Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Значение процесса фотосинтеза.

Читайте также:
  1. A. ненормальный ход родового процесса, родо­вые травмы
  2. D. как завершающий этап сукцессионного процесса
  3. I. Государственный стандарт общего образования и его назначение
  4. I. Определение эпидемического процесса и методологическое обоснование разделов учения об эпидемическом процессе.
  5. I. Определение эпидемического процесса и методологическое обоснование разделов учения об эпидемическом процессе.
  6. I. Сущность и социальное назначение государства.
  7. I. Сущность и социальное назначение государства.
  8. I.Понятие и значение конституционного контроля
  9. II. Факторы эпидемического процесса.
  10. III. Механизм развития эпидемического процесса.

Общее уравнение фотосинтеза.

Доводы существования световой и темновой фаз фотосинтеза.

Лист - орган фотосинтеза.

В свое время выдающиеся ученые К. А. Тимирязев и В. І. Вернадский впервые объяснили, что экологическое благополучие биосферы, а значит и существование самого человека, нашей цивилизации, определяется по состоянию растительного покрова нашей планеты. Роль фотосинтеза в биосферных процессах трудно переоценить. Природа процесса фотосинтеза настолько уникальная, что она правомерно считается одной из самых важных проблем науки и практики.

Фотосинтез возник больше 3 млрд лет тому. Он стал движущей силой в эволюции органической материи. Эволюция подвергла испытанию разные варианты энергообеспечения жизни. Первые прокариоты были ферментуючими гетеротрофами. Это значит, что они извлекали пищу путем расщепления веществ абиотического происхождения. Хемоавтотрофия также не могла обеспечить поступательный темп эволюции. Шел поиск организмами надежного источника энергии. Таким источником мог быть водород воды, которой было в излишке в океанах планеты. Но возникает вопрос, как можно расщепить молекулу воды, чтобы извлечь из нее водород. В ходе эволюции жизни приобрел качественно новый, практически непочатый источник энергии - Солнце.

Первыми организмами, которые нашли путь к автотрофии были цианобактерии – прокариотические организмы. В этих организмах впервые возник механизм улавливать энергию Солнца с помощью пигмента - хлорофилла. О значении хлорофилла в процессе фотосинтеза указывал К. А. Тимирязев. Характеризуя космическую роль зеленого растения К.А. Тимирязев отмечал, что хлорофилл является фокусом, который фиксирует энергию Солнца и от которого ведут начало все проявления жизни на Земле.

Фотосинтез - единый процесс в биосфере, который ведет к увеличению свободной энергии биосферы за счет Солнца и обеспечивает жизнь на нашей Планете.

Растения перехватывают всего 2 -5 % солнечной энергии, которая используется фотосинтезом. Остальная часть солнечной энергии идет на нагревание окружающего среды.

В фотосинтезе используется понятия - фотосинтетически активная радиация (ФАР). Это солнечная радиация в пределах 400 - 700 нм. Она измеряется в моль х м -2 х сек-1, или Вт х м-2, тогда как энергия квантов разных длин волн измеряется в кДж, или еВ. Кванты света (фотоны) в этой части спектра почти одинаково эффективные в фотосинтетических реакциях. Фотосинтетически активная радиация составляет почти 50% общей солнечной радиацции. Она частично меняется в зависимости от времени и поры года. Радиация, которая падает на растения, может поглощаться, передаваться или отражаться. В спектральной части, которая отвечает ФАР, листок поглощает до 90% падающей солнечной энергии, тогда как в коротковолновой инфракрасной области большая часть ее рассеивается. Роль этого явления заключается в том, чтобы уменьшить тепловую нагрузку от волн, которые не используются в фотосинтезе.

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно 30 х 1021 Дж. Эта цифра отвечает известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют возле 68% биомассы суши, травянистые растения - 16%, агрофитоценозы – около 8%. С помощью фотосинтеза на Земле каждый год создается 173 млрд. т сухого вещества. Это цифра превышает в 20 раз энергию полезных ископаемых, использованных в 1980 – е годы.

