Что человек получает из растений: 1) Какую пользу человек получает от растений? 2) Каких животных научился разводить человек? 3) Почему…

Содержание

Цвет растений на других планетах

Нэнси Цзян
«В мире науки» №7, 2008

Поиски внеземной жизни больше не являются прерогативой научной фантастики или охотников за НЛО. Возможно, современные технологии еще не достигли требуемого уровня, однако с их помощью мы уже способны обнаружить физические и химические проявления фундаментальных процессов, лежащих в основе живого. Астрономы открыли более 200 планет, обращающихся вокруг звезд вне Солнечной системы. Пока мы не можем дать однозначный ответ о вероятности существования на них жизни, но это лишь вопрос времени. В июле 2007 г., проанализировав звездный свет, прошедший сквозь атмосферу экзопланеты, астрономы подтвердили наличие на ней воды. Сейчас разрабатываются телескопы, которые позволят искать следы жизни на планетах типа Земли по их спектрам.

Зеленые человечки уже устарели. На планетах у иных звезд растения могут быть красными, синими и даже черными

Одним из важных факторов, влияющих на спектр отраженного планетой света, может быть процесс фотосинтеза. Но возможно ли это в других мирах? Вполне! На Земле фотосинтез служит основой практически для всего живого. Несмотря на то что некоторые организмы и научились жить при повышенной температуре в среде метана и в океанских гидротермальных источниках, богатством экосистем на поверхности нашей планеты мы обязаны именно солнечному свету.

С одной стороны, в процессе фотосинтеза возникает кислород, который вместе с образующимся из него озоном можно обнаружить в атмосфере планеты. С другой стороны, цвет планеты может говорить о наличии на ее поверхности особых пигментов, таких как хлорофилл. Почти век назад, заметив сезонное потемнение поверхности Марса, астрономы заподозрили наличие на нем растений. Были попытки обнаружить признаки зеленых растений в спектре света, отраженного от поверхности планеты. Но сомнительность этого подхода увидел даже писатель Герберт Уэллс, который в своей «Войне миров» заметил: «Очевидно, растительное царство Марса, в отличие от земного, где преобладает зеленый цвет, имеет кроваво-красную окраску». Сейчас мы знаем, что на Марсе нет растений, а возникновение более темных участков на поверхности связано с пылевыми бурями. Сам Уэллс был убежден, что цвет Марса не в последнюю очередь определяется покрывающими его поверхность растениями.

Даже на Земле фотосинтезирующие организмы не ограничиваются зеленым цветом: некоторые растения имеют красные листья, а различные водоросли и фотосинтезирующие бактерии переливаются всеми цветами радуги. А пурпурные бактерии кроме видимого света используют инфракрасное излучение Солнца. Так что же будет преобладать на других планетах? И как мы можем это увидеть? Ответ зависит от механизмов, с помощью которых инопланетный фотосинтез усваивает свет своей звезды, отличающейся по характеру излучения от Солнца. Кроме того, иной состав атмосферы также влияет на спектральный состав падающего на поверхность планеты излучения.

Выращивая свет

Чтобы представить, каким будет фотосинтез в других мирах, необходимо для начала понять, как растения осуществляют его на Земле. Энергетический спектр солнечного света имеет пик в сине-зеленой области, что заставило ученых долго ломать голову, почему же растения не поглощают наиболее доступный зеленый свет, а напротив — отражают его? Оказалось, что процесс фотосинтеза зависит не столько от общего количества солнечной энергии, сколько от энергии отдельных фотонов и числа фотонов, составляющих свет.

Каждый синий фотон несет больше энергии, чем красный, но Солнце преимущественно излучает красные. Растения используют синие фотоны из-за их качества, а красные — из-за их количества. Длина волны зеленого света лежит как раз между красным и синим, но зеленые фотоны не отличаются ни доступностью, ни энергией, поэтому растения их не используют.

В процессе фотосинтеза для фиксации одного атома углерода (полученного из углекислого газа, CO₂) в молекуле сахара требуется не менее восьми фотонов, а для расщепления водород-кислородной связи в молекуле воды (H₂O) — всего один. При этом появляется свободный электрон, необходимый для дальнейшей реакции. Всего же для образования одной молекулы кислорода (O₂) нужно разорвать четыре таких связи. Для второй реакции образования молекулы сахара требуется еще как минимум четыре фотона. Надо отметить, что фотон должен обладать некоторой минимальной энергией, чтобы принять участие в фотосинтезе.

То, каким образом растения усваивают солнечный свет — поистине одно из чудес природы. Фотосинтетические пигменты не встречаются в виде отдельных молекул. Они образуют кластеры, состоящие как бы из множества антенн, каждая из которых настроена на восприятие фотонов определенной длины волны. Хлорофилл в основном поглощает красный и синий свет, а каротиноидные пигменты, придающие осенней листве красный и желтый цвет, воспринимают другой оттенок синего. Вся собранная этими пигментами энергия доставляется к молекуле хлорофилла, находящейся в реакционном центре, где и происходит расщепление воды с образованием кислорода.

Комплекс молекул в реакционном центре может осуществлять химические реакции, только если он получает красные фотоны или эквивалентное количество энергии в какой-то другой форме. Чтобы использовать синие фотоны, пигменты «антенны» превращают их высокую энергию в более низкую, подобно тому как ряд понижающих трансформаторов уменьшает 100 тыс. вольт линии электропередач до 220 вольт стенной розетки. Процесс начинается, когда синий фотон попадает на пигмент, поглощающий синий свет, и передает энергию одному их электронов его молекулы. Когда электрон возвращается в исходное состояние, он испускает эту энергию, но из-за тепловых и колебательных потерь меньше, чем поглотил.

