В чем космическая роль растений: В чём заключается космическая роль зелёных растений?

Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле / Справочник :: Бингоскул

Фотосинтез и его значение. Космическая роль фотосинтеза

Высшие растения, водоросли и некоторые бактерии — автотрофные организмы. Название типа питания в переводе с греческого означает «сам питаюсь». Углерод для создания органического вещества они берут из углекислого газа и бикарбонат-ионов НСО₃^—.

Фотосинтез —  это процесс преобразования энергии света в энергию химического связывания органических соединений при участии хлорофилла.

Фотосинтез происходит в хлоропластах, куда поступает углекислый газ и вода. Зеленый пигмент хлорофилл обеспечивает поглощение энергии света, необходимой для химических превращений. Растения в дальнейшем используют созданные молекулы простого углевода  для синтеза крахмала, жиров, и других веществ. Кислород выделяется в окружающую среду. Процессы, происходящие в хлоропластах, показаны

Вследствие фотосинтеза ежегодно образуется около 150 миллиардов тонн органического вещества и около 200 миллиардов тонн кислорода. Этот процесс обеспечивает углеродный цикл в биосфере, предотвращая накопление углекислого газа и, тем самым, предотвращая парниковый эффект и перегрев Земли. Органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза, частично потребляются другими организмами, большая часть которых за миллионы лет образовала залежи полезных ископаемых (уголь и бурый уголь, нефть).

Все чаще, в настоящее время рапсовое масло («биодизельное топливо») и спирт, полученный из растительных остатков, также начали использовать в качестве топлива. Озон образуется из кислорода при воздействии электрических разрядов, что создает озоновый экран, защищающий всю жизнь на Земле от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей. 

Рис.1. Фотосинтез

Как доказал русский ученый К. А. Тимирязев, фотосинтез невозможен без хлорофилла. Исследователь писал, что именно в зеленых листьях совершается процесс, связывающий жизнь на Земле с Солнцем, позволяющий всем на планете пользоваться общим источником энергии.

Значение фотосинтеза и космическая роль зеленых растений:

• Усвоение энергии света для создания органических соединений.
• Создание органической массы (177 млрд. т ежегодно), необходимой для животных и человека.
• Выделение кислорода в атмосферу Земли (около 450 млн. т в год).
• Поддержание концентрации СО₂ в воздухе на уровне 0,02–0,04%.
• Накопление энергии.
• Образование почвы.

Благодаря растениям поддерживается содержание молекул О₂ в атмосфере нашей планеты на уровне 21%. Над крупными городами, промышленными центрами, транспортными узлами воздух беднее кислородом, запылен, содержит больше углекислого газа, токсичных веществ.

Суть одного из важнейших процессов на Земле отражает химическое уравнение:

6Н₂О + 6СО₂ + энергия света → С₆Н₁₂О₆ + О₂

Световая и темновая фазы фотосинтеза.

Их взаимосвязь.

В 1905 году английский физиолог Ф. Блэкман обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться бесконечно, существуют ограничивающие её факторы. Исходя из этого, он предложил две фазы фотосинтеза:

1. Световая;
2. Темновая..

При низкой освещенности скорость световых откликов увеличивается пропорционально увеличению интенсивности света, и, помимо этого, эти реакции не зависят от температуры, поскольку для их прохождения не требуются ферменты. На тилакоидных мембранах осуществляются световые реакции.

Наоборот, скорость темновых реакций увеличивается с ростом температуры; однако при достижении температурного порога 30 ° C этот рост прекращается, что указывает на ферментативный характер этих превращений, которые происходят в строме. Также важно отметить, что свет тоже оказывает некоторое влияние на темновые реакции, несмотря на их название.

Световая фаза фотосинтеза происходит на тилакоидных мембранах, несущих несколько типов белковых комплексов, главными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В составе фотосистем находятся пигментные комплексы, в которых, помимо хлорофилла, присутствуют также каротиноиды. Каротиноиды захватывают свет в областях спектра, где нет хлорофилла, и помимо этого, защищают хлорофилл от повреждения интенсивным светом.

