WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
PHOTOSYNTHESIS ФОТОСИНТЕЗ И БИОСФЕРА AND BIOSPHERE..

V. V. KLIMOV „‰‡‚ ‚ This paper considers the main steps of conversion Основным и практически неиссякаемым источand storage of solar ником энергии на поверхности Земли является energy in photosynthesis энергия солнечного излучения, постоянным потоand the role of this proком поступающая из космоса благодаря протеканию термоядерных реакций на ближайшем к нам cess in development of светиле – Солнце. Как показано на рис. 1, спектр biosphere of the Earth.

поступающего на Землю солнечного излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела, нагретого до 5900 К. Полный поток солнечно ‡ ‡ го излучения (измеренный за пределами земной ат‚ ‡ ·мосферы), приходящийся на единицу поверхности, ‡‚‡fl ‡‡‡fl нормальной к направлению на Солнце, близок к 1400 Вт/м2. Значительная часть этой энергии прихо „ дится на область видимого и ближнего инфракрас ного излучения (0,3 – 1,0 мкм) – фотосинтетически „ ‡ ‚ ‡‚ активную радиацию, эффективно поглощаемую пигментами, участвующими в фотосинтезе расте·.

ний и фотосинтезирующих бактерий.

Какая бы часть спектра этого излучения ни поглощалась на Земле, это в конечном счете приводит главным образом к нагреванию поверхности планеты и ее атмосферы, или же энергия вновь испускается в космическое пространство. Какова же роль фотосинтеза, фотосинтезирующих организмов в улавливании этой энергии Почему утверждают, что фотосинтез – это энергетическая основа биологических процессов, энергетический движитель развития биосферы Почему говорят как о фотоавтотрофии (то есть о питании за счет света) биосферы в целом, так и о фотоавтотрофии человечества, а жизнь на Земле называют космическим явлением прежде всего потому, что она существует и развивается за счет энергии, поступающей к нам из космоса – от ближайшего космического светила Как известно, фотосинтез растений заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии, в результате которого из простых веществ – углекислоты и воды – синтезируются углеводы и выделяется молекулярный кислород. В общем виде этот процесс можно описать следующим уравнением (рис. 2).

Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле, пожалуй, нет более удивительного процесса, который смог бы в такой степени преобразовать нашу планету.

Как следует из уравнения (рис. 2), на каждый ассимилированный в процессе фотосинтеза моль углекислоты запасается 114 ккал энергии. В чем же, ‹8, © ‚.., 2,2,1,OH2O O2, H2O 1,H2O H2O H2O H2O 0,H2O, COH2O, COH2O, CO0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,Длина волны, мкм Рис. 1. Интенсивность падающего на Землю солнечного излучения (H ) в зависимости от длины волны. Заштрихованные области соответствуют ненаблюдаемым на уровне моря участкам спектра из-за их поглощения указанными компонентами атмосферы. 1 – Солнечное излучение за границей атмосферы, 2 – солнечное излучение на уровне моря, 3 – излучение абсолютно черного тела при 5900 К. (Справочник по геофизике и космическому пространству. Под ред. С.Л. Валлея и Мак Гроу-Хилла, Нью-Йорк, 1965).