Однако молекула пигмента отдает полученную энергию не в форме фотона, а в форме электрического взаимодействия с другой молекулой пигмента, которая способна поглотить энергию более низкого уровня. В свою очередь второй пигмент выделяет еще меньшее количество энергии, и этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия исходного синего фотона не понизится до уровня красного.

Реакционный центр как приемный конец каскада приспособлен к тому, чтобы поглощать доступные фотоны с минимальной энергией. На поверхности нашей планеты красные фотоны — самые многочисленные и при этом обладают самой низкой энергией среди фотонов видимого спектра.

Но для подводных фотосинтезаторов красные фотоны не обязательно должны быть самыми многочисленными. Область света, используемая для фотосинтеза, меняется с глубиной, т. к. вода, растворенные в ней вещества и находящиеся в верхних слоях организмы фильтруют свет. В результате получается четкое расслоение живых форм в соответствии с их набором пигментов. Организмы из более глубоких слоев воды имеют пигменты, настроенные на свет тех цветов, которые не были поглощены слоями, лежащими выше. Например, водоросли и цианеи имеют пигменты фикоцианин и фикоэритрин, поглощающие зеленые и желтые фотоны. У аноксигенных (т. е. не производящих кислород) бактерий есть бактериохлорофилл, поглощающий свет дальней красной и ближней инфракрасной (ИК) областей, который только и способен проникать в мрачные водные глубины.

Организмы, приспособившиеся к слабой освещенности, обычно растут медленнее, поскольку им приходится прикладывать больше усилий для поглощения всего доступного им света. На поверхности планеты, где свет в изобилии, растениям было бы невыгодно производить лишние пигменты, поэтому они избирательно используют цвета. Такие же эволюционные принципы должны работать и в других планетных системах.

Так же как водные существа приспособились к свету, отфильтрованному водой, обитатели суши адаптировались к свету, отфильтрованному атмосферными газами. В верхней части земной атмосферы самые многочисленные фотоны — желтые, с длиной волны 560–590 нм. Количество фотонов постепенно уменьшается в сторону длинных волн и круто обрывается в сторону коротких. По мере прохождения солнечного света сквозь верхние слои атмосферы водяной пар поглощает ИК в нескольких полосах длиннее 700 нм. Кислород дает узкий ряд линий поглощения вблизи 687 и 761 нм. Всем известно, что озон (О₃) в стратосфере активно поглощает ультрафиолет (УФ), но он также немного поглощает и в видимой области спектра.

Итак, наша атмосфера оставляет окна, через которые излучение может достигнуть поверхности планеты. Диапазон видимого излучения ограничен с синей стороны резким обрывом солнечного спектра в коротковолновой области и поглощением УФ озоном. Красная граница определяется линиями поглощения кислорода. Пик количества фотонов сдвинут от желтого к красному (примерно к 685 нм) из-за обширного поглощения озоном в видимой области.

Растения приспособлены к этому спектру, который в основном определяется кислородом. Но нужно помнить, что кислород в атмосферу поставляют сами растения. Когда первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле, кислорода в атмосфере было мало, поэтому растения должны были использовать иные пигменты, а не хлорофилл. Только по прошествии времени, когда фотосинтез изменил состав атмосферы, хлорофилл стал оптимальным пигментом.

Прогнозом цвета внеземных растений заняты многие специалисты — от физиологов растений до астрономов и биохимиков

Надежные ископаемые доказательства фотосинтеза имеют возраст около 3,4 млрд лет, но и в более ранних ископаемых остатках есть признаки протекания данного процесса. Первые фотосинтезирующие организмы должны были быть подводными отчасти потому, что вода — хороший растворитель для биохимических реакций, а также потому, что она обеспечивает защиту от солнечного УФ-излучения, что было важно при отсутствии атмосферного озонового слоя. Такими организмами были подводные бактерии, которые поглощали инфракрасные фотоны. Их химические реакции включали водород, сероводород, железо, но не воду; следовательно, они не выделяли кислород. И только 2,7 млрд лет назад цианобактерии в океанах начали оксигенный фотосинтез с выделением кислорода. Количество кислорода и озоновый слой постепенно увеличивались, позволяя красным и бурым водорослям подниматься к поверхности. А когда для защиты от УФ достаточным оказался уровень воды на мелководьях, появились зеленые водоросли. В них было мало фикобилипротенов, и они были лучше приспособлены к яркому свету у поверхности воды. Спустя 2 млрд лет после того как кислород начал накапливаться в атмосфере, потомки зеленых водорослей — растения — появились и на суше.

Растительный мир претерпел значительные изменения — стремительно возросло разнообразие форм: от мхов и печеночников до сосудистых растений с высокими кронами, которые поглощают больше света и приспособлены к разным климатическим зонам. Конические кроны хвойных деревьев эффективно поглощают свет в высоких широтах, где солнце почти не поднимается над горизонтом. Тенелюбивые растения для защиты от яркого света вырабатывают антоцианин. Зеленый хлорофилл не только хорошо приспособлен к современному составу атмосферы, но и помогает поддерживать его, сохраняя нашу планету зеленой. Не исключено, что следующий шаг эволюции даст преимущество организму, живущему в тени под кронами деревьев и использующему фикобилины для поглощения зеленого и желтого света. Но обитатели верхнего яруса, видимо, так и останутся зелеными.

