Жижилевой Марии,

Юридический факультет, 205 группа

Семинар 4. Тема 4. Образы мира живого. Проблема происхождения жизни

15 апреля 2016 г.

Задание к семинару

Часть А

Задание 3

Свет – это вечно натянутая пружина, приводящая в действие механизм земной жизни.

Юлиус Роберт Майер

1. Что такое фотосинтез с позиции современной науки? Какова роль зеленых растений в обеспечении энергией живых организмов?

Всем известна поговорка «Мы едим для того, чтобы жить…». Потребляемая нами пища – это источник энергии, благодаря которой мы можем двигаться, думать, творить, в общем – жить. А чтобы эту энергию из пищи извлечь, нам необходимо еще и дышать, ибо, образно говоря, пища сгорает в пламени кислорода и, сгорая, высвобождает нужную нам энергию. Таким образом, для производства энергии нам необходимы пища и кислород. Всего за один год человечество умудряется съесть более 7 x 108 млн. тонн. Но ведь потребность дышать и питаться испытывает и все остальное, более многочисленное население Земли. Значит, используемые запасы питательных веществ и кислорода должны непрерывно пополняться. И это действительно происходит – благодаря растениям с их удивительной способностью к фотосинтезу. За один год под действием света на Земле, по ориентировочным подсчетам, образуется 6 x 1011 млн. тонн органических веществ.

Фотосинтез (от греч. photos «свет») – это образование сложных биологических молекул из простых химических соединений под действием света. В настоящее время принято выделять в этом процессе две стадии: световую (проходящую на свету) и темновую (которая для своего протекания непосредственно в освещении не нуждается). Темновые реакции это собственно синтез – цепочка последовательных химических превращений углекислого газа в сахара. Чтобы эти процессы происходили, нужна энергия. И не любая энергия, а именно та, которая будет «говорить» с реагирующими молекулами на их языке – языке химических превращений. Значит, прежде чем «запустить» синтез, необходимо уловить энергию света и трансформировать ее в движущую силу химических реакций. А это уже задача световой стадии фотосинтеза. Таким образом, связующим звеном обеих стадий служит так называемая химическая энергия (энергия химической связи), которая есть поглощенная и трансформированная энергия Солнца. А собственно акт трансформации энергии является главным событием фотосинтеза в целом.

«Местом действия» фотосинтеза служит растительная клетка (время действия, разумеется, – светлое время суток). Растительная клетка – это сложная живая система, она содержит ряд структур и выполняет множество функций. Некоторые процессы в клетке имеют строгую локализацию. Это относится и к фотосинтезу, а точнее, к стадии световых реакций. Процессы улавливания (поглощения), проведения и трансформации солнечной энергии происходят в специальных органеллах растительной клетки – хлоропластах. Поэтому хлоропласты можно еще назвать фототрансформаторами, фотогенераторами энергии. В клетках животных, к фотосинтезу неспособных, хлоропластов нет.

Где и как происходят три основных процесса: поглощение, проведение и трансформация солнечной энергии? Главными действующими лицами указанных событий являются специальные светочувствительные пигменты – хлорофиллы. Хлорофиллы могут поступать с энергией следующим образом: поглощать и передавать строго по назначению (это умеют все без исключения молекулы пигмента) и трансформировать световую энергию в химическую (а это по силам единицам).

  Солнечный свет улавливается группой из 200–300 молекул хлорофилла, которая называется «антенный комплекс». Антенный комплекс представляет собой «воронку», собирающую энергию света и передающую ее к единому реакционному центру. Реакционный центр – это та самая уникальная молекула хлорофилла, обладающая редким, но очень ценным качеством – способностью к трансформации энергии. Не случайно ее еще называют «сердцем фотосистемы». В одиночку даже эта «сверхспособная» молекула, приняв порцию световой энергии, совершить трансформацию не сможет. В этом случае ее постигнет участь любой «заурядной» молекулы – «вспыхнуть на мгновение и погаснуть», то есть отдать поглощенную энергию в виде тепла и/или световой вспышки. Только тогда эта молекула будет «центром», когда станет центральным звеном в цепочке передачи энергетического импульса. Природа мудра, и в действительности все так и устроено: восприняв световую энергию от антенного комплекса, хлорофилл реакционного центра трансформирует ее и передает дальше по цепочке, которая так и называется – «цепь передачи электрона».

