ОБМЕН ВЕЩЕСТВ У РАСТЕНИЙ. Обмен веществ растений
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ У РАСТЕНИЙ
Обмен веществ с окружающей средой — главное условие жизни организма. Однако поглощение и выделение веществ — это только внешнее проявление обмена. Основу жизнедеятельности составляет внутриклеточное превращение веществ, называемое метаболизмом.
В основе обмена веществ лежат два тесно связанных и взаимообусловленных процесса: ассимиляция и диссимиляция. Ассимиляция— усвоение питательных веществ, синтез специфических (характерных для данного организма) белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других соединений. Процессы ассимиляции связаны с потреблением энергии. Диссимиляция — расщепление веществ, как поступающих извне, так и входящих в состав клеток организма. Освобождающаяся при их окислении энергия используется на разнообразные процессы жизнедеятельности. Кроме того, диссимиляция поставляет всевозможные промежуточные продукты, необходимые для синтетических реакций.
Растения по типу питания — автотрофные организмы. Особенность их обмена веществ в том, что они способны синтезировать все необходимые для жизнедеятельности органические вещества из минеральных. Для синтеза органических соединений из углекислого газа и воды растения используют солнечную энергию (см. Фотосинтез). Другой уникальный процесс, который происходит только в растениях, — перевод азота из минеральной формы в органическую, образование аминокислот, которые используются для биосинтеза белка. Эти так называемые незаменимые аминокислоты (лизин, валин, лейцин, изо-лейцин, метионин и др.) обязательно должны входить в рацион человека и животных.
Фосфорный обмен у растений сводится к образованию связи между остатками фосфорной кислоты и молекулой того или иного органического вещества. Значение образующихся при этом фосфорорганических соединений огромно. Это и аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — переносчик энергии в клетке, и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), осуществляющие хранение и передачу наследственной информации, и фосфолипиды — компоненты биологических мембран и другие соединения.
Большое значение в обмене веществ имеют калий, кальций, магний, железо и другие элементы минерального питания и витамины. Частично они включаются в органические соединения. Главная же их роль регуляторная.
Таким образом, обмен веществ — это многочисленные согласованные химические процессы. Важную роль в их регуляции играют ферменты — специфические биокатализаторы белковой природы, в состав которых входят витамины и ионы металлов. Количество ферментов и их набор контролируется генетическим аппаратом. Не менее важное значение имеют клеточные мембраны. Они контролируют скорость поступления и выхода веществ, образуют внутри клетки микроскопические отсеки, в которых находятся определенные ферментные системы и происходит метаболизм. Согласованность обмена веществ в целостном организме обеспечивается деятельностью гормонов (см. Фитогормоны).
Любое заболевание, неполноценное питание приводят к нарушениям обмена веществ в организме, которые выражаются в изменении характера превращений веществ, в накоплении промежуточных, а иногда и не свойственных нормальному обмену продуктов. Лечение этих нарушений должно быть направлено на устранение причин, их вызывающих.
enciklopediya-tehniki.ru
Обмен веществ у растений — Юнциклопедия
Обмен веществ с окружающей средой — главное условие жизни организма. Однако поглощение и выделение веществ — это только внешнее проявление обмена. Основу жизнедеятельности составляет внутриклеточное превращение веществ, называемое метаболизмом.
В основе обмена веществ лежат два тесно связанных и взаимообусловленных процесса: ассимиляция и диссимиляция. Ассимиляция — усвоение питательных веществ, синтез специфических (характерных для данного организма) белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других соединений. Процессы ассимиляции связаны с потреблением энергии. Диссимиляция — расщепление веществ, как поступающих извне, так и входящих в состав клеток организма. Освобождающаяся при их окислении энергия используется на разнообразные процессы жизнедеятельности. Кроме того, диссимиляция поставляет всевозможные промежуточные продукты, необходимые для синтетических реакций.
Растения по типу питания — автотрофные организмы. Особенность их обмена веществ в том, что они способны синтезировать все необходимые для жизнедеятельности органические вещества из минеральных. Для синтеза органических соединений из углекислого газа и воды растения используют солнечную энергию (см. Фотосинтез). Другой уникальный процесс, который происходит только в растениях, — перевод азота из минеральной формы в органическую, образование аминокислот, которые используются для биосинтеза белка. Эти так называемые незаменимые аминокислоты (лизин, валин, лейцин, изолейцин, метионин и др.) обязательно должны входить в рацион человека и животных.
Фосфорный обмен у растений сводится к образованию связи между остатками фосфорной кислоты и молекулой того или иного органического вещества. Значение образующихся при этом фосфорорганических соединений огромно. Это и аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — переносчик энергии в клетке, и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), осуществляющие хранение и передачу наследственной информации, и фосфолипиды — компоненты биологических мембран и другие соединения.
Большое значение в обмене веществ имеют калий, кальций, магний, железо и другие элементы минерального питания и витамины. Частично они включаются в органические соединения. Главная же их роль регуляторная.
Таким образом, обмен веществ — это многочисленные согласованные химические процессы. Важную роль в их регуляции играют ферменты — специфические биокатализаторы белковой природы, в состав которых входят витамины и ионы металлов. Количество ферментов и их набор контролируется генетическим аппаратом. Не менее важное значение имеют клеточные мембраны. Они контролируют скорость поступления и выхода веществ, образуют внутри клетки микроскопические отсеки, в которых находятся определенные ферментные системы и происходит метаболизм. Согласованность обмена веществ в целостном организме обеспечивается деятельностью гормонов (см. Фитогормоны).
Любое заболевание, неполноценное питание приводят к нарушениям обмена веществ в организме, которые выражаются в изменении характера превращений веществ, в накоплении промежуточных, а иногда и не свойственных нормальному обмену продуктов. Лечение этих нарушений должно быть направлено на устранение причин, их вызывающих.
