Конечно, такое описание процесса фотосинтеза достаточно условно, реальный процесс гораздо сложнее. Таким образом, хлорофилл в процессе фотосинтеза играет роль фотосенсибилизатора. Эта роль хлорофилла в фотосинтезе была впервые открыта К.А. Тимирязевым.

Дыхание – процесс, обратный фотосинтезу, в нем происходит окисление органического вещества и выделение углекислого газа.

Обмен веществ в организме происходит при участии особых белковых макромолекул, выполняющих роль биологических катализаторов – ферментов. Скорость каждой биохимической реакции контролируется ферментом, а работа фермента определяется строением соответствующего гена. Изменение в строении гена – мутация – приводит к изменению фермента, а в случае недостатка фермента замедляется или совсем прекращается биохимическая реакция.

Кроме ферментов, в регулировании обменных процессов участвуют коферменты (в переводе – совместимые с ферментами) – молекулы небелковой природы, частью которых являются витамины. Нехватка витаминов также приводит к нарушению обменных процессов в организме.

Для осуществления обменных процессов кроме ферментов и коферментов необходимы особые химические вещества – гормоны. Гормоны осуществляют общую химическую координацию метаболизма. Гормоны синтезируются организмом в специальных клетках органов внутренней секреции (железах) и переносятся по всему организму с током крови.

Молекулярно-генетический уровень наиболее уязвим для действия химических загрязнителей, радиации, ультрафиолетового излучения. Под действием этих факторов происходит разрушение молекул ферментов, гормонов, что ведет к нарушению обменных процессов, болезням и даже гибели организмов, а порой и целых популяций.

2.3. Системы организмов и биота Земли

В настоящее время на Земле обитают более 2,2 млн видов организмов. Основателем системной классификации живых организмов является шведский ученый К. Линней. Согласно его классификации, весь живой мир делится на два царства: животные и растения. На современном этапе весь органический мир делят на две империи: доклеточные (вирусы) и клеточные (все остальные организмы). Империя доклеточных состоит из единственного царства – вирусов. Империя

15

клеточных состоит из двух надцарств: доядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты). Прокариоты – низкоорганизованные организмы, не имеющие в клетках ядра. ДНК в них не отделяется от цитоплазмы никакой мембраной. Они представлены царством дробянок (бактерии и сине-зелёные водоросли). Эукариоты представлены тремя царствами: животных, грибов и растений. Их клетки содержат ядро, ДНК отделена от цитоплазмы ядерной мембраной, так как расположена в самом ядре. Грибы выделены в отдельное царство, так как они происходят от амебовидных двужгутиковых простейших, то есть ближе к животным, чем к растениям.

Всю совокупность растительных организмов называют флорой, а совокупность животных – фауной. Флора и фауна экосистемы образуют её биоту, то есть живую, биотическую часть экосистемы. Неживая часть экосистемы называется экотопом.

Прокариоты являются древнейшими организмами в истории Земли, следы их жизнедеятельности обнаружены в геологических отложениях, образовавшихся около миллиарда лет назад. В настоящее время известно около 5000 видов прокариотов.

Самыми распространенными среди прокариотов являются бактерии. Их размеры составляют от десятых долей до 2 – 3 микрометров. Некоторые бактерии способны к синтезу органического вещества (являются автотрофами) в процессе хемосинтеза. Но большинство бактерий – гетеротрофы, питающиеся готовым органическим веществом. Среди бактерий много редуцентов, сапрофитов, которые перерабатывают остатки мертвого органического вещества в простые минеральные соединения, доступные для питания растений. Есть среди бактерий и паразиты, обитающие в других организмах, вызывающие болезни у растений, животных и человека. Больше всего бактерий обитают в почвах (это бактерии гниения, нитрифицирующие, азотфиксирующие, серобактерии). Из почвы с потоками воды бактерии попадают в водоёмы. В атмосферном воздухе бактерий значительно меньше.

Представители второго подцарства прокариотов – сине-зеленые водоросли. Они сходны по строению с бактериями, но являются фотосинтезирующими организмами. Обитают преимущественно в поверхностном слое пресноводных водоёмов. Продуктом их обменных процессов являются азотистые соединения, которые способствуют развитию планктона, водорослей. Избыток азотистых соединений может привести к эвтрофикации (цветению) водоёма.

16

Эукариоты – все остальные организмы. Самые распространенные среди них – растения, их насчитывается более 300 тыс. видов. Роль растений в существовании всего живого огромна, так как именно растения превращают солнечную энергию в химическую энергию органических соединений, которая в таком виде становится доступна для всех остальных организмов. Чем больше в экосистеме растений, тем больше энергии получает данная экосистема и тем выше ее устойчивость. Практически все растения относятся к автотрофам, то есть осуществляют питание за счет фотосинтеза. К растениям относятся водоросли, лишайники, мхи, папоротникообразные, голосеменные и цветковые.

