Напишем:


✔ Реферат от 200 руб., от 4 часов
✔ Контрольную от 200 руб., от 4 часов
✔ Курсовую от 500 руб., от 1 дня
✔ Решим задачу от 20 руб., от 4 часов
✔ Дипломную работу от 3000 руб., от 3-х дней
✔ Другие виды работ по договоренности.

Узнать стоимость!

Не интересно!

 

 

 

Фотосинтез и дыхание


Из общего количества солнечного излучения, которое перехватывает наша планета, часть поглощается, отражается и рассеивается в атмосфере и до поверхности Земли доходит лишь около половины.

Энергия кванта света может  быть определена из уравнения Планка:

                                                  Е=hn=hс/l,

где Е – энергия кванта, Дж; h -постоянная Планка, 6,626х 10-34 Джс, λ – длина волны, м; ν – частота излучения, с-1; с – скорость света, 3х108 м/с. Следовательно, чем меньше длина волны, тем большей энергией обладает квант света.

От Солнца до поверхности Земли доходят кванты света с энергией, соответствующей нижней границе длины волны, равной примерно 280-290 нм.

Кванты с меньшей длиной волны, наиболее опасные для человека, отражаются или поглощаются озоновым слоем.

Химические реакции, развивающиеся в результате воздействия света, называются фотохимическими. Особенно легко они протекают под действием ультрафиолетового излучения. При этом энергия кванта в соответствии с законом фотохимии Штарка- Эйнштейна сосредотачивается на одной связи, т.е. если образец поглощает излучение, то каждый квант поглощенного излучения возбуждает одну частицу, Молекула, поглотившая квант становится энергетически богатой или возбужденной.

Весь спектр света, попадающий на Землю, обычно подразделяют на три области : ультрафиолетовую, не видимую глазом человека с длиной волны до 400 нм, на которую приходится 5 % энергии; инфракрасную - видимую глазом человека с длинами волн 400-760 нм, энергетическая доля ее составляет 45 % ; невидимую инфракрасную - с длиной волны более 760 нм , на которую приходится более половины солнечной энергии Поэтому она называется тепловой.

Видимый спектр представлен цветовой гаммой, включающую следующие волновые диапазоны, нм: фиолетовый 400-450; синий 450-480; голубой 480-500; зеленый 500-570; желтый 570-580; оранжевый 580-600; красный 600-640; темно-красный 640-760 нм.

В. И. Вернадский писал : «На земной поверхности нет химической силы более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу». Важнейшим способом превращения солнечной энергии в формы для использования живыми организмами является фотосинтез. В ходе фотосинтеза в листьях растений диоксид углерода и вода превращаются в углеводы, при этом также происходит выделение кислорода».

Все живое на Земле зависит от фотосинтеза– либо непосредственно, либо, как в случае животных, косвенно. Фотосинтез делает энергию и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает выделение кислорода в атмосферу, что необходимо для всех анаэробных организмов. Человечество зависит от фотосинтеза еще и потому, что оно использует ископаемое органическое топливо, которое образовалось за миллиарды лет.

Изучением реакции фотосинтеза занимались многие ученые. Первое место по праву принадлежит англичанину Джозефу Пристли- филологу, философу, математику, физику, химику, автору трудов по ораторскому искусству. В 1767 г. он начал изучать состав и свойства «связанного воздуха» - углекислого газа и впервые приготовил газированную воду для утоления жажды. В 1771 г. он обнаружил, что в присутствии зеленых веток мяты этот газ после пребывания на свету становится пригодным для горения и дыхания. Классический опыт Пристли, во время которого умирающие мыши оживали после внесения под стеклянный колпак зеленых веток, ученые смогли объяснить после создания учения о фотосинтезе

В 1792 г голландский ученый Ян Генгенхауз показал, что кислород выделяется из зеленых частей растений при освещении.

В 1861 г. А. М. Бутлеров получил из формальдегида при действии известковой Н2О сиропообразное вещество, и в 1870 г. А.Байер высказал предположение, что первичным продуктом восстановления СО2. является формальдегид, но механизм выделения О2 не получил объяснения.

Процесс фотосинтеза обычно описывают уравнением :

                        

Для образования одного моля сахара С6Н12О6 должно быть поглощено и использовано 48 молей фотонов. Необходимая для этого энергия излучения поступает из видимой части солнечного спектра. Фотоны поглощаются фотосинтетическими пигментами в листьях растений, что приводит к переходу некоторых электронов в возбужденное состояние. Оно обычно не является устойчивым, и вскоре молекула возвращается в свое основное состояние, теряя при этом энергию возбуждения.

Эта энергия может использоваться разными способами, в том числе и на процесс обратный поглощению, и называемый флуоресценцией

Дыханием можно назвать любой процесс, при котором окисление органических веществ ведет к выделению химической энергии. Когда он протекает в клетках, его называют внутренним тканевым или клеточным дыханием. Если для него требуется кислород, то дыхание называют аэробным. Если же реакции идут в отсутствие кислорода, то говорят о анаэробном дыхании. Органические молекулы (по большей части углеводы или жиры) расщепляются последовательно, связь за связью, в ряде ферментативных реакций. В каждой из этих реакций высвобождается небольшое количество энергии, и значительная часть этой энергии запасается в молекулах нуклеотида, который носит название аденозинтрифосфата (АТФ). Молекула АТФ состоит из аденина, рибозы и трех фосфатных групп

При гидролитическом отщеплении двух ее концевых фосфатных групп выход свободной энергии на каждую из них составляет 30,6 кДж, тогда как отщепление третьей дает только 13,8 кДж. Именно по этой причине принято говорить, что АТФ содержат богатые энергией связи, которые часто обозначают значком ~.

