Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

§ 23 Автотрофное питание

В конце XVIII в. английский учёный Джозеф Пристли сообщил, что он «случайно обнаружил метод исправления воздуха, который был испорчен горением свечей». 17 августа 1771 г. Пристли «…поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, в котором горела восковая свеча», а 21-го числа того же месяца обнаружил, что «…другая свеча снова могла гореть в этом же сосуде». «Исправляющим началом, которым для этих целей пользуется природа, – полагал Пристли, – было растение». Он расширил свои наблюдения и скоро показал, что воздух, «исправляемый» растением, не был «совсем не подходящим для мыши».

Итак, мы знаем, что в процессе диссимиляции происходит распад глюкозы и освобождающаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ. Естественно, для того чтобы запустить этот процесс, требуется наличие глюкозы. Гетеротрофные организмы получают эту глюкозу с пищей. А где берут её автотрофные организмы, которые не питаются органическими веществами? Им приходится её синтезировать самостоятельно, используя воду и углекислый газ. Однако для того, чтобы что-то синтезировать, нужна энергия. Большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света. Процесс использования солнечной энергии для синтеза органических веществ (в первую очередь глюкозы) называют фотосинтезом.

Фотосинтез происходит с помощью зелёного пигмента хлорофилла, который находится во внутренней мембране хлоропластов растений – в мембране тилакоидов. Вспомните материал из учебника 10 класса, где говорилось о свойствах света. Выясним, почему хлорофилл зелёный. Очевидно, потому, что он отражает световые лучи зелёной области видимой части спектра, а остальные лучи, например красные и синие, – поглощает. Следовательно, для фотосинтеза зелёный свет не требуется, и если вы будете освещать растение зелёным светом, даже очень ярким, в конце концов оно погибнет. Хлорофилл поглощает свет и использует его энергию для фотосинтеза (рис. 60). Вспомним, что происходит с молекулой, когда она захватывает квант электромагнитного излучения, в нашем случае света. Поглощение энергии приводит к тому, что часть электронов молекулы или атома перемещается на более высокие орбитали. При этом некоторые электроны могут оказаться так далеко от своего ядра, что потеряют с ним связь и покинут молекулу. Именно так и происходит в молекуле хлорофилла. Фотон «выбивает» из неё электроны, которые захватываются специальными переносчиками. Естественно, что при этом молекула хлорофилла теряет некоторую энергию, которая может быть использована для образования нескольких молекул АТФ.

Рис. 60. Схема фотосинтеза

После того как электроны покидают молекулу хлорофилла, она становится положительно заряженной. Для того чтобы восстановить прежнее состояние, хлорофилл отбирает недостающие электроны у молекулы воды. Так как у этой молекулы нет лишних электронов, ей приходится распадаться на кислород и водород:

2H2O – 4ē → 4H+ + O2.

Этот процесс называют фотолизом воды (от греч. «фотон» – свет и «лизис» – распад, разрушение). Образовавшийся при этом кислород выделяется в атмосферу, где его и используют для дыхания все аэробные живые организмы. Ионы водорода (протоны) присоединяются к специальному переносчику и в комплексе с ним приобретают большой запас энергии. На этом заканчивается первая фаза фотосинтеза, которая протекает на мембранах тилакоидов и носит название световой фазы.

Вторую стадию фотосинтеза называют темновой, потому что для её осуществления свет не требуется. Не нуждается она и в ферментах клеточных мембран, поэтому протекает прямо в строме[11] хлоропласта. На этой стадии энергия, накопленная в макроэргических связях АТФ и в связанном водороде, используется для синтеза глюкозы из водорода и углекислого газа. Уравнение темновой стадии выглядит так:

6CO2 + 24H → C6H12O6 + 6H2O,

а общее уравнение фотосинтеза в упрощённой форме без учёта веществ – носителей энергии – имеет такой вид:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.

Сравним это уравнение с последним уравнением предыдущего параграфа. Легко заметить, что оно полностью соответствует ему с той лишь разницей, что записано в обратном порядке. Таким образом, фотосинтез как пример пластического обмена и энергетический обмен образуют в природе замкнутый цикл превращения энергии.

Рис. 61. Сообщества микроорганизмов чёрных курильщиков представлены хемотрофными бактериями, это основные продуценты на дне океанов. Чёрные курильщики – это действующие на дне океанов многочисленные источники, из которых в океаны под давлением в сотни атмосфер поступает высокоминерализованная горячая вода.