Водоросли – группа растений, живущих в воде. Они могут или свободно плавать по поверхности, или прикрепляться к грунту. Водоросли относятся к первым на Земле фотосинтезирующим организмам. Кроме того, они способны усваивать из воды соединения азота, серы, фосфора и калия.

Остальные растения обитают на суше. Самым многочисленным отделом царства растений являются цветковые, их насчитывают более 250 тыс. видов.

Представители царства грибов – низшие организмы, не содержащие хлорофилла. Их насчитывается более 100 тыс. видов. Все грибы являются гетеротрофами, среди них встречаются как сапрофиты, так и паразиты. Грибы-сапрофиты помогают разлагать мертвое органическое вещество, переводят в доступную растениям форму гумусовое вещество. Грибы-паразиты обитают на растениях, реже – на животных.

Царство животных представлено большим разнообразием видов, их более 1,7 млн. Все животные – это гетеротрофные организмы, консументы. Самый многочисленный тип животных – членистоногие, к представителям этого типа относится 2/3 всех видов живых существ на Земле. На каждого человека на Земле приходится более 200 млн особей. Большая часть членистоногих – это насекомые. На втором месте по количеству видов стоит класс моллюсков, на третьем

– позвоночные, среди которых млекопитающие занимают примерно десятую часть, а половина всех видов приходится на рыб. Большая часть позвоночных формировалась в водных условиях, а насекомые появились на суше.

Если сравнивать количество видов сухопутных и водных организмов, то это соотношение будет примерно равным и для растений, и

17

для животных. На суше обитают 92 – 93%, а в воде – 7 – 8% видов. Это говорит о том, что выход организмов из воды на сушу дал мощный стимул для эволюционного развития, увеличения видового разнообразия, что привело к повышению устойчивости природных экосистем.

Лабораторная работа № 2

Изучение пигментов листа и фотометрическое определение хлорофилла

Цели работы: изучить пигменты листьев различных растений, провести фотометрическое определение количества хлорофилла в них, сделать вывод о зависимости количества хлорофилла от принадлежности растения к различным экологическим группам по отношению к свету.

Оборудование и материалы: листья растений различных экологических групп (светолюбивые, теневыносливые); технические весы с точностью взвешивания 0,01 г; фарфоровая ступка; пестик; измельченное стекло; мел или карбонат магния; 80-85%-ный ацетон или этилацетат; стеклянные воронки; бумажные фильтры; стеклянные стаканы объёмом 250 см3; мерные колбы объёмом 50 и 100 см3; бензин; 20%-ный раствор NaOH; колориметрическая шкала (раствор Гетри); фотоэлектроколориметр КФК-2 с набором стеклянных кювет.

Ход работы

Опыт 1. Приготовление раствора хлорофилла. (Работа про-

водится в вытяжном шкафу!)

Определение содержания хлорофилла в листьях можно проводить как на свежем, так и на фиксированном материале. Фиксацию осуществляют текучим паром (5 мин) или сухим жаром (при 105 оС в течение 5 – 10 мин).

При работе с сухим материалом берут навеску 0,5 – 1 г, со свежим – 1 – 2 г. Навеску растительного материала (исключая жилки) тщательно измельчают в фарфоровой ступке с битым стеклом, добавляя мел или углекислый магний. Извлечение хлорофилла из сухого материала можно производить 90%-ным спиртом или 80 – 85%-ным ацетоном, а из свежего – 96 – 98%-ным спиртом, абсолютным ацетоном или этилацетатом.

18

К растертому растительному материалу прибавляют немного выбранного растворителя (3 – 5 мл), чтобы растворитель полностью смочил измельчаемую массу, смесь продолжают растирать вместе с растворителем.

В стеклянный стакан ёмкостью 50 мл вставляют стеклянную воронку с бумажным фильтром. Жидкость из ступки сливают в стакан через воронку с фильтром. В ступку приливают ещё 4 – 5 мл растворителя и вновь растирают в течение минуты, затем опять сливают в воронку. Эту манипуляцию повторяют 2 – 3 раза, затем переносят на фильтр всю растертую массу. Ступку ополаскивают несколько раз растворителем, выливая его на материал в воронку, где ему дают постоять 2 – 3 минуты. Промывание ведут до тех пор, пока стекающий раствор не станет бесцветным. Отфильтрованную жидкость переносят в мерную колбу объёмом 50 см3, ополаскивая несколько раз ступку. Уровень жидкости доводят до метки растворителем.

Опыт 2. Экстракция пигментов листа.

