Фотосинтез – первоисточник жизни
Если бы звенья пищевой цепочки были ограничены только живыми существами, то жизнь на Земле продлилась бы недолго. Тот факт, что жизнь не прекращается на протяжении миллиарда лет, свидетельствует о том, что в пищевую цепочку поступает энергия извне, из источника, не имеющего отношения к живым организмам. Таким источником является Солнце – энергетическая основа всего живого на Земле.
Энергию первоисточника-Солнца могут использовать только растения-фотосинтетики. Все остальные организмы могут получать солнечную энергиюлишь опосредованно. Это открытие было сделано примерно 250 лет назад англичанином Д. Пристли. Его опыты заключались в следующем. Он посадил растение под герметичным куполом, оно росло, пока не исчерпало весь углекислый газ, содержавшийся в замкнутом объеме. После этого растение прекращало рост, несмотря на обилие воды и солнечного света. Помещенная под этот же купол мышь быстро расходовала весь содержащийся кислород и умирала. А вот мышь вместе с растением под одним куполом могли прожить гораздо дольше, чем каждое из них по отдельности.
Из этих наблюдений был сделан вывод о том, что растения не только потребляют углекислый газ, но и выделяют кислород, а животные, наоборот, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Таким образом, каждое существо из такой пары помогает удовлетворять потребности другого существа.
Клетка – основная единица жизни, которая непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нуждается в постоянном притоке свободной энергии. Растения и живые организмы представляют собой незамкнутые системы: каждая живая клетка непрерывно пополняет свои энергетические запасы. Вселенная наполнена энергией, но для растений и живых организмов подходят лишь немногие её виды. Основной источник энергии для большинства биологических процессов на нашей планете – это солнечный свет (рис. 5.1). В ходе эволюции сформировались совершенные молекулярные механизмы: КПД клеточной энергетики намного выше, чем у любых инженерных устройств.
Рис. 5.1. Схема процесса фотосинтеза в зеленом листе
Фотосинтез – важнейшая составная часть жизни растений. В отличие от животных, которые используют готовые органические вещества, растения создают их сами, используя простые неорганические соединения и солнечную энергию. Из молекул СО2 строятся углеродные цепи углеводов и всех необходимых для жизни органических веществ. Создание молекул органических соединений из СО2 и Н2О совершается в сложнейшем биологическом аппарате зеленого листа растений, называемом аппаратом фотосинтеза.
Хлорофилл связывает воедино частицы неживой и живой природы с электромагнитным излучением и при этом сам не изменяется в ходе фотохимического процесса. Своим зеленым цветом молекула хлорофилла обязана тому факту, что поглощает длинные волны красного и оранжевого участков спектра, а остальные отражает. Если из солнечного света вычесть красный и оранжевый цвета, то получится зеленый – что мы и наблюдаем. По основе строения хлорофилл похож на гем, являющийся частью гемоглобина. Одно из отличий состоит в том, что в составе гема присутствует железо, а в составе хлорофилла – магний.
Фотосинтетически активными длинами волн солнечного света являются 400–700 нм. Пик поглощения солнечного света приходится на длину волны 550 нм, что эквивалентно энергии фотона 3,6∙10―19 Дж. Для получения одной молекулы глюкозы требуется 48 фотонов, что эквивалентно энергии солнечного света 17,3∙10―18 Дж. Идеальный коэффициент преобразования энергии фотосинтеза составляет 27%.
Первичным восстановителем в фотосинтезе является вода, которая разлагается в хлорофилл-белковом комплексе до молекулярного кислорода О2 с образованием протонов 4Н+ и электронов 4е:
2Н2О → 4Н+ + О2↑ +4е.
Суммарная схема реакции фотосинтеза может быть представлена следующей формулой:
6СО2 + 6Н2О + hν → C6Н12О6 + 6О2.
В процессе фотосинтеза кислород образуется из расщепленной молекулы воды. А молекула углекислого газа остается нерасщепленной и в таком виде интегрируется в состав органических соединений. Получившиеся в процессе фотосинтеза углеводы используются далее как исходный материал для синтеза других органических соединений.
Образовавшаяся в результате фотосинтеза глюкоза C6Н12О6 используется в реакции полимеризации до целлюлозы как структурного элемента растений, а также в реакции синтеза других органических соединений в клетках растений.
