Создание питательных веществ при помощи энергии солнца

Фотосинтез

Поперечный срез листа

1. О том, что мы будем изучать

Сохранение жизни зависит от способности организмов использовать различные источники энергии. Какие же источники энергии используют живые организмы?

(Можно предоставить учащимся дать ответ на этот вопрос. Как правило, ответы бывают довольно разнообразные, их лучше записать на доске.)

При всем своем разнообразии организмы используют в основном два источника энергии: энергию химических связей органических веществ и энергию солнечного света.

(Здесь нужно вернуться к ответам учащихся, записанным на доске, и распределить их на две группы в соответствии с источником энергии. Необходимо упомянуть, что есть особая группа живых организмов, которые используют в качестве источника энергии химические связи неорганических веществ. Учащиеся могут сами назвать некоторые из организмов, относящихся к этой группе.)

Вопросы учащимся

1. Какие организмы используют энергию солнца и как они называются?
2. Как называются организмы, которые используют энергию химических связей органических веществ, и кто к ним относится?

Организмы, которые используют энергию органических веществ (совокупность всех органических веществ, используемых организмом, называется пищей), называются органотрофами. Все остальные организмы называют литотрофами. Эти названия для нас новые, однако обозначаемые этими терминами организмы нам хорошо знакомы: литотрофы относятся к автотрофам, а органотрофы – это гетеротрофы.

Автотрофные организмы используют для питания соединения, не представляющие энергетической ценности, такие как предельные окислы углерода (СО₂) или водорода (Н₂О), поэтому они нуждаются в дополнительном источнике энергии. Этим источником энергии для большинства автотрофных организмов является солнечный свет.

Автотрофные организмы испльзуют СО₂ в качестве единственного или главного источника углерода и обладают как системой ферментов для ассимиляции СО₂ , так и способностью синтезировать все компоненты клетки. Автотрофы делятся на две группы:

– фотоавтотрофы – зеленые растения, водоросли, бактерии, способные к фотосинтезу;
– хемоавтотрофы – бактерии, использующие окисление неорганических веществ (водород, сера, аммиак, нитраты, сероводород и др.). К ним относятся, например, водородные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии, метанобразующие бактерии.

Мы будем рассматривать только фотоавтотрофные организмы.

Можно предложить учащимся подготовить доклады или рефераты о хемоавтотрофах.

Поглощенный солнечный свет используется фотоавтотрофами для синтеза органических веществ. Поэтому можно дать следующее определение фотосинтеза.

Фотосинтез – это процесс преобразования поглощенной энергии света в химическую энергию органических соединений.

Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению энергии биосферы за счет внешнего источника – Солнца – и обеспечивающий существование как растений, так и практически всех гетеротрофных организмов.

2. Немного истории

Началом эры исследования фотосинтеза можно считать 1771 г., когда английский ученый Д.Пристли поставил классические опыты с растением мяты. Он помещал мяту под стеклянный колпак, под которым до того горела свеча. При этом «испорченный» горением свечи воздух становился пригодным для дыхания. Определяли это следующим образом. В одном случае под стеклянный колпак вместе с растением помещали мышь, в другом, для сравнения, – только мышь. Через некоторое время под вторым колпаком животное погибало, а под первым продолжало нормально себя чувствовать (рис. 1).

Рис. 1. Опыт Пристли. А – свеча, горящая в закрытом сосуде, через некоторое время гаснет. Б – мышь погибает, если оставить ее в закрытом сосуде. В – если вместе с мышью поместить в сосуд растение, то мышь не погибнет

Благодаря этим и другим опытам Д.Пристли в 1774 г. открыл кислород (одновременно с К.В. Шееле). Название этому газу дал французский ученый А.Л. Лавуазье, повторивший открытие год спустя. Дальнейшее изучение растений показало, что в темноте они, как и другие живые существа, выделяют не пригодный для дыхания газ СО₂.

В 1782 г. Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, одновременно поглощают двуокись углерода. Это позволило ему предположить, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав двуокиси углерода.

Австрийский врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку ивы в воду и наблюдал на свету образование на листьях пузырьков кислорода. Если листья находились в темноте, пузырьки не появлялись.