состоит достоинство запасания солнечной энергии вновь излучается в пространство ( для сложных оррастениями по сравнению с неорганизованной ганических молекул типа хлорофилла этот процесс (“нефотосинтезирующей”) системой Любое ве- происходит за 10- 8 – 10- 9 сек) и, следовательно, в вищество, поглощая квант солнечной энергии, пере- де возбужденных состояний энергия света может ходит в возбужденное состояние, что уже можно быть запасена лишь на незначительные доли секунрассматривать как преобразование энергии элект- ды. В результате же фотосинтеза энергия поглощенромагнитного излучения и ее запасание. Однако ного кванта света (или, лучше сказать, часть этой энергия электронного возбуждения очень быстро энергии) запасается надолго: от минут и часов до (за 10- 13 – 10- 11 сек) растрачивается на тепло или же сотен и даже миллионов лет (как это имело место, например, при образовании горючих ископаемых – Фотосинтез нефти, природного газа, каменного угля, торфа в результате разложения наземных и морских растеФотоокисление воды ний или животных). Но этим, конечно, не исчерпывается специфика фотосинтеза в использовании Свет солнечной энергии. Так, формирование горных 1(C H2O + CO2 O2 + -- H12O6) (+114 ккал/моль) ледников и озер тоже происходит за счет энергии Растения Солнца, идущей на испарение воды, и при этом тоже происходит запасание солнечной энергии на Ассимиляция (восстановление) COдлительное время. В связи с этим говорят об еще одном преимуществе фотосинтеза: запасание солнечДыхание ной энергии происходит в очень удобной для биологического использования форме – молекулярной, в виде богатых энергией связей, в основном в сахарах Рис. 2. Уравнение фотосинтеза кислородвыделяющих фотосинтезирующих организмов. и их производных, а также в аминокислотах, белках,.. H, Вт/м нм жирах, которые в любой необходимый момент мо- вследствие интенсивного сжигания ископаемого гут быть использованы растениями или “съевши- топлива, которое эквивалентно в настоящее время ми” их нефотосинтезирующими (гетеротрофными) 5 109 тонн углерода в год и увеличивается в среднем организмами для покрытия своих энергетических на 4,3% в год.

потребностей, для биосинтеза собственных высоНеобходимо отметить, что значительно большая комолекулярных соединений.

часть углерода содержится в виде карбонатов в осаМасштабы фотосинтетического преобразова- дочных породах – 5,5 1016 тонн, в живых (в основния и запасания солнечной энергии огромны: каж- ном леса) и отмерших организмах – 3,5 1012 тонн.



дый год за счет фотосинтеза на Земле образуется В мировом океане содержится в 60 раз больше углеоколо 200 млрд. тонн биомассы, что эквивалентно рода, чем в атмосфере (3,5 1013 тонн), что связано с энергии, равной 3 1021 Дж или 7,2 1020 кал. При очень высокой растворимостью СО2 в воде и обраэтом необходимо иметь в виду, что фотосинтез – зованием Н2СО3 и, следовательно, можно было бы единственный биологический процесс, протекаю- предположить, что незначительное дополнительщий с запасанием (с увеличением) свободной энер- ное поступление СО2 в результате сжигания искогии. Все остальные процессы, как в растениях, так и паемого топлива, которое составляет менее одного в животных, проходят за счет химической энергии, процента в год от содержания углекислого газа в атнакапливаемой в фотосинтезирующих организмах мосфере, не должно приводить к заметному увелив результате преобразования поглощенного солнеч- чению содержания СО2 в атмосфере. Однако в дейного света. Следовательно, практически вся живая ствительности лишь в верхних слоях океана, материя на Земле представляет собой прямой или содержащих лишь 1,5% всего углерода, растворенотдаленный результат фотосинтетической деятель- ного в воде, обмен углерода с атмосферой осущености растений, которые являются посредниками ствляется достаточно быстро (за 6 – 7 лет), тогда как между неиссякаемым источником энергии – Солн- для установления такого равновесия с глубинными цем и всем живым миром нашей планеты. Именно слоями океана требуется несколько тысячелетий.