Обмен веществ у растений - Bio-learn.com
Обмен веществ — это совокупность протекающих в организме различных химических превращений, обеспечивающих рост и развитие организма, его воспроизведение и постоянный контакт с окружающей средой.
Обрати внимание! Обмен веществ — один из важных признаков жизни: с прекращением обмена веществ прекращается жизнь растения.
В организме растения фотосинтез и дыхание идут путём последовательных многочисленных химических реакций, в которых одни вещества преобразуются в другие.
Живые организмы постоянно получают из окружающей среды необходимые вещества, которые в дальнейшем преобразуются и превращаются в вещества тела самого организма. Это происходит в процессе питания. Организмам необходима энергия, чтобы осуществлять процессы жизнедеятельности. Живые организмы получают энергию в процессе дыхания. Поглощая кислород они окисляют сложные органические соединения до более простых. При этом высвобождается энергия.
Растения — это автотрофные организмы, они могут синтезировать органические вещества из неорганических в процессе фотосинтеза. Таким образом, у растений можно выделить два питания — почвенное и воздушное. Из почвы с помощью корней растения получают минеральные вещества и воду, которые используются при синтезе органических веществ. На свету в воздушной среде происходит процесс фотосинтеза, и образуются органические вещества.
Как и все другие живые организмы растение дышит. При этом происходит высвобождение энергии, которая идет на все процессы жизнедеятельности клеток, в том числе на синтез других, необходимых растению для построения своего тела, органических веществ. Так из сахаров, образованных в процессе фотосинтеза, растения получают путем различных химических реакций крахмал, клетчатку, белки, жиры и витамины. Также, расщепляя ряд органических соединений до углекислого газа и воды, растения получают энергию.
Таким образом, фотосинтез, минеральное питание и дыхание обеспечивают растению обмен веществ, который представляет собой множество химических реакций, превращающих одни вещества в другие.
bio-learn.com
Обмен веществ в растении — Гуру
Обмен веществ в растении - Этим выражением (представляющим перевод немецкого термина Stoffwechsel - английские физиологи заменяют его термином метаболизм) обозначают совокупность превращений вещества, обуславливающих жизненную деятельность организма. Следует, прежде всего, различать процессы образования и процессы разрушения. В первых вещество утилизируется как таковое, т. е. в конечном результате служит для образования существенных частей растения - протоплазмы, твердого остова и т. д. В процессах второго рода вещество не утилизируется, как вещество; оно разрушается, причем освобождается скрытый в нем запас энергии, необходимой для поддержания жизненных процессов. Далее следует различать два физиологических типа растений: зеленые (содержащие хлорофилл) и растения, лишенные этого цвета - обширный класс грибов (куда с физиологической точки зрения необходимо отнести и бактерии [ И небольшое число высших растений, лишенных зеленого цвета - см. ниже.]. Первые способны созидать органические вещества из простейших неорганических окислов - воды, углекислоты - веществ, не заключающих запаса энергии. Представители второй группы нуждаются в веществах, заключающих готовый запас химической энергии, и в этом смысле сходны с животными.
I. Процессы образования органического вещества.
А) В зеленых растениях. Вся совокупность относящихся сюда процессов обнимает поступление веществ, их усвоение и дальнейшее изменение в восходящем (в смысле усложнения, синтеза) и нисходящем порядке (в смысле разложения, упрощения состава). Процесс поступления веществ извне в растительный организм обуславливается физическими свойствами этих веществ. Пища растений рассматриваемой категории состоит из газов и кристаллоидов - веществ, частицы которых обладают подвижностью (способностью к диффузии), и в силу этой особенности сами проникают в морфологические элементы растения (клеточки). Этим объясняется коренное отличие растений от животных: растение может быть неподвижно, так как его пища подвижна; животное, по необходимости, подвижно, так как его пища неподвижна (состоит из коллоидов).
1) Усвоение и синтез веществ. Под усвоением веществ должно разуметь переход всех химических элементов из тех соединений, в виде которых они поступают извне, в ту форму их соединений, в которой они встречаются в растении; поэтому совершенно неверно применять термин ассимиляция или усвоение исключительно только к углероду, как это делают немецкие физиологи. Из многочисленных химических элементов, найденных в растении (около 35), существенными, т. е. такими, отсутствие которых несовместимо с нормальным ходом растительной жизни, должно считать следующие 10 [Значение одиннадцатого - хлора - еще не вполне выяснено.]. Так называемые органогены: углерод, водород, кислород, азот, представляющие основу органического вещества; затем серу и фосфор, входящие главным образом в состав белковых веществ, и, наконец, калий, магний, кальций и железо, встречающиеся в золе, но ближайшее отношение которых к органическому веществу растения нельзя считать выясненным. Высказанное положение - о необходимости этих десяти элементов для питания растения доказывается посредством так называемых искусственных культур, основная мысль которых заключается в замене сложной естественной среды искусственной - строго определенного состава - и удалении из неё, по одному, каждого из элементов в отдельности, причем нормальное или ненормальное развитие растения указывает, который из удаленных элементов следует признать существенным, который - несущественным. Самыми полными сведениями мы обладаем по отношению усвоения углерода и отчасти азота. Усвоение углерода. Элемент этот поступает в растение из воздуха, через листья, в форме угольного ангидрида - СО 2. При участии хлорофилла листа и солнечного света, угольный ангидрид разлагается с выделением О 2, а в растении (в хлорофилловом зерне) одновременно образуется углевод (крахмал или сахар). Предполагают, что одновременно с СО 2 разлагается и вода, или, что все равно, разлагается не ангидрид, а углекислота по следующей схеме: СО.О + Н 2 О = СОН 2 + О 2 или СН 2 О 3 = СH 2 O + О 2. Краткость промежутка времени между разложением углекислоты и появлением крахмала (иногда 5 минут), говорит в пользу предположения, что первым продуктом этого синтеза будет крахмал, но это нельзя считать доказанным. Так как диссоциация угольного ангидрида реакция эндотермическая, то она может совершаться не иначе, как при участии внешнего источника энергии. Этим источником является лучистая энергия солнца. Отсюда следует, что процесс усвоения углерода представляет собой не только процесс химического синтеза - превращения неорганического соединения углерода в органическое, но, в то же время, и процесс усвоения, складывания в запас, превращения в потенциальную форму, кинетической энергии солнечного луча. Этим запасом энергии пользуется отчасти само растение, но в еще большей мере животный мир. Таким образом, в этом процессе, совершающемся в хлорофилловом зерне, можно сказать, выражается космическая роль растения, как посредника между неорганическим и органическим миром, между солнцем и жизнью на земле. Роль хлорофилла, несомненно, физическая - он поглощает известные лучи света, за счет которых и происходит разложение углекислоты; но весьма вероятно, что вещество хлорофилла участвует в этой реакции и химически. Усвоение азота. Азот поступает в растения через корни, главным образом в форме азотнокислых, но может быть и аммиачных солей; сверх того, исследования последнего десятилетия показали, что некоторые растения (главным образом бобовые), снабженные особого рода желвачками на своих корнях, способны усваивать и свободный азот. Образование этих желвачков и связанная с их присутствием способность усваивать свободный азот зависит от заражения корней известным бактериальным организмом (Bacterium radicicola), но где и как происходит самый процесс усвоения - еще не выяснено; достоверно только то, что при наличности почвы, не содержащей соединений азота, бактерий и зараженного ими растения, это последнее развивается нормально, не имея другого источника азота кроме свободного азота атмосферы [В самое недавнее время удалось доказать усвоение атмосферного азота чистыми культурами Bact. radicicola, т. е. без участия бобового растения.]. Неизвестно также, где и как образуются самые сложные азотистые вещества - белковые; достоверно только то, что в бесчисленных опытах искусственных культур первоначальным материалом для них служат углероды, образующиеся в хлорофилловом зерне, и азотная кислота, поступающая через корни в форме селитры. Остальные элементы поступают в растение в форме солей из почвы, но где и как происходит их усвоение - достоверно неизвестно.
2) Распад веществ. Высшим продуктом синтеза являются белковые вещества, образующие главную основу протоплазмы. Обратно, все простейшие соединения, вероятно, могут являться продуктами распада, деградации белковых веществ. Таковы углеводы, жиры, амиды, органические кислоты и пр. Предполагают, что ближайшие продукты такого распада (углеводы и амиды) могут вновь воспроизводить (регенерировать) белки. Большая часть процессов распада, (самих белков и ближайших продуктов их распада - углеводов и жиров) представляют явления так называемого гидролиза, т. е. разложения, обуславливаемого фиксированием элементов воды, и происходит под влиянием ферментов (растворимых, неформенных), которые сами должны быть признаны за белковые вещества или их ближайшие производные. Рассматриваемое с такой общей точки зрения, белковое вещество протоплазмы представляется не только основным материалом, но является и главной причиной дальнейшего дифференцирования химического состава растения. Явления распада, вызываемые ферментом, могут быть воспроизведены и вне растения. Как происходят явления обратного порядка - неизвестно, и та роль, которая иногда приписывается в этом отношении клеточному ядру, не доказана. Эти процессы распада особенно ясно выступают в том периоде жизни, когда растение существует за счет готового запаса органического вещества, в периоде прорастания, где они и наилучше изучены. К числу выдающихся особенностей, отличающих зеленые растения от животных, должно отнести почти полное отсутствие образования отбросов (экскретов), что особенно характерно выступает по отношению к общему балансу азота. Между тем как животный организм выбрасывает значительные количества азота, в форме составных начал мочи, в зеленом растении, даже в тот период, когда процессы распада наиболее энергичны, абсолютное содержание азота почти не убывает.
В) В растениях не зеленых.
1) Усвоение и синтез. Главная особенность процесса образования вещества, характеризующая растения этой группы, заключается в том, что процесс этот не исходит из синтеза за счет кислородных неорганических соединений, как в зеленых растениях, а организм получает какое-либо вещество, заключающее готовый запас потенциальной энергии. Этим объясняется независимость этих растений от света - как внешнего источника энергии. Сюда относятся организмы, развивающиеся в благоприятной органической среде (заключающей готовые белки, углеводы, кислоты и другие органические вещества) - каковы грибы с включением бактерий и небольшое число высших, не зеленых растений. Частный случай этого явления представляют микроорганизмы, а равно и некоторые лишенные хлорофилла высшие растения, развивающиеся на других живых организмах (паразиты). Но жизнь организмов не зеленых может сопровождаться и несомненными синтетическими процессами. Так, например, дрожжевой грибок синтезирует белковое вещество своей протоплазмы из доставляемых ему углевода и аммиака; известны бактериальные организмы, синтезирующие свое органическое вещество из аммиака и углекислоты [Этот случай нередко ошибочно отождествляют с синтезом органического вещества в зеленом растении. Коренное различие заключается в том, что здесь не происходит разложение СО с выделением О 2 и что утилизируется потенциальная энергия вещества (аммиака), а не живая сила солнечного луча] и другие, способные усваивать свободный азот.
2) Распад веществ. В растениях этой категории постоянно совершаются и реакции обратного порядка, нисходящие, т. е. образования из соединений сложных соединений более простых, что обнаруживается даже в более резкой степени при питании, например, за счет белковых веществ, когда из них, очевидно, образуются все остальные вещества: клетчатка, жиры и т. д. Этот процесс распада совершается у некоторых растений этой группы в размерах, не существующих у зеленых растений; продуктами его являются уже тела, не участвующие более в жизненном круговороте и, в относительно громадных количествах, выделяемые во внешнюю среду, чего, как указано выше, не встречается у растений зеленых. Но эти явления должны быть отнесены уже к процессам следующей категории.