В одну из пробирок наливают 1 – 2 см3 полученной жидкости, добавляют полуторный объем бензина и 1 – 2 капли воды. Большим пальцем закрывают пробирку, сильно встряхивают и дают отстояться. Внимательно наблюдают за изменениями в пробирке (через несколько минут произойдет разделение содержимого пробирки на два слоя: верхний бензиновый зеленого цвета, нижний – с вытяжкой золотистого цвета).

Во вторую пробирку наливают 1– 2 см3 вытяжки пигментов и 4 – 5 капель 20% раствора щелочи (NaOH), встряхивают. Приливают такой же объем бензина и 1 – 2 капли воды, сильно встряхивают и дают отстояться. Какие изменения произошли в пробирке?

Сделайте вывод о растворимости пигментов в полярных и неполярных растворителях.

Рассмотрите раствор из колбы в проходящем свете (для этого поместите пробирку с вытяжкой между источником света и глазом, а затем рассмотрите его в отраженном свете – для этого встаньте спиной к источнику света, а пробирку держите перед собой). Сделайте вывод о наблюдаемом явлении.

19

Опыт 3. Определение содержания хлорофилла в листьях колориметрическим методом.

Колориметрирование раствора производят на фотоэлектроколориметре с красным светофильтром (λ = 670 нм). Если жидкость окрашена в интенсивно зеленый цвет, ее необходимо разбавить, так как при больших концентрациях хлорофилла величина оптической плотности, измеряемая на ФЭКе, может выходить за пределы разрешающей способности прибора.

Приготовление колориметрической шкалы.

Для пересчета содержания хлорофилла на стандартные величины используют раствор Гетри, который готовится следующим образом:

1)1%-ный раствор CuSO4·5H2O (берут только синие кристаллы) – 28,5 см3;

2)2%-ный раствор K2Cr2O7;

3)7%-ный раствор аммиака (на 7 см3 18%-ного аммиака надо взять 11 см3 воды).

Для изготовления стандарта в мерную колбу емкостью 100 см3

точно отмеривают растворы (1%-ный раствор CuSO4·5H2O – 28,5 см3, 2%-ный раствор K2Cr2O7 – 50 см3, 7%-ный раствор NH4OH – 10 см3), доводят дистиллированной водой до метки и перемешивают.

Раствор Гетри по окраске колориметрически эквивалентен раствору кристаллического хлорофилла с содержанием последнего 85 г в 1 дм3.

Измерение оптической плотности стандартных растворов.

На приборе КФК-2 выставляют длину волны светофильтра, равную 670 нм (переключатель с левой стороны на передней панели прибора). Переключатель чувствительности устанавливают в правое положение на цифру 2. Включают прибор. В кювету толщиной 1 см наливают дистиллированную воду до метки. Устанавливают кювету в каретку кюветодержателя в прибор напротив окна светофильтра, закрывают крышку прибора. Медленным вращением ручек регулировки «установка 100» сначала «грубо», затем «точно» устанавливают стрелку прибора на «0» по шкале оптической плотности («100» по шкале светопропускания). Открывают крышку прибора. Во вторую кювету наливают первый стандартный раствор до метки, устанавливают рядом с первой кюветой, закрывают крышку, передвигают рычаг перемещения кювет в положение «2». Измеряют значение оптической плотности, записывают его в тетрадь. Операции повторяют со всеми стандартными растворами. Строят градуировочный график, от-

20

кладывая по шкале абсцисс значения концентрации хлорофилла от 0,085 мг/дм3 (1 см3 исходного раствора и 99 см3 воды) до 7,65 мг/дм3 (90 см3 исходного раствора и 10 см3 воды), а по оси ординат – измеренные значения оптической плотности.

Затем измеряют оптическую плотность приготовленных растворов хлорофилла. Измерения на ФЭКе производят несколько раз, затем вычисляют среднее. По полученным данным определяют концентрацию хлорофилла в опытных образцах по калибровочной кривой. Затем вычисляют количество хлорофилла в мг/г листа (по сырой или сухой массе). В насаждениях сосны оно колеблется от 0,08 до 0,14 мг/г. Можно также выразить количество хлорофилла в процентах (0,3 – 1,3% абсолютно сухой массы листа).

Результаты проведенных экспериментов записывают в табл. 1. Делают вывод о зависимости количества хлорофилла от принадлежности растения к определенной экологической группе.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие уровни организации биологической материи вы знаете?

2.Какой процесс называется фотосинтезом?

3.Объясните роль хлорофилла в процессе фотосинтеза.

4.Как зависит количество хлорофилла в растениях от условий их произрастания?

5.Какие вещества образуются в процессе фотосинтеза?

6.В чем состоит роль фотосинтеза?

7.На какие две империи делят весь органический мир?

8.Дайте характеристику надцарству прокариотов.

9.Какие царства живых организмов относятся к эукариотам?

21