Реферати » Реферати з біології » Еволюція біологічних механізмів запасання енергії

Еволюція біологічних механізмів запасання енергії

роль фотосинтезу, фотосинтезуючих організмів в уловлювання цієї енергії? Чому стверджують, що фотосинтез - це енергетична основа біологічних процесів, енергетичний рушій розвитку біосфери? Чому говорять як про фотоавтотрофи (тобто про харчування за рахунок світла) біосфери в цілому, так і про фотоавтотрофи людства, а життя на Землі називають космічним явищем перш за все тому, що вона існує і розвивається за рахунок енергії, що надходить до нас з космосу - від найближчого космічного світила?

Як відомо, фотосинтез рослин полягає в перетворенні і запасанні сонячної енергії, в результаті якого з простих речовин - вуглекислоти і води - синтезуються вуглеводи і виділяється молекулярний кисень. У загальному вигляді цей процес можна описати таким рівнянням
(рис. 2).

Незважаючи на гадану простоту фотосинтезу, на Землі, мабуть, немає більш дивного процесу, який зміг би в такій мірі перетворити нашу планету.

Запасання ЕНЕРГІЇ

Як випливає з рівняння (рис. 2), на кожен асимільований в процесі фотосинтезу моль вуглекислоти запасається 114 ккал енергії. У чому ж полягає гідність запасання сонячної енергії рослинами в порівнянні з неорганізованою ("нефотосинтезуючі") системою? Будь-яка речовина, поглинаючи квант сонячної енергії, переходить в збуджений стан, що вже можна розглядати як перетворення енергії електромагнітного випромінювання та її запасання. Проте енергія електронного збудження дуже швидко (за 10-13 - 10-11 сек) розтрачується на тепло або ж знову випромінюється в простір (для складних органічних молекул типу хлорофілу цей процес відбувається за 10-8-10-9 сек) і, отже, у вигляді збуджених станів енергія світла може бути запасена лише на незначні частки секунди. У результаті ж фотосинтезу енергія поглиненого кванта світла (або, краще сказати, частина цієї енергії) запасається надовго: від хвилин і годин до сотень і навіть мільйонів років (як це мало місце, наприклад, при утворенні горючих копалин - нафти, природного газу, кам'яного вугілля, торфу в результаті розкладання наземних і морських рослин або тварин). Але цим, звичайно, не вичерпується специфіка фотосинтезу у використанні сонячної енергії.
Так, формування гірських льодовиків і озер теж відбувається за рахунок енергії
Сонця, що йде на випаровування води, і при цьому теж відбувається запасання сонячної енергії на тривалий час. У зв'язку з цим говорять про ще одну перевагу фотосинтезу: запасання сонячної енергії відбувається в дуже зручною для біологічного використання формі - молекулярної, у вигляді багатих енергією зв'язків, в основному в цукрі та їх похідних, а також в амінокислотах, білках, жирах, які в будь-який необхідний момент можуть бути використані рослинами або "які з'їли" їх нефотосинтезуючі
(гетеротрофних) організмами для покриття своїх енергетичних потреб, для біосинтезу власних високомолекулярних сполук.

Рис. 1. Інтенсивність падаючого на Землю сонячного випромінювання (Н () залежно від довжини хвилі. Заштриховані області відповідають неспостережуваних на рівні моря ділянкам спектра через їх поглинання зазначеними компонентами атмосфери. 1 - Сонячне випромінювання за кордоном атмосфери, 2 - сонячне випромінювання на рівні моря, 3 - випромінювання абсолютно чорного тіла при 5900 К. (Довідник з геофізики і космічного простору. Під ред. С.Л. Валлея і Мак Гроу-Хілла, Нью-
Йорк, 1965).

Фотосинтез

Рис. 2. Рівняння фотосинтезу кіслородвиделяющіх фотосинтезуючих організмів.

Масштаби фотосинтетичного перетворення і запасання сонячної енергії величезні: щороку за рахунок фотосинтезу на Землі утворюється близько
200 млрд. тонн біомаси, що еквівалентно енергії, рівний 3 - 1021 Дж або
7,2 - 1020 кал. При цьому необхідно мати на увазі, що фотосинтез - єдиний біологічний процес, що протікає з запасанием (із збільшенням) вільної енергії. Всі інші процеси, як в рослинах, так і в тварин, проходять за рахунок хімічної енергії, що накопичується в фотосинтезуючих організмах у результаті перетворення поглиненого сонячного світла. Отже, практично вся жива матерія на Землі являє собою прямий або віддалений результат фотосинтетичної діяльності рослин, які є посередниками між невичерпним джерелом енергії - Сонцем і всім живим світом нашої планети. Саме тому ми говоримо про фотоавтотрофи біосфери Землі, в тому числі і про фотоавтотрофи людства. Населення Землі щорічно споживає близько 1 млрд. тонн продуктів харчування, що відповідає 15 - 1018 Дж, якщо вважати чисельність населення рівний 5 млрд. чоловік. Отже, людство споживає у вигляді органічних речовин лише близько 0,5% всієї енергії, що запасається в результаті фотосинтезу. Загальне споживання енергії у світовому масштабі становить 3 - 4 - 1020 Дж на рік, тобто близько 10% всієї енергії, що запасається за рік завдяки фотосинтезу. Розвідані запаси викопного палива (нафти, газу, вугілля, торфу) по запасеної в них енергії відповідають продукції фотосинтетичної діяльності на Землі приблизно за 100 років, що еквівалентно також енергії, яка міститься у всій біомасі, що знаходиться в даний час на нашій планеті.