Как свидетельствуют литературные данные, годовая производительность фотосинтеза содержит приблизительно в 10 раз больше энергии, чем ее нужно теперь для удовлетворения нужд всего населения земного шара. За счет фотосинтеза на нашей планете стабилизировался хорошо уравновешенный кругооборот углерода и других элементов.

Таким образом, за счет фотосинтеза создались необходимые условия для жизни на Земле.

Наряду этим нужно отметить, что научно необоснованная интенсификация деятельности человечества, появление новых экологически опасных источников энергии (атомная энергия) привели до современной экологического кризиса.

Так, литературные источники свидетельствуют о том, что содержимое СО2 в атмосфере начало увеличиваться. Это может резко повлиять на тепловой режим нашей планеты. Как известно, что СО2 и водяная пара атмосферы создают так называемый “парниковый эффект”. Суть этого эффекта заключается в том, что эти компоненты не дают возможности инфракрасным лучам рассеиваться в космос в значительном количестве. Таким образом вокруг планеты создается тепловая оболочка, которая содействует жизни на Земле. Но из повышения концентрации СО2 в атмосфере тепло вокруг планеты еще в большей мере будет храниться и это может нарушить климатические условия на планете. По данным агенства из охраны природы США, это угрожает повышениям температуры в ближайшее столетие на 3 – 90 С со следующими катастрофическими следствиями. Какую роль выполняет фотосинтез в этом процессе ?

Фотосинтез препятствует накоплению СО2 и таким образом защищает планету от перегрева.

В свою очередь в атмосфере существует постоянное содержимое кислорода (21%) он обеспечивает образование озонового экрана на высоте 25 км. Озон образовывается в результате фотодиссоциации молекул кислорода. Озоновый экран защищает все живое на нашей планете от действия ультрафиолета. Это лучи с длиной волны 240 - 290 нм. Загрязнение атмосферы, уничтожение лесов приводит к снижению содержания кислорода в результате возникают озоновые дыры.

Таким образом приведенные данные свидетельствуют о прямой связи процесса фотосинтеза с охраной окружающей среды на нашей планете.

В последнее время процессом фотосинтеза заинтересовались специалисты других направлений науки, особенно, технологи. Стало известно, что растительный организм способен превращать мировую энергию на электрическую, изымать из воды водород. Водород - это ценное экологически чистое топливо, но довольно ценное. Все это привлекает технологов.

Познание механизма фотосинтеза даст возможность прийти к искусственному фотосинтезу в промышленных условиях, который играет решающую роль в энергетике будущего.

Уже достигнутые определенные успехи в создании молекул, которые эффективно превращают энергию квантов света на электрохимическую за счет перемещения электронов с одного ее конца в другой. Проблема заключается в том, чтобы обеспечить достаточный период существования таких поляризованных молекул, чтобы заряженные части молекулы могли реагировать с другими молекулами.

Важная роль фотосинтеза заключается в создании продовольствия, кормов, технического сырье. Годовая производительность фотосинтеза на планете составляет 78 х 109 т углерода, из которых 7% используется на продукты питания, топливо, сырье.

Несмотря на высокую эффективность начальной стадии фотосинтеза (95%), в урожай переходит лишь 1 - 2% солнечной энергии. Растительность нашей планеты фиксирует в виде химической энергии лишь 1 % ФАР. Нужно сказать, что С4 - растения фиксируют 2 -3 %. Теоретические расчеты показывают, что максимальная энергетическая эффективность может быть 28% ФАР. При коэффициенте полезного действия 3 - 5% ФАР можно получить до 60 т/га органической массы. В связи с этим актуальными становятся вопросы разработки теоретических основ управления фотосинтезом. Зависимость человечества от фотосинтеза четко прослеживается в последнее время в связи с несоответствием между производством сельскохозяйственной продукции и численностью населения на планете.

Познание механизмов фотосинтеза имеет мировоззренческое значение. Полное изучение этой проблемы даст возможность понять другую не менее важную проблему - как возникла жизнь на Земле.

По мере накопления данных о процессе фотосинтеза менялись и определение его понятия. На сегодняшний день считают недостаточным классическое определение, согласно которому фотосинтез - это образования зелеными растениями органических соединений из углекислого газа и воды с помощью солнечной энергии. На сегодня нужно говорить не о фотосинтезе, а о фототрофной функции бактерий, простейших, водорослей и высших растений.