II. Процессы разрушения.
А). У зеленых pacmeний. Часть усвоенного этими растениями вещества не потребляется как вещество, а разрушается, окисляется кислородом воздуха, превращаясь в углекислоту и воду. Это процесс дыхания, одинаковый с процессом дыхания животных. В результате этого процесса является, следовательно, трата вещества; утилизируется же освобождающаяся при этом энергия, необходимая для поддержания деятельности организма - его роста, движения и т. д. Часть этой энергии обнаруживается в форме тепла, особенно резко проявляющегося при распускании почек, цветении и прорастании - вообще говоря в органах, богатых белковыми веществами (протоплазмой). Материалом, подвергающимся окислению, служат, по-видимому, углеводы и жиры. Новейшие исследования делают весьма вероятным, что этот окислительный процесс находится в зависимости от присутствия особого растворимого фермента - лакказа или оксидаза [Только что появившееся исследование Бухнера показывает, что и процесс спиртового брожения, аналогический дыханию (см. ниже), зависит от неорганизованного фермента].
В) У расmений не зеленых. У растений этой категории наблюдается и настоящее дыхание, но, рядом с ним, у простейших грибов, например из дрожжевых, мукоровых и особенно у бактерий, встречаются иные процессы, которые должны быть признаны только равнозначащими дыханию, так как в результате их является трата вещества и освобождение энергии. Типическим представителем таких процессов является спиртовое брожение, заключающееся в распаде глюкозы на спирт и углекислоту. От процесса дыхания он отличается выделением углекислоты без поглощения кислорода. Подобный же процесс встречается и у зеленых растений при ненормальных условиях (в отсутствии кислорода). Так как при этом процессе освобождение углекислоты и тепла происходит в силу перемещения кислорода в самой частице вещества, вследствие чего один из продуктов оказывается более окисленным, а другой менее окисленным, чем первоначальное вещество, то некоторые немецкие физиологи предлагают называть этот процесс дыханием внутри частицы - интрамолекулярным дыханием. Этот процесс брожения менее выгоден для организма, чем дыхание: продукты его извергаются (как у дрожжей) и, следовательно, бесполезны, или не извергаются (как у зеленых растений) и тогда даже отравляют организм; количество же освобождающейся энергии меньше чем при дыхании, а, следовательно, трата вещества менее производительна. Так как значение этих обоих процессов заключается в утилизации растением скрытой в веществе потенциальной энергии, то мы вправе далее уподобить этим процессам дыхания и брожения и все, совершающиеся в организме, процессы, имеющие результатом освобождение энергии (всякий экзотермический процесс) - каковы окисления сероводорода, аммиака (при нитрификации) и солей закиси железа, наблюдаемые в соответствующих бактериях. Таким образом, деятельность низших организмов характеризуется разрушением в значительных размерах получаемого извне вещества и обильным выделением продуктов этого разрушения в явлениях брожения, гниения, нитрификации, заразных болезней высших организмов (животных и в меньшей степени растительных). Этим объясняется факт, что явления превращения вещества, обозначаемые этими терминами, были известны человеку, утилизировались им или составляли предмет его опасений задолго до той поры, когда было обнаружено самое существование этих микроорганизмов.
К. Тимирязев.
ru.wiguru.org
Выделение. Обмен веществ | Биология
Выделение — процесс, обеспечивающий выведение из организма образующихся в процессе жизнедеятельности вредных веществ, избытка воды и солей. В совокупности с процессами дыхания и питания он обеспечивает обмен веществ —основу жизнедеятельности любого организма.
Выделение у растений
Процесс выделения вред, них веществ у одноклеточных водорослей происходит с помощью сократительных вакуолей. Вместе с этими веществами выделяется и избыток воды. Это предохраняет цитоплазму от разжижения, а клетку — от разбухания.
Многоклеточные водоросли и наземные растения выделяют продукты распада всей поверхностью тела. Однако многие продукты жизнедеятельности накапливаются в вакуолях и выводятся через особые образования — железки, волоски и нектарники. В этих случаях выделяемые растениями вещества выполняют дополнительные функции: привлекают насекомых-опылителей, защищают растения от болезнетворных грибов и микроорганизмов, отпугивают травоядных животных.
Листопадные растения освобождаются от накопившихся вредных веществ, сбрасывая листья.
Выделения у животных
У многие одноклеточных животных, обитающих в водной среде (амеба), как и у одноклеточных водорослей вредные вещества из организма выводятся через сократительные вакуоли. У кишечнополостных животных (гидра, медузы) продукты обмена выделяются так же, как у водорослей — всей поверхностью тела. У многих ракообразных и паукообразных вредные вещества откладываются в тканях покровов, которые сбрасываются во время линьки.
У большинства животных есть специальные органы выделения. Наиболее примитивная выделительная система у плоских червей. Она представлена тонкими извилистыми канальцами. Один конец канальца начинается в теле животного, а другой открывается наружу выделительной порой.
У дождевого червя некоторые продукты жизнедеятельности выделяются в полость тела. Сюда выходят воронки — расширение канальцев. В них поступает полостная жидкость с ненужными организму веществами.
У животных с более сложным строением (рыбы, змеи, птицы, звери) главный орган выделения вредных веществ — почки. Это парный орган. Почек в организме две.
Обмен веществ
Известно, что вещества, попадающие в клетки из внешней среды, не остаются неизменными. В каждой клетке идет образование более сложных веществ из менее сложных. Одновременно с этим происходят процессы распада сложных веществ на более простые. Часть простых веществ выделяется обратно в окружающую среду, а часть служит материалом для образования новых веществ. Взаимосвязанные процессы поглощения, создания, разрушения, передвижения и выделения составляют обмен веществ. Это главный признак живых организмов. С прекращением обмена веществ живой организм умирает. Обмен веществ всегда связан с превращением энергии — ее накоплением в сложных веществах и выделением в процессе их распада. Обмен веществ, происходящий внутри каждого организма, обеспечивает взаимосвязь организмов со средой обитания и является основой для биологического круговорота веществ и энергии.
ebiology.ru
Раздел II. Элементы физиологии растений
Глава 1. Обмен веществ
Обмен веществ является особенностью живого организма. Это совокупность согласованных химических реакций, В процессе обмена веществ происходит периодическое самообновление организма Методом меченых атомов установлено, что в организме человека половина всех тканевых белков распадается и вновь строится заново в среднем в течение 80 дней. Белки печени обновляются наполовину каждые 10 дней. Живой организм в каждое мгновение своей жизни тождественен себе и в то же время благодаря усвоению и разложению, выделению веществ отличается в химическом отношении от самого себя - совершенствуется, развивается.
