Круговорот веществ и превращение энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Функционирующее в биосфере живое вещество постоянно осуществляет круговорот веществ и превращение энергии. Для живых систем характерна аккумуляция химических элементов в своих телах. Аккумуляции противостоит минерализация, возникшая в результате разложения растительных остатков. Эти два процесса идут в каждом биогеоценозе. Аккумуляция преобладает там, где образуется живое вещество (поверхность океана и суши). Минерализация преобладает в местах разрушения органики (почва, дно океана). Продукты минерализации вновь используются продуцентами. биосфера хемосинтез фотосинтез вернадский

Согласно Вернадскому, живое вещество осуществляет в биосфере три основных функции. Газовая функция состоит в том, что зеленые растения выделяют при фотосинтезе кислород, а при дыхании - углекислый газ. Животные также выделяют углекислый газ, а многие бактерии образуют различные газы, восстанавливая азот, сероводород. Без деятельности живых организмов состав атмосферы был бы совершенно иным. Концентрационная функция осуществляется благодаря тому, что живые организмы захватывают необходимые химические элементы и накапливают их в местах своего обитания. Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении и восстановлении химических веществ в воде и на почве, в результате чего образуются отложения различных руд, бокситов, известняков. Эта функция в основном осуществляется бактериями. Круговорот веществ, как и все происходящие в природе процессы, требует постоянного притока энергии. Основу биологического круговорота, обеспечивающего существование жизни, составляет солнечная энергия и улавливающий ее хлорофилл зеленых растений. В круговороте веществ и энергии участвует каждый живой организм, поглощая из внешней среды одни вещества и выделяя из нее другие. Биогеоценозы, состоящие из большого числа видов живых организмов и костных компонентов среды, осуществляют циклы, по которым передвигаются атомы различных химических элементов (биогенная миграция атомов). Так, растения поглощают из внешней среды углекислый газ, воду, минеральные вещества и выделяют в нее кислород. Животные вдыхают выделенный растениями кислород, а, поедая их, усваивают синтезированные из воды и углекислого газа органические вещества и выделяют воду и углекислый газ. После гибели животные разлагаются при участии грибов и бактерий

При этом образуется дополнительное количество углекислого газа, а органические вещества превращаются в минеральные, которые попадают в почву, а потом снова усваиваются растениями. Таким образом, атомы основных химических элементов постоянно совершают миграцию через многие живые организмы и костную среду. Без миграции атомов жизнь на Земле не могла бы существовать: растения без животных и бактерий вскоре исчерпали бы запасы углекислого газа и минеральных веществ, а животные баз растений лишились бы источника энергии и кислорода

Основными характеристиками биосферы является биомасса и круговорот веществ и энергии. Биомасса представляет собой количество живого вещества на Земле. Как уже говорилось выше, биомасса подвержена постоянным изменениям. «Стараниями» продуцентов биомасса на Земле прирастает, редуцентов - опять превращается в неорганическое вещество. В год на Земле продуцируется 150-200 миллиардов тонн живого вещества. 75 % от этой массы приходится на сушу, 25 % - на океан.

В биосфере происходит постоянная циркуляция веществ и энергии. Энергия передается по цепям питания в экосистемах, и только небольшая ее часть используется на прирост биомассы. Неорганические вещества циркулируют по биогеохимическим циклам, которые представляют собой замкнутые пути, по которым различные химические вещества попадают в организмы и обратно. Они являются связующим звеном между биотическим и абиотическим компонентами экосистем и биосферы.

Одним из главных циклов на Земле является гидрологический, то есть цикл воды. Вода служит живым организмам источником водорода и сама по себе как составной компонент живых клеток. Схематически круговорот воды в биосфере представлен на схеме, приведенной ниже. Следует также сказать, что вода во время круговорота может находиться во всех своих агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

Кроме круговорота воды в биосфере важнейшими круговоротами являются круговороты углерода, азота, фосфора, кислорода и калия.

Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит от таких свойств почвы, как содержание гумуса, механический состав,карбонатность, реакция среды, емкость поглощения. Очень большое влияние оказывает водный режим.