поэтому мы говорим о фотоавтотрофии биосферы Вследствие этого сжигание ископаемого топлива в Земли, в том числе и о фотоавтотрофии человече- промышленном масштабе привело к увеличению ства. Население Земли ежегодно потребляет около содержания СО2 в атмосфере с 0,027% (в доиндуст1 млрд. тонн продуктов питания, что соответствует риальную эпоху) до 0,034% в настоящее время. Рас15 1018 Дж, если считать численность населения четы показывают, что к 2035 году содержание углеравной 5 млрд. человек. Следовательно, человечест- кислого газа в атмосфере удвоится, то есть будет во потребляет в виде органических веществ лишь составлять около 0,06%. Основным последствием около 0,5% всей энергии, запасаемой в результате этого, как считается, будет глобальное потепление фотосинтеза. Общее потребление энергии в миро- климата, обусловленное так называемым “тепличвом масштабе составляет 3 – 4 1020 Дж в год, то есть ным эффектом”, связанным с тем, что углекислый около 10% всей энергии, запасаемой за год благода- газ “прозрачен” для основной части солнечного ря фотосинтезу. Разведанные запасы ископаемого света, но задерживает (поглощает) тепловое (интоплива (нефти, газа, угля, торфа) по запасенной в фракрасное) излучение от нагретой Солнцем поних энергии соответствуют продукции фотосинте- верхности Земли. Увеличение концентрации СО2 в тической деятельности на Земле приблизительно за атмосфере в два раза может привести к повышению 100 лет, что эквивалентно также энергии, которая температуры поверхности Земли на 2 – 3° С, причем содержится во всей биомассе, находящейся в насто- оно будет минимальным в тропической зоне и макящее время на нашей планете. симальным в высоких широтах (8 – 11° C). Такое повышение температуры вызовет таяние льдов, особенно в Антарктиде, что может привести к по вышению уровня моря на 5 м и затоплению значиЕжегодная ассимиляция углекислого газа на тельной части суши. Поэтому возможность глоЗемле в результате фотосинтеза составляет около бального потепления климата становится сейчас 260 млрд. тонн, что эквивалентно 7,8 1010 тонн уг- проблемой всего человечества. Согласно Междуналерода, и это связывание углерода компенсируется родной конвенции, принятой в 1992 году, развитые выделением практически такого же количества СО2 индустриальные страны будут проводить политику в результате дыхания нефотосинтезирующих орга- ограничения промышленного выброса СО2 в атмонизмов. Количество СО2, вовлекаемого в цикл “фо- сферу, а также защиты и увеличения стоков и резертосинтез–дыхание”, составляет около 10% массы вуаров СО2, то есть растительности. Обсуждается углекислого газа в атмосфере, которая в 1980 году даже вопрос о том, что страны с повышенным выбыла эквивалентна 7,1 1011 тонн углерода. В то же бросом СО2 должны платить компенсацию странам, время до 1860 года атмосфера содержала лишь где потребление СО2 превышает его продукцию.

6,1 1011 тонн углерода в виде СО2, и это 15%-ное В этой связи необходимо отметить, что, согласно увеличение СО2 в атмосфере связывают прежде все- оценкам, проведенным российскими учеными, го с появлением дополнительного источника СО2 Россию, наряду с северными территориями Канады,, ‹8, можно отнести к странам с увеличенным потребле- Фотосинтетическое образование О2, сопровожнием СО2, что связано главным образом с “отстава- дающееся поглощением СО2, в сочетании с появивнием” минерализации органического вещества от шейся возможностью аэробного дыхания, при котофотосинтетической ассимиляции СО2 в условиях ром происходит обратный процесс – потребление переувлажненных почв на фоне невысоких темпе- О2, сопровождающееся освобождением СО2, приратур в северных областях нашей страны. Интерес- вело к образованию замкнутых циклов О2 и СО2, но отметить мнение академика А.Л. Яншина о том, имеющих глобальные масштабы. Сочетание этих что для России, более 50% территории которой рас- циклов позволяет восполнять содержание как СО2, положено в зоне вечной мерзлоты, повышение кон- так и О2, а их участие в едином цикле “фотосинтез– центрации СО2 и связанное с ним потепление кли- дыхание” обеспечивает постоянное поступление мата выгодно. При этом следует также учитывать, энергии в биосферу (см. рис. 2).





что двукратное повышение содержания СО2 в атмо3. Появление кислородвыделяющих организмов сфере приведет к 60%-ному повышению скорости привело к тому, что практически все процессы на фотосинтеза на Земле.

поверхности Земли приняли биогеохимический характер. Именно в этот период значительного повы шения О2 в атмосфере произошло окисление соединений железа, серы, марганца, причем на это ушло Приобретенная в процессе эволюции (более более 95% кислорода, выделенного фотосинтезиру2 млрд. лет назад) способность фотосинтезирующих ющими организмами за всю историю биосферы.

растений к выделению молекулярного кислорода в Атмосфера Земли до появления кислородвыделярезультате окисления воды (см. рис. 2) привела к ющих фотосинтезирующих организмов была разпоистине революционным преобразованиям на реженной и состояла главным образом из СО2 и Земле, из которых необходимо отметить следующие.

аммиака. По мере возрастания О2 в атмосфере значи1. Фотосинтезирующие организмы, а через их тельно увеличивается и содержание молекулярного посредство и вся живая природа, получили доступ к азота благодаря окислению аммиака. Сам процесс практически неиссякаемому и возобновляемому фотосинтеза, сопровождающийся образованием и источнику электронов, участвующих во всех био- запасанием органического вещества, привел к знаэнергетических процессах, – воде, что, естествен- чительному, более чем в 100 раз, уменьшению соно, привело к резкому возрастанию масштабов фо- держания СО2 в атмосфере.

тосинтеза и поступления энергии в биосферу. Ранее В результате первичная разреженная атмосфера фотоокислению могли подвергаться лишь восстапревратилась во вторичную плотную азотокислоновленные вещества типа H2S, представленные на родную оболочку Земли. Теперь солнечная и другие Земле в довольно ограниченном количестве.

виды космической радиации, прежде чем достичь 2. Продукт фотосинтетического окисления воды – поверхности, должны были фильтроваться через молекулярный кислород, содержание которого в мощный слой атмосферы. Кроме того, под действиатмосфере возросло в результате фотосинтеза пракем фотохимического процесса в верхних слоях аттически от нуля в древней атмосфере до 21% в намосферы двухатомный молекулярный кислород стоящее время, вызвал значительные изменения во превращается в трехатомную молекулу озона, имеювсей живой природе. Появление в атмосфере свощего интенсивное поглощение в области жесткого бодного О2 привело к массовой гибели существовавультрафиолета (0,2 – 0,3 мкм). В результате образоших тогда организмов, для которых такой сильный вавшийся озоновый экран стал задерживать наибоокислитель как кислород оказался сильнейшим лее опасную для живых организмов ультрафиолетоядом, поскольку он резко нарушал протекание биовую радиацию.

энергетических процессов. В то же время в резуль Таким образом, фотосинтез, основанный на тате длительной эволюции на фоне возрастающей концентрации О2 в атмосфере появились новые, аэ- окислении воды, благодаря возможности использоробные организмы, обратившие наличие О2 себе на вать воду в качестве субстрата стал мощным поставпользу. Они сумели включить его в свой метаболизм щиком энергии в биосферу, революционным обрав качестве эффективного конечного акцептора эле- зом обогатил биоэнергетику благодаря включению ктронов в дыхательной цепи. Это позволило под- О2 в метаболизм живых организмов, защитил жинять биоэнергетику на новый, значительно более вую материю от гибельного действия космической высокий уровень, так как в этом случае происходит радиации. Все это индуцировало мощное развитие более эффективное “сжигание” органики. Так, на- биологической материи на Земле, приведшее в копример, выход макроэргического эквивалента – нечном счете к появлению человека. И в настоящее аденозинтрифосфата (АТФ) на одну молекулу ис- время фотосинтез лежит в основе биологического ходной гексозы составляет две молекулы при мо- круговорота энергии и веществ на Земле, от маслочнокислом брожении и 36 – 38 молекул (то есть в штабов которого зависит и жизнь на нашей плане18 – 19 раз выше) при аэробном дыхании. те, и ее разнообразие и возможности.

.. а H CHC CHH Хлорофилл a Живая природа настолько рационально решает H3C C2HN N N N проблемы эффективного улавливания солнечной энергии, ее преобразования и запасания в удобной Mg Mg HH для биологического потребления форме, что до сих H3C N N N N пор не удается воспроизвести основные этапы фоCHтосинтеза в искусственных системах. Первичное H улавливание и преобразование энергии света при CH2 H фотосинтезе происходит с непременным участием H O хлорофилла, что было выявлено уже в классических CH2 COOCHработах К.А. Тимирязева, показавшего, что именно COOR R = C20Hта часть солнечного света, которая поглощается хлорофиллом, эффективно инициирует процесс фотосинтеза.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.