Обмен веществ представлен сочетанием ассимиляции (усвоение) идиссимиляции(разрушение с освобождение энергии).
У растений обмен чрезвычайно специфичен. Ассимиляция у растений представлена процессом фотосинтеза и хемосинтеза. Специфическими особенностями обмена веществ у растений является их автотрофный тип питания, обусловленный наличием пигмента хлорофилла, а также синтез веществ вторичного характера в процессе диссимиляции.
Фотосинтез
Фотосинтез- процесс углеродного питания растений, построение из неорганических веществ (СО2+Н2О) органических веществ (С6Н10О6). Начало изучения фотосинтеза восходит к 1630 г., когда Ван Гельмонт, фламандский ботаник, показал, что растения сами синтезируют органические вещества, а не получают их из почвы. Выращивая в течение 5 лет экземпляр ивы (первоначальный вес почвы в горшке и вес посаженного растения был им зафиксирован), он обнаружил, что вес растения увеличился на 74 кг, тогда как почва потеряла в весе всего 57г. Он предположил, что основная пища растения - это вода. О «воздушном питании» и роли солнечного света в своих работах еще в 1753 г. писал М.В. Ломоносов: «жирными листами жирный тук из воздуха впитывает в себя. Из бессочного песку столько смоляной материи в себя им получить невозможно», опередив своими наблюдениями ученых Запада.
В 1772 г. английский ученый Пристли показал, что свежесрезанный побег мяты «исправляет» воздух - оживает мышка, помещенная под стеклянный колпак. Если свежесрезанную веточку не поместить под колпак к задыхающемуся животному - мышка погибает.
В 1779 г. голландский ученый Ингенгауз доказал, что для процесса фотосинтеза необходим солнечный свет, а русский академик Фаминцин дополнил эти сведения тем, что фотосинтез может проходить даже при керосиновой лампе. Усвоение СО2из воздуха впервые было доказано в 1782 г. швейцарским химиком Сенебье.
Французский ученый Соссюр доказал, что для фотосинтеза требуется не только углекислота, но и вода. О роли минерального питания в фотосинтезе поведали миру французские ученые Буссенго и Пфефер.
Наибольший вклад в изучение процесса фотосинтеза внес русский ученый К.А.Тимирязев. Он подтвердил достоверность сведений о химической стороне фотосинтеза, которая выражается уравнением:
6СО2+6Н2О=С6Н12О6+6О2
Тимирязев К.А. поставил перед собой грандиозную задачу. Эта задача заключалась в установлении энергетической роли процесса фотосинтеза и в выяснении космической роли растений. Тимирязев К.А пишет: «Не следует, однако думать, чтобы значение солнечного света стало понятно, как только Пристли и Ингенгауз открыли факт его участия в процессе разложения углекислоты. Этим успехом ботаника обязана Р. Майеру и Гельмгольцу. Р. Майер первый ясно высказал мысль о том, что солнечный свет не только влияет, но и затрачивается, расходуется, поглощается растением, что живая сила луча при этом превращается в химическое напряжение, что этим запасом энергии мы пользуемся в нашей жизни». Р. Майер пишет: «Природа, по-видимому, поставила себе целью уловить налету изливающийся на землю свет и, обратив эту подвижнейшую из всех сил в неподвижную форму, в таком виде сохранить ее. Для достижения этой цели она облекла земную кору организмами, которые в течение жизни поглощают солнечный свет и за счет этой силы образуют непрерывно накопляющийся запас химического напряжения. Эти организмы - растения. Растительный мир представляет склад, в котором лучи солнца задерживаются и запасаются для дальнейшего полезного употребления. От этой экономической заботливости природы зависит физическое существование человечества и уже один взгляд на роскошную растительность вызывает инстинктивное чувство благосостояния». Гельмгольц в 1854 г. писал: «У нас нет опытов, из которых можно было заключить, соответствует ли живая сила исчезнувших солнечных лучей накопившемуся в то время запасу химических сил». У физиков эти суждения всплыли в связи с вопросом о том, приложим ли закон сохранения энергии к живой природе.
За решение вопроса о роли солнечного света взялся молодой начинающий ученый. В своем первом выступлении перед широкой научной аудиторией на 1-ом съезде русских естествоиспытателей и врачей в 1868 г. он сформулировал задачу следующим образом: «Изучить химические и физические условия этого явления, определить составные части солнечного луча, участвующие непосредственно в этом процессе, проследить их участь в растении до их уничтожения, т.е. до их превращения во внутреннюю работу, определить соотношение между действующей силой и произведенной работой - вот та светлая, хотя может быть отдаленная задача, к достижению которой должны быть дружно направлены все силы физиологов».
Тимирязев К.А. раскрыл энергетическую сторону фотосинтеза. Экспериментально доказал, что для образования одного моля, глюкозы (180г) расходуется 674 ккал (в 1 калории 4,18 джоулей) солнечной энергии и фотосинтез должен быть выражен уравнением:
6СО2+6Н2О+674 ккал/г моль=C6h22O6+6О2
Было показано, что закон сохранения энергии приложим к живой природе. При фотосинтезе в потенциальную энергию (энергия запасных питательных веществ, в данном случае глюкозы) затрачивается 674 ккал/г моль. При окислении этого количества глюкозы выделяется ровно 674 ккал тепла. Все виды органических веществ, образовавшихся в растении в процессе его жизнедеятельности, используются человеком в его жизни (пища, топливо, одежда, лекарства). В этом и заключается космическая роль растений.
