Что значит космическая роль фотосинтеза

Космическая роль растений: в чем она заключается?

Космическая роль растений уже давно доказана многими учеными. Особую роль в исследовании этого процесса сыграл российский исследователь Климент Тимирязев. Именно он доказал, что данный процесс имеет жизненно важное значение. На каких же особенностях строения основано это уникальное свойство растительных организмов?

Космическая роль зеленых растений

Все живые организмы характеризуются определенными признаками. Однако все они нуждаются в кислороде для осуществления процесса дыхания. Космическая роль растений и заключается в обеспечении всех организмов этим жизненно важным веществом. Только растения способны производить его в ходе уникального процесса, который называется фотосинтез.

Представители растений: характерные черты строения

Почему же другие организмы не производят кислород в процессе своей жизнедеятельности? Потому что только растения имеют уникальные черты строения. Прежде всего это наличие в клетке зеленых пластид хлоропластов. На внутренней поверхности этих органелл происходит процесс фотосинтеза, которым определяется космическая роль растений. Характерными признаками представителей этого царства живой природы является также наличие углевода целлюлозы в клеточной стенке. Это вещество придает поверхностному аппарату прочность и жесткость. В качестве запасного питательного вещества в цитоплазме клеток откладываются гранулы крахмала. Этот полисахарид образуется из многочисленных молекул глюкозы, синтезирующейся в процессе фотосинтеза. Для растений также характерен неограниченный рост. Это значит, что процесс количественных изменений у них происходит в течение всей жизни.

Суть процесса фотосинтеза

Итак, космическая роль растений проявляется в ходе фотосинтеза. Само название этого процесса свидетельствует об участии солнечного излучения в нем. И действительно, фотосинтез заключается в образовании органических веществ из минеральных при условии наличия квантов света. Происходит он только в зеленых пластидах хлоропластах. На их внутренней поверхности углекислый газ взаимодействует с водой. Продуктами этой уникальной химической реакции является моносахарид глюкоза и кислород. Первое вещество растения используют в качестве источника энергии для осуществления процессов жизнедеятельности. А кислород участвует в процессах дыхания абсолютно всех живых организмов.

Условия протекания фотосинтеза

Синтез органических веществ и кислорода, в котором заключается космическая роль растений на земле, возможен только при наличии солнечного света. Учеными доказано, что от его количества зависит и интенсивность фотосинтеза. Она возрастает до освещенности в 15 тысяч люкс, а после идет на спад. Осенью происходит естественное уменьшение количества солнечного света. В результате листья меняют цвет и опадают. Суть этого процесса заключается в превращении зеленых пластид в желтые и багряные, которые называются хромопласты. При этом лист уже не может выполнять свои функции и прекращает жизнедеятельность. Листопад имеет защитное значение для растений в холодный период, поскольку этот процесс практически прекращает транспирацию. Ведь терять влагу в период ее недостатка очень неразумно.

Солнечное излучение необходимо только на первой фазе фотосинтеза. Она так и называется — световая. В течение этого периода происходит накопление энергии для запуска сложной химической реакции и активации хлорофилла. После этого свет уже не нужен. Наступает темновая фаза, в ходе которой происходит накопление углеводов. Также обязательными условиями протекания фотосинтеза является наличие воды и углекислого газа.

Фотосинтез: космическая роль растений

Растения осуществляют удивительный круговорот. Они выделяют кислород, все живые организмы используют это вещество для окисления органических веществ, в результате чего выделяют углекислый газ. Именно он является необходимым условием и реагентом в процессе фотосинтеза. Способны к этому только растения. По типу питания они являются автотрофами, способными самостоятельно производить органические вещества. Космическая роль зеленых растений заключается в обеспечении необходимых условий для жизни живых организмов. Причем, если традиционно считается, что именно леса являются «легкими планеты», то на самом деле огромная часть производимого на планете кислорода приходится на долю водных растений.

Итак, космическая роль растений заключается в осуществлении процесса фотосинтеза. В его ходе в пластидах хлоропластах при наличии воды и углекислого газа происходит волшебное появление глюкозы и кислорода, необходимого для дыхания всех живых организмов, обитающих в биосфере.

Источник

Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле

Содержание:

Фотосинтез и его значение. Космическая роль фотосинтеза

Высшие растения, водоросли и некоторые бактерии — автотрофные организмы. Название типа питания в переводе с греческого означает «сам питаюсь». Углерод для создания органического вещества они берут из углекислого газа и бикарбонат-ионов НСО₃ — .

Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в энергию химического связывания органических соединений при участии хлорофилла.