Помимо пигментных комплексов, фотосистемы также включают ряд акцепторных белков, последовательно переносящих электроны от молекул хлорофилла друг к другу. Последовательность этих белковых молекул называется цепью переноса электронов хлоропластов.

Особый комплекс белков непосредственно связан с фотосистемой II, обеспечивающей выделение кислорода при таком процессе как фотосинтез. Этот комплекс выделения кислорода содержит ионы марганца и хлора.

В световой фазе световые кванты или фотоны, падающие на молекулы хлорофилла, которые расположены на мембранах тилакоидов, переводят их в состояние возбуждения, характеризующееся более высокой энергией электронов. В этом случае возбужденные электроны из хлорофилла фотосистемы I передаются через цепочку посредников к водородному носителю НАДФ, который присоединяет протоны водорода, которые постоянно находятся в водном растворе:

• НАДФ + 2^e− + 2H⁺ → НАДФН⁺Н⁺.

Затем в темноте используется уменьшенный НАДФН⁺Н⁺. Электроны из хлорофилла фотосистемы II также переносятся по цепочке переноса электронов, но заполняют «электронные дыры» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II обусловлен выводом молекул воды при участии вышеупомянутых Кислородный комплекс развивается, наполняется. Разложение молекул воды, называемое фотолизом, производит протоны водорода и выделяет молекулярный кислород, который является побочным продуктом фотосинтеза:

• H₂O → 2H⁺ + 2^e− + ½ O₂↑.

Темная фаза —  это процесс преобразования углекислого газа в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с участием энергии АТФ и НАДФ •Н. 

Результат темновых реакций: превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо стромальных молекул глюкозы образуются аминокислоты, нуклеотиды и спирты.

Рис. 2. Световая и темновая фазы фотосинтеза

6СО₂ + 6Н₂О → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий

Хемосинтез является самым старым типом автотрофного питания, образованным еще во время эволюции до фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе, основным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтезирующие бактерии живут в местах, недоступных для других организмов: на больших глубинах, в бескислородных условиях. 

Хемосинтетические организмы не зависят от энергии солнечного света, ни как растения, ни как животные. Исключением являются бактерии, которые окисляют аммиак, поскольку последний выделяется в результате гниения органических веществ.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

• автотрофное питание,
• энергия накапливается в АТФ, а затем используется для синтеза органических веществ.

Отличия в хемосинтезе:

• источник энергии — различные окислительно-восстановительные химические реакции;
• характерен только для ряда бактерий и архей;
• клетки не содержат хлорофилла;
• в качестве источника углерода для синтеза органических веществ используются не только CO₂, но и окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH₃OH), уксусная кислота (CH₃COOH) и карбонаты.

Хемосинтезирующие организмы генерируют энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитритов и т.д. Как видите, используются неорганические вещества.

Хемосинтетические вещества подразделяются на группы в зависимости от окисляемого субстрата для производства энергии: железные бактерии, серные бактерии, археи, образующие метан, нитрифицирующие бактерии и т. д.

В хемосинтетических аэробных организмах кислород является акцептором электронов и водорода, т.е. он действует как окислитель.

Хемосинтезирующие организмы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, и способствуют плодородию почвы.

В группу хемосинтетических организмов (хемотрофов) в основном входят бактерии: нитрифицирующие, сернистые, черные и т. д., использующие энергию окисления ионов азота, серы и железа. В этом случае донором электронов является не вода, а другие неорганические вещества.

Таким образом, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, образующийся из атмосферного азота, от азотфиксирующих бактерий до нитритов и нитратов:

• 2NH₃ + 3О₂→ 2HNO₂ + 2Н₂О + 663 кДж,
• 2HNО₂ + О₂→2HNО₃ + 192 кДж.

Серобактерии производят окисление сероводорода до серы и, в некоторых случаях, до серной кислоты:

• H₂S + О₂→ 2Н₂О + 2S + 272 кДж,
• 2S + 3О₂ + Н₂О → H₂SО₄ + 483 кДж.