К.А. Тимирязев экспериментально доказал и оптическую сторону фотосинтеза. Он установил, что растение избирательно поглощает солнечный луч, что более продуктивно накопление наибольшего количества органического вещества происходит в области энергетически более насыщенных красных лучей спектра. (В настоящее время установлено, что красная область солнечного спектра характеризуется наибольшим количество квантов энергии).
Итак, К.А.Тимирязев первый определил роль хлорофилла как химического и оптического сенсибилизатора, превращающего лучистую энергию в химическую энергию органических соединения, он получил точные спектры хлорофилла. Благодаря работам Тимирязева К.А. получила объяснение и зеленая окраска наземной растительности всего мира. Она выработалась в процессе эволюции как приспособительное свойство к поглощению энергии наиболее активных лучей солнечного спектра - красных лучей, ибо зеленый цвет, как дополнительный к красному лучше всего поглощает красные лучи спектра. Он доказал также экспериментально, что закон сохранения энергии приложим к растениям. Ему принадлежит честь заложения основ энергетики фотосинтеза. Им установлена избирательная способность хлорофилла интенсивно поглощать красные и синие лучи солнечного спектра, что было подтверждено исследователями нового поколения.
Современные этапы в изучении и познании фотосинтеза. В результате изучения и познания фотосинтеза прежде всего были решены вопросы о роли воды и судьбе СО2в процессе фотосинтеза.
В 1937 г. американский ученый Хилл изучил механизм участия воды. Он установил способность ее разложения в процессе фотолиза (реакция Хилла) происходящим при участии дегидраз. С помощью меченых атомов акад. Виноградов и Тейс (СССР), Рубен и Холин (США) в 1941 г. установили, что молекула О2, выделяется в атмосферу при фотолизе воды, а не разложении СО2, как думали раньше. Молекула СО2без структурного изменения включается в органический продукт фотосинтеза.
Непременным условием успешного процесса фотосинтеза является наличие процесса активации молекулы хлорофилла квантами солнечной энергии. Это явление было установлено Арноном. При поглощении кванта солнечной энергии хлорофилл возбуждается в месте сопряженных двойных связей в пирольной части молекулы. При этом происходит переход электрона на более высокий энергетический уровень, а молекула хлорофилла окисляется. Электрон переходит на систему цитохромов (синтезируется молекула АТФ - аденозинтрифосфорная кислота). При обратном переходе электрона молекула хлорофилла восстанавливается и вновь синтезируется молекула АТФ. В хлоропласте осуществляется процесс фотосинтетического фосфорилирования (рис. 166). В этот период не происходит синтеза органических веществ. Происходит световая фаза фотосинтеза, протекающая на поверхности тилакоидов в гранах хлоропласта. В этот же период происходит фотолиз молекулы воды, и кислород обогащает нашу атмосферу. Синтез органического вещества происходит в темновую фазу фотосинтеза. Эта стадия фотосинтеза осуществляется в строме (в межламмелярном пространстве) хлоропласта с затратой энергии АТФ, образующейся в темновую фазу фотосинтеза. Схематично этот процесс представлен на (рис. 167).
Первым продуктом фотосинтеза является фосфороглицериновая кислота. Работы М.Кальвина, проведенные с помощью меченого углерода Cl4, указывают на то, что СО2первоначально присоединяется к рибулозодифосфату. Присоединяя СО2, он дает две молекулы фосфоглицериновой кислоты. Последняя восстанавливается водородом воды и образует фосфоглицериновый альдегид, который частично превращается в фосфодиоксиацетон. Благодаря действию фермента альдолазы оба эти вещества, соединяясь, образуют молекулу фруктозофосфата, из которого далее синтезируется сахара и различные полисахариды.
Рибулозофосфат, являющийся акцептором СО2, образуется в результате ряда ферментативных превращений фосфоглицеринового альдегида, фосфодиоксиацетона и фруктозодифосфата.
Согласно М.Кальвину, процесс образования фосфоглицериновой кислоты из рибулозодифосфата и СО2носит циклический характер (цикл Кальвина) (рис. 168).
Фотосинтез определяют как процесс биологического преобразования зеленым растением электромагнитной (лучистой энергии) в химическую энергию. Этот процесс на земле является основным источником образования органического вещества из неорганических. Это единственный источник кислорода на нашей планете.
Ассимиляция углерода живыми организмами разнообразна. Фотосинтез - наиболее прогрессивная форма автотрофного типа ассимиляции, характерная для растений, обладающих зеленой окраской. У бесцветных бактерий ассимиляция представлена хемосинтезом (табл. 2).
studfiles.net
Обмен веществ в растении
Этим выражением (представляющим перевод немецкого термина Stoffwechsel — английские физиологи заменяют его термином метаболизм) обозначают совокупность превращений вещества, обуславливающих жизненную деятельность организма. Следует, прежде всего, различать процессы образования и процессы разрушения. В первых вещество утилизируется как таковое, т. е. в конечном результате служит для образования существенных частей растения — протоплазмы, твердого остова и т. д. В процессах второго рода вещество не утилизируется, как вещество; оно разрушается, причем освобождается скрытый в нем запас энергии, необходимой для поддержания жизненных процессов. Далее следует различать два физиологических типа растений: зеленые (содержащие хлорофилл) и растения, лишенные этого цвета — обширный класс грибов (куда с физиологической точки зрения необходимо отнести и бактерии [И небольшое число высших растений, лишенных зеленого цвета — см. ниже.]. Первые способны созидать органические вещества из простейших неорганических окислов — воды, углекислоты — веществ, не заключающих запаса энергии. Представители второй группы нуждаются в веществах, заключающих готовый запас химической энергии, и в этом смысле сходны с животными.