Фотосинтетический аппарат – это самонастраивающаяся биологическая структура, возникающая в белково-липидных мембранах особых внутриклеточных частиц –тилакоидов. Процесс запасания солнечной энергии растениями происходит на атомно-молекулярном уровне. В нем участвуют десятки видов молекул, расположенных в строгом порядке и четко выполняющих свои функции.
Участников фотосинтеза в зеленом листе множество: молекулы акцепторов (окислителей) и доноров (восстановителей), электроны, ферменты и источники энергии (АТФ). Наиболее важными составными частями фотосинтезирующего аппарата являются: светособирающая антенна; фотохимический реакционный центр; цепь транспорта электронов; механизм сопряжения транспорта с переносом протонов и синтезом АТФ.
Процесс фотосинтеза начинается с того, что в молекулах пигмента квант света (фотон) возбуждает один из электронов. Фотон света исчезает, а его энергия переводит электрон молекулы пигмента на более высокую орбиталь.
Возбужденный электрон приобретает восстановительную мощность (потенциал) около одного вольта. Возбужденный электрон передается по цепочке молекул-трансформаторов, отдавая на каждом шагу часть своей энергии на работу по переносу протонов через мембрану. Как только электрон доходит до молекулы-акцептора, он утрачивает часть неизрасходованной энергии, которая переходит в колебания легких атомных групп белка-акцептора. Возбужденный электрон живет всего 5 наносекунд (5·10–9 с).
В этой же световой фазе синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ).Энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде высокоэнергетических связей. Часть энергии аккумулируется в форме мембранного потенциала, с помощью которого в результате ступенчатого окисления глюкозы образуется АТФ (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Структура АТФ
Процесс ступенчатого окисления глюкозы в клетках носит название окислительного фосфорилирования. АТФ является единственным фосфорилирующим средством в синтезах нуклеиновых кислот РНК и ДНК. Синтез белка происходит на матрицах нуклеиновых кислот. Этот процесс происходит непрерывно с большой скоростью: за минуту одна клетка синтезирует несколько тысяч новых молекул белка.
В дальнейшем АТФ, как посредник для передачи химической энергии, легко отдает свои фосфатные группы либо молекулам воды, либо другим молекулам.
Рис. 5.3. Гидролиз АТФ
Реакция гидролиза АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) в клетках протекает как экзотермическая реакция
АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + 36,6 кДж/моль.
Эта реакция (рис. 5.3) является главным источником энергии для протекания всех биохимических реакций, которые идут против градиента термодинамического потенциала.
Из реакции фотосинтеза следует, что связывание 1 г углерода в органическое вещество сопровождается выделением 2,7 г кислорода в результате расщепления молекул воды. За всю историю фотосинтеза в осадочной оболочке Земли накоплено около 15·1015 т органического углерода (Сорг). Органическое топливо – это аккумулятор той энергии, которую растения прошлых эпох получали от Солнца.
За это же время при фотосинтезе выделилось 40·1015 т кислорода. Из этого количества 1,2·1015 т кислорода содержится в атмосфере, а остальное количество израсходовано на процессы окисления и «ушло в геологию».
В темновой фазе в растениях в присутствии АТФ при участии ферментов из диоксида углерода и водорода образуется глюкоза:
6СО2 + 24Н+ АТФ → С6Н12О6 + 6Н2О.
Живое вещество состоит преимущественно из углерода, кислорода, азота и водорода. Элементарные процессы, происходящие в живой природе, по существу, те же самые, что и в неживой. Это – перенос электронов, протонов и атомно-молекулярных частиц. И тут и там происходит поглощение и отражение света, воздействие гравитационного, магнитного и электрического полей. Жизнь начинается с возбуждения электронов и атомов, с участием которых реализуются все последующие процессы взаимодействия.
Климат и погода.
Для каждой экосистемы характерен особый фито- и зооценоз, приспособленный, в первую очередь, к климату. Мы живем на дне воздушного океана – тропосфере, где изменяются температура, давление, влажность, скорость ветра, облачность и солнечная радиация. Краткосрочные изменения этих показателей определяют атмосферные условия, которые называют погодой.
Климат – это общий (осредненный) тип атмосферных условий в данном регионе, складывающийся за длительный период (не менее 30 лет). Климат – это среднестатистическая погода, которую можно ожидать в данном месте в данное время, основываясь на предшествующем опыте. Климат определяет видовой состав и численность растений и животных в различных экосистемах. Климат любой территории (рис. 5.4) определяется средней температурой и количеством осадков.
