементов флоэмы новыми

г) заживление ран

д) пасынкование и пикировка

 

Тема 7. УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ

Основные понятия и термины, обязательные для изучения:

Стресс, стрессоры, фазы стрессовой реакции у растений, гормоны-ингибиторы, механизмы устойчивости на клеточном, организменном и популяционном уровнях, биологическая и агрономическая устойчивость, холодостойкость, мороустойчивость, криопротекторы, теория закаливания, зимостойкость, выпревание, вымокание, ледяная корка, выпирание, зимняя засуха. Жаростойкость растений, термофилы, тепловой шок. анатомические приспособления, биохимическая адаптация, синтез белков теплового шока, шапероны, убиквитины. Солеустойчивость, гликофиты, галофиты: эугалофиты, нриногалофиты, гликогалофиты, хлоридный, сульфатный и карбонатный типы засоления, промывка почв, гипсование. Гипоксия, аноксия, активация гликолиза, обращение дикарбоновой части цикла Кребса, нитратное и сульфатное дыхание. Газоустойчивость и газочувствительность растений, ряд токсичности газов, кислые газы. Радиоустойчивость, прямое и косвенное воздействие радиации, ионизация молекул, радиолиз воды, теория мишеней, свободные радикалы, радиочувствительные этапы клеточного цикла и онтогенеза растений, радиопротекторы репарантные системы. Устойчивость к инфекционным заболеваниям, видовая и сортовая устойчивость, патогенные вирусы, грибы, бактерии, факультативные паразиты, факультативные сапрофиты, облигатные паразиты, некротрофы, биотрофы, патогенность, вирулентность, горизонтальная и вертикальная устойчивость, конститутивные и индуцированные механизмы устойчивости, фитоалексины, лектины, элиситеры, антиэлиситеры, олигосахарины.

Контрольные вопросы по теме «Устойчивость растений»:

1. Какие механизмы стресса действуют па клеточном уровне? Расскажите о белках теплового шока?
2. Расскажите о механизмах стресса на организменном уровне. Как ведёт себя популяция во время стресса?
3. Какие приспособления имеются у растений для перенесения засухи?
4. Что такое холодостойкость и чем она обеспечивается? Какие особенности характерны для морозостойких растений?
5. Какую роль играет закаливание растений? Как оно протекает?
6. Какие растения называются галофитами? Все ли они одинаково противостоят засолению?
7. Чем определяется устойчивость растений к недостатку кислорода в среде при затоплении?
8. Что такое эксгалаты? Какие различия в токсичности установлены для газов? Охарактеризуйте механизмы устойчивости растений к загрязнению воздуха.
9. Чем опасно радиационное поражение для растений? Как определяется степень радиочувствительности растений? От чего она зависит?
10. Какую роль для растений играет реакция сверхчувствительности?
11. Что вы знаете о теории «ген на ген»?
12. Какую роль в защите растений играют фитоалексины? Какую роль в защите растений играют фитонциды и фенолы?

Пример тестовых заданий по теме «Устойчивость растений»:

1 .Укажите основной стрессовый гормон растений:

а) ауксин

б) цитокинин

в) абсцизовая кислота

г) гиббереллин

2. Что из перечисленного не относится к механизмам стресса на клеточном уровне?

а) синтез стрессовых белков

б) закисление цитоплазмы

в) активизация покоящихся органов

г) увеличение проницаемости мембран

3. Тип засоления, не встречающийся в природе:

а) хлоридный

б) карбонатный

в) нитратный

г) сульфатный

4. Назовите наиболее морозоустойчивую фазу онтогенеза:

а) прорастание

б) ювенильная

в) фаза цветения

г) семена

5. Растения способны избегать перегрева от солнечных лучей благодаря:

а) вертикальной ориентировке листьев

б) сворачиванию листьев

в) листовой мозаике

г) восковому налету

6. Что из перечисленного не относится к биохимической адаптации растений к повышенной температуре?

а) стабильность биомембран

б) синтез БТШ

в) повышение концентрации органических кислот

г) синтез АБК

д) уменьшение размеров листовой пластинки

7. Какой группы галофитов не существует?

а) эугалофиты

б) криногалофиты

в) криогалофиты

г) гликогалофиты

8. Прямое действие радиации не вызывает в молекулах ДНК:

а) разрыв сахаро-фосфатных связей

б) дезаминирование азотистых оснований

в) образование димеров пиримидиновых оснований

г) замену пуриновых оснований на пиримидиновые

9. Назовите фазу клеточного цикла, наиболее устойчивую к воздействию радиации:

а) предсинтетическая

б) синтетическая

в) митотическая

г) цитокинез

10. Функцию радиопротекторов в клетке не выполняют:

а) глутатион

б) цистеин

в) аскорбиновая кислота

г) салициловая кислота

Примерный список вопросов к экзамену:

ВВЕДЕНИЕ

Предмет и объект физиологии растений. Методы физиологии растений. Место зеленых растений в экономике природы. Задачи физиологии растений.

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

1.Особенности строения растительной клетки, связанные с типом питания.

2.Структура и функции одномембранных органелл растительной клетки.

3.Структура и функции двумембранных органелл растительной клетки.

4.Немембранные структуры растительной клетки, их функции.

5.Химический состав клеточных стенок растений, их структура, функции.

6.Вакуоли. Химический состав, биологические функции.

7.Основная стратегия регуляции внутриклеточных процессов. Генетическая регуляция.

8.Ферментативная и мембранная регуляция внутриклеточных процессов.

9.Общее представление о межклеточных системах регуляции.

ФОТОСИНТЕЗ

1.Общее уравнение фотосинтеза, значение этого процесса и история изучения фотосинтеза.

2.Пигменты фотосинтеза. Их структура, классификация и функции. Явление хроматической адаптации.

3.Хлорофилл. Структура и свойства, функции. Схема дезактивации возбужденного состояния хлорофилла.

4.Первичные реакции фотосинтеза (фотофизический и фотохимический этапы). Представление о ССК и РЦ.

5.Эффект усиления Эмерсона. Понятие о фотосистемах.

6.Характеристика основных компонентов фотосинтетической ЭТЦ.

7.Z–схема.

8.Q–цикл и его вклад в создание протонного градиента.

9.Механизм фотофосфорилирования.

1.  Нециклическое, циклическое и псевдоциклическое фотофосфорилирование.
2.  С₃–путь восстановления СО₂.
3.  С₄–путь и САМ-метаболизм.
4.  Фотодыхание (определение, физиологическая роль).
5.  Экология фотосинтеза.

ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ

1.Определение, значение, общее уравнение. Сходство и различие с фотосинтезом.

2.Гликолиз. Схема процесса, энергетический выход, значение для растений.

3.Цикл Кребса. Схема процесса, энергетический выход, значение.

4.Окислительное фосфорилирование.

5.Цианидрезистентное дыхание, его физиологическая роль.

6.Пентозофосфатный путь окисления глюкозы. Химизм, значение, связь с гликолизом.

7.Глиоксилатный цикл. Химизм, значение.

8.Глюконеогенез. Значение его для растений.

9.Центральная роль цикла Кребса в метаболизме растений.

1.  Экология дыхания.

МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ

1.Развитие представлений о корневом питании растений (теории водного питания, гумусового, минерального).

2.Почва как субстрат, питающий растения. Формы нахождения питательных веществ в почве.

3.Незаменимые элементы минерального питания растений и их классификация.

4.Поступление минеральных веществ в растения. Роль клеточных стенок в процессах адсорбции минеральных веществ из почвы. Контактный обмен.

5.Метаболическая роль тканей корня. Транспорт веществ по растению.

6.Трансмембранный перенос веществ. Общая характеристика пассивного и активного транспорта. АТФазы, пирофосфатазы, ионные каналы.

7.Синтетическая деятельность корней.

8.Микориза и ее роль в корневом питании растений.

9.Физиологическая роль азота для растений. Форма нахождения N в природе и пути поступления в растения.

