Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

 Ни CO₂, ни вода непосредственно не поглощают свет, посредником во взаимодействии этих соединений с квантами служит хлорофилл а, включенный в структуру хлоропласта или хроматофора и образующий функциональные фотосинтетические единицы, состоящие из нескольких сотен молекул пигмента и реакционных центров. Основная часть сопровождающих пигментов (хлорофилл b, каротиноиды, фикобилины и др. и коротковолновые формы хлорофилла а) выполняет функцию светособирающей антенны. При поглощении квантов их молекулы переходят в возбуждённое состояние, которое путём миграции энергии передаётся на молекулу хлорофилла а, находящуюся в реакционном центре. Эффективность передачи энергии обусловлена близким расположением молекул, а также наличием нескольких агрегированных форм хлорофилла а, участвующих в формировании реакционных центров и образующих нисходящую лестницу энергетических уровней. Возможен полупроводниковый перенос электрона по агрегированному пигменту. В реакционном центре происходит основной акт Ф. – разделение зарядов с последующим образованием первичного окислителя и первичного восстановителя. Существуют два типа центров (рис. 1), один из которых включен в пигментную фотосистему I (ФС I), а др. – в фотосистему II (ФС II). В фотореакции, связанной с разложением воды, участвует ФС II: пигментом её центра служит хлорофилл а с максимумом поглощения 680 нм, гипотетическим первичным восстановителем – Q (вероятно, цитохром), а первичным окислителем – сложный комплекс Z. Возбуждение пигментной молекулы центра P₆₈₀ сопровождается разделением зарядов и образованием окисленного Z⁺, который участвует в окислении воды и выделении O₂. Полагают, что в систему разложения воды, пока мало изученную, входят неизвестные ферменты, ионы марганца и бикарбонат. Первичный восстановитель Q (проявляется по индукции флуоресценции) ФС II передаёт электрон переносчикам (цитохромы b, f, пластохинон, пластоцианин) фотосинтетической электронной транспортной цепи к реакционному центру ФС I. Пигментом этого центра служит хлорофилл а с максимумом поглощения 700 нм, первичным восстановителем – неидентифицированное вещество Х. Восстановленный Х передаёт электрон ферредоксину – железосодержащему белку, который восстанавливает никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Его восстановленная форма – НАДФ-Н запасает основную часть энергии света. Др. часть энергии электронного потока запасается в виде АТФ (фотосинтетическое фосфорилирование), который образуется на нисходящем участке переноса электронов между ФС II и ФС I (нециклическое фотофосфорилирование) или при круговом замыкании потока в ФС I (циклическое фотофосфорилирование). Фосфорилирование, возможно, происходит по хемиосмотическому механизму за счет электрического потенциала и градиента концентрации Н⁺, возникающих при индуцировании светом электронного потока в мембранных структурах тилакоидов. Экспериментально обнаружено, что освещение индуцирует электрический потенциал на мембране хлоропласта. Описанное последовательное соединение двух фотореакций I и II наиболее вероятно, хотя обсуждается возможность параллельного соединения реакций. Предполагают, что фотосинтезирующие бактерии осуществляют Ф. с участием лишь одной пигментной фотосистемы, однако этот вопрос нельзя считать решенным. Фотофизические и фотохимические стадии заканчиваются за 10^-12–10^-8 сек разделением зарядов и последующим образованием первичного окислителя и восстановителя. Границей первичных биофизических и биохимических процессов обычно считают появление первых химически стабильных продуктов – НАДФ-Н и АТФ. Эти вещества («восстановительная сила») используются затем в темповых процессах восстановления CO₂.

Роль фотосинтеза  в биосфере.

 Наряду с Ф. на  Земле совершаются примерно равноценные  по масштабам, но противоположные по направлению процессы окисления органических веществ и восстановленного углерода при горении топливных материалов (каменный уголь, нефть, газ, торф, дрова и т.п.), при расходовании органических веществ живыми организмами в процессе их жизнедеятельности (дыхание, брожение), в результате которых образуются полностью окисленные соединения – углекислый газ и вода, и освобождается энергия. Затем с помощью энергии солнечной радиации углекислый газ, вода снова вовлекаются в процессы Ф. Т. о., энергия солнечного света, используемая при Ф., служит движущей силой колоссального по размерам круговорота на Земле таких элементов, как углерод, водород, кислород. В этот круговорот включаются и многие др. элементы: N, S, Р, Mg, Ca и др. За время существования Земли благодаря Ф. важнейшие элементы и вещества прошли уже много тысяч циклов полного круговорота.  

В предшествующие эпохи условия  для Ф. на Земле были более благоприятны в связи с сильным перевесом  восстановительных процессов над  окислительными. Постепенно огромные количества восстановленного углерода в органических остатках оказались захороненными в недрах Земли, образовав громадные залежи горючих ископаемых. В результате этого в атмосфере сильно снизилось относительное содержание углекислого газа (до 0,03 объёмных %) и повысилось содержание кислорода, что существенно ухудшило условия для Ф. 

Следствием появления на Земле  мира фотосинтезирующих растений и  непрерывного новообразования ими  больших количеств богатых энергией органических веществ явилось развитие мира гетеротрофных организмов (бактерий, грибов, животных, человека) – потребителей этих веществ и энергии. В результате (в процессе дыхания, брожения, гниения, сжигания) органические соединения стали окисляться и подвергаться разложению в таких же количествах, в каких образуют их высшие растения, водоросли, бактерии. На Земле установился круговорот веществ, в котором сумма жизни на нашей планете определяется масштабами Ф. В текущем геологическом периоде (антропогеновом) размеры фотосинтетической продуктивности на Земле, вероятно, стабилизировались. Однако в связи с бурно возрастающим использованием продуктов Ф. основным её потребителем – человеком – приходится думать о предстоящем истощении горючих ископаемых, пищевых, лесных ресурсов и т.п. Недостаточна фотосинтетическая мощность современной растительности для регенерации атмосферы: растительность Земли не способна полностью усваивать весь углекислый газ (относительное содержание его в атмосфере за последние 100 лет медленно, но неуклонно возрастает), дополнительно поступающий в окружающую среду в результате бурно возрастающих масштабов добычи и сжигания горючих ископаемых. 

При этом потенциальная фотосинтетическая  активность растений используется далеко не полно. Проблема сохранения, умножения  и наилучшего использования фотосинтетической продуктивности растений – одна из важнейших в современном естествознании и практической деятельности человека.

Фотосинтез  и урожай. Один из путей повышения общей продуктивности растений – усиление их фотосинтетической деятельности. Например, чтобы сформировать урожай пшеницы в 40 ц/га, что составляет 100 т общей сухой биомассы, растения должны усвоить около 20 т CO₂, фотохимически разложить около 7,3 т H₂O, выделить во внешнюю среду около 13 т O₂. Обычно за время вегетации растений в средних широтах (около 3–4 мес) на поверхность Земли приходит около 2×10⁹ ккал фотосинтетически активной радиации (ФАР; в области спектра от 380 до 720 нм). Из них в урожае биомассы в 10 т запасается около 40×10⁶ ккал, т. е. 2% ФАР. Остальная энергия частично отражается, но в большей части превращается в тепло и вызывает испарение громадных количеств H₂O. Т. о., для усиления фотосинтетической деятельности растений необходимо повысить коэффициент использования растениями солнечной радиации. Это достигается увеличением в посевах размеров листовой поверхности, удлинением сроков активной деятельности листьев, регулированием густоты стояния растений. Важное значение имеет способ размещения растений на площади (правильные нормы высева семян), обеспечение их достаточным количеством CO₂ в воздухе, воды, элементов почвенного питания и т.д. Функциональная активность фотосинтетического аппарата, помимо внешних условий, определяется также анатомическим строением листа, активностью ферментных систем и типом метаболизма углерода. Большая роль принадлежит селекции растений – созданию сортов, обладающих высокой интенсивностью ассимиляции CO₂, и управлению процессами, связанными с эффективным использованием создаваемых при Ф. органических веществ. Важное свойство высокопродуктивных сортов – способность использовать большую часть ассимилятов на формирование ценных в хозяйственном отношении органов (зерна у злаков, клубней у картофеля, корней у корнеплодов и т.д.). Выяснение законов и основ фотосинтетической продуктивности растений, разработка принципов её оптимизации и повышения – важная задача современности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