Дальнейшие опыты показали, что органическая масса растения формируется не только за счет углекислого газа, но и за счет воды. Обобщая результаты перечисленных опытов, немецкий ученый В.Пфеффер в 1877 г. дал описание процесса поглощения СО₂ из воздуха при участии воды и света с образованием органического вещества и назвал его фотосинтезом.

Большую роль в выявлении сущности фотосинтеза сыграло открытие закона сохранения и превращения энергии Ю.Р. Майером и Г.Гельмгольцем.

Для развития межпредметных связей рекомендуется, чтобы ученики дома письменно ответили на вопрос: почему открытие закона сохранения и превращения энергии имело большое значение для выявления сущности фотосинтеза?

Для дальнейшего изучения фотосинтеза, как показывает наш опыт, необходимо, чтобы учащиеся вспомнили материал по следующим вопросам из химии и физики (повторение материала можно дать как домашнее задание):

– строение атома;
– виды орбиталей;
– энергетические уровни;
– окислительно-восстановительные реакции.

Дальнейшее изучение фотосинтеза строится по следующему плану:

– физико-химические основы фотосинтеза;
– состав и строение фотосинтетического аппарата;
– фазы и процессы фотосинтеза;
– виды фотосинтеза.

3. Физико-химические основы фотосинтеза

В общих чертах физико-химическую суть фотосинтеза можно описать следующим образом.

Молекула хлорофилла поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние, характеризующееся электронной структурой с повышенной энергией и способностью легко отдавать электрон. Такой электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, – он также приобретает дополнительную потенциальную энергию. Электрон, как по ступеням, перемещается по цепочке сложных органических соединений, встроенных в мембраны хлоропласта. Эти соединения отличаются друг от друга своими окислительно-восстановительными потенциалами, которые к концу цепи повышаются. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Растративший свою энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает молекулу хлорофилла. Электрон снова проходит по тому же пути, расходуя свою энергию на образование новых молекул АТФ, и весь цикл повторяется.

В этом описании выделены ключевые понятия, разбор которых поможет учащимся глубже понять суть процесса фотосинтеза.

Что же представляет собой главный «герой» фотосинтеза – квант света? Солнечный свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме с максимально возможной скоростью (с). Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, амплитудой и частотой. Свойства электромагнитного излучения сильно зависят от длины волны (рис. 2).

Рис. 2. Шкала электромагнитного излучения. Ангстрем – единица длины, равная 10-8 смм

Видимый свет занимает очень маленькую часть электромагнитного спектра, но именно ее используют растения для фотосинтеза.

Электромагнитные волны излучаются и поглощаются не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (фотонами). Каждый квант света несет определенное количество энергии, которая находится в обратной зависимости от длины волны :

Е=hc/,

т.е. чем больше длина волны, тем меньше энергия кванта (h – постоянная Планка).

От длины волны зависит не только энергия кванта, но и его цвет (рис. 2).

Попадая на какую-либо поверхность, квант света отдает ей свою энергию, в результате чего поверхность нагревается. Но в некоторых случаях при поглощении кванта света молекулой его энергия не сразу превращается в тепло и может привести к различным изменениям внутри молекулы. Например, под действием света происходит фотолиз воды:

т.е. вода диссоциирует на ион водорода и ион гидроксила. Затем ион гидроксила теряет свой электрон, и радикалы гидроксила образуют воду и кислород:

Что же происходит в молекуле под действием кванта света? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить строение атома. В атоме электроны находятся на различных орбиталях и обладают различной энергией (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней электронных оболочек

Энергия поглощенного кванта света в атоме или молекуле передается электрону. За счет этой дополнительной энергии он может перейти на другой, более высокий энергетический уровень, оставаясь по-прежнему в молекуле. Такое состояние атома или молекулы называют возбужденным. Молекула в возбужденном состоянии нестабильна – она «стремится» отдать лишнюю энергию и перейти в стабильное состояние с наименьшей энергией. От избытка энергии молекула может избавиться разными путями: изменением спина электрона, выделением тепла, флуоресценцией, фосфоресценцией. Если энергия кванта слишком велика, возможно «выбивание» электрона из молекулы, которая превращается в катион.