Железобактерии производят окисление солей железа: 

• 4FeCО₃ + О₂ + 6Н₂О → 4Fe(OH)₃ + 4СО₂ + 324 кДж.

Водородные бактерии имеют способность окислять молекулярный водород:

• 2Н₂ + О₂→ 2Н₂О + 235 кДж.

Углекислый газ действует как источник углерода для синтеза органических соединений во всех автотрофных бактериях.

Хемосинтезирующие бактерии играют наиболее значительную роль в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в течение их жизни образовались отложения многих минералов. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть производителями, а также делают доступными для растений и других организмов ряд неорганических веществ.

_{Источник изображения:
Рис. 2 — Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.}

Смотри также:

• Обмен веществ и превращения энергии – свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание
• Генетическая информация в клетке

Фотосинтез. Космическая роль растений — презентация онлайн

Похожие презентации:

Фотосинтез. 9 класс

Фотосинтез. Фазы фотосинтеза

Фотосинтез и хемосинтез 10 класс

Фотосинтез. История изучения вопросв фотосинтеза

Фотосинтез. Фотолиз воды

Обеспечение клеток энергией. Фотосинтез

Фотосинтез. Фазы фотосинтеза

Фотосинтез. Общее уравнение фотосинтеза

Анаболизм. Автотрофное питание. Фотосинтез. Строение хлоропласта

Биосинтез углеводов. История открытия фотосинтеза

1. Фотосинтез

Д/З § 11 вопросы.
(записи в тетради)
9 класс
учитель биологии МКОУ СОШ № 10
Бурнатова Л. А.

2. Космическая роль растений

1. Выделение в окружающую среду
кислорода – обеспечивает
существование всего живого на Земле.
2. Препятствует увеличению
концентрации углекислого газа в
атмосфере, предотвращая перегрев
Земли (парниковый эффект).
3. Образование кислородно-озонового
экрана, который защищает живое от
губительного УФ-излучения.

3. Фотосинтез – процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды при помощи энергии Солнца.

Условия необходимые для процесса
фотосинтеза:
1. Энергия Солнца.
2. Наличие воды и углекислого газа.
3. Наличие специфических органоидов,
содержащих свет-пигменты, т.е.
хлорофилл.

4. Строение хлоропластов

Имеет форму двояковыпуклой линзы. Размер
5-10 мкм и содержит зеленый пигмент –
хлорофилл.
Стенка состоит из двух мембран:
Наружная (1)
Внутренняя (2)
Внутри находится бесструктурное
содержимое – строма (3), в которой
внутренняя мембрана образует особые
уплощенные пузырьки – тилакоиды (6).
Тилакоиды собраны в граны – стопки
тилакоидов (5).
В мембранах пузырьков содержится пигмент
хлорофилл и др. пигменты, где и
протекает световая фаза фотосинтеза. А в
строме –темновая фаза.
Тилакоиды хлоропластов поглощают
солнечный свет.
Хлорофилл поглощает красный и синефиолетовый цвета солнечного спектра, а
зелёный отражается.
Н2О и СО2
Обеспечивает работу
хлорофилла
Сырье для
производства
углеводов

6. Этапы фотосинтеза:

Критерии сравнения
Световая фаза
Темновая фаза
Протекает в
Тилакоидах
хлоропластов
Стромах
хлоропластов
Энергия hv
Захваченные кванты
света используются
для образования
богатых энергией
молекул АТФ и
фотолиза воды.
Используется энергия,
запасенная во время
световой фазы.
6 СО2 + 24Н+ →
С6Н12О6 + 6СО2
фотолиз
2Н2О→
Образуются
Молекулы АТФ, О2,
ионы Н+
Суммарное
уравнение
6Н2О + 6СО2 hv → С6Н12О6 + 6О2↑
4Н++
4é + О2↑
Молекулы глюкозы из
СО2 и ионов Н+

7.

Биологическое значение фотосинтеза:

Лежит в основе всей жизни на Земле –
газообмен.
Образование энергии в клетках (в форме
АТФ).
Образование органических веществ (белков,
жиров, углеводов, А.К., Н.К.).
Образует озоновый слой земли, который
удерживает УФ-излучения Солнца.
Образование энергетических ресурсов: уголь,
нефть, торф.