1. Аммонификация, нитрификация и денитрификация.
2. Химическая и биологическая азотфиксация. Свободноживущие и симбиотические азотфиксирующие микроорганизмы.
3. Круговорот азота в природе.
4. Редукция нитратов в растениях.
5. Физиологическая роль P и S в растениях, метаболизм S.
6. 15.  Физиологические основы применения удобрений. Классификация удобрений. Представление о гидропонике.

ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ

1.Физико-химические свойства воды и биологические функции.

2.Формы воды в растительной клетке.

3.Растительная клетка как осмотическая система. Понятие о водном потенциале клетки и ее составляющих.

4.Формы воды в почве и уровни водообеспеченности почвы.

5.Строение корня как органа поглощения воды.

6.Ближний и дальний транспорт воды в растениях. Нижний и верхний концевые двигатели.

7.Транспирация и её регуляция.

8.Значение транспирационного тока. Показатели транспирации.

РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ

1.Фитогормоны – стимуляторы роста (ауксины, гиббереллины, цитокинины).

2.Фитогормоны – ингибиторы (абсцизовая кислота, этилен).

3.Основные представления о росте и развитии.

4.Онтогенез растительной клетки.

5.Типы роста и его параметры.

6.Периодичность роста. Понятие о покое. Управление покоем.

7.Этапы индивидуального развития растений. Эмбриональный и ювенильный этапы.

8.Этапы зрелости и старения.

9.Факторы внешней среды, регулирующие развитие растений. Яровизация. Фотопериодизм.

Устойчивость растений

1.представление о стрессе, надежности, адаптации у растений.

2.Засухоустойчивость растений. Характеристика ксерофитов.

3.Устойчивость растений к низким  и высоким температурам.

4.Солеустойчивость и устойчивость к недостатку кислорода.

5.Газоустойчивость.

6.Радиоустойчивость.

 

Литература

а) основная литература

1. Ботаника : учебник для вузов: В 4 т.: Пер. с нем. / П. Зитте [и др.]. — 35-е [нем.] изд. — М. : Академия, 2007 — . — 24 см. — ISBN 978-5-7695-2741-8. Т.2 : Физиология растений / ред. В. В. Чуб. — 2008. — 496 с. : ил. — Библиогр.: с. 460-476. — ISBN 978-5-7695-2745-6. (49 экз).
2. Биология [Текст] : учебник : [учебник] / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут. — Москва : Лаборатория знаний (ранее «БИНОМ. Лаборатория знаний»), 2013. — Режим доступа: ЭБС «Издательство «Лань». — Неогранич. доступ. — Пер. изд. : Biological science 1 & 2 / Taylor, Green. — [S. l.], [cop. 1997]. — ISBN 978-5-9963-2199-5 : Б. ц.

 

б) дополнительная литература

1. Медведев С. С. Физиология растений [Текст] : учебник / С. С. Медведев. — СПб. : БХВ- Петербург, 2013. — 496 с. : ил. ; 24 см. — (Учебная литература для вузов). — Библиогр.: с. 483-486. — ISBN 978-5-9775-0716-5. (1 экз).
2. Биохимия растений [Текст] : учебник / Г. -В. Хелдт ; пер. с англ. М. А. Брейгиной [и др.] ; ред.: А. М. Носов, В. В. Чуб. — М. : Бином. Лаборатория знаний, 2011. — 471 с. — ISBN 978-5-94774-795-9. (3 экз).
3.  Физиология растений [Текст] : метод. указ. / Иркутский гос. ун-т, Науч. б-ка ; сост. А. А. Батраева и др. — Иркутск : ИГУ, 2008. — 1 эл. опт. диск (CD-ROM) ; 12 см. — (Труды ученых ИГУ). — Б. ц.

 

Фотосинтез

☰

Фотосинтез — это преобразование энергии света в энергию химических связей органических соединений.

Фотосинтез характерен для растений, в том числе всех водорослей, ряда прокариот, в том числе цианобактерий, некоторых одноклеточных эукариот.

В большинстве случаев при фотосинтезе в качестве побочного продукта образуется кислород (O₂). Однако это не всегда так, поскольку существует несколько разных путей фотосинтеза. В случае выделения кислорода его источником является вода, от которой на нужды фотосинтеза отщепляются атомы водорода.

Фотосинтез состоит из множества реакций, в которых участвуют различные пигменты, ферменты, коферменты и др. Основными пигментами являются хлорофиллы, кроме них — каротиноиды и фикобилины.

В природе распространены два пути фотосинтеза растений: C₃ и С₄. У других организмов есть своя специфика реакций. Все, что объединяет эти разные процессы под термином «фотосинтез», – во всех них в общей сложности происходит преобразование энергии фотонов в химическую связь. Для сравнения: при хемосинтезе происходит преобразование энергии химической связи одних соединений (неорганических) в другие — органические.

Выделяют две фазы фотосинтеза — световую и темновую. Первая зависит от светового излучения (hν), которое необходимо для протекания реакций. Темновая фаза является светонезависимой.

У растений фотосинтез протекает в хлоропластах. В результате всех реакций образуются первичные органические вещества, из которых потом синтезируются углеводы, аминокислоты, жирные кислоты и др. Обычно суммарную реакцию фотосинтеза пишут в отношении глюкозы — наиболее распространенного продукта фотосинтеза:

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Атомы кислорода, входящие в молекулу O₂, берутся не из углекислого газа, а из воды. Углекислый газ – источник углерода, что более важно. Благодаря его связыванию у растений появляется возможность синтеза органики.

Представленная выше химическая реакция есть обобщенная и суммарная. Она далека от сути процесса. Так глюкоза не образуется из шести отдельных молекул углекислоты. Связывание CO₂ происходит по одной молекуле, которая сначала присоединяется к уже существующему пятиуглеродному сахару.

Для прокариот характерны свои особенности фотосинтеза. Так у бактерий главный пигмент — бактериохлорофилл, и не выделяется кислород, так как водород берется не из воды, а часто из сероводорода или других веществ. У сине-зеленых водорослей основным пигментом является хлорофилл, и при фотосинтезе выделяется кислород.

Световая фаза фотосинтеза

В световой фазе фотосинтеза происходит синтез АТФ и НАДФ·H₂ за счет лучистой энергии. Это происходит на тилакоидах хлоропластов, где пигменты и ферменты образуют сложные комплексы для функционирования электрохимических цепей, по которым передаются электроны и отчасти протоны водорода.

Электроны в конечном итоге оказываются у кофермента НАДФ, который, заряжаясь отрицательно, притягивает к себе часть протонов и превращается в НАДФ·H₂. Также накопление протонов по одну сторону тилакоидной мембраны и электронов по другую создает электрохимический градиент, потенциал которого используется ферментом АТФ-синтетазой для синтеза АТФ из АДФ и фосфорной кислоты.

Главными пигментами фотосинтеза являются различные хлорофиллы. Их молекулы улавливают излучение определенных, отчасти разных спектров света. При этом некоторые электроны молекул хлорофилла переходят на более высокий энергетический уровень. Это неустойчивое состояние, и по-идее электроны путем того же излучения должны отдать в пространство полученную из вне энергию и вернуться на прежний уровень. Однако в фотосинтезирующих клетках возбужденные электроны захватываются акцепторами и с постепенным уменьшением своей энергии передаются по цепи переносчиков.

На мембранах тилакоидов существуют два типа фотосистем, испускающих электроны при действия света. Фотосистемы представляют собой сложный комплекс большей частью хлорофильных пигментов с реакционным центром, от которого и отрываются электроны. В фотосистеме солнечный свет ловит множество молекул, но вся энергия собирается в реакционном центре.

Электроны фотосистемы I, пройдя по цепи переносчиков, восстанавливают НАДФ.

Энергия электронов, оторвавшихся от фотосистемы II, используется для синтеза АТФ. А сами электроны фотосистемы II заполняют электронные дырки фотосистемы I.

Дырки второй фотосистемы заполняются электронами, образующимися в результате фотолиза воды. Фотолиз также происходит при участии света и заключается в разложении H₂O на протоны, электроны и кислород. Именно в результате фотолиза воды образуется свободный кислород. Протоны участвуют в создании электрохимического градиента и восстановлении НАДФ. Электроны получает хлорофилл фотосистемы II.