Хемосинтез и фотосинтез

Как вам уже известно, автотрофные организмы в зависимости от источника энергии разделяют на хемосинтезирующие и фотосинтезирующие. Хемосинтез. Хемосинтезирующие организмы (хемотрофи) для синтеза органических соединений используют энергию, которая высвобождается при преобразованиинеорганических соединений. До этих организмов относятся некоторые группы бактерий: нитрификуючи, бесцветные сиркобактерии, железобактериями подобное.

Нитрификуючи бактерии последовательно окиснюють аммиак (NH3) до нитритов (соли HNO2), а затем - до нитратов (соли HN03). Железобактериями получают энергию за счет окисления соединений двухвалентного железа до трехвалентного. Они участвуют в образовании залежей железных руд. Бесцветные сиркобактерии окиснюють сероводород и другие соединения серы до серной кислоты (H2S04).

Процесс хемосинтеза открыл в 1887 году выдающийся русский микробиолог С. Н. Виноградский. Хемосинтезирующие микроорганизмы играют исключительную роль в процессах превращения химических элементов в биогеохимических циклах. Биогеохимические циклы (биогеохимический круговорот веществ) - это обмен веществами и обеспечения потока энергии между различными компонентами биосферы, вследствие жизнедеятельности различных организмов, имеет циклический характер.

Фотосинтез. Фототрофы используют для синтеза органических соединений энергию света. Процесс образования органических соединений из неорганических благодаря превращению световой энергии в энергию химических связей называют фотосинтезом. К фототрофных организмов относятся зеленые растения (высшие растения, водоросли), некоторые животные (растительные жгутиковые), а также некоторые прокариоты - цианобактерии, пурпурные и зеленые сиркобактерии.

Исследовать процесс фотосинтеза начали еще во второй половине XVIII столетия. Ряд важных открытий в этом вопросе сделано во второй половине XIX века. Например, российский физиолог растений А.С. Фаминцын установил, что фотосинтез может происходить не только под воздействием солнечного света, но и при искусственном освещении. Важное открытие сделал выдающийся русский ученый К.А.Тимиря-зев, который теоретически обосновал и экспериментально доказал роль хлорофилла в поглощении света в процессе фотосинтеза. Он также обосновал положение о космической роли зеленых растений, которые, улавливая солнечные лучи и превращая световую энергию в энергию химических связей синтезируемых ими органических соединений, обеспечивающих сохранение и развитие жизни на Земле.

Кислород, который выделяют фотосинтетики, изменил состав атмосферы Земли. Из него постепенно сформировался озоновый экран, способный задерживать ультрафиолетовые солнечные лучи, губительно действующие на живые организмы суши. Таким образом, зеленые растения являются «посредниками» между космосом и всеми живыми существами на Земле.

В клетках высших растений фотосинтез происходит в специальных органеллах-хлоропластах.

Основными из фотосинтезирующих пигментов являются хлорофиллы. По своей структуре они напоминают гемм гемоглобина, но в этих соединениях вместо железа присутствует магний. Железо нужно растительным организмам для обеспечения синтеза молекул хлорофилла (если в растение железо не поступает, то у нее образуются бесцветные листья, способные к фотосинтезу). Большинство фотосинтезирующих организмов имеет разные хлорофиллы: хлорофилл а (обязательный), хлорофилл b (у зеленых растений), хлорофилл с (у диатомовых и бурых водорослей), хлорофилл d (у красных водорослей). Зеленые и пурпурные бактерии содержат особые бактериохлорофилл.

В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс, связанный с переносом электронов от соединений поставщиков электронов (доноров) к соединениям, которые их воспринимают (акцепторов), с образованием углеводов и выделением в атмосферу молекулярного кислорода. Световая энергия превращается в энергию синтезированных органических соединений (углеводов) в особых структурах - реакционных центрах, содержащих хлорофилл а.

В процессе фотосинтеза в зеленых растений и цианобактерий участвуют две фотосистемы - первая (И) и вторая (II), имеющих различные реакционные центры и связанные между собой через систему переноса электронов.

Процесс фотосинтеза происходит в две фазы - световую и темно-ву. В световую фазу, реакции которой перебегают в мембранах особых структур хлоропластов - тилакоидов при наличии света (рис.36), фотосинтезирующие пигменты улавливают кванты света (фотоны). Поглощение фотонов приводит к «возбуждение» одного из электронов молекулы хлорофилла, который с помощью молекул - переносчиков электронов перемещается на внешнюю поверхность мембраны тилакоидов, приобретая определенной потенциальной энергии.