Раскрашивая мир красным

Занимаясь поиском фотосинтетических пигментов на планетах в иных звездных системах, астрономам следует помнить, что данные объекты находятся на разных стадиях эволюции. Например, им может встретиться планета, похожая на Землю, скажем, 2 млрд лет назад. Необходимо также учитывать, что инопланетные фотосинтезирующие организмы могут обладать свойствами, не характерными для их земных «родственников». Например, они в состоянии расщеплять молекулы воды, используя фотоны большей длины волны.

На Земле самым «длинноволновым» организмом является пурпурная аноксигенная бактерия, использующая инфракрасное излучение с длиной волны около 1015 нм. Рекордсмены среди оксигенных организмов — морские цианобактерии, поглощающие при 720 нм. Не существует верхнего предела длины волны, который определялся бы законами физики. Просто фотосинтезирующей системе приходится использовать большее число длинноволновых фотонов по сравнению с коротковолновыми.

Ограничивающим фактором служит не разнообразие пигментов, а спектр света, достигающего поверхности планеты, который в свою очередь зависит от типа звезды. Астрономы классифицируют звезды на основании их цвета, зависящего от их температуры, размера и возраста. Далеко не все звезды существуют достаточно долго для того, чтобы на соседних с ними планетах могла возникнуть и развиться жизнь. Долгоживущими являются звезды (в порядке уменьшения их температуры) спектральных классов F, G, K и М. Солнце относится к классу G. Звезды класса F больше и ярче Солнца, они горят, излучая более яркий голубой свет и сгорают примерно за 2 млрд лет. Звезды классов К и М меньше в диаметре, более тусклые, они краснее и относятся к категории долгоживущих.

Вокруг каждой звезды существует так называемая «зона жизни» — диапазон орбит, находясь на которых, планеты имеют температуру, необходимую для существования жидкой воды. В Солнечной системе такой зоной является кольцо, ограниченное орбитами Марса и Земли. У горячих F-звезд зона жизни находится дальше от звезды, а у более холодных К- и М-звезд она ближе. Планеты, находящиеся в зоне жизни F-, G- и К-звезд, получают примерно столько же видимого света, сколько Земля получает от Солнца. Вполне вероятно, что на них могла возникнуть жизнь на основе такого же оксигенного фотосинтеза, что и на Земле, хотя цвет пигментов может быть сдвинут в пределах видимого диапазона.

Растения на планетах вблизи тусклых звезд вынуждены поглощать весь спектр видимого и инфракрасного света, поэтому они могут показаться нам черными

Звезды М-типа, так называемые красные карлики, представляют особый интерес для ученых, поскольку это наиболее распространенный тип звезд в нашей Галактике. Они излучают заметно меньше видимого света, чем Солнце: пик интенсивности в их спектре приходится на ближний ИК. Джон Равен (John Raven), биолог из Университета Данди в Шотландии, и Рэй Уолстенкрофт (Ray Wolstencroft), астроном Королевской обсерватории в Эдинбурге, предположили, что оксигенный фотосинтез теоретически возможен и при использовании фотонов ближнего ИК. При этом организмам придется использовать три или даже четыре ИК-фотона, чтобы разорвать молекулу воды, тогда как земные растения используют всего два фотона, которые можно уподобить ступеням ракеты, сообщающим энергию электрону для осуществления химической реакции.

Молодые М-звезды демонстрируют мощные УФ-вспышки, губительного действия которых можно избежать только под водой. Но водные толщи поглощают и прочие части спектра, поэтому находящимся на глубине организмам будет катастрофически не хватать света. Если так, то фотосинтез на этих планетах может и не развиться. По мере старения М-звезды уменьшается количество испускаемого ультрафиолета, на поздних стадиях эволюции его становится меньше, чем испускает наше Солнце. В этот период необходимость в защитном озоновом слое отсутствует, и жизнь на поверхности планет может процветать, даже если она не производит кислород.

Таким образом, астрономам следует рассматривать четыре возможных сценария в зависимости от типа и возраста звезды.

Анаэробная океаническая жизнь. Звезда в планетной системе молодая, любого типа. Организмы могут не вырабатывать кислород. Атмосфера может состоять из других газов, таких как метан.

Аэробная океаническая жизнь. Звезда уже не молодая, любого типа. С момента возникновения оксигенного фотосинтеза прошло достаточно времени для накопления кислорода в атмосфере.

Аэробная сухопутная жизнь. Звезда зрелая, любого типа. Суша покрыта растениями. Жизнь на Земле находится как раз на этой стадии.

Анаэробная сухопутная жизнь. Тусклая М-звезда со слабым УФ-излучением. Растения покрывают сушу, но могут и не производить кислород.

Естественно, проявления фотосинтезирующих организмов в каждом из этих случаев будут различными. Опыт съемки нашей планеты со спутников говорит о том, что заметить жизнь в глубинах океана с помощью телескопа невозможно: два первых сценария не обещают нам цветовых признаков жизни. Единственный шанс ее обнаружить — это поиск атмосферных газов органического происхождения. Поэтому исследователям, применяющим цветовые методы поиска инопланетной жизни, придется сосредоточиться на изучении сухопутных растений с оксигенным фотосинтезом на планетах вблизи F-, G- и K-звезд, либо на планетах М-звезд, но уже с любым типом фотосинтеза.

Черный — это новый зеленый

Вне зависимости от особенностей планеты фотосинтетические пигменты должны удовлетворять тем же требованиям, что и на Земле: поглощать фотоны с наименьшей длиной волны (высокоэнергичные), с наибольшей длиной волны (которые использует реакционный центр) или наиболее доступные. Чтобы понять, как тип звезды определяет цвет растений, пришлось объединить усилия исследователей разных специальностей.