Примерное суммарное уравнение световой фазы фотосинтеза:

H₂O + НАДФ + 2АДФ + 2Ф → ½O₂ + НАДФ · H₂ + 2АТФ

Циклический транспорт электронов

Выше описана так называемый нецикличная световая фаза фотосинтеза. Есть еще циклический транспорт электронов, когда восстановления НАДФ не происходит. При этом электроны от фотосистемы I уходят на цепь переносчиков, где идет синтез АТФ. То есть эта электрон-транспортная цепь получает электроны из фотосистемы I, а не II. Первая фотосистема как бы реализует цикл: в нее возвращаются ей же испускаемые электроны. По дороге они тратят часть своей энергии на синтез АТФ.

Фотофосфорилирование и окислительное фосфорилирование

Световую фазу фотосинтеза можно сравнить с этапом клеточного дыхания — окислительным фосфорилированием, которое протекает на кристах митохондрий. Там тоже происходит синтез АТФ за счет передачи электронов и протонов по цепи переносчиков. Однако в случае фотосинтеза энергия запасается в АТФ не для нужд клетки, а в основном для потребностей темновой фазы фотосинтеза. И если при дыхании первоначальным источником энергии служат органические вещества, то при фотосинтезе – солнечный свет. Синтез АТФ при фотосинтезе называется фотофосфорилированием, а не окислительным фосфорилированием.

Темновая фаза фотосинтеза

Впервые темновую фазу фотосинтеза подробно изучили Кальвин, Бенсон, Бэссем. Открытый ими цикл реакций в последствии был назван циклом Кальвина, или C₃-фотосинтезом. У определенных групп растений наблюдается видоизмененный путь фотосинтеза – C₄, также называемый циклом Хэтча-Слэка.

В темновых реакциях фотосинтеза происходит фиксация CO₂. Темновая фаза протекает в строме хлоропласта.

Восстановление CO₂ происходит за счет энергии АТФ и восстановительной силы НАДФ·H₂, образующихся в световых реакциях. Без них фиксации углерода не происходит. Поэтому хотя темновая фаза напрямую не зависит от света, но обычно также протекает на свету.

Цикл Кальвина

Первая реакция темновой фазы – присоединение CO₂ (карбоксилирование) к 1,5-рибулезобифосфату (рибулезо-1,5-дифосфат) – РиБФ. Последний представляет собой дважды фосфорилированную рибозу. Данную реакцию катализирует фермент рибулезо-1,5-дифосфаткарбоксилаза, также называемый рубиско.

В результате карбоксилирования образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое в результате гидролиза распадается на две трехуглеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК) – первый продукт фотосинтеза. ФГК также называют фосфоглицератом.

РиБФ + CO₂ + H₂O → 2ФГК

ФГК содержит три атома углерода, один из которых входит в состав кислотной карбоксильной группы (-COOH):

Из ФГК образуется трехуглеродный сахар (глицеральдегидфосфат) триозофосфат (ТФ), включающий уже альдегидную группу (-CHO):

ФГК (3-кислота) → ТФ (3-сахар)

На данную реакцию затрачивается энергия АТФ и восстановительная сила НАДФ · H₂. ТФ — первый углевод фотосинтеза.

После этого большая часть триозофосфата затрачивается на регенерацию рибулозобифосфата (РиБФ), который снова используется для связывания CO₂. Регенерация включает в себя ряд идущих с затратой АТФ реакций, в которых участвуют сахарофосфаты с количеством атомов углерода от 3 до 7.

В таком круговороте РиБФ и заключается цикл Кальвина.

Из цикла Кальвина выходит меньшая часть образовавшегося в нем ТФ. В перерасчете на 6 связанных молекул углекислого газа выход составляет 2 молекулы триозофосфата. Суммарная реакция цикла с входными и выходными продуктами:

6CO₂ + 6H₂O → 2ТФ

При этом в связывании участвую 6 молекул РиБФ и образуется 12 молекул ФГК, которые превращаются в 12 ТФ, из которых 10 молекул остаются в цикле и преобразуются в 6 молекул РиБФ. Поскольку ТФ — это трехуглеродный сахар, а РиБФ — пятиуглеродный, то в отношении атомов углерода имеем: 10 * 3 = 6 * 5. Количество атомов углерода, обеспечивающих цикл не изменяется, весь необходимый РиБФ регенерируется. А шесть вошедших в цикл молекул углекислоты затрачиваются на образование двух выходящих из цикла молекул триозофосфата.

На цикл Кальвина в расчете на 6 связанных молекул CO₂ затрачивается 18 молекул АТФ и 12 молекул НАДФ · H₂, которые были синтезированы в реакциях световой фазы фотосинтеза.

Расчет ведется на две выходящие из цикла молекулы триозофосфата, так как образующаяся в последствии молекула глюкозы, включает 6 атомов углерода.

Триозофосфат (ТФ) — конечный продукт цикла Кальвина, но его сложно назвать конечным продуктом фотосинтеза, так как он почти не накапливается, а, вступая в реакции с другими веществами, превращается в глюкозу, сахарозу, крахмал, жиры, жирные кислоты, аминокислоты. Кроме ТФ важную роль играет ФГК. Однако подобные реакции происходят не только у фотосинтезирующих организмов. В этом смысле темновая фаза фотосинтеза – это то же самое, что цикл Кальвина.

Из ФГК путем ступенчатого ферментативного катализа образуется шестиуглеродный сахар фруктозо-6-фосфат, который превращается в глюкозу. В растениях глюкоза может полимеризоваться в крахмал и целлюлозу. Синтез углеводов похож на процесс обратный гликолизу.

Фотодыхание

Кислород подавляет фотосинтез. Чем больше O₂ в окружающей среде, тем менее эффективен процесс связывания CO₂. Дело в том, что фермент рибулозобифосфат-карбоксилаза (рубиско) может реагировать не только с углекислым газом, но и кислородом. В этом случае темновые реакции несколько иные.

Содержащая пять атомов углерода молекула рибулозобифосфата реагирует уже не с CO₂, а с O₂. В результате чего образуются по одной молекуле фосфогликолата (C₂) и фосфоглицериновой кислоты (C₃), а не две ФГК как обычно.

Фосфогликолат — это фосфогликолевая кислота. От нее сразу отщепляется фосфатная группа, и она превращается в гликолевую кислоту (гликолат). Для его «утилизации» снова нужен кислород. Поэтому чем больше в атмосфере кислорода, тем больше он будет стимулировать фотодыхание и тем больше растению будет требоваться кислорода, чтобы избавиться от продуктов реакции.

Фотодыхание — это зависимое от света потребление кислорода и выделение углекислого газа. То есть обмен газов происходит как при дыхании, но протекает в хлоропластах и зависит от светового излучения. От света фотодыхание зависит лишь потому, что рибулозобифосфат образуется только при фотосинтезе.

При фотодыхании происходит возврат атомов углерода из гликолата в цикл Кальвина в виде фосфоглицериновой кислоты (фосфоглицерата).

2 Гликолат (С₂) → 2 Глиоксилат (С₂) →2 Глицин (C₂) — CO₂ → Серин (C₃) →Гидроксипируват (C₃) → Глицерат (C₃) → ФГК (C₃)

Как видно, возврат происходит не полный, так как один атом углерода теряется при превращении двух молекул глицина в одну молекулу аминокислоты серина, при этом выделяется углекислый газ.

Кислород необходим на стадиях превращения гликолата в глиоксилат и глицина в серин.

Превращения гликолата в глиоксилат, а затем в глицин происходят в пероксисомах, синтез серина в митохондриях. Серин снова поступает в пероксисомы, где из него сначала получается гидрооксипируват, а затем глицерат. Глицерат уже поступает в хлоропласты, где из него синтезируется ФГК.

Фотодыхание характерно в основном для растений с C₃-типом фотосинтеза. Его можно считать вредным, так как энергия бесполезно тратится на превращения гликолата в ФГК. Видимо фотодыхание возникло из-за того, что древние растения были не готовы к большому количеству кислорода в атмосфере. Изначально их эволюция шла в атмосфере богатой углекислым газом, и именно он в основном захватывал реакционный центр фермента рубиско.