English    
Русский
Правила

Исследование космической среды на состояние растений: Действие космического излучения

• Ле Диске, Изабель

;

• Карнеро Диас, Эжени

;

• Вальбуэна Креспо, Мигель

;

• Переда-Лот, Вероника

Аннотация

Проведенные к настоящему времени космические полеты показали, что живые организмы способны при определенных относительно хорошо контролируемых условиях жить в течение нескольких месяцев в космических аппаратах на низкой орбите. В контексте освоения космоса на Марсе продолжительность космических полетов будет увеличиваться от 2 до 3 лет. В этой связи важно спроектировать и создать систему жизнеобеспечения, в которой растения играют решающую роль в качестве источника пищи, обновления воздуха и переработки отходов. Двумя основными проблемами, связанными с космическим полетом, являются эффекты радиации и микрогравитации. на живые организмы, а по мере увеличения продолжительности космических полетов дозы облучения и время пребывания в условиях микрогравитации будут увеличиваться. Поэтому важно изучить действие этих факторов на развитие растений. Одной из характеристик космической радиации является хроническое облучение в малых дозах. Основным эффектом малых доз радиации является образование свободных радикалов и повреждение ДНК. Затем клетки останавливают клеточный цикл и запускают механизмы репарации ДНК. Если восстановление неполное, это может привести к мутациям или гибели клеток. Растения имеют важное постэмбриональное развитие. Действительно, растущие верхушки растений содержат меристематические клетки, которые постоянно производят ткани. Эти клетки остаются активными на протяжении всей жизни растения и особенно подвержены воздействию факторов окружающей среды, которые вызывают повреждение ДНК и мутации. Воздействие радиационного облучения на растения можно описать с точки зрения краткосрочных эффектов и долгосрочных рисков. Здесь мы изучали кратковременную адаптацию растений к радиации в период их раннего вегетативного развития. Растения Arabidopsis thaliana подвергались воздействию низкой дозы хронического излучения (0,4 мГр/день) и искусственной микрогравитации (10–4 г) с использованием машины случайного позиционирования (RPM). Морфометрический анализ, исследование окислительного стресса и характеристика клеточного цикла были проведены на верхушках корней проростков, подвергавшихся в течение 6 дней воздействию радиации и/или искусственной микрогравитации. Космос — сложная и новая среда, к которой растения должны адаптироваться. Это исследование способствует лучшему пониманию влияния краткосрочной космической среды на вегетативное развитие растений, а также взаимодействия между радиацией и микрогравитацией при адаптации растений к этой новой среде.

Публикация:

42-я Научная ассамблея КОСПАР

Дата публикации:

июль 2018 г.

Биб-код:

2018cosp…42E1960L

Первое: Ученые выращивают растения в почве с Луны — Новости

Ученые вырастили растения в почве с Луны, впервые в истории человечества и вехой в изучении Луны и космоса.

В новой статье, опубликованной в журнале Communications Biology, исследователи Университета Флориды показали, что растения могут успешно прорастать и расти в лунном грунте. В их исследовании также изучалось, как растения биологически реагируют на лунную почву, также известную как лунный реголит, которая радикально отличается от почвы, найденной на Земле.

Эта работа — первый шаг к однодневному выращиванию растений для еды и кислорода на Луне или во время космических полетов. Более того, это исследование связано с тем, что программа Артемиды планирует вернуть людей на Луну.

«Artemis потребует лучшего понимания того, как выращивать растения в космосе», — сказал Роб Ферл, один из авторов исследования и выдающийся профессор садоводческих наук в Институте пищевых и сельскохозяйственных наук UF (UF/IFAS).

Даже в первые дни исследования Луны растения играли важную роль, говорит Анна-Лиза Пол, также один из авторов исследования и профессор-исследователь садоводческих наук в UF/IFAS.

