Питание организмов как условие для существования

 

 

 

Оглавление

Введение 3

1. Питание организмов как условие для существования 4

2. История развития явления фотосинтеза 6

3. Хлоропласты 9

4. Ассимиляция углекислоты 13

5. Световые реакции 15

Заключение 21

Список использованной литературы 22

 

 

 

Введение

 

Высшие растения являются автотрофными организмами, т. е они сами синтезируют  органические вещества за счет минеральных  соединений, в то время как для  животных и подавляющего большинства  микроорганизмов характерен гетеротрофный  тип питания — использование  органических веществ, ранее синтезированных  другими организмами. Накопление сухого вещества растений происходит благодаря  усвоению углекислого газа через  листья (так называемое «воздушное питание»), а воды, азота и зольных  элементов — из почвы через  корни («корневое питание»).

Фотосинтез — это химическая реакция, в результате которой живые  растительные клетки с помощью хлорофилла и при наличии света создают  простые сахара и крахмалы из углекислого  газа и воды. В процессе фотосинтеза  растение потребляет из воды углекислый газ и выделяет кислород. Фотосинтез, осуществляемый водными растениями, в том числе водорослями, служит важным источником кислорода в воде.

Фотосинтез — один из важнейших  биологических процессов, постоянно  и в огромных масштабах совершающийся  на нашей планете. В результате фотосинтеза  растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд. т органического  веществ (около половины этого количества приходится на долю фотосинтеза растений морей и океанов), усваивая при  этом около 200 млрд. т CO₂ и выделяя во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода. Полагают, что благодаря фотосинтезу образуется весь кислород атмосферы.

 

 

1. Питание организмов как условие  для существования

 

Обязательным условием существования  любого организма является постоянный приток питательных веществ и  постоянное выделение конечных продуктов  химических реакций, происходящих в  клетках. Питательные вещества используются организмами в качестве источника  атомов химических элементов (прежде всего  атомов углерода), из которых строятся либо обновляются все структуры. В организм, кроме питательных  веществ, поступают также вода, кислород, минеральные соли.

Поступившие в клетки органические вещества (или синтезированные в  ходе фотосинтеза) расщепляются на строительные блоки — мономеры и направляются во все клетки организма. Часть молекул  этих веществ расходуется на синтез специфических органических веществ, присущих данному организму. В клетках синтезируются белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие вещества, которые выполняют различные функции (строительную, каталитическую, регуляторную, защитную и т. д.).

Другая часть низкомолекулярных  органических соединений, поступивших  в клетки, идет на образование АТФ, в молекулах которой заключена  энергия, предназначенная непосредственно  для выполнения работы. Энергия необходима для синтеза всех специфических  веществ организма, поддержания  его высокоупорядоченной организации, активного транспорта веществ внутри клеток, из одних клеток в другие, из одной части организма в  другую, для передачи нервных импульсов, передвижения организмов, поддержания  постоянной температуры тела (у птиц и млекопитающих) и для других целей.

В ходе превращения веществ в клетках образуются конечные продукты обмена, которые могут быть токсичными для организма и выводятся из него (например, аммиак). Таким образом, все живые организмы постоянно потребляют из окружающей среды определенные вещества, преобразуют их и выделяют в среду конечные продукты.

Совокупность химических реакций, происходящих в организме, называется обменом веществ или метаболизмом. В зависимости от общей направленности процессов выделяют катаболизм и  анаболизм.

Катаболизм (диссимиляция) —  совокупность реакций, приводящих к  образованию простых соединений из более сложных. К катаболическим относят, например, реакции гидролиза полимеров до мономеров и расщепление последних до углекислого газа, воды, аммиака, т. е. реакции энергетического обмена, в ходе которого происходит окисление органических веществ и синтез АТФ.

Анаболизм (ассимиляция) —- совокупность реакций синтеза сложных органических веществ из более простых. Сюда можно отнести, например, фиксацию азота и биосинтез белка, синтез углеводов из углекислого газа и воды в ходе фотосинтеза, синтез полисахаридов, липидов, нуклеотидов, ДНК, РНК и других веществ.

Синтез веществ в клетках живых организмов часто обозначают понятием пластический обмен, а расщепление веществ и их окисление, сопровождающееся синтезом АТФ, — энергетическим обменом. Оба вида обмена составляют основу жизнедеятельности любой клетки, а следовательно, и любого организма и тесно связаны между собой. С одной стороны, все реакции пластического обмена нуждаются в затрате энергии. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов, так как продолжительность их жизни невелика. Кроме того, вещества, используемые для дыхания, образуются в ходе пластического обмена (например, в процессе фотосинтеза).