C

₄-фотосинтез, или цикл Хэтча-Слэка

Если при C₃-фотосинтезе первым продуктом темновой фазы является фосфоглицериновая кислота, включающая три атома углерода, то при C₄-пути первыми продуктами являются кислоты, содержащие четыре атома углерода: яблочная, щавелевоуксусная, аспарагиновая.

С₄-фотосинтез наблюдается у многих тропических растений, например, сахарного тростника, кукурузы.

С₄-растения эффективнее поглощают оксид углерода, у них почти не выражено фотодыхание.

Растения, в которых темновая фаза фотосинтеза протекает по C₄-пути, имеют особое строение листа. В нем проводящие пучки окружены двойным слоем клеток. Внутренний слой — обкладка проводящего пучка. Наружный слой — клетки мезофилла. Хлоропласты клеток слоев отличаются друг от друга.

Для мезофильных хлоропласт характерны крупные граны, высокая активность фотосистем, отсутствие фермента РиБФ-карбоксилазы (рубиско) и крахмала. То есть хлоропласты этих клеток адаптированы преимущественно для световой фазы фотосинтеза.

В хлоропластах клеток проводящего пучка граны почти не развиты, зато высока концентрация РиБФ-карбоксилазы. Эти хлоропласты адаптированы для темновой фазы фотосинтеза.

Углекислый газ сначала попадает в клетки мезофилла, связывается с органическими кислотами, в таком виде транспортируется в клетки обкладки, освобождается и далее связывается также, как у C₃-растений. То есть C₄-путь дополняет, а не заменяет C₃.

В мезофилле CO₂ присоединяется к фосфоенолпирувату (ФЕП) с образованием оксалоацетата (кислота), включающего четыре атома углерода:

Реакция происходит при участии фермента ФЕП-карбоксилазы, обладающего более высоким сродством к CO₂, чем рубиско. К тому же ФЕП-карбоксилаза не взаимодействует с кислородом, а значит не затрачивается на фотодыхание. Таким образом, преимущество C₄-фотосинтеза заключается в более эффективной фиксации углекислоты, увеличению ее концентрации в клетках обкладки и следовательно более эффективной работе РиБФ-карбоксилазы, которая почти не расходуется на фотодыхание.

Оксалоацетат превращается в 4-х углеродную дикарбоновую кислоту (малат или аспартат), которая транспортируется в хлоропласты клеток обкладки проводящих пучков. Здесь кислота декарбоксилируется (отнятие CO₂), окисляется (отнятие водорода) и превращается в пируват. Водород восстанавливает НАДФ. Пируват возвращается в мезофилл, где из него регенерируется ФЕП с затратой АТФ.

Оторванный CO₂ в хлоропластах клеток обкладки уходит на обычный C₃-путь темновой фазы фотосинтеза, т. е. в цикл Кальвина.

Фотосинтез по пути Хэтча-Слэка требует больше энергозатрат.

Считается, что C₄-путь возник в эволюции позже C₃ и во многом является приспособлением против фотодыхания.

Важная роль фотосинтеза

Фотосинтез — это не только производство кислорода, но и производство энергии.

Большинство людей согласятся, что фотосинтез — это великая вещь. Я никогда не слышал, чтобы кто-то возражал против этого. Однако некоторые люди упускают из виду цель фотосинтеза. Это не производство кислорода.

Основная функция фотосинтеза — преобразовывать солнечную энергию в химическую энергию, а затем сохранять эту химическую энергию для использования в будущем.По большей части живые системы планеты питаются этим процессом. Он не особенно эффективен по стандартам человеческой инженерии, но выполняет свою работу. Фотосинтез происходит в областях клетки, называемых хлоропластами. Химия и физика сложны.

Немного унизительно осознавать, что энергия в нашем теле проходит 93 миллиона миль за чуть более восьми минут, и что жизнь подключилась к этому потоку энергии. На короткое время эта энергия удерживается в биологических системах, прежде чем продолжить свой веселый путь в темноту космоса.

По сути, зеленые растения берут углерод, водород и кислород из молекул углекислого газа и воды, а затем рекомбинируют их в новую молекулу, называемую глюкозой. Конечно, это происходит при солнечном свете. Энергия хранится в связях молекулы глюкозы. Глюкоза — это довольно простой сахар, который легко расщепляется. Вы когда-нибудь задумывались, почему дети отскакивают от стен и потолка вскоре после хорошей дозы сахара?

Говоря химически, входными факторами фотосинтеза являются шесть атомов углерода, 12 атомов водорода и 18 атомов кислорода.Глюкоза использует шесть молекул углерода, 12 молекул водорода и шесть молекул кислорода. Простая математика показывает 12 оставшихся атомов кислорода или шесть молекул кислорода. Атомы кислорода предпочитают партнеров.

Интересно и не случайно, что в процессе дыхания молекула глюкозы расщепляется. Дыхание происходит в клетках практически всех живых существ. Высвободившаяся энергия затем используется для всех видов метаболической активности, включая энергию, которую вы используете для чтения этой статьи. Дыхание происходит в областях клетки, называемых митохондриями.Химические реакции обратны фотосинтезу, с использованием молекулы глюкозы и шести молекул кислорода (12 атомов) в качестве входных данных. Энергия выделяется вместе с углекислым газом и водой.

Но химии хватит.

Деревья и другие зеленые растения тоже практикуют дыхание, как животные, но они также практикуют фотосинтез. Вот почему экологи относят зеленые растения к «производителям», а большинство других форм жизни — к «потребителям». Дело в энергии. Хорошо, есть и разлагатели, но это уже другая история, и они по-прежнему зависят от энергии, получаемой производителями.

Кислород — это побочный продукт фотосинтеза и, соответственно, углекислый газ — побочный продукт дыхания. Деревья часто считаются основным генератором кислорода на планете, но это было бы неправдой. Большая часть планеты покрыта водой, и коллективный фотосинтез низших водорослей — настоящая кислородная машина.

Тем не менее деревья и леса действительно являются значительными производителями кислорода. Однако, если бы кислород был единственным преимуществом деревьев и лесов, мы могли бы легко жить без них.А некоторые леса на самом деле производят больше углекислого газа, чем кислорода. К счастью, преимущества деревьев и лесов выходят далеко за рамки такого узкого, как производство кислорода.

Большая часть основного конструкционного материала растений и древесины — это целлюлоза, представляющая собой особенно сложный сахар. Составляющие молекулы углерода, водорода и кислорода могут быть рекомбинированы с образованием множества полезных химикатов, таких как этанол, парфюмерия, биопластики, ткани для одежды и ряд промышленных ингредиентов.Принято считать, что источники из возобновляемых живых экосистем имеют явные преимущества перед использованием древних материалов, из которых состоит ископаемое топливо.

Растения и фотосинтез также являются основой ископаемого топлива, но возникли миллионы и миллионы лет назад. Возвращение огромных объемов этих молекул обратно в живые экосистемы имеет несколько недостатков, которые наука довольно хорошо умеет измерять и описывать.

Деревья, леса, лесные почвы и лесные продукты чрезвычайно важны для круговорота углерода и относительного размера различных углеродных пулов.Есть и другие элементы, которые также проходят через леса. Наука тоже неплохо разбирается в этих отношениях. Жителям Мичигана следовало бы уделить больше внимания этим преимуществам, связанным с деревьями, лесами и лесопользованием.

Что касается самого фотосинтеза, может быть, будет лучше, если мы будем больше думать о захвате энергии, а не о производстве кислорода.

Вы нашли эту статью полезной?

