22

Лекція

2 Пари (1-2) Тема: Речовина та енергія в живих системах. Автотрофне живлення у живих організмів

План

1. Поняття речовини та енергії.

2. Зміни енергії та речовини в живих організмах. Застосування законів термодинаміки до живих систем.

3. Класифікація живих організмів за джерелами вуглецю та енергії.

4. Будова листка зелених рослин у зв’язку з виконанням функції фотосинтезу. Будова хлоропласта.

5. Роль АТФ у обміні енергією в клітині.

6. Головні етапи світлової фази та фаза фіксації вуглецю (темнова фаза фотосинтезу).

7. Космічна роль фотосинтезу

8. Екологія фотосинтезу. Продуктивність фотосинтезу.

Література

1. Біда О.А., Дерій С.І., Ілюха В.О., та ін. Біологія, довідник для абітурієнтів та школярів. «Літера». Київ. 2006 р.

2. Грін, Стаут, Тейлор. Біологія. 1,2,3 т. «Мир». 1990 р.

3. Кучеренко М.Е. Загальна біологія.10-11 кл. 2001 р.

4. Мотузний В.А. Біологія, посібник для вступників. 2002, 2007 рр.

5. Сигида В.П. Біологія, посібник для вступників. 2004 р.

1. Поняття речовини та енергії.

Розрізняють тверді речовини, рідини і гази. Найдрібніші одиниці речовини - елементарні частки (протони, нейтрони, електрони і ін.), з яких складаються атоми. Найбільш розповсюджені форми енергії видиме світло та інші види випромінювання, теплова енергія, рух і електроенергія. Вони не займають певного простору і не мають певної маси. В той же час і світло, тепло, і інші форми енергії цілком реальні. Вони діють, тобто впливають на речовину, викликаючи зміни в його розміщенні або стані. При вибуху енергія, що вивільняється, розкидає предмети на всі боки, тобто змінює їх розміщення. Нагрівання води веде до її закіпання і перетворення на пару, тобто відбувається зміна стану. В результаті нагрівання зростає швидкість руху молекул. Таким чином, визначення енергії включає якусь дію, або, як говорять фізики, роботу. Енергія - це здатність здійснювати роботу.

Зазвичай розрізняють дві категорії енергії: кінетичну і потенційну. Кінетична обумовлена безпосередньою дією або рухом. Світлова, теплова, електрична енергія, енергія механічного руху - це різні її форми. З іншого боку, потенційна енергія акумулюється системою. Якщо є така енергія, значить, є і можливість, тобто потенціал, реалізувати її в одній або декількох формах кінетичної енергії. Так, потенційною енергією володіє натягнута гума: вона дозволяє вистрілити камінчиком з рогатки. При спалюванні різних хімічних речовин (наприклад, бензину і іншого палива) кінетична енергія вивільняється у вигляді тепла, світла і руху. Потенційна енергія, з акумульована в паливі, називається хімічною.

2. Зміни енергії та речовини в живих організмах. Застосування законів термодинаміки до живих систем.

Оскільки енергія не володіє масою і не займає простору, її не можна вимірювати одиницями маси або об'єму. Для цього існують спеціальні заходи. Одна з найбільш поширених одиниць - калорія, тобто кількість тепла, необхідна для нагрівання 1 грама води на 1°С. Оскільки ця величина дуже мала, частіше використовують кілокалорії (1 ккал = 1000 кал), тобто кількість тепла, необхідна для нагрівання 1 л води на 1°с. Енергію їжі вимірюють так званими «великими» калоріями, які і є кілокалоріями.

Будь-яку форму енергії можна виміряти в калоріях, перетворивши її на тепло і визначивши його кількість (на скільки градусів нагріється даний об'єм води). Незліченні експерименти по виміру кількості енергії при переходах її з однієї форми в іншу призводять до одного і тому ж результату - кількість її залишається незмінною. Це спостереження вважається за ще один закон природи, а саме першим законом термодинаміки. Він формулюється таким чином: енергія не виникає і не зникає, вона лише переходить з однієї форми в іншу.

Та обставина, що енергія не зникає, а лише переходить з однієї форми в іншу, привело до спроб створити систему, яка здатна функціонувати нескінченно довго без підведення енергії ззовні. Всі вони закінчувалися одним і тим же результатом - така система не працювала. Причина невдачі подвійна: по-перше, при будь-яких перетвореннях енергії якась її частина перетворюється на тепло; по-друге, це тепло завжди розсіюється в навколишньому середовищі. Таким чином, якими б шляхами не переходила енергія з однієї форми в іншу, частина її (та, що перетворюється на тепло) системою втрачається. Це ще один закон природи другий закон термодинаміки: при будь-яких перетвореннях енергії частина її втрачається у вигляді тепла. Часто такі втрати перевищують 50%. Іншими словами, ефективність, або коефіцієнт корисної дії, більшості енергетичних перетворень менший 50%. У багатьох з них ККД складає лише 1-10%. Решта 90-99% енергії в процесі її перетворення втрачаються у вигляді тепла. Наприклад, при спалюванні вугілля на ТЕС кожні 100 кал палива дають лише 30-40 кал електроенергії. Тому для функціонування будь-якої системи потрібне надходження енергії ззовні. Закони термодинаміки не перешкоджають запасанню потенційної енергії в окремих компонентах системи.