Мартин Коэн (Martin Cohen), астроном из Калифорнийского университета в Беркли, собрал данные об F-звезде (сигма Волопаса), К-звезде (эпсилон Эридана), активно вспыхивающей М-звезде (AD Льва) и гипотетической спокойной М-звезде с температурой 3100°К. Астроном Антигона Сегура (Antigona Segura) из Национального автономного университета в Мехико провела компьютерное моделирование поведения землеподобных планет в зоне жизни вокруг этих звезд. Используя модели Александра Павлова из Аризонского университета и Джеймса Кастинга (James Kasting) из Пенсильванского университета, Сегура изучила взаимодействие излучения звезд с вероятными компонентами атмосфер планет (полагая, что вулканы на них выбрасывают те же газы, что и на Земле), пытаясь выяснить химический состав атмосфер как лишенных кислорода, так и с его содержанием, близким к земному.

Используя результаты Сегура, физик из Лондонского университетского колледжа Джованна Тинетти (Giovanna Tinetti) рассчитала поглощение излучения в атмосферах планет с помощью модели Дэвида Криспа (David Crisp) из Лаборатории реактивного движения в Пасадене (Калифорния), применявшейся для оценки освещения солнечных панелей марсоходов. Интерпретация этих вычислений потребовала совместных усилий пяти специалистов: микробиолога Джанет Сиферт (Janet Siefert) из Университета Райса, биохимиков Роберта Бланкеншипа (Robert Blankenship) из Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Говинджи (Govindjee) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне, планетолога Виктории Медоуз (Victoria Meadows) из Университета штата Вашингтон и меня — биометеоролога из Годдардовского института космических исследований NASA.

Мы пришли к выводу, что вблизи звезд класса F поверхности планет преимущественно достигают голубые лучи с пиком на 451 нм. Около К-звезд пик находится на 667 нм, это красная область спектра, что напоминает ситуацию на Земле. При этом важную роль играет озон, делая свет F-звезд более голубым, а свет К-звезд более красным, чем он есть на самом деле. Получается, что пригодное для фотосинтеза излучение в данном случае лежит в видимой области спектра, как и на Земле.

Таким образом, растения на планетах вблизи F- и K-звезд могут иметь почти тот же цвет, что и земные. Но у F-звезд поток богатых энергией голубых фотонов слишком интенсивен, поэтому растения должны хотя бы частично их отражать, используя экранирующие пигменты наподобие антоцианина, что придаст растениям голубоватую окраску. Впрочем, они могут использовать для фотосинтеза только голубые фотоны. В этом случае отражаться должен весь свет в диапазоне от зеленого до красного. Это приведет к характерному голубому обрыву в спектре отраженного света, что несложно будет заметить с помощью телескопа.

Широкий диапазон температур у звезд класса М предполагает разнообразие цвета их планет. Обращаясь вокруг спокойной М-звезды, планета получает вдвое меньше энергии, чем Земля от Солнца. И хотя для жизни этого, в принципе, достаточно — это раз в 60 больше, чем требуется тенелюбивым растениям на Земле, — большинство фотонов, идущих от этих звезд, относятся к ближней ИК-области спектра. Но эволюция должна способствовать появлению разнообразных пигментов, способных воспринимать весь спектр видимого и инфракрасного света. Поглощающие практически все излучение растения могут выглядеть даже черными.

Маленькая фиолетовая точка

История развития жизни на Земле показывает, что ранние морские фотосинтезирующие организмы на планетах вблизи звезд классов F, G и K могли бы жить в первичной бескислородной атмосфере и развить систему оксигенного фотосинтеза, что позже привело бы к появлению наземных растений. Со звездами класса М ситуация сложнее. Результаты наших вычислений свидетельствуют о том, что оптимальное место для фотосинтезаторов находится на 9 м под водой: слой такой глубины задерживает губительный ультрафиолет, но пропускает достаточно видимого света. Конечно, мы не заметим эти организмы в наши телескопы, но именно они могли бы стать основой сухопутной жизни. В принципе, на планетах вблизи М-звезд растительная жизнь, используя различные пигменты, может быть почти столь же разнообразной, как и на Земле.

Но позволят ли будущие космические телескопы увидеть следы жизни на этих планетах? Ответ зависит от того, каково будет соотношение водной поверхности и суши на планете. В телескопы первого поколения планеты будут выглядеть как точки, о детальном изучении их поверхности не может быть речи. Все, что ученые получат — это суммарный спектр отраженного света. На основе своих вычислений Тинетти утверждает, что для идентификации растений по этому спектру не менее 20% поверхности планеты должны быть сушей, покрытой растениями и не закрытой облаками. С другой стороны, чем больше площадь морей, тем больше кислорода выделяют в атмосферу морские фотосинтезаторы. Поэтому чем ярче выражены пигментные биоиндикаторы, тем сложнее заметить кислородные биоиндикаторы, и наоборот. Астрономы смогут обнаружить либо те, либо другие, но не оба сразу.

Если космический телескоп зафиксирует темную полосу в спектре отраженного света какой-либо планеты, и эта полоса будет соответствовать одному из предсказанных цветов, то сидящий за монитором телескопа человек окажется первым, кто увидит следы живого на других планетах. Конечно, необходимо будет исключить все прочие интерпретации: например планета может быть покрыта цветными минералами. Сейчас мы ожидаем, что цвет растений на других планетах ограничивается зеленым, желтым и оранжевым. К сожалению, сказать что-либо точнее мы пока не можем. На Земле растения имеют характерную окраску благодаря хлорофиллу, что позволяет нам замечать с искусственных спутников области, покрытые растениями или водорослями. Будут ли растения на других планетах иметь столь же характерные свойства, мы пока не знаем.