Расскажите, пожалуйста, почему

Представлять на рассмотрение

Как происходит фотосинтез в наших океанах? · Границы для молодых умов

Абстрактные

Пища, которую мы едим, в конечном итоге напрямую или косвенно поступает из растений.Невозможно недооценить важность растений как глобальной кухни. Растения «поедают» солнечный свет и углекислый газ для производства собственной пищи и пищи для миллионов других организмов, зависящих от них. Молекула хлорофилла (Chl) имеет решающее значение для этого процесса, поскольку она поглощает солнечный свет. Однако способ, которым наземные растения производят пищу, сильно отличается от того, как растения в океане производят свою пищу. Поскольку свету трудно достичь глубины океанов, производство пищи, которое в науке называется фотосинтезом, становится очень медленным.Фикобилипротеины — это белки, которые облегчают эту работу, поглощая доступный свет и передавая его Chl. Эти фикобилипротеины содержатся в крошечных невидимых организмах, называемых цианобактериями. Их «производящие пищу» реакции имеют решающее значение для выживания многих живых организмов, таких как рыбы, птицы и другие морские обитатели. Поэтому очень важно, чтобы каждый понимал, как цианобактерии производят пищу и какую важную роль играют фикобилипротеины в этом процессе.

Как живые существа добывают себе пищу?

Когда вы думаете о еде, вы обычно придумываете образы своей любимой еды? Это естественный процесс, так как еда важна для всего живого.Чтобы удовлетворить эту основную потребность, все живые существа либо сами производят пищу, либо получают ее из других источников. Люди могут есть как растения, так и животных. Некоторые животные потребляют других животных, а некоторые животные едят растения в пищу. В конце концов, мы видим, что все на этой планете зависят от растений для получения пищи. Но что же едят растения? Фактически, растения «питаются» солнечным светом и газом, называемым углекислым газом, которые легко доступны прямо здесь, на Земле. Процесс, с помощью которого наземные растения производят себе пищу, используя солнечный свет и углекислый газ, известен как фотосинтез (рис. 1).В то время как углекислый газ поглощается листьями, солнечный свет улавливается химической молекулой растения, называемой хлорофиллом , (Chl). Все фотосинтезирующие организмы содержат Chl.

• Рисунок 1 — Упрощенный вид того, как растения производят для нас пищу.
• Листья зеленых растений содержат хлорофилл, который поглощает солнечный свет для производства пищи. Затем эта пища используется самим растением, а также другими животными, включая человека.

Однако способ фотосинтеза наземных растений не помогает организмам, живущим в океанах, которые покрывают почти 70% нашей земли.Растения в Мировом океане испытывают проблемы с доступностью света. Синий и зеленый свет проникают в воду больше, чем желтый и красный свет (рис. 2). К счастью, океанские растения получают помощь в производстве пищи из такого ограниченного света и углекислого газа, из крошечных микроскопических микробов, называемых цианобактериями (также известных как сине-зеленые водоросли). Эти микробы приспособились к условиям тусклого света и осуществляют фотосинтез как для себя, так и для других живых существ.Цианобактерии — это древние микробы, живущие на нашей Земле миллиарды лет. Считается, что цианобактерии ответственны за создание насыщенной кислородом атмосферы, в которой мы живем [1]. Для осуществления фотосинтеза в условиях низкой освещенности цианобактерии используют белки, называемые фикобилипротеинами , которые обнаруживаются в клеточных мембранах (внешнем покрытии) цианобактерий.

• Рисунок 2 — Проникновение солнечного света в океаны.
• Солнечный свет состоит из разных цветов: V, фиолетовый; В, синий; G, зеленый; Y, желтый; О, оранжевый; и R, красный.Синий и зеленый цвета достигают глубины до 200 м в глубине воды, в то время как все другие цвета, включая фиолетовый, могут достигать только первых 100 м в глубине океана. Стрелки показывают глубину, на которую свет разных цветов достигает океанов.

Что такое фикобилипротеины?

Фикобилипротеины играют роль помощников Хл в водной (водной) среде. Поскольку свету трудно проникать в океаны, фикобилипротеины облегчают эту работу, поглощая любой доступный свет; они поглощают зеленую часть света и превращают ее в красный свет, который является цветом света, требуемым Chl [2].Однако изменить цвет света не так просто, как кажется. Зеленый свет должен проходить через разные молекулы фикобилипротеина, которые поглощают свет одного цвета и испускают свет другого цвета. Выдаваемый цвет затем принимается вторым фикобилипротеином, который превращает его в третий цвет. Этот процесс продолжается до тех пор, пока излучаемый свет не станет красным, который, наконец, может быть поглощен Chl. Чтобы весь этот процесс происходил, у нас есть три разных типа молекул фикобилипротеина, расположенных как своего рода шляпа над молекулой Chl, как вы можете видеть на рисунке 3.Вот эти три вида фикобилипротеинов:

• (a) C-фикоэритрин (CPE), розовато-красного цвета и отвечает за поглощение зеленой части солнечного света.

• (b) C-фикоцианин (CPC), темно-синего цвета и отвечает за поглощение оранжево-красной части солнечного света.

• (c) Аллофикоцианин (APC) светло-голубого цвета, отвечающий за поглощение красной части солнечного света.

• Рис. 3. Шляпообразное расположение фикобилипротеинов и хлорофилла (Chl) у цианобактерий.
• Зеленый свет сначала поглощается C-фикоэритрином, который передает его C-фикоцианину (CPC). CPC далее передает световую энергию аллофикоцианину (APC), который передает ее Chl для фотосинтеза, используя красный свет.

Причина, по которой фикобилипротеины поглощают свет разного цвета, заключается в том, что они содержат внутри себя химические молекулы, называемые билинами, которые придают им яркий цвет. Эти билины отвечают за поглощение света одного цвета и излучение света другого цвета, что приводит к изменению цвета света.Современные инструменты позволили нам проанализировать расположение этих молекул и белков в цианобактериях. Мы знаем, что фикобилипротеины имеют форму дисков [3], и диски наложены друг на друга, образуя шляпообразную структуру. Один конец стека сделан из CPE, а другой — из CPC. Эта сборка соединяется с сердечником, сделанным из APC. Вся эта структура связана с Chl, который принимает красный свет, излучаемый APC. Расположение шляпообразной конструкции показано на рисунке 3.

Как происходит передача световой энергии в фикобилипротеинах?

Изменение цвета света с зеленого на красный происходит в результате процесса, известного как флуоресценция . Давайте посмотрим, что такое флуоресценция. Представьте себе прозрачный контейнер, наполненный жидкостью розового цвета, которая при освещении фонариком светится ярко-оранжевым светом! Именно это и делает CPE (рисунок 4). Все фикобилипротеины обладают этим захватывающим свойством испускать видимый свет, цвет которого отличается от цвета света, который на них падает.После того, как CPE меняет зеленый свет на желто-оранжевый, CPC принимает желто-оранжевый свет и меняет его на светло-красный. APC принимает этот светло-красный свет и меняет его на темно-красный свет для Chl. Итак, теперь у нас есть зеленый цвет, измененный на красный, который является цветом света, который природа предназначена для поглощения Chl. Весь процесс представляет собой своего рода эстафету, в которой каждый участник начинает с того места, где остановился предыдущий (рис. 5). Эти фикобилипротеины являются важной частью крошечных микроскопических организмов, называемых цианобактериями, которые осуществляют фотосинтез во многом так же, как и наземные растения.Единственное отличие состоит в том, что они используют другой набор химических молекул: цианобактерии используют фикобилипротеины, а наземные растения используют Chl.

• Рисунок 4 — Флуоресцентные свойства C-фикоэритрина (CPE).
• Белый цвет света, производимого фонариком, изменяется на желтовато-оранжевый свет CPE, который поглощается C-фикоцианином.

• Рисунок 5 — Фикобилипротеины изменяют цвет света с зеленого на красный, так что его можно использовать для фотосинтеза.
• Зеленый свет поглощается С-фикоэритрином (CPE), который меняет цвет света на желтовато-оранжевый. Оранжевый свет поглощается C-фикоцианином (CPC), который в дальнейшем меняет его на светло-красный. Светло-красный цвет поглощается аллофикоцианином (APC), который меняет его цвет на красный. Красный цвет, наконец, поглощается хлорофиллом для производства пищи посредством фотосинтеза.

Что мы узнали?

