Фотосинтез – основной процесс в экосистеме
В подавляющем большинстве экосистем осуществляется фундаментальный обратимый химический процесс [5, с. 124]:
DGi фотосинтез (автотрофы)
n[CО2 + Н2О ®СН2О + О2],
гетеротрофы
∆Не Дыхание
где n – общий множитель, определяет масштаб преобразований вещества и энергии в экосистеме; DGi – энергия света, потребленная при фотосинтезе; DНе - энергия теплоты, выделенной при дыхании. Здесь синтезируемое и распадающееся органическое вещество представлено углеводом (CH2O)n ; это может быть глюкоза (n = 6) или самое распространенное органическое вещество биосферы целлюлоза (n > 1800). Количества поглощенной и выделенной энергии равны
n [ -DGi ] = DHe @ -560 кДж/ моль.
Уравнение фотосинтеза описывает идеальный случай для экосистемы, замкнутой по веществу. В реальных экосистемах прямая и обратная реакции, как правило, не совпадают из-за обмена участниками реакции (переноса воды, газов и органики) с другими системами. В экосистемах больших глубин, пещер, под землей, где нет света и не может осуществляться фотосинтез, органическое вещество поставляется либо местными хемоавтотрофами, либо поступает из других систем. Принципиальное различие между потоками вещества и энергии заключается в том, что биогенные элементы составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде тепла.
|
|
|
По способу получения энергии все организмы делятся на две группы: автотрофные и гетеротрофные. Автотрофы – это организмы, осуществляющие питание (т. е. получающие энергию) за счет неорганических соединений. К ним относятся некоторые бактерии и все зеленые растения. Зеленые растения являются фототрофами. Для фототрофов источником энергии служит свет. При помощи содержащегося в хлорпластах хлорофилла зеленые растения осуществляют фотосинтез – преобразование световой энергии в энергию химических связей.
Фотосинтез состоит из двух фаз: световой и темновой (рис. 24).
В световой фазе кванты света – фотоны – взаимодействуют с молекулами хролофилла, в результате чего эти молекулы на очень короткое время переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние. Затем избыточная энергия возбужденных молекул преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Другая ее часть передается ионами водорода, всегда имеющимися в водном растворе вследствие диссоциации воды. Образовавшиеся атомы водорода непрочно соединяются с органическими молекулами – переносчиками водорода. Ионы гидроксила ОН- отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы ОН. Радикалы ОН взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород:
|
|
|
4 ОН ® О2 + 2 Н2О
Таким образом, источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является фотолиз – разложение воды под влиянием света:
4 Н2О ® 4 ОН- - 4е + 4Н+ ® 2 Н2О + О2 + 4Н+.
Рис. 24. Фотосинтез
Рис. 25. Строение АТФ и превращение его в АДФ, при котором
выделяется энергия, накопленная в макроэргических связях
Энергия света используется и в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфота без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлорпластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях тех же растений с участием кислорода(митохондрии присутствуют во всех клетках организмов, которые используют для дыхания кислород). Молекула АТФ состоит из азотистого основания аденина, сахара рибозы и трех остатков фосфорной кислоты (рис. 25).
|
|
|
Молекула аденина: NH2
½
C N
¤¤
N C
CH , или 6 - аминопурин
НC C N
½
N H
Аденин, рибоза и первый фосфат образуют аденозинмонофосфат (АМФ). Если к первому фосфату присоединяется второй, получается аденозиндифосфат (АДФ). Молекула с тремя остатками фосфорной кислоты (АТФ) наиболее энергоемка. Отщепление концевого фосфата АТФ сопровождается выделением 40 кДж, а не 12 кДж энергии, как при разрыве обычных химических связей. Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в очень маленьком пространстве и расходовать ее по мере надобности. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов, происходящих в темновой фазе фотосинтеза.
|
|
|
В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которой свет не обязателен, ключевое место занимает связывание СО2. В этих реакциях участвуют молекулы АТФ, синтезированные во время световой фазы, и атомы водорода, образовавшиеся в процессе фотолиза воды и связанные с молекулами-переносчиками: 6 СО2 + 24 Н ® С6Н12О6 + 6 Н2О. Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.
В чем заключается роль фотосинтеза как планетарного явления…
[1] поставляет топливо (энергию) и атмосферный кислород, необходимые для существования всего живого;
[2] обеспечивает на молекулярном уровне движение хромосом, на других уровнях – движение простейших;
[3] благодаря круговороту кислорода и углерода (в основном) поддерживается современный состав атмосферы, что, в свою очередь, определяет дальнейшее поддержание жизни на Земле;
[4] энергия, которая запасается в продуктах фотосинтеза, есть по существу основной источник энергии, которым сейчас располагает человечество.