АТФ - постоянный источник энергии для клетки. Он мобилен и может доставлять химическую энергию в любую часть клетки. Когда клетка нуждается в энергии, единственное, что требуется – это гидролиз АТФ. АТФ играет важную метаболическую роль благодаря своему центральному положению в клеточной активности. Он действует как связующее звено между дыханием и процессами, требующими затраты энергии. При этом его высокоэнергетические фосфатные группы непрерывно отщепляются и замещаются новыми.

: Тканевое дыхание не стоит путать с процессами поглощения кислорода из окружающей среды и выделения СО2 в окружающую среду. В совокупности эти два процесса называются внешним дыханием или  газообменом. Во внешнем дыхании могут участвовать органы или структуры, снабженные специализированными поверхностями для эффективного газообмена. Процесс внешнего дыхания можно записать следующим образом

                  (СН2О)n + О2 ® nСО2 + nН2О + Е

Если состав воздуха, вдыхаемого человеком, содержит: О2 - 20,95 %; СО2 - 0,03 %; N2 - 0,02 %, то выдыхаемый газ имеет состав: О2 - 15,8 %; СО2- 4,0 %; N2 - 81,2%. Произведенное животными организмами при дыхании СО2 является одним из компонентов реакции фотосинтеза.

В процессе дыхания при окислении моля глюкозы (180 г) требуется 192 г кислорода, образуется 264 г углекислого газа и 108 г воды. Постоянный газообмен с окружающей средой имеет первостепенное значение, поскольку создание запасов кислорода в организме невозможно. Если в воздухе не хватает кислорода, то наступает одышка, затем удушье и смерть. Удовлетворение потребности в кислороде у водных животных осуществляется либо с током насыщенной кислородом воды через жабры, либо периодическим возвращением на поверхность воды. Потребность корней растений в кислороде отчасти удовлетворяется из почвы, отчасти непосредственно из атмосферы с помощью наземных дыхательных корней.

В настоящее время масса кислорода образуемая всеми фотосинтезирующими растениями на Земле составляет 150-190 млрд. т. (80% этого количества создается фитопланктоном Мирового океана). 1 га соснового леса производит в год около 30т. кислорода, 1га листопадного леса-16т., 1 га сельскохозяйственных угодий - от 3 до 10 т. Количество углерода, ежегодно связываемое растениями оценивается в 46 млрд. т.

Если сопоставить количество энергии, преобразованной в органическое вещество, с общим количеством энергии, поступающим на Землю, то к. п. д. фотосинтеза -  менее 1 %, поскольку поглощается только голубая и красная части спектра. В реальных условиях только 10% энергии из видимой части спектра, поглощаемой растениями, действительно трансформируется в биомассу. Лишь в редких случаях, касающихся культурных растений с высокой продуктивностью, можно повысить к.п.д до 3%. Пшеничное поле в летний сезон превращает несколько процентов падающего на него солнечного излучения в растительное вещество. Именно эта ничтожная доля всей доступной энергии практически и поддерживает  жизнь на Земле.

В 1900 году на Земле было 1,5 миллиарда человек, к 2100 году ожидается численность населения 20-30 миллиардов.

При достаточно хорошей организации хозяйства Земля может прокормить и снабдить различным сырьем 10-12 млрд. людей. Значит, через 100 лет не будет хватать пищи и сырья для химии, воды для питья и промышленности, которая потребляет воды больше, чем все человечество.

Однако, по мнению великого микробиолога Тимофеева – Ресовского достижения генетической науки позволят резко улучшить селекционную работу, увеличить к.п.д. фотосинтеза в 6-8 раз. Но для использования этих возможностей нужно прежде всего обеспечить устойчивость функционирования биосферы, механизм которого формировался миллиарды лет.

В США подсчитано ,что если бы на 6 % возделываемых земель были созданы оптимальные условия для роста растений, то страна смогла бы получить столько энергии, чтобы полностью удовлетворить энергетические потребности всего общества.

                         Продуктивность мировых экосистем

Экосистемы

Поверхность,

млн. км2

Выход продуктов фотосинтеза,

%

Общая продуктивность,

млрд. т

Леса

40.7

0.33

20,4

Степи

25,7

0,1

3,8

Пашни

17,0

0,25

5,6

Пустыни

54,9

0,01

1,1

Антарктида

12,7

0

0

Океан

363

0,05

30,0

Таким образом, океан дает 50% всей биопродуктивности, леса - 30%, пашни ~ 10%.

Одно из потенциально возможных применений фотосинтеза – это использование его как альтернативного источника энергии вместо истощающихся природных запасов нефти и газа. Сейчас делаются попытки смоделировать те первые этапы фотосинтеза у растений, когда за счет энергии Солнца вода расщепляется на водород и кислород. Если бы это удалось, то водород можно было бы сжигать как топливо, продуктом сгорания которого была бы вода. Такая система могла бы существенно дополнить или даже всецело заменить ядерную и другую формы энергии.

Эти исследования имеют большое значение и для сельского хозяйства, потому что , судя по приведенным выше цифрам, существуют большие возможности повышения эффективности  седьскохозяйственных культур. Пока же фотосинтетическая продуктивность основных мировых экосистем может быть проиллюстрирована данными из таблицы 2.1.

Предыдущие материалы: Следующие материалы: