Пока зелень — автотрофы, на Земле есть жизнь
Зеленые растения являются автотрофами. Это биологический термин. Противоположный ему по значению – термин «гетеротрофы». Так называют организмы, которые не могут самостоятельно продуцировать органические вещества. Они получают их в готовом виде, с пищей. Соответственно, термин «автотрофы» характеризует способ питания изумрудной растительности.
Но так однобоко обозначить значение этого понятия нельзя. Очень емко и точно по поводу роли автотрофов высказался русский исследователь Костычев: «Когда лист перестанет работать, все живое на Земле погибнет. В том числе и человечество». Почему растения называют автотрофом? Какую роль выполняет зелень на земном шаре?
Фотосинтез
Фотосинтез – это многоступенчатый процесс, где зеленое растение, используя солнечную световую энергию, продуцирует из неорганических элементов органические.
1) Происходит в хлоропластах.
2) Используя силу солнышка и хлорофилл своих листочков, растение продуцирует из углекислого газа и воды нужные органические элементы.
3) Воду и минералы впитывает из земли (фотосинтез без водички невозможен).
4) Основной поставщик углекислого газа – окружающий воздух.
5) Чтобы «зеленая живность» получала больше воздуха и солнечного света, природа сделала поверхность листа плоской.
6) Большая площадь листовой пластины, многочисленные хлоропласты с хлорофиллом превратили лист в мощный завод по производству органических компонентов.
Из корней в зеленую часть поступает вода. Солнечные лучи активизируют хлорофилл. В активном состоянии, он разрушает водные молекулы. В результате в окружающий воздух выделяется кислород и высвобождается водород.
Углекислый газ и активные компоненты, образовавшиеся на предыдущем этапе, вступают в химические реакции. Результат – органические соединения и богатые энергией углеводы.
Видимые и незаметные процессы
Растения – живые существа. Пусть они малоподвижны. И часто зеленые композиции воспринимаются нами как произведения искусства, архитектурные творения. Они великолепны и статичны. Такая архитектура — застывшая музыка. Удивительно гармоничная и рождающая в душе сильные эмоции и чувства.
Но это только видимость. Зелень рождается, набирает силы, растет и умирает. Но и этот процесс видим нами. Деятельность клеток не прекращается ни на минуту. Пока свет падает на зеленые листья, происходит фотосинтез.
- В хлоропластах образуются углеводы.
- Эти вещества переходят в цитоплазму, где к процессу подключаются ферменты.
- Образуются другие органические компоненты: белки, жиры, глюкоза и т.п.
- Вся органика по трубкам луба из листьев переходит к стеблям, почка, цветам, корням.
- В корнях белки и жиры откладываются про запас.
В ходе фотосинтеза образуется также глюкоза. Это вещество, имеющее огромный энергетический потенциал. Растение сразу использует глюкозу для дыхания, например, построения клеток и других процессов жизнедеятельности. Часть вещества идет в запасы. А часть преобразуется в другие органические соединения.
Роль автотрофного питания
Автотрофный тип питания характерен для самопитающихся организмов. То есть, для тех, которые самостоятельно синтезируют питательные вещества. Такой способностью обладает зеленая растительность. Что для нашей планеты и для нас необходимо и выгодно.
1. В процессе фотосинтеза зелень поглощает углекислый газ и выделяет в воздух кислород. Поэтому леса называют легкими планеты. Чем больше изумрудного цвета на Земле, тем чище воздух.
2. Выхлопные газы, дым от промышленных объектов, смог больших городов – все это забивает устьица на зеленых листьях. Растительность не может впитывать вещества для фотосинтеза извне.
3. С помощью света и хлорофилла изумрудные листья образуют из неорганических веществ органические. Последние зелень использует для собственных нужд и накапливает во всех своих частях. Накопленная органика – пища для гетеротрофных организмов. Тех, которые не умеют самостоятельно создавать из неорганических компонентов органику.
Гетеротрофные организмы – это грибы, некоторые бактерии, животные и человек. Всем им нужна запасенная в растительной массе энергия.
Источник
Фотосинтез
По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ — пища) — организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος — иной + τροφή — пища) — организмы, использующие для питания готовые органические вещества.
Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις — смешение + τροφή — пища) — организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.
Фотосинтез
Фотосинтез (греч. φῶς — свет и σύνθεσις — синтез) — сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.
Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός — зелёный и φύλλον — лист) — зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.
Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.
В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического»
Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.
Светозависимая фаза (световая)
Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.
Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):
Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).
Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны — с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.
При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:
Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма — НАДФ + превращается в восстановленную — НАДФ∗H2.
- Свободный кислород O2 — в результате фотолиза воды
- АТФ — универсальный источник энергии
- НАДФ∗H2 — форма запасания атомов водорода
Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.
Светонезависимая (темновая) фаза
Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью — вне зависимости от освещения.
При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.
Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.
Значение фотосинтеза
Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.
В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии — сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.
- Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
- Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
- Растения поддерживают определенный процент содержания O2 в атмосфере, очищают ее от избытка CO2
- Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение
Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis — синтез)
Хемосинтез — автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).
Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.
При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем — нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.
- Серобактерии — окисляют H2S —> S 0 —> (S +4 O3) 2- —> (S +6 O4) 2-
- Железобактерии — окисляют Fe +2 —>Fe +3
- Водородные бактерии — окисляют H2 —> H +1 2O
- Карбоксидобактерии — окисляют CO до CO2
Значение хемосинтеза
Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.
Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества — аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.
Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2023
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Источник