Асиміляція двоокису вуглецю

Щорічна асиміляція вуглекислого газу на Землі в результаті фотосинтезу становить близько 260 млрд. тонн, що еквівалентно 7,8 - 10 '° тонн вуглецю, і це зв'язування вуглецю компенсується виділенням практично такої ж кількості СО2 в результаті дихання нефотосинтезирующих організмів. Кількість СО2, утягненого в цикл
"фотосинтез-дихання", становить близько 10% маси вуглекислого газу в атмосфері, яка в 1980 році була еквівалентна 7,1 - 10 "тонн вуглецю.
У той же час до 1860 атмосфера містила лише 6,1 - 10й тонн вуглецю у вигляді СО2, і це 15%-ве збільшення СО2 в атмосфері пов'язують насамперед з появою додаткового джерела СО2 внаслідок інтенсивного спалювання викопного палива, яке еквівалентно нині 5 - 109 тонн вуглецю на рік і збільшується в середньому на
4,3% на рік.

Необхідно відзначити, що значно більша частина вуглецю міститься у вигляді карбонатів в осадових породах - 5,5 - 1016 тонн, в живих (в основному ліси) і відмерлих організмах - 3,5 - 1012тонн. У світовому океані міститься в 60 разів більше вуглецю, ніж в атмосфері (3,5 - 1013 тонн), що пов'язано з дуже високою розчинністю СО2 у воді і утворенням
Н2СО3 і, отже, можна було б припустити, що незначне додаткове надходження СО2 в результаті спалювання викопного палива, яке становить менше одного відсотка на рік від вмісту вуглекислого газу в атмосфері, не повинно призводити до помітного збільшення змісту
СО2 в атмосфері. Проте насправді лише у верхніх шарах океану, містять лише 1,5% всього вуглецю, розчиненого у воді, обмін вуглецю з атмосферою здійснюється досить швидко (за 6 - 7 років), тоді як для встановлення такої рівноваги з глибинними шарами океану потрібно кілька тисячоліть . Внаслідок цього спалювання викопного палива в промисловому масштабі призвело до збільшення вмісту СО2 в атмосфері з
0,027% (у доіндустріальну епоху) до 0,034% в даний час. Розрахунки показують, що до 2035 року вміст вуглекислого газу в атмосфері подвоїться, тобто становитиме близько 0,06%. Основним наслідком цього, як вважається, буде глобальне потепління клімату, обумовлене так званим "тепличним ефектом", пов'язаним з тим, що вуглекислий газ
"прозорий" для основної частини сонячного світла, але затримує
(поглинає) теплове (інфрачервоне) випромінювання від нагрітої Сонцем поверхні Землі. Збільшення концентрації СО2 в атмосфері в два рази може привести до підвищення температури поверхні Землі на 2 - 3 ° С, причому воно буде мінімальним в тропічній зоні і максимальним у високих широтах (8 - 11 ° С). Таке підвищення температури викличе танення льодів, особливо в Антарктиді, що може призвести до підвищення рівня моря на 5 м і затоплення значної частини суші. Тому можливість глобального потепління клімату стає зараз проблемою всього людства.
Відповідно до Міжнародної конвенції, прийнятої в 1992 році, розвинені індустріальні країни будуть проводити політику обмеження промислового викиду СО2 в атмосферу, а також захисту і збільшення стоків і резервуарів
СО2, тобто рослинності. Обговорюється навіть питання про те, що країни з підвищеним викидом СО2 мають платити компенсацію країнам, де споживання С02 перевищує його продукцію. У цьому зв'язку необхідно відзначити, що, згідно з оцінками, проведеним російськими вченими, Росію, поряд з північними територіями Канади, але віднести до країн з збільшеним споживанням СО2, що пов'язано головним чином з "відставанням" мінералізації органічної речовини від фотосинтетичної асиміляції СО2 в умовах перезволожених грунтів на тлі невисоких температур в північних областях нашої країни. Цікаво відзначити думку академіка А.Л. Яншина про те, що для Росії, більше 50% території якої розташоване в зоні вічної мерзлоти, підвищення концентрації СО2 і пов'язане з ним потепління клімату вигідно. При цьому слід також враховувати, що дворазове підвищення вмісту СО2 в атмосфері призведе до 60%-ному підвищенню швидкості фотосинтезу на Землі.

ВИДІЛЕННЯ молекулярний кисень

Придбана в процесі еволюції (більше 2 млрд. років тому) здатність фотосинтезуючих рослин до виділення молекулярного кисню в результаті окислення води (див. рис. 2 ) призвела до воістину революційним перетворенням на Землі, з яких необхідно відзначити наступні.

1. Фотосинтезуючі організми, а через їх посередництво і вся жива природа, отримали доступ до практично невичерпного і поновлюваному джерелу електронів, що беруть участь у всіх біоенергетичних процесах, - воді, що, природно, призвело до різкого зростання масштабів фотосинтезу і надходження

Сторінки: 1 2 3 4 5 6

енциклопедія  з сиру  аджапсандалі  ананаси  узвар