Наличие жизни на других планетах — настоящей жизни, а не только ископаемых останков или микробов, с трудом выживающих в экстремальных условиях, — может быть обнаружено в самом ближайшем будущем. Но какие из звезд мы должны изучать в первую очередь? Сможем ли мы зарегистрировать спектры планет, расположенных близко к звездам, что особенно актуально в случае М-звезд? В каких диапазонах и с каким разрешением должны наблюдать наши телескопы? Понимание основ фотосинтеза поможет нам создать новые приборы и интерпретировать полученные данные. Проблемы такой сложности могут быть решены только на стыке различных наук. Пока мы находимся лишь в начале пути. Сама возможность поиска внеземной жизни зависит от того, насколько глубоко мы понимаем основы жизни здесь, на Земле.

Дополнительная литература:

1) Spectral Signatures of Photosynthesis II: Coevolution with Other stars and the atmosphere on Extrasolar Worlds (PDF). Nancy Y. Kiang, Antigona Segura, Giovanna Tinetti, Govindjee, Robert E. Blankenship, Martin Cohen, Janet Siefert, David Crisp and Victoria S. Meadows in Astrobiology, Special Issue on M Stars, Vol. 7, No. 1, pages 252–274; February 1, 2007.
2) Water Vapour in the Atmosphere of a Transiting Extrasolar Planet. Giovanna Tinetti, Alfred Vidal-Madjar, Mao-Chang Liang, Jean-Philippe Beaulieu, Yuk Yung, Sean Carey, Robert J. Barber, Jonathan Tennyson, Ignasi Ribas, Nicole Allard, Gilda E. Ballester, David K. Sing and Franck Selsis in Nature, Vol. 448, pages 169–171; July 12, 2007.
3) Виртуальная планетная лаборатория.
4) Журнал Astrobiology.
5) Тихов Г.А. Шестьдесят лет у телескопа. М.: Детгиз, 1959.
6) Голдсмит Д., Оуэн Т. Поиски жизни во Вселенной. М.: Мир, 1983.
7) Проблема поиска жизни во Вселенной. М.: Наука, 1986.
8) Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М.: Экология и жизнь, 2006.
9) Джонс Б.У. Жизнь в Солнечной системе и за ее пределами. М.: Мир, 2007.

Перевод: А.В. Сурдина

Химический состав растений 6 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Общие сведения

Для понимания работы растительного организма необходимо знание его строения.

Все живые существа состоят из органических и минеральных веществ.

Органические вещества – сложные соединения углерода.

Неорганические (минеральные) вещества – все остальные химические соединения (вода, соли).

Вода – главное минеральное соединение, входящее в состав живых организмов.

Органические соединения растений

Важнейшие классы органических соединений:

Белки

Жиры

Углеводы

Нуклеиновые кислоты

Они используются для запасания энергии, построения тела растения, передачи наследственной информации.

Отличия в содержании веществ

Различные органы различных растений содержат неодинаковое количество минеральных и органических соединений. Так, в листьях капусты воды до 90%, а в плодах огурца – до 96%. А созревшие семена растений содержат 5-15% воды. Больше всего минеральных солей в листьях (10-15%) и стеблях (4%).

Ткани растений богаты углеводами: целлюлоза, крахмал, сахароза, фруктоза и др.

Одни и те же части растений разных видов могут иметь разный химический состав. Так, зерновки пшеницы содержат в 2 раза больше воды, чем семянки подсолнуха (см. Рис. 1). А органических веществ в семянках подсолнуха больше.

Рис. 1. Семянка подсолнуха

Во всех семенах растений органических веществ больше, чем неорганических. Это связано с тем, что для развития зародыша необходимо много энергии, которая содержится в органических веществах. А воду и минеральные вещества зародыш получает из почвы.

В плодах пшеницы (см. Рис. 2) белков 13%, углеводов 69%, жиров 2%. В семенах подсолнуха белков 26%, углеводов 16%, жиров 44% и более.

Рис. 2. Плоды пшеницы

Витамины

Витамины – органические вещества, которые вырабатываются организмами. Наш организм не способен к их выработке, а растительный способен. Поэтому для их получения нам необходимо потреблять растительную пищу.

В случае недостаточного потребления витаминов у человека развиваются авитаминозы, приводящие к различным заболеваниям.

Недостаток какого-либо вещества в растительной клетке приводит к замедлению роста растения, нарушению нормального развития, гибели.

Значение веществ растений для человека

Человек использует вещества, содержащиеся в организмах растений.

Для получения круп и муки, богатых углеводами, выращивают пшеницу, кукурузу (см. Рис. 3), гречиху.

Рис. 3. Кукуруза

Семена бобов, сои, чечевицы и др. богаты белками.

Подсолнечник, соя, рапс, оливы (см. Рис. 4) используются для получения пищевых растительных жиров. Это масличные растения.

Рис. 4. Плод оливы

Лен, хлопчатник (см. Рис. 5), конопля используются для получения технических масел.

Рис. 5. Хлопчатник

Также растения используют для получения натурального каучука, спирта, скипидара и др. Растения служат сырьем для медицинской и косметической промышленности. Их используют для изготовления кремов, мазей, сиропов, настоек и других лекарственных препаратов.

Химический состав растений

Положите в пробирку кусочки корня, листьев, стеблей или несколько семян растения. Нагрейте на медленном огне. Посмотрите, что появилось на стенках пробирки.

