ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ УРОКА
Ученик: В природе происходит круговорот веществ. Наверное, бывает и круговорот энергии?
Учитель: С энергией сложнее: передавать её без потерь невозможно. Зато у нас есть неисчерпаемый источник энергии - солнце. Правда, не все организмы умеют использовать его.
• На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.
НЕОБХОДИМЫЕ БАЗОВЫЕ ЗНАНИЯ
• Приведите примеры автотрофных и гетеротрофных организмов. (5-7, 9 классы)
• Почему большинство растений - зелёного цвета? (9 класс)
• Что такое фотосинтез? Какова его роль в природе? (9 класс)
• Как растение приспособлено к фотосинтезу? (5-6, 9 класс)
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Клеточный метаболизм
• Какие два противоположных процесса составляют обмен веществ? Чем различаются их источники, назначение и результаты?
Живую клетку можно сравнить со сложнейшим химическим комбинатом. В ней непрерывно идут тысячи химических реакций. Некоторые из них направлены на синтез, другие — на расщепление сложных молекул. Удивительно, что большинство этих реакций протекает у всех организмов сходным образом либо просто одинаково. Безусловно, есть и реакции, специфические для какой-либо отдельной группы, но огромное количество химических процессов и управляющих ими ферментов присуще всем живым организмам — от бактерии до человека.
Во всех случаях для работы клетки необходим приток веществ и энергии, так как вещества расходуются и выводятся наружу, а без притока энергии никакую работу выполнить невозможно. Из поступающих в клетку компонентов создаются новые молекулы для замены израсходованных веществ, для построения и «починки» органелл. Совокупность реакций биологического синтеза веществ в клетке называют пластическим обменом, или ассимиляцией.
Наряду с реакциями синтеза, в клетке происходит постоянный распад сложных органических веществ до более простых соединений. При этом высвобождается энергия, которая используется для транспорта веществ, мышечного сокращения, деления клетки и других процессов, в том числе и для реакций биосинтеза. Совокупность реакций разложения сложных органических веществ на простые молекулярные блоки с выделением энергии называется энергетическим обменом, или диссимиляцией.
Противоположные процессы пластического и энергетического обмена тесно взаимосвязаны и невозможны друг без друга. Это две стороны одного процесса - обмена веществ, или метаболизма. В организме они находятся в состоянии динамического равновесия. Преобладание пластических, «созидательных», процессов приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание энергетических, «разрушительных» — ведёт к разрушению тканей.
По способу питания все организмы можно подразделить на две основные группы: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы поглощают энергию солнца (реже — энергию окисления неорганических соединений) и запасают её в форме органических веществ, а затем потребляют их по мере необходимости. Гетеротрофы поедают первых и таким образом становятся потребителями этих органических веществ и связанной в них энергии, направляя их на свои нужды.
При использовании энергии только часть её выполняет полезную работу в организме, а другая часть неизбежно рассеивается в виде тепла. Этот вид энергии трудно уловить, поэтому необходим постоянный приток доступной энергии в виде органических веществ. Связывание космической световой энергии — основной источник жизни, и единственный способ её усвоения — фотосинтез.
Наряду с энергетической ценностью пищи, очень важен и её состав. Это связано с потребностью организма в огромном количестве и разнообразии веществ, обеспечивающих все его структуры и функции. Минеральная основа этих веществ, как и энергия, вводится в оборот в основном автотрофами, которые встраивают неорганические вещества в органические молекулы и делают их доступными для усвоения другими организмами.
Как заряжаются биологические аккумуляторы?
• В чём проявляется единство фотосинтеза и дыхания?
Пополнение запаса энергии в живых клетках происходит в результате окислительно-восстановительных реакций. В процессе потери электрона (окисления) одним органическим веществом (донором) и передачи его другому (акцептору, который при этом восстанавливается) выделяется энергия. Она частично рассеивается в виде тепла, но значительная часть её запасается в виде макроэргических (высокоэнергетических) связей АТФ или других молекул-аккумуляторов энергии. При фотосинтезе и дыхании несколько таких реакций объединены в цепочки-каскады органических молекул (переносчиков), по которым, как по лестнице, «скачет» электрон с последовательным понижением своего энергетического уровня. Так, постепенно теряя свою энергию и заряжая «по пути» молекулярные аккумуляторы, электрон попадает к своему последнему акцептору. Фотосинтез — это процесс, в котором происходит кругооборот электронов, вновь и вновь получающих энергию от солнца и отдающих её макроэргическим связям молекул АТФ. Затем последние используются для синтеза углеводов из углекислого газа.
Хлоропласт - лаборатория фотосинтеза
• Какие структуры растений обеспечивают протекание фотосинтеза?
Реакции фотосинтеза идут в хлоропластах. Они могут присутствовать в клетках различных органов растений — плодов, стеблей, но главным органом, анатомически приспособленным к улавливанию света, безусловно, является лист. Особенно богаты хлоропластами клетки паренхимы листа. Хлоропласт окружён двойной мембраной и заполнен полужидким содержимым — стромой. Внутренняя мембрана образует множество плоских мешочков — тилакоидов, собранных в стопки — граны. В мембране тилакоидов содержится пигмент хлорофилл, способный поглощать энергию света, и молекулы — переносчики электронов.
13.1. Лист — орган фотосинтеза
• Почему листья считают основными фотосинтезирующими органами растений? Как это отражено в их строении на разных уровнях организации?
Общий результат фотосинтеза можно записать в виде суммарного уравнения таким образом:
углекислый газ + вода + свет →- глюкоза + кислород
или
6СО2 + 6Н2О + Е → С6Н12О6 + 6О2.
Фотосинтез зелёных растений проходит в два этапа. Первый объединяет реакции, идущие только на свету, и поэтому называется световой фазой. Второй этап называют темповой фазой, потому что его реакции не зависят от света и могут проходить как на свету, так и в темноте.