В фотосистеме / этот электрон может возвращаться на свой энергетический уровень и восстанавливать ее, а может передаваться следующей соединении, как НАДФ. Электроны, взаимодействуя с ионами водорода, которые есть в окружающей среде, восстанавливают это соединение:

Напомним, что когда определенное соединение отдает электрон - она окисляется, а когда присоединяет - возобновляется. Восстановленный НАДФ (НАДФ * Н2) впоследствии поставляет водород, необходимый для восстановления атмосферного CO2 к глюкозе (то есть соединения, в котором запасается энергия).

Подобные процессы происходят и в фотосистеме II. Возбужденные электроны, возвращаясь на свой энергетический уровень, могут передаваться фотосистеме И и таким образом ее восстанавливать. Фотосисте-ма II восстанавливается за счет электронов, которые поставляют молекулы воды. Под действием света при участии ферментов молекулы воды расщепляются (фотолиз воды) на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу, а электроны используются на видновленняьфотосистемы.

Энергия, высвобожденная при возвращении электронов по внешней поверхности мембраны тилакоидов на предыдущий энергетический уровень, запасается в виде химических связей молекул АТФ, которые синтезируются при реакций в обоих фотосистема. Некоторая ее часть расходуется на испарение воды. Таким образом, при световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергию (которая запасается в виде химических связей) соединения: синтезируется АТФ и возобновляется НАДФ. Как продукт фотолиза воды в атмосферу выделяется молекулярный кислород.

Реакции темповой фазы фотосинтеза протекают во внутренней среде (матриксе) хлоропластов как на свету, так и в другом случае. Как упоминалось ранее, в ходе реакций темновой фазы С02 восстанавливается до глюкозы благодаря энергии высвобождается при расщеплении АТФ, и за счет восстановленного НАДФ.

Соединением, воспринимает атмосферный С02, является рибульозобифос-Фат (пятиуглеродный сахар, соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты). Процесс присоединения С02 катализирует фермент кар-боксилаза. В результате сложных и многоступенчатых химических реакций, каждую из которых катализирует свой специфический фермент, образуется конечный продукт фотосинтеза - глюкоза, а также восстанавливается акцептор С02 - рибульозобифосфат. С глюкозы в клетках растений могут синтезироваться полисахариды - крахмал, целлюлоза и т.п..

Итоговое уравнение процесса фотосинтеза в зеленых растений выглядит так:

В фотосинтезирующих прокариот есть определенные различия в течении световой и тем-новой фаз фотосинтеза. В прокариот отсутствуют пластиды, потому фотосинтезирующие пигменты расположены на внутренних выростах цитоплазматической мембраны, где и происходят реакции световой фазы. В зеленых и пурпурных бактерий, в отличие от цианобактерий, нет фотосистемы II, поставщиком электронов является не вода, а сероводород, молекулярный водород и некоторые другие соединения. Вследствие этого в этих групп бактерий в ходе фотосинтеза кислород не выделяется.

Значение фотосинтеза для биосферы трудно переоценить. Именно благодаря этому процессу улавливается световая энергия Солнца. Фотосинтезирующие организмы превращают ее в энергию химических связей синтезированных углеводов, а затем по цепям питания она передается гетеротрофным организмам. Следовательно, не будет преувеличением считать, что именно благодаря фотосинтезу возможно существование биосферы. Зеленые растения и цианобактерии, поглощая углекислый газ и выделяя кислород, влияют на газовый состав атмосферы. Весь атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождения. Ежегодно благодаря фотосинтеза на Земле синтезируется около 150 млрд тонн органического вещества и выделяется свыше 200 млрд тонн свободного кислорода, который не только обеспечивает дыхание организмов, но и защищает все живое на Земле от губительного влияния коротковолновых ультрафиолетовых космических лучей (озоновый экран атмосферы).

Но в целом процесс фотосинтеза малоэффективен. В синтезированную органическое вещество переводится лишь 1-2% солнечной энергии. Это объясняется неполным поглощением света растениями, а также тем, что часть солнечного света отражается от поверхности Земли обратно в космос, поглощается атмосферой подобное. Производительность процесса фотосинтеза возрастает в условиях лучшего водоснабжения растений, их оптимального освещения, обеспечения углекислым газом, благодаря селекции сортов, направленной на повышение эффективности фотосинтеза подобное. Одной из самых культурных растений считают кукурузу, в которой достаточно высокий КПД фотосинтеза.