Откуда взялся электрон, и что произошло с энергией света? Под действием света электронейтральная молекула хлорофилла реакционного центра выходит из состояния равновесия и в ней «выделяются противоположности» – разделяются заряды: отрицательно заряженный электрон «вылетает» из молекулы, оставляя за собой положительно заряженное пустое место – «дырку». Выбитый с насиженного места электрон мгновенно перехватывается новой молекулой – первым звеном в «цепи передачи электронов» – и начинает свое путешествие по этой цепи от одного переносчика к другому. Таким образом, энергия света трансформируется в энергию движущегося электрона. А что же молекула хлорофилла? Она временно «недееспособна». Чтобы стать готовой к восприятию новой порции солнечной энергии, молекула хлорофилла должна восстановить равновесие – воссоединить пустующую «дырку» с новым электроном. Откуда берется этот желанный электрон? Оказывается, из воды. Под действием света вода расщепляется на ионы водорода (протоны), электроны и кислород. Электроны немедленно заполняют вышеупомянутые «дырки», протоны тоже используются «во благо» фотосинтеза, а вот кислород в дальнейших превращениях не участвует и в качестве «побочного продукта» выделяется в атмосферу¹ - так представила процесс фотосинтеза с точки зрения современной науки Наталья Аднорал, кандидат медицинских наук.

Мы редко задумываемся о том, какую же колоссальную роль играют зеленые растения в жизни всего живого на Земле. Одним из таких аспектов можно выделить обеспечение постоянства содержания углекислого газа в атмосфере.

В атмосфере Земли углекислый газ составляет 0,03% от объема воздуха. Эта величина удерживается на протяжении многих тысячелетий, несмотря на то, что великое множество живых организмов в процессе дыхания выделяют углекислый газ. Еще больше его выделяется при гниении и разрушении мертвых тел, при извержении вулканов, пожарах, при сжигании топлива. Все это огромное количество углекислого газа поглощают зеленые растения в процессе фотосинтеза, сохраняя более или менее постоянное содержание углекислого газа в атмосфере Земли, и, тем самым, обеспечивая возможность жизни на нашей планете.

Немаловажную роль зеленые растения играют в накоплении кислорода в атмосфере.

В настоящее время кислород воздуха в атмосфере занимает 21% его объема. Как побочный продукт фотосинтеза кислород ежегодно поступает в атмосферу в огромном количестве (70-120 млрд т). Благодаря этому все организмы на Земле – бактерии, грибы, животные, в том числе человек и сами растения, – могут дышать и осуществлять процессы своей жизнедеятельности. В древние времена, когда на нашей планете еще не было растений, не было и кислорода в атмосфере. Из кислорода, выделяемого растениями при фотосинтезе, на высоте примерно 25 км над поверхностью Земли под действием солнечной радиации образуется озон. Он задерживает ту часть ультрафиолетовых лучей, которая губительно действуют на живые организмы. Озоновый слой, окружающий Землю, создает возможность для жизни организмов.

Также зеленые растения служат для создания почвы на Земле.

Органические вещества, образованные зелеными растениями, потребляются живыми существами суши. Отходы процессов жизнедеятельности организмов, продукты гниения и разложения мертвых тел (растений, животных, грибов, бактерий) и их отдельных частей (опавшие листья, отмершие корни, корневые волоски, обильные корневые выделения), попадая в верхний слой земной поверхности, разлагаются там и принимают участие в создании уникального природного образования – почвы. Без органических соединений почва не образуется.

Характеризуя роль растений в накоплении свободного кислорода на Земле, всемирно известный российский ученый Владимир Иванович Вернадский писал: "На нашей планете свободный кислород, находящийся на ней в виде газа или в форме раствора в природных водах, нацело создается жизнью... Нам известны тысячи земных химических процессов, в которых свободный кислород поглощается, переводится в новые соединения, исчезает как таковой. А между тем количество его в биосфере не меняется, остается все тем же. Это достигается непрерывной работой зеленых растений"².

Можно смело утверждать, что растения подготовили почву, создали условия, в которых смогли возникнуть эволюционно более «продвинутые» формы жизни – животные и человек. И по сей день зеленые труженики – практически единственные производители «энергетических консервов» и кислорода³.