Фотосинтез происходит в хлоропластах, куда поступает углекислый газ и вода. Зеленый пигмент хлорофилл обеспечивает поглощение энергии света, необходимой для химических превращений. Растения в дальнейшем используют созданные молекулы простого углевода для синтеза крахмала, жиров, и других веществ. Кислород выделяется в окружающую среду. Процессы, происходящие в хлоропластах, показаны

Вследствие фотосинтеза ежегодно образуется около 150 миллиардов тонн органического вещества и около 200 миллиардов тонн кислорода. Этот процесс обеспечивает углеродный цикл в биосфере, предотвращая накопление углекислого газа и, тем самым, предотвращая парниковый эффект и перегрев Земли. Органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза, частично потребляются другими организмами, большая часть которых за миллионы лет образовала залежи полезных ископаемых (уголь и бурый уголь, нефть).

Все чаще, в настоящее время рапсовое масло («биодизельное топливо») и спирт, полученный из растительных остатков, также начали использовать в качестве топлива. Озон образуется из кислорода при воздействии электрических разрядов, что создает озоновый экран, защищающий всю жизнь на Земле от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей.

Как доказал русский ученый К.А. Тимирязев, фотосинтез невозможен без хлорофилла. Исследователь писал, что именно в зеленых листьях совершается процесс, связывающий жизнь на Земле с Солнцем, позволяющий всем на планете пользоваться общим источником энергии.

Значение фотосинтеза и космическая роль зеленых растений:

• Усвоение энергии света для создания органических соединений.
• Создание органической массы (177 млрд. т ежегодно), необходимой для животных и человека.
• Выделение кислорода в атмосферу Земли (около 450 млн. т в год).
• Поддержание концентрации СО₂ в воздухе на уровне 0,02–0,04%.
• Накопление энергии.
• Образование почвы.

Благодаря растениям поддерживается содержание молекул О₂ в атмосфере нашей планеты на уровне 21%. Над крупными городами, промышленными центрами, транспортными узлами воздух беднее кислородом, запылен, содержит больше углекислого газа, токсичных веществ.

Суть одного из важнейших процессов на Земле отражает химическое уравнение:

Световая и темновая фазы фотосинтеза. Их взаимосвязь.

В 1905 году английский физиолог Ф. Блэкман обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться бесконечно, существуют ограничивающие её факторы. Исходя из этого, он предложил две фазы фотосинтеза:

При низкой освещенности скорость световых откликов увеличивается пропорционально увеличению интенсивности света, и, помимо этого, эти реакции не зависят от температуры, поскольку для их прохождения не требуются ферменты. На тилакоидных мембранах осуществляются световые реакции.

Наоборот, скорость темновых реакций увеличивается с ростом температуры; однако при достижении температурного порога 30 ° C этот рост прекращается, что указывает на ферментативный характер этих превращений, которые происходят в строме. Также важно отметить, что свет тоже оказывает некоторое влияние на темновые реакции, несмотря на их название.

Световая фаза фотосинтеза происходит на тилакоидных мембранах, несущих несколько типов белковых комплексов, главными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В составе фотосистем находятся пигментные комплексы, в которых, помимо хлорофилла, присутствуют также каротиноиды. Каротиноиды захватывают свет в областях спектра, где нет хлорофилла, и помимо этого, защищают хлорофилл от повреждения интенсивным светом.

Помимо пигментных комплексов, фотосистемы также включают ряд акцепторных белков, последовательно переносящих электроны от молекул хлорофилла друг к другу. Последовательность этих белковых молекул называется цепью переноса электронов хлоропластов.

Особый комплекс белков непосредственно связан с фотосистемой II, обеспечивающей выделение кислорода при таком процессе как фотосинтез. Этот комплекс выделения кислорода содержит ионы марганца и хлора.

В световой фазе световые кванты или фотоны, падающие на молекулы хлорофилла, которые расположены на мембранах тилакоидов, переводят их в состояние возбуждения, характеризующееся более высокой энергией электронов. В этом случае возбужденные электроны из хлорофилла фотосистемы I передаются через цепочку посредников к водородному носителю НАДФ, который присоединяет протоны водорода, которые постоянно находятся в водном растворе:

• НАДФ + 2 e− + 2H + → НАДФН + Н + .

Затем в темноте используется уменьшенный НАДФН + Н + . Электроны из хлорофилла фотосистемы II также переносятся по цепочке переноса электронов, но заполняют «электронные дыры» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II обусловлен выводом молекул воды при участии вышеупомянутых Кислородный комплекс развивается, наполняется. Разложение молекул воды, называемое фотолизом, производит протоны водорода и выделяет молекулярный кислород, который является побочным продуктом фотосинтеза:

Темная фаза — это процесс преобразования углекислого газа в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с участием энергии АТФ и НАДФ •Н.