Рис. 5.4. Распределение основных типов климата земного шара
Климат меняется из-за неодинакового поступления солнечной радиации в различных районах планеты, особенностей рельефа и химического состава атмосферы. Годовое орбитальное движение Земли формирует сезонность климата.
Рис 5.5. Смена сезонов на обращающемся вокруг Солнца Земном шаре. Ось суточного вращения Земли наклонена под углом 23,5 градуса к плоскости эклиптики
Большое количество тепла, поступающего в экваториальные районы, формирует глобальную циркуляцию в тропосфере. Силы, возникающие при вращении Земли, видоизменяют общую модель циркуляции воздуха. В каждом полушарии образуются три обособленных пояса господствующих ветров: пассаты, западные и восточные ветры.
Большое поступление солнечной энергии в экваториальных областях обусловливает испарение большого количества воды с поверхности океана и почвы. Влажный тропический воздух поднимается, охлаждается и теряет большую часть влаги в виде дождей. Обильные дожди и высокие температуры формируют в тропиках влажные тропические леса. До Северного и Южного тропиков воздушные массы влагу не доносят, поэтому здесь располагаются большие пустыни. Приближаясь к 60-ым широтам, воздух вновь поднимается, охлаждается и отдает оставшуюся влагу. Здесь выпадает количество осадков, достаточное для существования лесных и травянистых сообществ.
В процессах регуляции температуры в тропосфере ключевую роль играют диоксид углерода, водяной пар, а также озон, метан, оксид азота и хлорфторуглероды. Эти газы пропускают видимую часть спектра солнечного излучения, но препятствуют утечке части образовавшейся на поверхности Земли инфракрасной радиации (тепла) в космическое пространство
(рис. 5.6).
Рис 5.6. Схема парникового эффекта
В результате парникового эффекта происходит накопление тепла и повышение температуры воздуха и почвы. Если бы в атмосфере не было парниковых газов, Земля превратилась бы в холодную планету со средней температурой воздуха –18оС.
Вращение Земли и преобладающие ветры приводят к возникновению океанических течений, направленных параллельно экватору. Пассаты увлекают воды океанов в западном направлении. Воды перемещаются на запад, пока не натолкнутся на ближайший материк. В результате образуются две огромные кольцевые циркуляционные системы, в которых происходит перемещение теплых вод к северу и к югу от экватора. Течения Мирового океана оказывает влияние на климат прибрежных территорий. Например, без течения Гольфстрим климат северо-запада Европы походил бы на субарктический климат.
Пассаты, дующие от берегов Южной Америки на запад, уносят теплые воды от берега в океан. На место теплых вод снизу поступают более холодные воды, обогащенные питательными веществами, что создает условия для развития фитопланктона, зоопланктона, анчоусов и морских птиц.
С периодичностью от двух до семи лет теплое течение под влиянием ветров смещается в декабре к югу вдоль берегов Эквадора и Перу. Это повышение температуры воды называется Эль-Ниньо. В этих условиях ощущается недостаток питательных веществ в воде, что приводит к гибели огромных популяций планктона. В такие периоды наблюдается массовая гибель рыб, кальмаров, морских черепах и птиц. Вода насыщается микроскопическими растениями, приобретает желтую, коричневую или красную окраску. При интенсивном развитии Эль-Ниньо приводит к изменениям характера погоды на 2/3 поверхности Земного шара, особенно в районах Тихого и Индийского океанов. В Южной и Северной Америке происходят наводнения, а в Австралии, Индонезии и Африке – жёсткие засухи и пыльные бури.
Рис. 5.7. Эффект дождевой тени на подветренных
склонах горного хребта
Горы тоже оказывают влияние на осадки и климат (рис. 5.7). В горах более сильные ветры, низкие температуры и более высокая влажность по сравнению с долинами. Например, вершина горы Килиманджаро покрыта вечными снегами, несмотря на то что эта высочайшая точка Африки находится возле экватора. Горы создают преграду на пути ветров. По мере подъема и охлаждения воздух на наветренных склонах теряет влагу в виде дождя и снега. На подветренной стороне высоких гор образуются аридные зоны – это эффект дождевой тени.