Хлорофилл и ферменты, необходимые для световой фазы, расположены в тилакоидах, а ферменты, участвующие в реакциях темновой фазы, расположены в строме.
Световая фаза фотосинтеза
• Как происходит улавливание световой энергии? Что является результатом светозависимой фазы фотосинтеза?
Для того чтобы синтезировать молекулу углевода из СО2 и Н2О, необходима энергия, которую клетка получает в виде света и запасает в виде АТФ в световой фазе фотосинтеза. В мембранах тилакоидов молекулы хлорофилла в сочетании с другими пигментами и ферментами образуют компактно организованные фотоловушки двух типов (фотосистема II и фотосистема I), которые активируются попаданием в них элементарных частиц света — фотонов. Только синяя и красная части спектра используются в фотосинтезе, а зелёный свет проходит насквозь (поэтому растения зелёные).
Энергия фотона передаётся электрону в молекуле хлорофилла. В результате возбуждённый электрон переходит на более высокий энергетический уровень и передаётся по цепочке молекул-переносчиков при помощи ферментов. Вследствие этого при возвращении электрона к более низкому энергетическому уровню освобождается энергия, которая запасается путём синтеза нескольких молекул-аккумуляторов энергии АТФ и НАДФ * Н (читается надэф-аш). НАДФ * Н способен отдавать электрон и протон, т.е. окисляться, превращаясь в НАДФ+ и восстанавливая другие химические соединения.
Молекулы хлорофилла в фотоловушках теряют электроны, эта потеря восполняется за счёт расщепления молекулы воды. На это также расходуется энергия света. В результате образуется молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу, а протоны поступают в строму.
Таким образом, в результате световой фазы фотосинтеза солнечная энергия запасается в форме биохимических аккумуляторов - молекул АТФ и НАДФ * Н. При этом в качестве побочного продукта реакции выделяется кислород.
13.2. Световая и темповая фазы фотосинтеза
Темновая фаза фотосинтеза
• Что является результатом фазы фотосинтеза, независимой от света?
Заряженные на мембране тилакоидов «аккумуляторы» АТФ и НАДФ х Н используются в строме хлоропласта для химических реакций, в которых из углекислого газа воздуха образуются молекулы шестиуглеродного сахара - глюкозы. Для протекания этих реакций солнечный свет уже не нужен. В строме растворено достаточно углекислого газа, попавшего в клетки из воздуха через устьица. Углекислый газ соединяется с водородом, используя энергию, принесённую молекулами НАДФ * Н и АТФ, в результате чего образуется глюкоза.
На самом деле этот процесс далеко не так прост. Он состоит из 15 реакций и выполняется сложным ферментативным комплексом при участии воды, ионов водорода, фосфатных групп и простых сахаров. Атомы углерода сначала встраиваются в готовую цепочку пятиуглеродного сахара, в результате чего получается неустойчивое вещество, которое распадается на две трехуглеродные молекулы. Они вступают в цикл реакций, из которого выходят молекулы глюкозы и исходных веществ. Эта сложная циклическая система реакций, создающая первичные органические вещества, названа циклом Кальвина по имени американского учёного, описавшего весь процесс. Энергию для них доставляют молекулы АТФ и НАДФ • Н, синтезированные в световой фазе. Сделав своё дело и превратившись, соответственно, в АДФ и НАДФ+, они вновь готовы принять от фотоловушек новую порцию энергии.
В дальнейшем молекулы глюкозы используются в двух направлениях: в качестве топлива и строительного материала. Особую ценность имеет углеродный «скелет» глюкозы. На нём могут прикрепляться различные функциональные группы атомов, которые определяют химические свойства создаваемых органических соединений. Простые углеводы могут полимеризоваться в макромолекулы. Так запасают сахара впрок растения в виде крахмала, а животные — в виде гликогена. Таким образом, с глюкозы, полученной в результате фотосинтеза, начинается всё разнообразие структур и функций в органическом мире.
Заметим, что подавляющее большинство гетеротрофных организмов по двум причинам зависят от фотосинтезирующих автотрофов: они питаются созданными ими органическими веществами и потребляют при дыхании выделенный автотрофами кислород. Кислород им необходим как окислитель для получения энергии из пищи. Реакции фотосинтеза — главный источник свободного кислорода на Земле. Древние фотосинтезирующие бактерии, подобные современным цианобактериям, были среди первых обитателей Земли более трёх миллиардов лет назад. Считается, что именно они насытили атмосферу Земли кислородом — побочным продуктом фотосинтеза. Фотосинтезирующие бактерии, водоросли и растения постоянно пополняют запасы кислорода в атмосфере Земли.
ОБОБЩЕНИЕ НОВЫХ ЗНАНИЙ
Живым клеткам необходим постоянный приток органических веществ и энергии. Главным источником энергии для живых существ является солнце. Фотосинтезирующие организмы используют энергию света для синтеза органических молекул. При этом в качестве побочного продукта выделяется кислород. Гетеротрофы используют энергию и органические вещества, синтезированные автотрофами.
Пластический обмен. Энергетический обмен. Автотрофы. Гетеротрофы. Фотосинтез. Световая фаза. Темновая фаза
ПРИМЕНЕНИЕ ЗНАНИЙ
1. • Объясните взаимосвязь пластического и энергетического обмена.
2. • Какую роль в фотосинтезе играет цепь переносчиков электронов?
3. • Как при фотосинтезе образуется кислород?
4. • Используя суммарное уравнение фотосинтеза, скажите, какие факторы могут влиять на интенсивность этого процесса.
5. • Почему скорость фотосинтеза зависит от температуры? При какой температуре она может повыситься? понизиться? Почему?