Результат темновых реакций: превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо стромальных молекул глюкозы образуются аминокислоты, нуклеотиды и спирты.

Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий

Хемосинтез является самым старым типом автотрофного питания, образованным еще во время эволюции до фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе, основным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтезирующие бактерии живут в местах, недоступных для других организмов: на больших глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтетические организмы не зависят от энергии солнечного света, ни как растения, ни как животные. Исключением являются бактерии, которые окисляют аммиак, поскольку последний выделяется в результате гниения органических веществ.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

• автотрофное питание,
• энергия накапливается в АТФ, а затем используется для синтеза органических веществ.

Отличия в хемосинтезе:

• источник энергии — различные окислительно-восстановительные химические реакции;
• характерен только для ряда бактерий и архей;
• клетки не содержат хлорофилла;
• в качестве источника углерода для синтеза органических веществ используются не только CO₂, но и окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH₃OH), уксусная кислота (CH₃COOH) и карбонаты.

Хемосинтезирующие организмы генерируют энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитритов и т.д. Как видите, используются неорганические вещества.

Хемосинтетические вещества подразделяются на группы в зависимости от окисляемого субстрата для производства энергии: железные бактерии, серные бактерии, археи, образующие метан, нитрифицирующие бактерии и т. д.

В хемосинтетических аэробных организмах кислород является акцептором электронов и водорода, т.е. он действует как окислитель.

Хемосинтезирующие организмы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, и способствуют плодородию почвы.

В группу хемосинтетических организмов (хемотрофов) в основном входят бактерии: нитрифицирующие, сернистые, черные и т. д., использующие энергию окисления ионов азота, серы и железа. В этом случае донором электронов является не вода, а другие неорганические вещества.

Таким образом, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, образующийся из атмосферного азота, от азотфиксирующих бактерий до нитритов и нитратов:

Серобактерии производят окисление сероводорода до серы и, в некоторых случаях, до серной кислоты:

Железобактерии производят окисление солей железа:

Водородные бактерии имеют способность окислять молекулярный водород:

Углекислый газ действует как источник углерода для синтеза органических соединений во всех автотрофных бактериях.

Хемосинтезирующие бактерии играют наиболее значительную роль в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в течение их жизни образовались отложения многих минералов. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть производителями, а также делают доступными для растений и других организмов ряд неорганических веществ.

_{Источник изображения:
Рис. 2 — Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.}

Источник

Космическая роль фотосинтеза.Воздушное питание растений

Благодаря фотосинтезу, ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода, фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации. Как же происходит фотосинтез?

Просмотр содержимого документа
«Космическая роль фотосинтеза.Воздушное питание растений»

ТЕМА: Космическая роль фотосинтеза.Воздушное питание растений.

Цель урока: изучить особенности метаболизма автотрофных организмов на примере процесса фотосинтеза.

образовательные – раскрыть особенности процесса фотосинтеза, сущность световой и темновой фазы фотосинтеза, обосновать космическую роль растений;

воспитательные – определить значение фотосинтеза для жизни на Земле, пути повышения его эффективности, влияние внешних факторов на фотосинтез, учить разумному отношению к зелёным растениям;

развивающие – продолжить развитие исследовательских умений, умение сравнивать, обобщать и делать выводы.

Тип урока: Урок формирования знаний.

Оборудование: ноутбук, проектор, экран, слайдовая презентация.

Методы и методические приемы: рассказ с элементами беседы, демонстрация, беседа.

Проверка домашнего задания.

Почему важным условием жизнедеятельности организмов является питание?

К какой группе организмов по типу питания относится человек?

3.К какой группе организмов по типу питания относятся растения ?

3. Отличие гетеротрофов от автотрофов?

4. На какие группы делятся автотрофы?

5. Докажите на примере, что гетеротрофные организмы находятся в прямой зависимости от продуктов фотосинтеза?

6. Какой способ питания характерен для бактерий?

7. Этапы энергетического обмена.

Объяснение нового материала:

1. История открытия фотосинтеза :

Начало изучения фотосинтеза было положено в:

1630 г. – Ян ван Гельмонт первым исследовал механизм роста растений.

1771 г. – англ. химик Джозеф Пристли установил, что растения «исправляют» воздух, «испорченный» горящей свечой.

1782 г. – Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, поглощают углекислый газ; предположил, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав углекислого газа.

Австр. врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку ивы в воду и наблюдал на свету образования на листьях пузырьков кислорода.

1877 г. немец. учёный В. Пфеффер описал процесс поглощения СО2 из воздуха при участии воды и света с образованием органического вещества и назвал его фотосинтезом.