 

 

 

2. История развития явления фотосинтеза

 

Согласно современным взглядам, сущность фотосинтеза заключается  в превращении лучистой энергии  солнечного света в химическую энергию  в форме АТФ и восстановленного трифосфопиридиннуклеотида. По мере появления новых данных наши представления о фотосинтезе многократно изменялись.

Начало изучения фотосинтеза  восходит к 1630 г., когда ван Гельмонт, фламандский ботаник, показал, что растения сами образуют органические вещества, а не получают их из почвы. Он взвешивал горшок с почвой, где росла ива, и само дерево и показал, что в течение 5 лет вес дерева увеличился на 7,4 кг, тогда как почва потеряла только 57 г. Ван Гельмонт пришел к заключению, что остальную часть пищи растение получило из воды, которой он поливал дерево. Теперь мы знаем, что основным строительным материалом для синтеза служит углекислота, извлекаемая растениями из воздуха.

В 1772 г. Джозеф Пристли показал, что побег мяты «исправляет» воздух, «испорченный» горящей свечой. Несколько  лет спустя Ян Ингенхуз обнаружил, что растения могут «исправлять» плохой воздух только при солнечном освещении, причем способность растений «исправлять» воздух пропорциональна ясности дня и длительности выдерживания растений на солнце. В темноте же растения выделяют воздух, «вредный для животных». Следующей важной ступенью в развитии знаний о фотосинтезе были опыты Соссюра, проведенные в 1804 г. Взвешивая воздух и растение до фотосинтеза и после, Соссюр установил, что увеличение сухого веса растения превышало вес углекислоты, поглощенной им из воздуха. Соссюр пришел к выводу, что другим веществом, участвовавшим в прибавке веса, была вода. Таким образом, 160 лет назад была выяснена основная суть процесса фотосинтеза:

Углекислота + Вода + Солнечная  энергия — Кислород + Органическое вещество.

Ингенхуз предположил, что роль света в фотосинтезе заключается в расщеплении углекислоты; при этом происходит выделение кислорода, а освободившийся «углерод» используется для построения растительного материала. На этом основании живые организмы были разделены на зеленые растения, которые могут использовать солнечную энергию для «ассимиляции» углекислоты, и остальные организмы, не содержащие хлорофилла, которые не могут использовать энергию света и не способны ассимилировать СO₂. Стройность этого разделения живого мира была нарушена, когда Виноградский в 1887 г. открыл хемосинтезирующих бактерий — бесхлорофилльных организмов, способных к ассимиляции углекислоты (т. е. к превращению ее в органические соединения) в темноте. Еще в 1883 г. Энгельман открыл пурпурных бактерий, осуществляющих своеобразный фотосинтез без выделения кислорода. В свое время этот факт не был должным образом оценен; между тем обнаружение хемосинтезирующих бактерий, ассимилирующих углекислоту в темноте, показывает, что ассимиляцию углекислоты нельзя считать специфической особенностью одного лишь фотосинтеза. Начиная с 1940 г. опытами с применением меченого углерода было установлено, что все клетки — растительные, бактериальные и животные — способны ассимилировать углекислоту, т. е. включать ее в состав молекул органических веществ; различны лишь источники, из которых они черпают необходимую для этого энергию.

Следующая гипотеза относительно химической основы фотосинтеза была выдвинута Ван Нилем, который в 1931 г. экспериментально показал, что у бактерий фотосинтез может происходить в анаэробных условиях без выделения кислорода. Ван Ниль предположил, что в своей основе процесс фотосинтеза сходен у бактерий и у зеленых растений. У последних световая энергия используется для фотолиза воды, Н₂O, с образованием восстановителя

(Н), определенным путем участвующего  в ассимиляции углекислоты, и  окислителя (ОН) — гипотетического  предшественника молекулярного  кислорода. У бактерий фотосинтез протекает в общем так же, но донатором водорода служит H₂S или молекулярный водород, и поэтому выделения кислорода не происходит. В дальнейшем были предложены теории, в которых восстановитель (Н) рассматривался как специфичное для фотосинтеза вещество, непосредственно осуществляющее восстановление СO₂. Согласно другим гипотезам, ассимиляция СO₂ при фотосинтезе представляет собой, по существу, процесс, обратный распаду углеводов, т. е. попросту хемосинтетическую реакцию, для которой необходимо наличие двух веществ — АТФ и восстановленного пиридиннуклеотида (ТПН-Н), образующихся в ходе световых реакций.