Вернемся к фотосинтезу. Следующим «героем» фотосинтеза является молекула хлорофилла, основная функция которой состоит в поглощении кванта света (рис. 4).

Рис. 4. Строение молекулы хлорофилла

Хлорофилл – зеленый пигмент. Основу молекулы составляет Мg-порфириновый комплекс, состоящий из четырех пирольных колец. Пирольные кольца в молекуле хлорофилла образуют систему сопряженных связей. Такая структура облегчает поглощение кванта света и передачи энергии света электрону хлорофилла.

Существует несколько типов хлорофиллов, различающихся строением, а следовательно, и спектрами поглощения. Все растения имеют два вида хлорофилла: основной, присутствует у всех растений, это хлорофил a и дополнительный, который у разных растений разный: у высших растений и зеленых водорослей это хлорофилл b, у бурых и диатомовых – хлорофилл с, у красных водорослей – хлорофилл d. У фототрофных бактерий присутствует аналог хлорофилла – бактериохлорофилл.

Кроме хлорофилла, в растениях присутствуют и другие пигменты. К желтым пигментам, каротиноидам, относятся оранжевые или красные пигменты – каротины, желтые – ксантофиллы. На фоне хлорофилла каротиноиды в листе не заметны, но осенью после разрушения хлорофилла придают листьям желтую и красную окраску. Как и хлорофилл, каротиноиды принимают участие в поглощении света при фотосинтезе, но хлорофилл является основным пигментом, а каротиноиды – дополнительными. Каротиноиды выполняют роль стабилизаторов фотосинтеза, защищая хлорофилл от самоокисления и разрушения.

Все пигменты, участвующие в фотосинтезе, находятся в специальных органоидах растительной клетки – хлоропластах.

4. Состав и строение фотосинтетического аппарата

Перед изучением этого раздела рекомендуется дать домашнее задание на повторение строения листа.

Хлоропласты являются внутриклеточными двумембранными органоидами, в которых осуществляется фотосинтез.

У высших растений хлоропласты находятся преимущественно в клетках палисадной и губчатой тканей мезофилла листа. Они присутствуют также в замыкающих клетках устьиц эпидермиса листьев.

Хлоропласты сосудистых растений имеют форму двояковыпуклой, плоско-выпуклой или вогнуто-выпуклой линзы с круглым или эллипсоидным контуром. Внутренняя структура всех хлоропластов (рис. 5) характеризуется наличием системы мембран, называемых также ламеллами, погруженных в гидрофильный белковый матрикс, или строму.

Рис. 5. Строение хлоропласта

Основной субъединицей этой мембранной структуры является тилакоид – пузырек, образованный одинарной мембраной (рис. 6).

Рис. 6. Часть тилакоидной системы

Хлоропласты зрелых клеток имеют максимально развитую тилакоидную систему. Ее структура в хлоропластах разных растений различна и связана главным образом с отношением данного вида растений к свету: хлоропласты светолюбивых растений содержат много мелких гран, хлоропласты теневыносливых – меньшее количество гран, но крупных.

В клетке хлоропласты постоянно перемещаются с током цитоплазмы или самостоятельно, ориентируясь по отношению к свету. Если падающий на лист поток света имеет высокую интенсивность, то хлоропласты располагаются вдоль световых лучей и занимают боковые стенки клеток. Если свет слабый, то хлоропласты ориентируются перпендикулярно световому потоку, тем самым увеличивая площадь поглощения света. Это проявление фототаксиса у хлоропластов.

Источник

Cолнечная энергия в процессе фотосинтеза

Дата публикации: 21 сентября 2018

Солнечная энергия – это достаточно популярный в современном мире ресурс, который приноровились использовать многие люди, как в промышленных, так и в бытовых целях. Но для нас более привычно слышать о солнечных батареях, как об устройствах, имеющих в своей конструкции фотоэлементы, преобразующие солнечную энергию в электричество. В то время как солнечные батареи уже широко распространены в мире, идет разработка технологии использования солнечной энергии в процессе фотосинтеза. Ученые не прекращают попыток развить технологию искусственного фотосинтеза до уровня максимальной эффективности, которая присуща растениям.

Как можно использовать солнечную энергию в фотосинтезе?