«Растения помогли установить, что образцы почвы, доставленные с Луны, не содержали патогенов или других неизвестных компонентов, которые могли бы нанести вред земной жизни, но эти растения были только покрыты лунным реголитом и на самом деле никогда не выращивались в нем», — сказал Пол. .

Пол и Ферл — всемирно признанные эксперты в области изучения растений в космосе. Через Лабораторию космических растений UF они отправили эксперименты на космических челноках, на Международную космическую станцию ​​​​и в суборбитальные полеты.

«Для будущих более длительных космических миссий мы можем использовать Луну в качестве центра или стартовой площадки. Логично, что мы хотели бы использовать уже существующую почву для выращивания растений», — сказал Ферл. «Итак, что происходит, когда вы выращиваете растения в лунной почве, что полностью выходит за рамки эволюционного опыта растений? Что будут делать растения в лунной оранжерее? Можем ли мы иметь лунных фермеров?»

Чтобы начать отвечать на эти вопросы, Ферл и Пол разработали обманчиво простой эксперимент: посадите семена в лунную почву, добавьте воду, питательные вещества и свет и запишите результаты.

Сложность: у ученых было всего 12 граммов — всего несколько чайных ложек — лунного грунта для проведения этого эксперимента. Эта почва, предоставленная НАСА, была собрана во время миссий Аполлона 11, 12 и 17 на Луну. Пол и Ферл трижды в течение 11 лет обращались за возможностью поработать с лунным реголитом.

Небольшое количество почвы, не говоря уже о ее неисчислимом историческом и научном значении, означало, что Полу и Ферлу пришлось разработать мелкомасштабный, тщательно спланированный эксперимент. Чтобы вырастить свой крошечный лунный сад, исследователи использовали лунки размером с наперсток в пластиковых чашках, обычно используемых для культивирования клеток. Каждый колодец функционировал как горшок. Заполнив каждый «горшочек» примерно граммом лунной почвы, ученые увлажнили почву питательным раствором и добавили несколько семян арабидопсиса.

Arabidopsis широко используется в науках о растениях, потому что его генетический код был полностью картирован. Выращивание арабидопсиса в лунной почве позволило исследователям лучше понять, как почва влияет на растения, вплоть до уровня экспрессии генов.

В качестве точек сравнения исследователи также посадили арабидопсис в АО-1А, земное вещество, которое имитирует настоящую лунную почву, а также моделирует марсианские почвы и земные почвы из экстремальных условий. Растения, выращенные на этих нелунных почвах, были контрольной группой эксперимента.

Перед экспериментом исследователи не были уверены, прорастут ли семена, посаженные в лунную почву. Но почти все так и сделали.

«Мы были поражены. Мы этого не предвидели», — сказал Пол. «Это говорит нам о том, что лунные почвы не прерывают гормоны и сигналы, участвующие в прорастании растений».

Однако со временем исследователи заметили различия между растениями, выращенными в лунном грунте, и контрольной группой. Например, некоторые из растений, выращенных в лунных грунтах, были меньше, росли медленнее или отличались большим разнообразием размеров, чем их собратья.

Все это физические признаки того, что растения работают, чтобы справиться с химическим и структурным составом лунной почвы, объяснил Пол. Это было дополнительно подтверждено, когда исследователи проанализировали паттерны экспрессии генов растений.

«На генетическом уровне растения использовали инструменты, обычно используемые для борьбы со стрессорами, такими как соль и металлы или окислительный стресс, поэтому мы можем сделать вывод, что растения воспринимают среду лунного грунта как стрессовую», — сказал Пол. «В конечном счете, мы хотели бы использовать данные об экспрессии генов, чтобы помочь решить, как мы можем улучшить реакцию на стресс до уровня, при котором растения, особенно зерновые, могут расти в лунной почве с очень небольшим воздействием на их здоровье».

То, как растения реагируют на лунную почву, может быть связано с тем, где была собрана почва, сказали Ферл и Пол, которые сотрудничали в исследовании со Стивеном Элардо, доцентом кафедры геологии Университета Флориды.

Например, исследователи обнаружили, что растения с наибольшим количеством признаков стресса были выращены в том, что лунные геологи называют зрелой лунной почвой.