I. Процессы образования органического вещества.
А) В зеленых растениях. Вся совокупность относящихся сюда процессов обнимает поступление веществ, их усвоение и дальнейшее изменение в восходящем (в смысле усложнения, синтеза) и нисходящем порядке (в смысле разложения, упрощения состава). Процесс поступления веществ извне в растительный организм обуславливается физическими свойствами этих веществ. Пища растений рассматриваемой категории состоит из газов и кристаллоидов — веществ, частицы которых обладают подвижностью (способностью к диффузии), и в силу этой особенности сами проникают в морфологические элементы растения (клеточки). Этим объясняется коренное отличие растений от животных: растение может быть неподвижно, так как его пища подвижна; животное, по необходимости, подвижно, так как его пища неподвижна (состоит из коллоидов).
1) Усвоение и синтез веществ. Под усвоением веществ должно разуметь переход всех химических элементов из тех соединений, в виде которых они поступают извне, в ту форму их соединений, в которой они встречаются в растении; поэтому совершенно неверно применять термин ассимиляция или усвоение исключительно только к углероду, как это делают немецкие физиологи. Из многочисленных химических элементов, найденных в растении (около 35), существенными, т. е. такими, отсутствие которых несовместимо с нормальным ходом растительной жизни, должно считать следующие 10 [Значение одиннадцатого — хлора — еще не вполне выяснено.]. Так называемые органогены: углерод, водород, кислород, азот, представляющие основу органического вещества; затем серу и фосфор, входящие главным образом в состав белковых веществ, и, наконец, калий, магний, кальций и железо, встречающиеся в золе, но ближайшее отношение которых к органическому веществу растения нельзя считать выясненным. Высказанное положение — о необходимости этих десяти элементов для питания растения доказывается посредством так называемых искусственных культур, основная мысль которых заключается в замене сложной естественной среды искусственной — строго определенного состава — и удалении из неё, по одному, каждого из элементов в отдельности, причем нормальное или ненормальное развитие растения указывает, который из удаленных элементов следует признать существенным, который — несущественным. Самыми полными сведениями мы обладаем по отношению усвоения углерода и отчасти азота. Усвоение углерода. Элемент этот поступает в растение из воздуха, через листья, в форме угольного ангидрида — СО2. При участии хлорофилла листа и солнечного света, угольный ангидрид разлагается с выделением О2, а в растении (в хлорофилловом зерне) одновременно образуется углевод (крахмал или сахар). Предполагают, что одновременно с СО2 разлагается и вода, или, что все равно, разлагается не ангидрид, а углекислота по следующей схеме: СО.О + Н2О = СОН2 + О2 или СН2О3 = Ch3O + О2. Краткость промежутка времени между разложением углекислоты и появлением крахмала (иногда 5 минут), говорит в пользу предположения, что первым продуктом этого синтеза будет крахмал, но это нельзя считать доказанным. Так как диссоциация угольного ангидрида реакция эндотермическая, то она может совершаться не иначе, как при участии внешнего источника энергии. Этим источником является лучистая энергия солнца. Отсюда следует, что процесс усвоения углерода представляет собой не только процесс химического синтеза — превращения неорганического соединения углерода в органическое, но, в то же время, и процесс усвоения, складывания в запас, превращения в потенциальную форму, кинетической энергии солнечного луча. Этим запасом энергии пользуется отчасти само растение, но в еще большей мере животный мир. Таким образом, в этом процессе, совершающемся в хлорофилловом зерне, можно сказать, выражается космическая роль растения, как посредника между неорганическим и органическим миром, между солнцем и жизнью на земле. Роль хлорофилла, несомненно, физическая — он поглощает известные лучи света, за счет которых и происходит разложение углекислоты; но весьма вероятно, что вещество хлорофилла участвует в этой реакции и химически. Усвоение азота. Азот поступает в растения через корни, главным образом в форме азотнокислых, но может быть и аммиачных солей; сверх того, исследования последнего десятилетия показали, что некоторые растения (главным образом бобовые), снабженные особого рода желвачками на своих корнях, способны усваивать и свободный азот. Образование этих желвачков и связанная с их присутствием способность усваивать свободный азот зависит от заражения корней известным бактериальным организмом (Bacterium radicicola), но где и как происходит самый процесс усвоения — еще не выяснено; достоверно только то, что при наличности почвы, не содержащей соединений азота, бактерий и зараженного ими растения, это последнее развивается нормально, не имея другого источника азота кроме свободного азота атмосферы [В самое недавнее время удалось доказать усвоение атмосферного азота чистыми культурами Bact. radicicola, т. е. без участия бобового растения.]. Неизвестно также, где и как образуются самые сложные азотистые вещества — белковые; достоверно только то, что в бесчисленных опытах искусственных культур первоначальным материалом для них служат углероды, образующиеся в хлорофилловом зерне, и азотная кислота, поступающая через корни в форме селитры. Остальные элементы поступают в растение в форме солей из почвы, но где и как происходит их усвоение — достоверно неизвестно.
2) Распад веществ. Высшим продуктом синтеза являются белковые вещества, образующие главную основу протоплазмы. Обратно, все простейшие соединения, вероятно, могут являться продуктами распада, деградации белковых веществ. Таковы углеводы, жиры, амиды, органические кислоты и пр. Предполагают, что ближайшие продукты такого распада (углеводы и амиды) могут вновь воспроизводить (регенерировать) белки. Большая часть процессов распада, (самих белков и ближайших продуктов их распада — углеводов и жиров) представляют явления так называемого гидролиза, т. е. разложения, обуславливаемого фиксированием элементов воды, и происходит под влиянием ферментов (растворимых, неформенных), которые сами должны быть признаны за белковые вещества или их ближайшие производные. Рассматриваемое с такой общей точки зрения, белковое вещество протоплазмы представляется не только основным материалом, но является и главной причиной дальнейшего дифференцирования химического состава растения. Явления распада, вызываемые ферментом, могут быть воспроизведены и вне растения. Как происходят явления обратного порядка — неизвестно, и та роль, которая иногда приписывается в этом отношении клеточному ядру, не доказана. Эти процессы распада особенно ясно выступают в том периоде жизни, когда растение существует за счет готового запаса органического вещества, в периоде прорастания, где они и наилучше изучены. К числу выдающихся особенностей, отличающих зеленые растения от животных, должно отнести почти полное отсутствие образования отбросов (экскретов), что особенно характерно выступает по отношению к общему балансу азота. Между тем как животный организм выбрасывает значительные количества азота, в форме составных начал мочи, в зеленом растении, даже в тот период, когда процессы распада наиболее энергичны, абсолютное содержание азота почти не убывает.