С каждым днем становится известно все больше о естественных процессах и фотосинтез – не исключение. Ученые выяснили, что в процессе фотосинтеза энергия солнечного света играет роль механизма, запускающего ряд химических реакций, которые помогают растениям высвободить энергию, необходимую им для жизнедеятельности.

По словам ученых из Джорджии, самая большая проблема в создании искусственных механизмов, имитирующих фотосинтез, заключается в том, что в естественном процессе фотосинтеза солнечный свет как источник энергии, проходя через мембрану, не возвращается. Но во всех механизмах, созданных человеком, он возвращается, и пока не удалось понять, почему. Из-за этого, механизмы искусственного фотосинтеза не так эффективны, как у растений, из-за чего их использование пока невозможно.

Что сделано для достижения успеха в области воссоздания процесса фотосинтеза искусственно?

Американским ученым удалось создать искусственно бактерию, которая в плане эффективности переработки солнечной энергии в 40 раз превосходит большую часть растений. Такого результата удалось добиться благодаря умению искусственной бактерии создавать нанокристаллические образования, которые схожи по принципу работы с солнечными панелями.
Сентябрь 2017 года был ознаменован открытием еще одной функции искусственного фотосинтеза: перерабатывать углерод в другие виды биотоплива. Так, сотрудники лаборатории в Беркли описали процесс, когда углерод был преобразован в этанол и этилен. Первый можно использовать в качестве топлива, а второй нужен в производстве полиэтиленовых упаковок.
Не оставляют без внимания так же и водород как экологически безвредное топливо. Таким образом, недавно был представлен проект, где искусственно созданный лист при помощи энергии Солнца воссоздал водород. А при условии наличия в воздухе значительной доли углекислого газа, КПД листа вырастал.

О самом процессе фотосинтеза

Использование солнечной энергии в фотосинтезе нужно для химической реакции, в которой неорганические вещества преобразуются в органические. Таким образом, для реакции преобразования нужен углекислый газ и вода. Первый поступает из воздуха, а вторая – из почвы. Под воздействием энергии фотонов эти вещества преобразуются в глюкозу (или другую органику) и кислород.

То, что в процессе фотосинтеза образуется не только кислород, но и органическое вещество очень важно, поскольку ни один другой организм не может сделать из неорганики органику. Фотосинтез, можно сказать, обеспечивает нас питательными веществами, без которых, как и без воздуха, мы бы долго не прожили.

Если вникать в процесс, то реакция фотосинтеза разделена на 2 фазы: световую и темновую. Для первой из них обязательно нужен свет, а вторая протекает независимо от его наличия. Во время световой фазы как раз выделяется кислород, а сахара образовываются в темновой фазе, благодаря ряду сложных химических реакций.

Почему важно достижение успехов в области создания механизмов для искусственного фотосинтеза?

Даже сейчас, на этапе, когда человечество медленно, но уверенно движется к постепенному переходу на альтернативные источники энергии, существует огромный дисбаланс веществ в воздухе, который способствует существенным изменениям климата. При условии создания устройств, которые будут хотя бы так же эффективны как растения в сфере переработки веществ, мы сможем закрыть вопрос с глобальным потеплением.

Кроме того, если энергетический ресурс, который вырабатывается во время реакции фотосинтеза, будет действительно эффективен, можно будет использовать его наряду с другими альтернативными источниками энергии, или даже совмещать устройства, чтобы компенсировать недостатки работы одного механизма преимуществами другого. Такой подход поможет нам постепенно отказаться от ископаемых источников энергии, и, возможно, даже перейти на совершенно новый тип энергии.

Другими словами, вероятное использование фотосинтеза как еще одного варианта применения солнечной энергии – это решение для многих проблем, уже давно вставших перед человечеством и мешающих ему жить. Что касается перспектив развития науки в этой области, они представляются очень хорошими, поскольку сейчас есть достаточно возможностей и средств для использования или создания той аппаратуры, которая позволит изучить естественный процесс фотосинтеза до конца, а затем использовать его.

Какая жизнь без света?
Солнце – источник жизни для Iphone
Солнечные электростанции на территории России: реалии и перспективы
Солнечные батареи для подогрева воды в бассейне: секреты самостоятельного изготовления

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Источник