Итак, теперь мы знаем, что фотосинтез — это процесс, с помощью которого растения производят пищу, используя Chl.Мы также знаем, что уменьшение количества света, доступного в океанах, снижает этот фотосинтетический процесс. Природа разработала некоторые вспомогательные химические молекулы, известные как фикобилипротеины, которые способны поглощать цвета света, доступного в океанах, и превращать этот свет в цвет, который могут использовать молекулы Chl. Эти фикобилипротеины содержатся в крошечных, невидимых невооруженным глазом цианобактериях, фотосинтез которых отвечает за обеспечение питанием живых организмов в океанах, а также за выработку кислорода в нашей атмосфере, которой мы дышим каждую секунду.Разве не интересно, что эти крошечные организмы могут так изменить морскую жизнь? В будущем мы надеемся лучше понять функции фикобилипротеинов и роли, которые они могут играть на благо человечества.

Глоссарий

Фотосинтез : ↑ Процесс, при котором растения производят пищу для себя и других организмов, используя солнечный свет и углекислый газ.

Хлорофилл : ↑ Химическая молекула, присутствующая в растениях, которая поглощает солнечный свет для фотосинтеза.

Фикобилипротеины : ↑ Цветные пигменты цианобактерий и некоторых других организмов, которые помогают в фотосинтезе, поглощая свет определенных цветов, который хлорофилл не может поглотить.

Флуоресценция : ↑ Свойство некоторых соединений поглощать один цвет света и испускать другой цвет. Фикобилипротеины используют это свойство для изменения цвета поглощаемого света, чтобы его можно было использовать для фотосинтеза.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

---

Благодарности

Этой рукописи присвоен регистрационный номер CSIR-CSMCRI — 114/2016. TG благодарит AcSIR за кандидатскую диссертацию. зачисление и CSIR (CSC 0105) для финансовой поддержки.

---

Список литературы

[1] ↑ Сидлер, В.А. 1994. Структура фикобилисом и фикобилипротеинов. В: Брайант Д.А., редактор. Молекулярная биология цианобактерий. Дордрехт: Спрингер. п. 139–216.

[2] ↑ Гош Т., Паливал К., Маурья Р. и Мишра С. 2015. Цвета радуги микроводорослей для нутрицевтики и фармацевтики. В: Бахадур Б., Венкат Раджам М., Сахиджрам Л. и Кришнамурти К. В., редакторы. Биология растений и биотехнология: Том I: Разнообразие, организация, функции и улучшение растений.Нью-Дели: Спрингер. п. 777–91.

[3] ↑ Сатьянараяна, Л., Суреш, К. Г., Патель, А., Мишра, С., и Гош, П. К. 2005. Рентгеноструктурные исследования C-фикоцианинов цианобактерий из различных местообитаний: морских и пресноводных. Acta Crystallogr. Разд. Ф 61 (9): 844–7. DOI: 10.1107 / S1744309105025649

Роль фотосинтеза в природе

Обновлено 22 ноября 2019 г.

Кристин Леман

Биохимический процесс фотосинтеза использует энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа в кислород и углеводы.Углеводы используются в растениях в качестве строительных блоков для роста тканей. Таким образом, фотосинтез — это способ, которым растения отращивают корни, стебли, листья, цветы и плоды. Без процесса фотосинтеза растения не могли бы расти или воспроизводиться.

Производители

Благодаря своей фотосинтетической способности растения известны как производители и составляют основу почти каждой пищевой цепи на Земле. (Водоросли являются эквивалентом растений в водных системах). Вся энергия, которую мы едим, поступает от организмов, которые являются фотосинтетиками, независимо от того, едим ли мы эти растения напрямую или едим ли мы что-то, что само ест эти растения, например коровы или свиньи.

Основа пищевой цепи

В водных системах растения и водоросли также составляют основу пищевой цепи. Водоросли служат пищей для беспозвоночных, которые, в свою очередь, служат пищей для более крупных организмов. Без фотосинтеза в водной среде жизнь там была бы невозможна.

Удаление диоксида углерода

Фотосинтез превращает диоксид углерода в кислород. Во время фотосинтеза углекислый газ покидает атмосферу и попадает в растения в виде кислорода.В современном мире, где уровни углекислого газа увеличиваются беспрецедентными темпами, любой процесс, который удаляет избыток углекислого газа из атмосферы, является экологически и экологически важным по своей природе. Фактически, микроводоросли изучаются как потенциальный источник удаления углекислого газа в отраслях промышленности, которые выделяют большие количества.

Nutrient Incorporation

Растения включают питательные вещества в свои ткани посредством фосинтеза. Таким образом, растения и другие фотосинтезирующие организмы играют жизненно важную роль в круговороте питательных веществ.Азот в воздухе фиксируется в тканях растений и становится доступным для создания белков. Микроэлементы, содержащиеся в почвенных матрицах, также могут включаться в ткани растений и доступны травоядным животным на более высоких уровнях пищевой цепи.

Фотосинтетическая зависимость

Фотосинтез зависит от интенсивности и качества света. На экваторе, где много солнечного света круглый год и вода не является ограничивающим фактором, растения имеют высокие темпы роста и могут стать довольно большими.Фотосинтез в более глубоких частях океана, наоборот, менее распространен, потому что свет не проникает в эти слои и в результате становится более бесплодным.

Почему фотосинтез важен для всех организмов?

Обновлено 22 ноября 2019 г.

Лори Бреннер

Фотосинтез важен для живых организмов, потому что это источник кислорода номер один в атмосфере. Без фотосинтеза цикл углерода не мог бы происходить, жизнь, нуждающаяся в кислороде, не выжила бы, а растения погибли бы.Зеленые растения и деревья используют фотосинтез для производства пищи из солнечного света, углекислого газа и воды в атмосфере: это их основной источник энергии. Важность фотосинтеза в нашей жизни — это кислород, который он производит. Без фотосинтеза на планете не было бы кислорода.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Фотосинтез важен для всех живых организмов, потому что он обеспечивает кислород, необходимый большинству живых существ для выживания на планете.

Причины важности фотосинтеза

• Это источник кислорода номер один в атмосфере.
• Он способствует углеродному циклу между землей, океанами, растениями и животными.
• Он способствует симбиотическим отношениям между растениями, людьми и животными.
  
• Он прямо или косвенно влияет на большую часть жизни на Земле.
• Он служит основным источником энергии для большинства деревьев и растений.
  

Как работает фотосинтез

Фотосинтез использует световую энергию солнца, углекислый газ и воду в атмосфере для производства пищи для растений, деревьев, водорослей и даже некоторых бактерий.Он выделяет кислород в качестве побочного продукта. Хлорофилл в этих живых организмах, который также способствует их зеленому оттенку, поглощает солнечный свет и объединяет его с углекислым газом, превращая эти соединения в органическое химическое вещество, называемое аденозинтрифосфатом (АТФ). АТФ имеет решающее значение во взаимоотношениях между энергией и живыми существами и известен как «энергетическая валюта для всей жизни».

Значение клеточного дыхания для фотосинтеза

Клеточное дыхание позволяет всем живым клеткам извлекать энергию в форме АТФ из пищи и предоставлять эту энергию для жизненно важных процессов.Все живые клетки растений, животных и человека в той или иной форме участвуют в клеточном дыхании. Клеточное дыхание — это трехэтапный процесс. На первом этапе цитоплазма клетки расщепляет глюкозу в процессе, называемом гликолизом, производя две молекулы пирувата из одной молекулы глюкозы и высвобождая немного АТФ. На втором этапе клетка транспортирует молекулы пирувата в митохондрии, энергетический центр клетки, без использования кислорода. Это называется анаэробным дыханием.Третий этап клеточного дыхания включает кислород и называется аэробным дыханием, при котором пищевая энергия входит в цепь переноса электронов, где производит АТФ.

Клеточное дыхание растений противоположно фотосинтезу. Живые существа вдыхают кислород и выделяют углекислый газ в качестве побочного продукта. Растение использует углекислый газ, выдыхаемый животными и людьми, в сочетании с солнечной энергией во время клеточного дыхания для производства необходимой ему пищи.В конечном итоге растения выделяют кислород обратно в атмосферу, что приводит к симбиотическим отношениям между растениями, животными и людьми.