В настоящее время можно  считать установленным, что все реакции включения СO₂ в органические вещества могут протекать в темноте (их называют темповыми реакциями), т. е., строго говоря, они не относятся к процессу фотосинтеза. К реакциям, зависящим от света (так называемым световым реакциям), относятся такие, в процессе которых свет превращается в химическую энергию; первые стабильные, химически идентифицированные продукты этих реакций — это АТФ и ТПН-Н. Прежде чем перейти к обсуждению химических реакций, из которых слагается ассимиляция СO₂ (которые сейчас довольно хорошо изучены), и реакций образования АТФ и ТПН-Н (которые еще недостаточно выяснены), обратимся к рассмотрению строения органелл клетки и свойств пигментов, участвующих в этих процессах.

 

3. Хлоропласты

 

Микроскопическое изучение кусочка листа показывает, что  зеленый пигмент в клетке не распределен  равномерно, а сосредоточен в мелких тельцах, называемых хлоропластами. При  помощи электронного микроскопа было обнаружено, что внутри каждого хлоропласта  имеются еще более мелкие тельца, так называемые граны, которые и  содержат хлорофилл (рис. 1).

Рисунок 1 –  Граны хлоропласта

 

Каждая грана состоит  из слоев молекул, расположенных  подобно монетным столбикам. Слои белковых молекул чередуются со слоями, содержащими  хлорофилл, каротины и другие пигменты, а также особые формы липидов (содержащих галактозу или серу, но всего одну жирную кислоту).

Эти поверхностно активные липиды, по-видимому, адсорбированы между  отдельными слоями молекул и служат для стабилизации структуры пластинки, состоящей из чередующихся слоев  белка и пигмента. Как мы увидим, это характерное слоистое строение граны имеет большое значение, облегчая перенос энергии в процессе фотосинтеза от одной молекулы к близлежащей. Остальная часть хлоропласта, находящаяся между гранами, называется старомой; она содержит ферменты, осуществляющие темновые реакции.

Наземные растения поглощают  необходимую для процесса фотосинтеза  воду через корни, водные растения получают ее путем диффузии из окружающей среды. Необходимая для фотосинтеза  углекислота диффундирует в растение через мелкие отверстия в поверхности  листьев — устьица. Поскольку углекислота расходуется в процессе фотосинтеза, ее концентрация в клетке обычно несколько ниже, чем в атмосфере. Освобождающийся в процессе фотосинтеза кислород диффундирует наружу из клетки, а затем и из растения — через устьица. Образующиеся при фотосинтезе сахара также имеют тенденцию диффундировать в те части растения, где их концентрация ниже.

Для осуществления фотосинтеза  растениям необходимо колоссальное количество воздуха, так как он содержит всего 0,03% углекислоты. Следовательно, из 10 000 м3 воздуха можно извлечь 3 м8 углекислоты, из которой в процессе фотосинтеза образуется около 4 кг глюкозы. Обычно растения лучше растут при более высоком содержании в воздухе углекислоты. Поэтому в некоторых теплицах содержание С02 в воздухе доводят до 1 — 5%.

Хлорофилл и другие светочувствительные  пигменты. Молекула хлорофилла состоит  из большого числа атомов углерода и азота, соединенных в сложное  кольцо (фиг. 41). Она удивительно близка по строению к гему красного пигмента гемоглобина, содержащегося в красных кровяных тельцах, но в отличие от гема содержит в центре кольца вместо атома железа атом магния, связанный с двумя или четырьмя атомами азота. Молекула хлорофилла имеет длинный «хвост», представленный фитолом — спиртом, который одержит цепь из 20 углеродных атомов. Изучение молекулы хлорофилла показало, что это конъюгированная система с чередованием двойных и простых связей по кольцу. Подобного рода система обеспечивает возможность различных перестроек и проявление разнообразных свойств простых и двойных связей кольцевой структуры. Это резонансная система, которая охватывает различные пути перераспределения внешних электронов без сдвига в положении какого-либо из образующих ее атомов. Возможность резонанса в кольце придает молекуле хлорофилла значительную стабильность. Такие системы конъюгированных связей содержат подвижные электроны (л-электроны), относящиеся не к одному атому или одной связи, а к конъюгированной системе в целом. Для перехода таких электронов на внешнюю орбиту нужно лишь небольшое количество энергии.