Возьмите кусочек теста. Оно приготовлено из муки, приготовленной из семян растений. Таким образом, оно имеет сходный с семенами растений химический состав. Положите кусочек теста в плотный мешочек, свернутый из нескольких слоев марли. Налейте в стакан воды и промойте в ней мешочек с тестом. В марлевом мешочке останется богатая белками клейковина. В стакан с оставшейся после промывания теста мутной водой добавьте 2-3 капли йода. Капните йодом на срез клубня картофеля. Опишите наблюдения в обоих случаях.

Положите на белую бумагу семена льна, подсолнечника или других масличных культур. Раздавите их. Что появилось на бумаге? К какому классу органических веществ оно относится?

Сделайте вывод об основных классах органических веществ, входящих в состав растений.

Нагрейте высушенные части растений на металлической пластинке. Постепенно органические вещества начнут сгорать – части обуглятся, появится дым. В итоге останется зола – несгорающие минеральные вещества.

Сделайте общий вывод о веществах-компонентах растения. Запишите его.

Растительные яды

2 важных класса органических веществ растений: алкалоиды и гликозиды. Названия происходят от латинских названий растений, из которых те впервые были получены. Человек употреблял растения, содержащие алкалоиды и гликозиды задолго до открытия этих веществ. Так, эфедра двуколосковая (см. Рис. 6) и опийный мак использовались в медицине.

Рис. 6. Эфедра двуколосковая

Растения, содержащие алкалоид стрихнин, использовались индейцами для отравления стрел.

Экстракты многих растений, содержащих гликозиды, сильно действуют на сердце, и использовались еще в античной медицине для возбуждения сердечной деятельности.

Многие растительные яды до сих пор используются в медицине, например атропин, который используется в офтальмологии.

Знаете ли вы, что…

Из камбия сосны получают заменитель ванили – ванилин. Из смолы хвойных деревьев получают канифоль, скипидар и сургуч. Кора дуба или ивы используется при дублении кожи.

Из чернильных орешков (см. Рис. 7) – паразитов листьев дуба получали чернила в XIX веке.

Рис. 7. Чернильные орешки

Список литературы

Биология. Бактерии, грибы, растения. 6 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений / В.В. Пасечник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2011. – 304 с.: ил.

Тихонова Е.Т., Романова Н.И. Биология, 6. – М.: Русское слово.

Исаева Т.А., Романова Н.И. Биология, 6. – М.: Русское слово.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Biolicey2vrn.ucoz.ru (Источник).

Lechebnik.info (Источник).

Riums.ru (Источник).

Домашнее задание

Биология. Бактерии, грибы, растения. 6 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений / В.В. Пасечник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2011. – 304 с.: ил. – с. 156, задания и вопросы 4, 5 (Источник).

Из каких веществ состоят растения?

Назовите основные классы органических веществ. Какова их функция?

^*Подготовьте небольшое сообщение о химическом составе лекарственных растений. Поделитесь этой информацией со своими друзьями, родственниками.

AAAS — Проект 2061 — Разработка учебных материалов для учащихся: история «Пища для растений»

Дом

27 февраля-2 марта,
2001
Американская ассоциация развития
науки
Вашингтон, округ Колумбия

Кэтлин Дж. Рот
Университет штата Мичиган
25 февраля 2001 г.

Приложение B

Организация содержания
И фон для еды
Для растений Единица

Организация контента
и фон для этого
Блок

Центральный вопрос: Как
получают ли растения пищу?
Что является пищей для растений?

Желаемый студент
ответ центральному
вопрос в конце
единица:

Всё как у живого
вещи растения нуждаются в пище. Еда
это то, что обеспечивает жизнь
вещи с энергией, чтобы
живи и развивайся. Некоторый
вещи, которые мы иногда называем
еда действительно не обеспечивает
энергия для живых существ,
так что они действительно не еда. Нравиться
вода. Живые существа нуждаются
воды, но не обеспечивает
их своей энергией. Это
это не еда. Итак, растения
нужно получать энергию, но они
не получить его из воды. Они
получить свою еду в очень
иначе, чем животные
(включая людей). Животные
должны брать еду в свои
тела. Но растения
могут делать то, что животные/люди
не можем. Они могут приготовить еду
внутри их тел.

Так делают растения
свою пищу внутри себя. Они
принимать углекислый газ
(из воздуха) через
отверстия в их листьях,
и вода через них
корни. Углерод
диоксид и вода путешествия
внутри растения к клеткам
в листе.
лист состоит из множества
клетки, и некоторые из них
клетки – это места, где
растение делает пищу. Эти
клеткам нужна вода и
углекислый газ, а также
солнечный свет для приготовления пищи. Солнечный лучик
обеспечивает энергией для
эта химическая реакция. Хлорофилл
зеленый пигмент в
клетки листа, способные улавливать
солнечный свет и
использовать его для изменения углерода
диоксид и вода в
энергоемкая пища. Этот
единственное вещество, которое
может ловить световую энергию
и использовать его для изменения света
энергия в запасенную энергию
в еде. Люди не могут
готовить себе еду, потому что
у нас нет вещей, которые
растения имеют такие, как хлорофилл.
углекислый газ и вода
превращаются в
совершенно новое вещество, которое
содержит энергию — это
пища в виде сахара.

Потому что совершенно новый
вещество сделано, это
процесс является примером
химическое изменение. Этот
химические изменения, происходящие
внутри растений называется
фотосинтез. Это
это очень сложный процесс
и ученые до сих пор
не совсем понимаю
Это.

После того, как еда приготовлена
в клетках листа он
путешествовать по всему
растение, чтобы накормить все клетки
на заводе.
все растение состоит
клеток и каждая клетка
нуждается в пище, чтобы жить. Так
еда проходит через
жилки в растении всем
клетки. Иногда
растение дает больше еды
чем он может быть использован сразу. Так
в чем хранит пищу
мы называем фрукты и овощи
(например, морковь, картошка,
яблоко).