В) В растениях не зеленых.
1) Усвоение и синтез. Главная особенность процесса образования вещества, характеризующая растения этой группы, заключается в том, что процесс этот не исходит из синтеза за счет кислородных неорганических соединений, как в зеленых растениях, а организм получает какое-либо вещество, заключающее готовый запас потенциальной энергии. Этим объясняется независимость этих растений от света — как внешнего источника энергии. Сюда относятся организмы, развивающиеся в благоприятной органической среде (заключающей готовые белки, углеводы, кислоты и другие органические вещества) — каковы грибы с включением бактерий и небольшое число высших, не зеленых растений. Частный случай этого явления представляют микроорганизмы, а равно и некоторые лишенные хлорофилла высшие растения, развивающиеся на других живых организмах (паразиты). Но жизнь организмов не зеленых может сопровождаться и несомненными синтетическими процессами. Так, например, дрожжевой грибок синтезирует белковое вещество своей протоплазмы из доставляемых ему углевода и аммиака; известны бактериальные организмы, синтезирующие свое органическое вещество из аммиака и углекислоты [Этот случай нередко ошибочно отождествляют с синтезом органического вещества в зеленом растении. Коренное различие заключается в том, что здесь не происходит разложение СО с выделением О2 и что утилизируется потенциальная энергия вещества (аммиака), а не живая сила солнечного луча] и другие, способные усваивать свободный азот.
2) Распад веществ. В растениях этой категории постоянно совершаются и реакции обратного порядка, нисходящие, т. е. образования из соединений сложных соединений более простых, что обнаруживается даже в более резкой степени при питании, например, за счет белковых веществ, когда из них, очевидно, образуются все остальные вещества: клетчатка, жиры и т. д. Этот процесс распада совершается у некоторых растений этой группы в размерах, не существующих у зеленых растений; продуктами его являются уже тела, не участвующие более в жизненном круговороте и, в относительно громадных количествах, выделяемые во внешнюю среду, чего, как указано выше, не встречается у растений зеленых. Но эти явления должны быть отнесены уже к процессам следующей категории.
II. Процессы разрушения.
А). У зеленых растений. Часть усвоенного этими растениями вещества не потребляется как вещество, а разрушается, окисляется кислородом воздуха, превращаясь в углекислоту и воду. Это процесс дыхания, одинаковый с процессом дыхания животных. В результате этого процесса является, следовательно, трата вещества; утилизируется же освобождающаяся при этом энергия, необходимая для поддержания деятельности организма — его роста, движения и т. д. Часть этой энергии обнаруживается в форме тепла, особенно резко проявляющегося при распускании почек, цветении и прорастании — вообще говоря в органах, богатых белковыми веществами (протоплазмой). Материалом, подвергающимся окислению, служат, по-видимому, углеводы и жиры. Новейшие исследования делают весьма вероятным, что этот окислительный процесс находится в зависимости от присутствия особого растворимого фермента — лакказа или оксидаза [Только что появившееся исследование Бухнера показывает, что и процесс спиртового брожения, аналогический дыханию (см. ниже), зависит от неорганизованного фермента].
В) У растений не зеленых. У растений этой категории наблюдается и настоящее дыхание, но, рядом с ним, у простейших грибов, например из дрожжевых, мукоровых и особенно у бактерий, встречаются иные процессы, которые должны быть признаны только равнозначащими дыханию, так как в результате их является трата вещества и освобождение энергии. Типическим представителем таких процессов является спиртовое брожение, заключающееся в распаде глюкозы на спирт и углекислоту. От процесса дыхания он отличается выделением углекислоты без поглощения кислорода. Подобный же процесс встречается и у зеленых растений при ненормальных условиях (в отсутствии кислорода). Так как при этом процессе освобождение углекислоты и тепла происходит в силу перемещения кислорода в самой частице вещества, вследствие чего один из продуктов оказывается более окисленным, а другой менее окисленным, чем первоначальное вещество, то некоторые немецкие физиологи предлагают называть этот процесс дыханием внутри частицы — интрамолекулярным дыханием. Этот процесс брожения менее выгоден для организма, чем дыхание: продукты его извергаются (как у дрожжей) и, следовательно, бесполезны, или не извергаются (как у зеленых растений) и тогда даже отравляют организм; количество же освобождающейся энергии меньше чем при дыхании, а, следовательно, трата вещества менее производительна. Так как значение этих обоих процессов заключается в утилизации растением скрытой в веществе потенциальной энергии, то мы вправе далее уподобить этим процессам дыхания и брожения и все, совершающиеся в организме, процессы, имеющие результатом освобождение энергии (всякий экзотермический процесс) — каковы окисления сероводорода, аммиака (при нитрификации) и солей закиси железа, наблюдаемые в соответствующих бактериях. Таким образом, деятельность низших организмов характеризуется разрушением в значительных размерах получаемого извне вещества и обильным выделением продуктов этого разрушения в явлениях брожения, гниения, нитрификации, заразных болезней высших организмов (животных и в меньшей степени растительных). Этим объясняется факт, что явления превращения вещества, обозначаемые этими терминами, были известны человеку, утилизировались им или составляли предмет его опасений задолго до той поры, когда было обнаружено самое существование этих микроорганизмов.
К. Тимирязев.
Источник: Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона на Gufo.megufo.me