Солнечная энергия расходуется на образование химических связей в молекуле глюкозы, а затем при расщеплении этих связей энергия вновь освобождается, только уже не в виде энергии света, а в виде макроэргических связей АТФ. Разумеется, не вся энергия солнечного света, падающего на землю, запасается в АТФ. В соответствии со вторым началом термодинамики значительная её часть рассеивается в виде тепла. И всё же интенсивность фотосинтеза такова, что 1 м2 листьев в течение часа образует около 1 г глюкозы.

Роль фотосинтеза на Земле уникальна. Это единственный процесс, который поставляет Земле свободную энергию за счёт внешнего источника. В результате фотосинтеза все живые организмы, обитающие на нашей планете, получают энергию в виде пищевых веществ и кислород, необходимый большинству этих организмов для дыхания. В течение года в результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд т органических веществ и при этом выделяется почти 200 млн т кислорода. При этом снижается количество углекислого газа в атмосфере, что препятствует перегреву Земли в результате парникового эффекта. Большую часть фотосинтеза осуществляют леса, поэтому их интенсивная вырубка представляет серьёзную угрозу для существования жизни на нашей планете.

Другой группой автотрофных организмов являются хемосинтетики, использующие в качестве источника энергии окислительно-восстановительные реакции неорганических соединений. Хемосинтетиками могут быть только бактерии: железобактерии окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного, серобактерии превращают сероводород в молекулярную серу и серную кислоту, нитрифицирующие бактерии окисляют образующийся в результате гниения различных органических веществ аммиак до азотистой и азотной кислот, соли которых могут использовать растения.

Роль хемосинтетиков в жизни нашей планеты чрезвычайно велика, так как они участвуют в круговороте важнейших химических элементов, без которых невозможно существование жизни (рис. 61).

1. Почему постоянный зелёный свет губителен для растений?

2. Что такое фотолиз воды?

3. Где протекает световая фаза фотосинтеза?

4. Из какого соединения образуется выделяемый при фотосинтезе кислород?

5. На какие группы делят бактерии-хемосинтетики?

1. Вспомните материал из учебника 10 класса, где рассказывалось о том, как энергия света зависит от длины его волны, и объясните, почему осенью хлоропласты, содержащие зелёный хлорофилл, сменяются хромопластами, содержащими красный и жёлтый пигменты.

2. Вспомните, какие пигменты используют для фотосинтеза самые глубоководные растения нашей планеты. Как называются эти растения? Почему их пигменты такого цвета?

3. Используя дополнительные источники информации и знания, полученные из курса биологии, расскажите о значении этих растений в природе и жизни человека.

4. Используя дополнительные источники информации, подготовьте сообщение или презентацию на тему «Бактерии-хемосинтетики и их роль в круговороте веществ в природе».

§ 24 Генетический код и биосинтез белка

Двойной спиралью ДНК Сильна, хитра, стройна, ловка.«Белок создать? Давно пора!И,словно тень легка,Сверкнув, умчалась из ядра витая РНК.

К рибосоме стремись, РНК,Без тебя не видать нам белка.Коль поспеет молекула в срок,Значит, клетка получит белок.

В рибосоме, могучие с виду,В ряд построились нуклеотиды,И идут, как конвейера ленты,В рибосому ферменты, ферменты…

Скоро пептидные связи замкнутся,Скоро в белке силы жизни проснутся,Вырастет клетка большая, и сноваКлетка к делению будет готова.

Мы знаем, что белки определяют жизнедеятельность любой клетки и выполняют в ней самые разнообразные функции. Но белки – это крайне недолговечные соединения: самые устойчивые из них существуют не более нескольких месяцев. Поэтому белковые молекулы нужно постоянно обновлять. Кроме того, в зависимости от возраста, состояния и вида деятельности организму требуются разные белки в разных соотношениях. По этой причине в каждой клетке постоянно происходит синтез новых молекул белка. При этом необходимо, чтобы структура белка, т. е. последовательность входящих в него аминокислот, всегда в точности соответствовала требуемой, ведь малейшая ошибка может иметь роковые последствия. Так, если в молекуле гемоглобина, состоящей из 574 аминокислот, заменить всего две, у человека появится тяжёлое наследственное заболевание – серповидно-клеточная анемия, которая обычно приводит к смерти в раннем возрасте. Поэтому ясно, что в клетке должно находиться хранилище, содержащее точную и надёжную информацию о структуре всех белков, которые в принципе могут быть синтезированы в организме.