Нефотосинтетические растения

В то время как большинство растений используют фотосинтез для производства энергии, некоторые растения не фотосинтезируют. Растения, которые не используют фотосинтез для производства пищи, обычно паразитируют, что означает, что они полагаются на хозяина для производства питательных веществ. Примеры включают индийскую трубку ( Monotropa uniflora ), также известную как растение-призрак или труп, и букдропы ( Epifagus americana ), которые крадут питательные вещества, содержащиеся в корнях бука.Индийский трубочный завод имеет призрачно-белый цвет, потому что не содержит хлорофилла. Растения в царстве грибов — грибы, плесень и дрожжи — полагаются на окружающую среду в качестве пищи, а не на фотосинтез.

Зачем изучать фотосинтез | Центр биоэнергетики и фотосинтеза

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез, возможно, самый важный биологический процесс на Земле. Высвобождая кислород и потребляя углекислый газ, он превратил мир в гостеприимную среду, которую мы знаем сегодня.Прямо или косвенно фотосинтез удовлетворяет все наши потребности в пище и многие из наших потребностей в клетчатке и строительных материалах. Энергия, хранящаяся в нефти, природном газе и угле, поступает от Солнца посредством фотосинтеза, как и энергия в дровах, которые являются основным топливом во многих частях мира. В этом случае научные исследования фотосинтеза жизненно важны. Если мы сможем понять и контролировать сложности фотосинтетического процесса, мы сможем узнать, как повысить урожайность продуктов питания, волокна, древесины и топлива, а также как лучше использовать наши земли.Секреты сбора энергии растениями могут быть адаптированы к искусственным системам, которые обеспечивают новые, эффективные способы сбора и использования солнечной энергии. Эти же естественные «технологии» могут помочь указать путь к созданию новых, более быстрых и компактных компьютеров и даже к новым открытиям в медицине. Поскольку фотосинтез помогает контролировать состав нашей атмосферы, понимание фотосинтеза имеет решающее значение для понимания того, как углекислый газ и другие «парниковые газы» влияют на глобальный климат. В этом документе мы кратко рассмотрим каждую из упомянутых выше областей и проиллюстрируем, как исследования фотосинтеза имеют решающее значение для поддержания и улучшения качества нашей жизни.

Фотосинтез и питание. Все наши потребности в биологической энергии удовлетворяются за счет царства растений либо напрямую, либо через травоядных животных. Растения, в свою очередь, получают энергию для синтеза продуктов питания посредством фотосинтеза. Хотя растения извлекают необходимые материалы из почвы, а воду и углекислый газ из воздуха, энергетические потребности растений удовлетворяются за счет солнечного света. Солнечный свет — это чистая энергия. Однако сам по себе солнечный свет — не очень полезная форма энергии; его нельзя есть, он не может вращать динамо-машины и не может храниться.Чтобы получить пользу, энергия солнечного света должна быть преобразована в другие формы. Это и есть фотосинтез. Это процесс, с помощью которого растения превращают энергию солнечного света в виды энергии, которые можно хранить для дальнейшего использования. Растения осуществляют этот процесс в центрах фотосинтетических реакций. Эти крошечные единицы находятся в листьях и преобразуют энергию света в химическую энергию, которая используется всеми живыми организмами. Один из основных процессов сбора энергии у растений включает использование энергии солнечного света для преобразования углекислого газа из воздуха в сахар, крахмал и другие высокоэнергетические углеводы.При этом выделяется кислород. Позже, когда растение нуждается в пище, оно использует энергию, запасенную в этих углеводах. Мы делаем то же самое. Когда мы едим тарелку спагетти, наш организм окисляет или «сжигает» крахмал, позволяя ему соединяться с кислородом воздуха. Это производит углекислый газ, который мы выдыхаем, и энергию, необходимую нам для выживания. Таким образом, если нет фотосинтеза, нет и пищи. Действительно, одна широко принятая теория, объясняющая вымирание динозавров, предполагает, что комета, метеор или вулкан выбросили в атмосферу столько материала, что количество солнечного света, достигающего Земли, резко сократилось.Это, в свою очередь, привело к гибели многих растений и существ, которые получали от них энергию.

Фотосинтез и энергия. Одним из углеводов, получаемых в результате фотосинтеза, является целлюлоза, из которой состоит основная часть сухой древесины и другого растительного материала. Когда мы сжигаем древесину, мы превращаем целлюлозу обратно в углекислый газ и выделяем накопленную энергию в виде тепла. Сжигание топлива — это, по сути, тот же процесс окисления, который происходит в нашем организме; он высвобождает энергию «накопленного солнечного света» в полезной форме и возвращает углекислый газ в атмосферу.Энергия от сжигания «биомассы» важна во многих частях мира. В развивающихся странах дрова по-прежнему имеют решающее значение для выживания. Этанол (зерновой спирт), получаемый из сахаров и крахмалов путем ферментации, является основным автомобильным топливом в Бразилии и добавляется в бензин в некоторых частях Соединенных Штатов, чтобы помочь снизить выбросы вредных загрязнителей. Этанол также легко превращается в этилен, который служит сырьем для значительной части нефтехимической промышленности. Можно превратить целлюлозу в сахар, а затем в этанол; различные микроорганизмы осуществляют этот процесс.Однажды это может стать коммерчески важным.

Нашими основными источниками энергии, конечно же, являются уголь, нефть и природный газ. Все эти материалы получены из древних растений и животных, а энергия, хранящаяся в них, представляет собой химическую энергию, которая изначально поступала от солнечного света в результате фотосинтеза. Таким образом, большая часть энергии, которую мы используем сегодня, изначально была солнечной!

Фотосинтез, волокна и материалы. Дерево, конечно, не только обжигается, но и является важным материалом для строительства и многих других целей.Бумага, например, представляет собой почти чистую целлюлозу, произведенную фотосинтетическим путем, как и хлопок и многие другие натуральные волокна. Даже производство шерсти зависит от энергии, получаемой в результате фотосинтеза. Фактически, все растительные и животные продукты, включая многие лекарства и лекарства, требуют энергии для производства, и эта энергия в конечном итоге поступает от солнечного света через фотосинтез. Многие из наших потребностей в других материалах удовлетворяются за счет пластмасс и синтетических волокон, которые производятся из нефти и, следовательно, также имеют фотосинтетическое происхождение.Даже большая часть нашей переработки металлов в конечном итоге зависит от угля или других продуктов фотосинтеза. Действительно, трудно назвать экономически важный материал или вещество, существование и полезность которых каким-либо образом не связаны с фотосинтезом.

Фотосинтез и окружающая среда. В настоящее время ведется много дискуссий о возможном воздействии углекислого газа и других «парниковых газов» на окружающую среду. Как упоминалось выше, фотосинтез преобразует углекислый газ из воздуха в углеводы и другие виды «фиксированного» углерода и выделяет кислород в атмосферу.Когда мы сжигаем дрова, этанол или уголь, нефть и другие ископаемые виды топлива, кислород потребляется, а углекислый газ выбрасывается обратно в атмосферу. Таким образом, углекислый газ, который был удален из атмосферы за миллионы лет, очень быстро заменяется нашим потреблением этого топлива. Увеличение содержания углекислого газа и связанных с ним газов обязательно повлияет на нашу атмосферу. Будет ли это изменение большим или маленьким, вредным или полезным? Эти вопросы сегодня активно изучаются многими учеными.Ответы будут сильно зависеть от эффекта фотосинтеза, осуществляемого наземными и морскими организмами. Поскольку фотосинтез потребляет углекислый газ и выделяет кислород, он помогает противодействовать эффекту сгорания ископаемого топлива. При сжигании ископаемого топлива выделяется не только углекислый газ, но и углеводороды, оксиды азота и другие микроэлементы, загрязняющие атмосферу и способствующие возникновению долгосрочных проблем со здоровьем и окружающей средой. Эти проблемы являются следствием того факта, что природа решила осуществлять фотосинтез путем преобразования углекислого газа в богатые энергией материалы, такие как углеводы.Можно ли каким-либо образом использовать принципы фотосинтетического сбора солнечной энергии для производства экологически чистого топлива или источников энергии? Ответ, как мы увидим, положительный.