 

Энергией называется единая мера различных форм движения. Мы так часто пользуемся этим термином в своей повседневной жизни, что не задумываемся о том центральном месте, которое занимает это понятие в структуре современного естествознания, являясь, по существу, фундаментом всего здания современной физики.                                                                                                   

Энергия проявляется  во множестве различных форм. Обыкновенная заводная игрушка, с которой связано  наше детство, обладает энергией. Энергия  приводит в движение автомобиль, обогревает дома, дает возможность производить всевозможные изделия, добывать необходимые полезные ископаемые, изготавливать удобрения и т. д. Мы уже привыкли к рекламным роликам и знаем, что нам покупать на прилавках магазинов, чтобы в стольких-то калориях получить «свежее дыхание» или «заряд бодрости на целый день». Кусочек шоколада, булка хлеба и другие продукты питания обладают энергией. Весной все вокруг зеленеет и расцветает, и это тоже следствие того, что растения потребляют солнечную энергию. Все живое вокруг обязательно должно потреблять энергию, чтобы жить.

Нашим однопланетянам повезло. Потому что без энергии, излучаемой Солнцем, не было бы жизни на планете  Земля. Миллиарды лет тому назад  Солнце пробудило жизнь на Земле  и неустанно поддерживало ее, щедро  посылая нам свою энергию. Однако подобное расточительство когда-либо окончится, запасы водорода, обеспечивающие протекание реакций термоядерного синтеза на Солнце, в конце концов, иссякнут. Перед человечеством неизбежно возникнет проблема переселения, возможно, даже в другую галактику. Важно найти звезду, более молодую, и разместиться на удобной планете неподалеку от нее. Думать об этом не мешало бы уже сейчас. Вот почему проблема освоения космоса является глобальной проблемой, стоящей перед человечеством. Но все это задачи далекого будущего. А сегодня нас волнует вопрос использования энергетических ресурсов Земли. Мы постоянно слышим, что цивилизация человеческого общества связана со все увеличивающимся ростом потребления энергии. Запасы топлива — нефти, угля, древесины и др. не безграничны. И на повестку дня ставится вопрос о дальнейшем развитии атомной энергетики.

Мы с удовольствием  характеризуем известных нам  людей, говоря: «Очень энергичный молодой  человек» или «С Вашей-то энергией горы своротить можно».

Итак, энергия проявляется  во всех этих формах. Собственно, само понятие энергии было выработано именно в поисках связей между различными формами движения материи. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное понятие естествознания. Оказывается, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, полная энергия системы не изменяется. То есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности. Для количественной характеристики различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — закон, управляющий всеми явлениями природы, исключений из него науке неизвестно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используемая  литература: 

1. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
2. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
3. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
4. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
5. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
6. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
7. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
8. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
9. Курс физики. Механика. Акустика. Теплота и молекулярная физика. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ОГИЗ Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1948. – Т.1 600 с., ил.
10. Нарликар Дж. Гравитация без формул. / Пер. с англ. С.И. Блинникова; Предисл. И.Ю. Кобзарева. – М.: Мир, 1985. – 148 с., ил.
11. Стратонович Р.Л. Теория информации. – М.: Сов. Радио, 1975. – 424 с.
12. Уипл Ф.Л. Семья Солнца: планеты и спутники Солнечной системы / Пер. с англ. Ю.И. Ефремова; Под ред. М.Я. Марова. – М.: Мир, 1984. – 316 с., ил.
13. Физиология человека: Учебник для студентов мед. вузов / Под ред. В.М. Смирнова. – М.: Медицина, 2001. – 608 с., ил.
14. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Сов. энциклопедия, 1983. – 928 с., ил.
15. Фрайфелдер Д. Физическая биохимия. Применение физико-химических методов в биологии и молекулярной биологии / Пер. с англ. Е.С. Громовой, С.В. Яроцкого; под ред. З.А. Шабаровой. – М.: Мир, 1980. – 582 с., ил.
16. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе / Пер. с англ; Предисл. Ю.Г. Рудого. – М.: Мир, 1987. – 224 с., ил.