Автотрофы способны синтезировать органические соединения из неорганических, используя для этого или энергию, которая высвобождается в результате химических реакций (хемотрофных организмы), или энергию света (фототрофные организмы).

Хемотрофных организмы - исключительно прокариоты (нитрификуючи бактерии, железобактериями, сиркобактерии т.д.). Среди фототрофных организмов известны как прокариоты, так и эукариоты.

Фотосинтез - процесс преобразования световой энергии в энергию химических связей органических соединений, синтезируемых автотрофными организмами. Он имеет две фазы: световую и темновую. Световая фаза у растений осуществляется в особых образованиях хлоропластов-тилакоидов, где содержится пигмент хлорофилл.

Темновая фаза фотосинтеза происходит в строме хлоропластов.

Фотосинтез имеет исключительное значение для существования биосферы (атмосферный кислород преимущественно фотосинтетического происхождения).

Фотосинтез и хемосинтез

Фотосинтез -- процесс образования органических соединений из диоксида углерода (СО2) и воды с использованием и преобразованием энергии света. Происходит у зеленых растений, цианобактерий и водорослей.

Красный и синий свет улавливается фотосинтезирующим пигментом -- хлорофиллом, встроенным во внутреннюю мембрану пластид или в складки цитоплазматической мембраны прокариот. Зеленый свет отражается от листа, поэтому мы видим листья зелеными.

Фотосинтез подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их не совсем точно называют световой и темновой фазами.

Световая фаза -- это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в химическую энергию АТФ и НАДФН2. Осуществляется на свету в мембранах гран при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:

* возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

* восстановление акцепторов электронов -- НАДФ+ до НАДФН2:

2Н+ + 4е - +НАДФ+ -> НАДФН2;

* фотолиз воды, происходящий при участии квантов света:

2Н2O-> 4Н++ 4е- + O2.

Процесс происходит внутри тилакоидов гран хлоропластов;

* протоны водорода Н+ накапливаются в Н+-резервуаре внутри граны. Их накопление на внутренней стороне мембраны приводит к нарастанию разности потенциалов. При этом внутренняя сторона мембраны заряжается положительно, за счет протонов, а наружная -- отрицательно, за счет электронов;

* начинает работать протонная помпа, обеспечивающая движение протонов из тилакоидов в строму через канал АТФ-синтетазы под действием электрического поля. В строме же находится АДФ и остатки фосфорной кислоты, которые используются для синтеза АТФ.

Результатами световых реакций являются: образование кислорода, синтез АТФ, восстановление НАДФН2.

Темновая фаза -- процесс преобразования СO2 в глюкозу в строме хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФН2.

Реакции фиксации углерода -- это последовательные преобразования СO2 в глюкозу:

* сначала происходит фиксация молекул С02 1-5-рибуло-зодифосфатом, при участии ферментов;

* затем диоксид постепенно восстанавливается до глюкозы при участии АТФ и НАДФН2 (Цикл Кальвина):

СO2 + 24Н -> С6Н12O6 + 6Н2O;

Рис. 12. Схема фотосинтеза

* помимо молекул глюкозы в строме образуются аминокислоты, нуклеотиды, спирты.

Суммарное уравнение фотосинтеза:

Значение фотосинтеза:

* фотосинтез обеспечивает производство исходных органических веществ, а следовательно, пищу для всех живых существ;

* в процессе фотосинтеза образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов;

* кислородом образован защитный озоновый экран, предохраняющий организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения;

* фотосинтез способствует снижению концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Хемосинтез -- образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно-восстановительных реакций соединений азота, железа, серы. Существует несколько видов хемосинтетических реакций:

* окисление аммиака до азотистой и азотной кислот нитрифицирующими бактериями:

* превращение двухвалентного железа в трехвалентное железобактериями:

* окисление сероводорода до серы или серной кислоты серобактериями:

Выделяемая энергия используется для синтеза органических веществ.

Роль хемосинтеза: бактерии-хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

Размещено на Allbest.ru