Еда также хранится
в семенах. затем
когда семя падает
завод и земли в
хорошее место, где он получает
вода, зародыш внутри
семя может начать расти
использование продуктов, хранящихся в
семядоля семени. Что
пища появилась в результате фотосинтеза
сделано материнским растением! Когда
эмбрион использовал все
еда в семядоли,
это должно начать делать
собственное питание (фотосинтез). А
семя может начать расти
в темноте, потому что
можно использовать продукты, хранящиеся в
семядоли, но это необходимо
свет, чтобы остаться в живых так
что он может приготовить себе еду.

Цели и основные идеи: Сопоставление
к стандартам и контрольным показателям

Food For Plants Unit: Цели

Описать функции
частей семян .
Определите примеры и
не примеры еды, как
энергосодержащий материал.
Опишите процесс
пищевая продукция,
хранилище продуктов питания и продуктов питания
использовать в растениях.
Опишите доказательства того, что
растения производят и хранят пищу.
Определить энергию
и материя изменяется во время
процесс приготовления пищи
в растениях.
Используйте модели для
представлять процессы в
растение, которое вы не можете
видеть.
Знайте, что гипотезы являются
ценны, даже если они превращаются
неправда, если
они ведут к плодотворным исследованиям
(контрольные показатели, 6-8)
Разработать описания,
объяснения, предсказания,
и модели с использованием доказательств .
(НСЭС, 5-8)
Критически мыслить и
логически сделать отношения
между доказательства и
пояснения . (НСЭС,
5-8)
Отследить всю пищевую энергию
вернуться к растениям и фотосинтезу,
классифицировать растения как
производители и животные как
потребители.

Корм для растений Единица: основная
идеи

Национальное научное образование
Стандарты:

Заводы производители
— они готовят себе еду.
(5-8, с. 158).
Еда дает энергию
и питательные вещества для роста
и развитие. (5-8,
п. 168)
Все животные, включая
люди, являются потребителями,
которые получают пищу, поедая
другие организмы. (5-8,
п. 158)
Растения используют солнечную энергию
соединить углекислый газ
и вода в комплекс,
соединения, богатые энергией. Этот
процесс фотосинтеза
обеспечивает жизненно важную связь
между солнцем и энергией
потребности живых систем.
(9-12, с. 184)
Энергия для жизни
в первую очередь происходит от
солнце. Захват растений
энергия за счет поглощения света
и используя его для формирования богатых энергией
еда. (9-12, с. 186)
Доказательства состоят из
наблюдения и данные о
на чем основывать научную
объяснения. (стр. 117)
Модели являются предварительными
схемы или конструкции, которые
соответствуют реальным объектам,
события или классы событий,
и которые имеют пояснение
сила. Помощь моделей
ученые и инженеры
понять, как все работает. Модели
принимать множество форм. (стр. 117)
Научные объяснения
включать существующие научные
знания и новые доказательства
из наблюдений, экспериментов,
или модели внутри
последовательные, логичные утверждения
(стр. 117).
Различные термины, например
как гипотеза и теория,
используются для описания различных
виды научного объяснения
(стр. 117).
Это нормально для ученых
отличаться друг от друга
о толковании
доказательств или теории
рассматривается. В идеале,
ученые признают
такой конфликт и работа
к поиску доказательств
что решит их
несогласие. (5-8, с.
171).

Ориентиры для науки
Грамотность

Пища служит топливом
и строительный материал для
все организмы. Растения
использовать энергию света
производить сахара из углерода
диоксид и вода. Этот
еду можно использовать сразу
или сохранены для последующего использования. Организмы
которые едят растения ломаются
заводские конструкции для
производить материалы и
энергии, необходимой им для выживания.
(6-8, стр. 120)
Какой-то источник энергии
необходим всем организмам
чтобы остаться в живых и расти.
(3-5, стр. 119)
Почти вся пищевая энергия
происходят первоначально от солнечного света.
(6-8, стр. 120)
Энергия появляется в разных
формы. (6-8, стр. 85)

Часто используются модели

думать о процессах
это происходит слишком медленно,
слишком быстро или слишком
небольшой масштаб для наблюдения
их напрямую. (6-8,
п. 269)
Объяснения ученых
о том, что происходит в
мир частично из
то, что они наблюдают, отчасти
от того, что они думают. Иногда
у ученых разные
объяснения того же
набор наблюдений. Что
обычно приводит к их
делать больше наблюдений
для разрешения разногласий. (3-5,
п. 11)
Ученые не платят
большое внимание претензиям
о том, как-то они
знать о произведениях разве что
претензии подкреплены
с доказательствами, которые могут
быть подтверждены и с
логический аргумент. (3-5,
п. 11)
Графики, диаграммы, эскизы,
карты и истории могут быть
используется для обозначения предметов,
события и процессы в
реальный мир, хотя
такие представления могут
никогда не быть точным в каждом
деталь.

[Продолжить
с «Студенчески ориентированным
Учебные материалы
Развитие»]

Как люди каменного века открыли глюкозу в растениях

Растения, богатые крахмалом, помогли первобытным людям процветать даже в разгар последнего ледникового периода, говорят исследователи.

В то время как данные о мясе очевидны, роль растительной пищи менее изучена. Кости животных могут храниться миллионы лет, и на них до сих пор видны порезы, сделанные человеческими инструментами для разделки мяса, в то время как почти все останки растений распадаются.

Но новые исследования остатков растений, которые действительно существуют, раскрывают, почему и как наши предки их ели.