Хемосинтез
В 1977 г. американские геологи на подводном аппарате «Алвин» в рифтовой зоне подводного хребта Тихого океана, в 320 км к северо-востоку от Галапагосских островов, на глубине 2600 м обнаружили «оазисы жизни» у выходов гидротермальных источников [3, с. 150]. В полной темноте, у выходов горячих источников, при обилии сероводорода были встречены гигантские (1-1,5 м длиной) погонофоры (вестиментиферы) – большие черви, живущие в трубках, крупные белые двустворчатые моллюски, а также креветки, крабы и отдельные экземпляры рыб.
Плотность гигантских погонофор здесь составляла 22 экз./м2, что соответствует биомассе 6-10 кг/м2; а моллюсков – более 300 экз./м2, что равно биомассе 10 кг/м2. Такая плотность живых организмов в весьма неблагоприятных условиях, где невозможен фотосинтез, господствует сероводородное заряжение, обильны содержания ядовитых металлов, была просто неожиданной и загадочной.
Проведенные исследования показали, что высокая температура (до 20 0С и более, а на этих глубинах в океане – всего 2 - 4 0С) не может объяснить особенностей развития уникальной экосистемы гидротермальных источников. Анализ проб воды, отобранных в этих местах рифтовых зон, показал значительную концентрацию сероводорода и наличие в ней хемосинтезирующих бактерий, использующих для своей жизнедеятельности сероводород. Именно эти серные бактерии в данной морской экосистеме играют роль зеленых растений, используя вместо солнечного света сероводород и другие соединения серы, и служат первичными продуцентами.
С точки зрения экологии подводные «оазисы жизни» представляют собой совершенно оригинальное явление, не имеющее эквивалента на нашей планете. В последние годы такие «сгущения живого вещества» в рифтовых зонах обнаружены в различных районах Мирового океана: на Восточно-Тихоокеанском поднятии, в центральной Атлантике, в районе Японского желоба, в Калифорнийском заливе, в западной части Тихого океана и т. д. Все это говорит о том, что глубоководные хемосинтезирующие экосистемы представляют собой широко распространенное экологическое явление, не имеющее аналогов в наземной среде.
Итак, кроме фотосинтеза растений, синтез органического вещества осущест- вляется бактериями. Считается, что именно фотосинтез бактерий был первичным процессом на Земле, первым этапом развития автотрофности. К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификаторы, карбоксидобактерии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH3, NO2-, CO, H2S, S, Fe2+, H2.
Серобактерии получают энергию, окисляя сероводород. Этот процесс можно описать следующим уравнением: 2 Н2S + О2 ® 2 Н2О + 2 S + энергия. Образующаяся в результате этой реакции свободная сера накапливается в цитоплазме серобактерий. Если недостает далее сероводорода, то происходит окисление свободной серы в бактериальной цитоплазме с дальнейшим освобождением энергии: 2 S + 3 О2 + 2 Н2О ® 2 Н2SО4 + энергия. Эта энергия используется для синтеза органических веществ из углекислого газа. Источником углерода для них служит СО2, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода, или водорода, входящего в состав Н2S, и какого-либо иного неорганического вещества. Водород каждого промежуточного продукта окисляется кислородом. Эти процессы (окисление сероводорода, накапливание серы, поэтапное окисление до серной кислоты ) необходимы для накопления энергии, обеспечивающей следующую реакцию образования органического вещества:
6 СО2 + 12 Н2S ® (СН2О)6 + 6 Н2О + 12 S.
Хемосинтезирующие бактерии окисляют также соединения железа и марганца. Считают, что образование залежей железных и марганцевых руд является результатом деятельности микроорганизмов в прошлые геологические эпохи (В. И. Вернадский).
Хемосинтез был открыт С. Н. Виноградским в 1889-1890 гг. Роль нитрифицирующих бактерий была показана С. Н. Виноградским. Нитрифицирующие бактерии являются обитателями почвы. Они получают энергию окислением аммиака, образующегося в почве в результате разложения белков (остатков животных и растений). Реакция окисления аммиака приводит к образованию азотистой кислоты. В этой реакции выделяется энергия в количестве 662 кДж. Образующаяся в ходе этой реакции азотистая кислота окисляется нитрифицирующими бактериями другого вида до азотной кислоты с выделением энергии 101 кДж.
Укажите соответствующие реакции данных процессов …
[1] 4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O; 2 NO + 2 H2 = N2 + 2 H2O;
[2] N2 + 3 H2 = 2 NH3 ; 4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O;
[3] 2 NH3 + 3 O2 = 2 HNO2 + 2 H2O; 2 HNO2 + O2 = 2 HNO3;
[4] 2 NH3 + 3 O2 = 2 HNO2 + 2 H2O; 2 HNO2 = NO + NO2 + H2O.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 722; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!