У живих системах постійно відбуваються процеси розпаду та синтезу органічних речовин. Перебіг цих процесів тісно пов’язаній як з вивільненням енергії так і її накопиченням. Всі органічні молекулі, які утворюють тканини живих організмів (целюлоза, жири, цукри, крохмаль, білки та інші) містять не тільки атоми вуглецю, водню, азоту та інших елементів. Окрім цього в них накопичується потенційна енергія. Наприклад, всі органічні речовин згорають з виділенням тепла та світла, що свідчить про вивільнення потенційної енергії у вигляді кінетичної. І навпаки, при синтезі органічних речовин з неорганічних відбувається накопичення потенційної енергії, що вимагає надходження кінетичної енергії ззовні. Тобто, яким би чином ці молекули не розщеплювались, накопичена в них потенційна енергія вивільняється у вигляді кінетичної, яка в свою чергу може бути використана в різних цілях.

У кожній великій екосистемі є продуценти - фотосинтезуючі рослини. В процесі фотосинтезу вони засвоюють атоми вуглецю і кисню з молекул що поглинається з повітря або води (в випадку з водяними рослинами) вуглекислий газ і атоми водню з молекул води. Вуглець, кисень і водень використовуються для побудови молекул простого цукру-глюкози. Глюкоза - це органічна молекула з високою потенційною енергією, тоді як потенційну енергію вуглекислого газу і води можна вважати за нульову. Як отримати енергію ні з чого?

Світло це кінетична енергія. Процес фотосинтезу включає його поглинання, перетворення і запасання у вигляді потенційної енергії молекул глюкози. Світлова енергія засвоюється рослинами за допомогою зеленого пігменту - хлорофілу.

Життєдіяльність продуцентів не суперечить другому закону термодинаміки. Так, з кожних 100 кал енергії світла, що досягає рослин, лише 1-5 кал запасаються в органічних молекулах. Іншими словами ККД перетворення світлової енергії на хімічну становить лише 1-5%.

Глюкоза, що синтезується при фотосинтезі, виконує в рослині дві основні функції. По-перше, вона служить будівельним матеріалом; її вуглеводневі фрагменти входять до складу всіх органічних молекул, утворюючих тканини коріння, стебел, листка. Інші необхідні для біосинтезу елементи (азот, фосфор, сірку, кальцій) рослина отримує з ґрунту або водного розчину.

По-друге, глюкоза - це джерело енергії для всіх процесів життєдіяльності рослин. Щоб побудувати будинок, треба витратити енергію у вигляді роботи. Ось і рослині для росту (будівництва тканин) потрібна енергія. Крім того, вона витрачає енергію на поглинання азоту, фосфору і виконання інших функцій. Ці процеси йдуть цілодобово і саме за рахунок потенційної енергії молекул глюкози.

Процес розщеплювання органічних молекул з виділенням енергії називається клітинним диханням. В цілому він протилежний фотосинтезу: за присутності кисню відбувається руйнування глюкози, і з її атомів (вуглецю, кисню і водню) утворюються вуглекислий газ і вода. У природі існує ще одна група живих організмів які активно виробляють кінетичну енергію: детритофаги та редуценти.

Детрит - це мертві рослинні і тваринні рештки: опале листя, мертві тварин, екскременти тощо. Все це - органіка! Отже, детрит багатий біогенами і енергією і є прекрасним джерелом їжі для організмів, здатних його переварювати. Основна частка детриту - мертвий рослинний матеріал, що складається в основному з целюлози, і тому, недоступний для більшості консументів. Різні види грибів, бактерій і інших мікроорганізмів - редуцентів володіють унікальною здатністю розщеплювати целюлозу до її складових молекул глюкози. У багатьох травоїдних ссавців (наприклад, у жуйних) такі бактерії живуть в травному тракті, дозволяючи їм засвоювати грубу рослинну їжу. Це один з прикладів мутуалізму, вигідних як худобі, так і бактеріям.

Коли детрит переварений, детритофаги і редуценти використовують його як джерело біогенів і енергії. Основна його частина розщеплюється в процесі клітинного дихання і дає енергію для здійснення всіх життєвих функцій, а решта використовується для побудови тканин організму. Побічні продукти клітинного дихання - двоокис вуглецю, вода і неорганічні сполуки азоту, фосфору та ін.