В 1961 г. М.Кэлвину была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследование усвоения двуокиси углерода растениями». В общей сложности исследования в этом направлении ученым проводились порядка 20 лет, начиная с 1946 г. К 1956 г. им была окончательно сформирована циклическая схема процесса фотоассимиляции СО₂ при фотосинтезе, выяснена природа акцептора и первого промежуточного продукта в этом процессе.
История открытия фотосинтеза – процесса, благодаря которому зеленое растение за счет энергии солнечного света создает из неорганических соединений – углекислого газа и воды – органические соединения, – насчитывает более 200 лет.

Как мы видим многих учёных интересовал процесс фотосинтеза. Но лишь русский учёный Климент Аркадьевич Тимирязев первый обобщил все данные о фотосинтезе и дал научное объяснение этому процессу в книге “Жизнь растений».

Изучению механизма фотосинтеза.

Зеленые листья- основные органы воздушного питания. В них через специальные щелевидные клеточные образования – устьица поступает воздух, из которых растения при помощи специальных акцепторов, усваивают углекислый газ. Хлоропласты листа содержат зеленый пигмент хлорофилл, который обладает способностью улавливать солнечный свет. С помощью энергии света электрон в составе молекулы хлорофилла переносится на более высокий энергетический уровень и совершает биохимические реакции.

В процессе фотосинтеза различают две фазы:

Световая фаза происходит только на свету в мембранах гран при участии хлорофилла и ферментов.

Темновая фаза протекает в строме хлоропласта без участия света.

Молекула хлорофилла поглощает квант света. В результате этого она получает избыток энергии и переходит в возбуждённое состояние:

Хл свет Хл * + е –

Возбуждённый электрон перемещается по цепи сложных органических соединений, теряя энергию, которая расходуется на синтез биологического «аккумулятора» АТФ.

АДФ + Ф + Е электрона =АТФ,

Е – энергия электрона, которая запасается в АТФ.

Потеряв избыток энергии, электрон возвращается к молекуле хлорофилла, которая теперь способна захватить новый квант света.

Одновременно происходит фотолиз, т. е. разложение молекулы воды под действием света.

Н₂О свет =Н + +ОН —

Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционно способные радикалы ОН 0 :

ОН — е — + ОН 0

Образующиеся электроны передаются переносчиками к молекулам хлорофилла и восстанавливают их, а радикалы ОН 0 объединяются, образуя воду и молекулярный кислород:

4ОН 0 2Н₂О + О₂

Н + захватываются органическим веществом НАДФ + , которое при этом переходит в будет свою восстановленную форму НАДФ. Н₂. Это вещество богато энергией, которая необходима в темновой стадии.

Таким образом, во время световой стадии фотосинтеза происходят три процесса:

Фотолиз Н₂О Н + +ОН — .

Синтез АТФ: АТФ + Ф АТФ.

Восстановление НАДФ + +2Н + НАДФ. Н₂.

Кислород диффундирует в атмосферу, а АТФ транспортируется в строму пластид и участвуют в процессах темновой фазы.

Темновая фаза. Использование водорода из НАДФ. Н₂ на восстановление СО₂ и образование глюкозы. Суммарная реакция фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О С₆Н₁₂О₆ + О₂

Глюкоза может быть использована в дальнейшем как на синтез сложных углеводов, целлюлозы и крахмала, так и на образование белков и липидов.

Мы рассмотрели механизм фотосинтеза, а теперь попробуем сравнить световую и темновую стадии фотосинтеза.

(заполняем схему стадий фотосинтеза в тетрадях и cверяем со схемой на слайде)

Запишите полное уравнение реакции фотосинтеза:

6СО₂ + 6Н₂О С₆Н₁₂О₆ + О₂

3. Космическая роль фотосинтеза.

Благодаря фотосинтезу, ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода, фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

При фотосинтезе зеленый лист использует лишь около 1% падающей на него солнечной энергии, продуктивность составляет около 1 г органического вещества на 1 м.2 поверхности в час. Кроме процесса фотосинтеза, в листьях протекает и противоположный процесс — дыхание, при котором поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Но при фотосинтезе выделяется кислорода в 20 — 30 раз больше, чем поглощается при дыхании.
Значение фотосинтеза:

Фотосинтез – основа питания всех живых существ.

Ежегодно на Земле производится 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется 200 млрд. тонн свободного кислорода.

Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от ультрафиолетовой радиации.

Фотосинтез поддерживает современный состав атмосферы.

Препятствует увеличению концентрации СО₂, предотвращая перегрев Земли.

Растения вовлекают в круговорот миллиарды тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других элементов.

4. Закрепление нового материала:

Заполнить таблицу: характеристика фаз фотосинтеза.

Источник