Девенс Густ

Почетный профессор Регентс

2.4 Энергия проникает в экосистемы через фотосинтез — Экологическая биология

Клетки работают за счет химической энергии, содержащейся в основном в молекулах углеводов, и большинство этих молекул вырабатываются одним процессом: фотосинтезом.Посредством фотосинтеза определенные организмы преобразуют солнечную энергию (солнечный свет) в химическую энергию, которая затем используется для создания молекул углеводов. Энергия, хранящаяся в связях, удерживающих эти молекулы вместе, высвобождается, когда организм расщепляет пищу. Затем клетки используют эту энергию для выполнения работы, например движения. Энергия фотосинтеза непрерывно поступает в экосистемы нашей планеты и передается от одного организма к другому. Следовательно, прямо или косвенно процесс фотосинтеза обеспечивает большую часть энергии, необходимой живым существам на Земле.Фотосинтез также приводит к выбросу кислорода в атмосферу. Короче говоря, еда и дыхание человека почти полностью зависят от организмов, осуществляющих фотосинтез.

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

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

Рис. 2. Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь. Хищник, который ест этих оленей, получает энергию, происходящую от фотосинтезирующей растительности, которую потребляли олени. (предоставлено Стивом Ван Рипером, Служба рыб и дикой природы США)

Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, которые, следовательно, должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы.Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов. Даже если организм, который потребляется, является другим животным, он прослеживает накопленную энергию до автотрофов и процесса фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные и грибы. Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов. Например, олень получает энергию, поедая растения. Волк, поедающий оленя, получает энергию, которая изначально поступала от растений, съеденных этим оленем (рис. 2).Используя это рассуждение, всю пищу, потребляемую людьми, можно проследить до автотрофов, которые осуществляют фотосинтез.

Сводка фотосинтеза

Рис. 3. Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для выделения кислорода и производства энергосберегающих молекул сахара.

Фотосинтез требует солнечного света, двуокиси углерода и воды в качестве исходных реагентов (рис. 3). После завершения процесса фотосинтез высвобождает кислород и производит молекулы углеводов, чаще всего глюкозу.Эти молекулы сахара содержат энергию, необходимую живым существам для выживания. Сложные реакции фотосинтеза можно резюмировать химическим уравнением, показанным на Рисунке 4 ниже.

Хотя уравнение выглядит простым, многие этапы фотосинтеза на самом деле довольно сложны. У растений фотосинтез происходит в основном в хлоропластах листьев. Хлоропласты имеют двойную (внутреннюю и внешнюю) мембрану. Внутри хлоропласта находится третья мембрана, которая образует многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами.В тилакоидную мембрану встроены молекулы хлорофилла , пигмента (молекула, поглощающая свет), через которую начинается весь процесс фотосинтеза.

Рис. 4. Это уравнение означает, что шесть молекул углекислого газа (CO2) соединяются с шестью молекулами воды (h3O) в присутствии солнечного света. Это производит одну молекулу глюкозы (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) и шесть молекул кислорода (O2).

Две части фотосинтеза

Фотосинтез проходит в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина . В светозависимых реакциях хлорофилл поглощает энергию солнечного света, а затем преобразует ее в химическую энергию с помощью воды. Светозависимые реакции выделяют кислорода и в качестве побочного продукта расщепления воды. В цикле Кальвина химическая энергия, полученная в результате светозависимых реакций, управляет как захватом углерода в молекулах диоксида углерода, , так и последующей сборкой молекул сахара.

Глобальное значение фотосинтеза

Процесс фотосинтеза имеет решающее значение для биосферы по следующим причинам:

1. Создает O ₂ , что важно по двум причинам.Молекулярный кислород в атмосфере Земли создается фотосинтезирующими организмами; без фотосинтеза не было бы O ₂ для поддержки клеточного дыхания (см. главу 3.2), необходимого для сложной многоклеточной жизни. Фотосинтезирующие бактерии, вероятно, были первыми организмами, осуществившими фотосинтез, появившимися 2–3 миллиарда лет назад. Благодаря их активности и разнообразию современных фотосинтезирующих организмов в атмосфере Земли в настоящее время содержится около 21% O ₂ . Кроме того, O ₂ жизненно важен для создания озонового слоя (см. Главу 10.2), который защищает жизнь от вредного ультрафиолетового излучения, испускаемого солнцем. Озон (O ₃ ) образуется в результате разрушения и повторной сборки O ₂ .
2. Обеспечивает энергией почти все экосистемы. Преобразуя энергию света в химическую энергию, фотосинтез обеспечивает энергию, используемую организмами, будь то растения, кузнечики, волки или грибы. Единственные исключения встречаются в очень редких и изолированных экосистемах, таких как около глубоководных гидротермальных источников, где организмы получают энергию, исходную из минералов, а не солнца.
3. Он обеспечивает углерод, необходимый для органических молекул. Организмы в основном состоят из двух частей: воды и органических молекул, причем последние основаны на углероде. Посредством процесса фиксации углерода фотосинтез берет углерод из CO ₂ и превращает его в сахара (которые являются органическими). Углерод в этих сахарах может быть повторно использован для создания других типов органических молекул, в которых нуждаются организмы, таких как липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Например, углерод, используемый для создания вашей ДНК, когда-то был CO ₂ , который использовался фотосинтезирующими организмами (см. Раздел 3.1 для получения дополнительной информации о пищевых сетях).

Атрибуция

Основы науки об окружающей среде Камалы Доршнер лицензировано CC BY 4.0. Изменено по сравнению с оригиналом Мэтью Р. Фишером.

Роль фотосинтеза в жизни растений

Важность фотосинтеза для растений

Мы знаем, что животным и растениям для жизни нужна энергия. Эта энергия обычно находится в форме сахаров, таких как глюкоза.Но зачем этим вещам нужна энергия? Что в этой энергии позволяет нам жить?

Что ж, тела животных и растений всегда производят клеток , которые составляют живые ткани. Клетки не вечны — они постоянно умирают и нуждаются в замене. Клетки состоят из молекул, некоторые из них довольно сложные, с большим количеством атомов. Две общие категории молекул, обнаруженных в растениях, — это

целлюлоза , которая помогает укрепить клеточные стенки, и белки, такие как ферменты и хлорофилл.Энергия (или глюкоза), производимая при фотосинтезе, содержит некоторые из атомов, которые используются для построения этих молекул. Но создание молекул — это нечто большее, чем просто фотосинтез — растениям также необходимы минеральные питательные вещества, поглощаемые из почвы, включая нитраты.

В целом, глюкоза, созданная в процессе фотосинтеза, помогает растениям дышать, плодоносить, строить клетки, создавать аминокислоты, которые затем превращаются в белки, накапливать энергию в виде крахмала и создавать семена. Все эти процессы необходимы для жизни.Дыхание позволяет растениям поглощать углекислый газ, необходимый для завершения дальнейшего фотосинтеза. Необходимо создать плоды и семена, чтобы растение могло размножаться. Необходимо построить клетки, чтобы заменить те, которые умерли, и позволить растению расти, а также необходимо накапливать энергию, чтобы растение пережило тяжелые времена. Все это невозможно без фотосинтеза, поэтому вы можете понять, почему фотосинтез так важен для жизни растений.

Плоды содержат семена для размножения, состоящие из атомов, составляющих глюкозу.

Резюме урока

Фотосинтез — это процесс, в котором зеленые растения вырабатывают энергию, позволяющую использовать углекислый газ и воду. Химическое уравнение фотосинтеза говорит нам, что он включает превращение углекислого газа (из воздуха) и воды (поглощенной корнями) в сахара, такие как глюкоза (энергия) и кислород, и что энергия солнечного света вызывает реакцию.

Фотосинтез важен, потому что он обеспечивает строительные блоки, необходимые для создания сложных молекул и, в свою очередь, клеток.