‘Основным продуктом были растения. Именно они составляли основу наших калорий в большинстве сред», — говорит доктор Аманда Генри, палеобиолог и доцент Лейденского университета в Нидерландах.

Клубни и злаки богаты крахмалом, что делает их хорошими источниками глюкозы, которая важна для роста мозга, а также энергии, говорит доктор Генри. Она возглавляет проект под названием HARVEST, в рамках которого изучается рацион первых видов человека и роль растений в качестве пищи. Клубни — это органы, в которых растения хранят питательные вещества. Современные примеры включают картофель и ямс.

Некоторые из самых ранних свидетельств того, что она ела клубни и злаки, датируются 40 000 лет назад, в эпоху палеолита. Останки неандертальцев, обнаруженные в пещерах Ирака и Бельгии, показывают, что наши двоюродные братья, вероятно, питались клубнями водяных лилий, а также зернами родственных злаков пшеницы и ячменя.

Инновации

Но раскрытие энергии в них требует инноваций. Зерна можно есть зелеными, так как они легче перевариваются, но многие клубни ядовиты в сыром виде, говорит доктор Генри.

– Скорее всего, они их приготовили, – сказал доктор Генри. Это не только высвобождает энергию, но и делает клубни безопасными для употребления в пищу.

«(Мы обнаружили) доказательства нагревания пищи в присутствии воды, что позволяет предположить, что они ее кипятили», — сказал доктор Генри. «Изменения в гранулах крахмала, что свидетельствует о таком способе приготовления пищи, были обнаружены в зубном камне (зубном камне)».

Останки неандертальцев указывают на то, что они питались разнообразной растительной пищей. Это ставит под сомнение теорию о том, что они вымерли из-за более узкой диеты, чем наши прямые предки, говорит доктор Генри.

Другие исследователи обнаружили более ранние доказательства приготовления клубней из Южной Африки в камине, возраст которых насчитывает более 100 000 лет.

Во время последнего ледникового периода, когда ледяные шапки расширились и покрыли большую часть северной Европы, произошел взрыв новой технологии, вызванной необходимостью обработки новых источников растительной пищи: молотого камня.

Это был большой эволюционный успех, которому около 30 000 лет, говорит доктор Эмануэла Кристиани, доцент кафедры доисторической археологии Римского университета Ла Сапиенца, Италия.

Охотники-собиратели в основном использовали вырубные инструменты, сделанные из больших кусков камня, говорит доктор Кристиани. «В какой-то момент появляется другая технология, похожая на стрелу, которая представляет собой технологию шлифованного камня… (Она была) использована не для резки, соскабливания или прокалывания, а для измельчения материала», — сказала она.

— Это означает, что люди… искали новые способы питания в этот драматический климатический период, — сказала она.

»
«Многие палеодиеты говорят о здоровье, но под этим они подразумевают потерю веса. И я не могу вспомнить ни одного предка человека, который хотел бы похудеть». эпохи позднего палеолита, когда они были охотниками-собирателями, до эпохи неолита, когда около 8500 лет назад появились первые свидетельства земледелия в этом регионе. Она также изучает эволюцию технологий обработки растительной пищи.
Мука
Измельчение означало, что люди могли делать муку, что является еще одним способом раскрытия энергии растений. По словам доктора Кристиани, команда обнаружила в измельченных камнях и остатках растений в зубном камне доказательства того, что охотники-собиратели на центральных Балканах ели много дикого овса, бобовых и желудевой муки.
Самые ранние следы муки датируются 30 000 лет назад и были найдены в России, Чехии и Италии.
Вполне вероятно, что охотники-собиратели на итальянском исследовательском участке команды съели рогоз, которого много в близлежащей реке.
‘Мы думаем, что они использовали в основном корни. Корень растения очень богат крахмалом, и после того, как он высушен, из него можно сделать муку», — сказал доктор Кристиани. Из муки получается сладкий на вкус хлеб, добавляет она.
Наскальные рисунки часто изображают охотничью деятельность, но растения были основным продуктом питания людей каменного века, говорят исследователи. Изображение предоставлено Gruban/wikimedia commons, лицензия CC BY-SA 2.0
Палеолит
Средний человек эпохи палеолита, переживший младенчество, по-видимому, дожил до 50 или 60 лет. «Это была не роскошная жизнь, это вероятно, было много работы и, как правило, холодно, и требовалось немало усилий, — сказал доктор Генри.
Эти ранние люди, вероятно, умерли в основном от комбинации инфекций, паразитов и физических травм, говорит она.
Когда люди начали расселять и выращивать животных и сельскохозяйственные культуры, уровень заболеваемости вырос — в основном потому, что они перешли от животных к людям — и продолжительность жизни, похоже, снизилась. «При этом сельское хозяйство связано с увеличением численности населения. Вы живете не так долго, но у вас больше детей, — сказал доктор Генри.
Сегодня некоторые люди, ищущие здоровую альтернативу современным индустриальным диетам, черпают вдохновение в стилях питания наших предков-охотников-собирателей.
Так называемая палео-диета избегает злаков, рекомендует мало углеводов и продвигает мясо и овощи. Но археологи говорят, что это не полный рацион охотников-собирателей, которые питались злаками и полагались на углеводы.
СКРЫТЫЕ ПРОДУКТЫ Исследователи обнаружили остатки бобовых, овса и желудей в 10 000-летних зубах последних групп охотников-собирателей, которые строили деревни вдоль реки Дунай. «Это показывает, что наше представление о палеодиете, основанной в первую очередь на потреблении белка, совершенно неверно», — сказал доктор Кристиани.