Фототрофная функция - это совокупность процессов поглощения, преобразование и использование в разных ендорганических реакциях квантов света, в ходе которых происходит первичное становление пластических и энергетических ресурсов жизни на нашей планете.

Возникнув очень давно в архейскую эру ( свыше 3 млрд. лет) фотосинтез стал движущей силой эволюции органической материи.

В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительная реакция. При участии хлорофилла и квантов солнечной енергии вода фотоокисляется, в результате выделяется кислород и водород. Водород восстанавливает СО2 до уровня углеводов. Эти реакции происходят в световую и темновую стадии фотосинтеза.

Перейдем к рассмотрению второго вопроса.

 

 

ОБЩЕЕ УРАВНЕ НИЕ ФТОСИНТЕЗУ.

Результаты изучения фотосинтеза на протяжении столетия нашли свое отображение в суммарном уравнении фотосинтеза:

СО2 + Н2О + Энергия света è (СН2О) + О2

Длительное время считали, что углеводы образуються из углерода и водорода, а кислород выделяется из углекислоты. Но эта гипотеза является неправильной.

Впервые российский ученый О. Г. Бах в 1893 г. предложил другую гипотезу, которая объясняла, что ассимиляция углексилоты в процессе фотосинтеза ничего общего с отщеплением кислорода от углекислоты не имеет. Ассимиляция связана с окислительно-восстановительным процессом воды и кислород выделяется из воды, а не из углекислоты, как утверждал Баєр.

Теорию происхождения кислорода предложил Ван-Ниль, который изучал метаболизм разных фотосинтезирующих бактерий. Как показал Ван-Ниль пурпурные серные бактерии для фотосинтеза нуждаются в наличии сероводорода. В результате этого процесса в бактериальных клетках образуется сера:

 

СО2 + 2Н2S === (CH2O) + H2O +2S.

 

На основании многих проведенных опытов этот ученый сделал вывод, что первичная фотохимическая реакция фотосинтеза состоит в фотодиссоциации воды, а не в разложении углекислоты и предложил суммарное уравнение фотосинтеза:

 

СО2 + 2Н2А ==== (СН2О) + Н2О + 2А.

В данном уравнении Н2А может быть вода или другие восстановители Много бактерий, способных к фотосинтезу используют как восстановители сероводород, водород, метан, а потому в процессе фотосинтеза не выделяют кислород. Такой тип фотосинтеза получил название фоторедукции. Для высших растений, водорослей Н2А это вода и что она в процессе фотосинтеза раскладывается. В результате уравнения фотосинтеза будет таким:

СО2 + 4Н2О = (СН2О) + 3Н2О + О2.

Это уравнения можно записать поэтапно.

2О --- 4[OH] + 4[H],

4[H] + CO2 --- [CH2O] + H2O,

4[OH] --- 2H2O + O2.

 

Представление Ван-Ниля о происхождении кислорода нашло подтверждение в экспериментах с меченным кислородом С. Рубена (США) и О. П. Виноградова и Р. В. Тейс (Москва) в 1941 г. С помощью масс-спектрометрического метода они установили, что отношение изотопов кислорода 16 и кислорода 18 в кислороде, который образовывается в процессе фотосинтеза, отвечает соотношению их именно в воде, а не в СО2.

И, в конце концов, следующее подтверждение о происхождении кислорода свидетельствуют опыты Р. Хілла проведенные в 1937 г. Он показал, что изолированные хлоропласты способные при освещении расщеплять воду с выделением кислорода при наличии соответствующих акцепторов электронов, но без участия СО2. Акцепторпми электронов могут быть соли железа (ферриоксалат калия, ферицианид калия), бензохинон или естественный акцептор электронов НАДФ.

Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что при фотосинтезе наблюдается фотоокисления воды в результате чего образовывается протон, который потом используется на восстановление углекислого газа.

Это свидетельствует о том, что при фотосинтезе происходит две стадии - световая и темновая.

Перейдем к рассмотрению следующего вопроса.

 


Дата добавления: 2014-12-15; просмотров: 68 | Нарушение авторских прав




lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2021 год. (0.01 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав