Самостійна робота № 2

Тема: Клітинне дихання. Фотосинтез, хемосинтез, їх значення.

План

1. Фотосинтез його роль у природі. Історія вивчення фотосинтезу.

2. Хемосинтез.

3. Клітинне дихання.

1. Фотосинтез його роль у природі.

На відміну від людини й тварин, усі зелені рослини й частина бактерій здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних. Такий тип обміну речовин називають автотрофним. Залежно від виду енергії, яку автотрофи використовують для синтезу органічних молекул, їх поділяють на фототрофи та хемотрофи. Фототрофи використовують енергію сонячного світла, а хемотрофи – хімічну енергію, що вивільняється при окисненні ними різних неорганічних сполук.

Зелені рослини є фототрофами. Їхні хлоропласти містять хлорофіл, що дозволяє рослинам здійснювати фотосинтез – перетворення енергії сонячного світла в енергію хімічних зв’язків синтезованих органічних сполук.

Упродовж тисячоліть люди вважали, що рослина живиться тільки завдяки кореням, поглинаючи з їхньою допомогою всі необхідні речовини із грунту. Перевірити цю точку зору взявся на початку ХІХ століття голландський натураліст Ян ван Гельмонт. Він зважив землю в горщику й посадив туди пагін верби. Упродовж п’яти років учений поливав деревце, а потім висушив землю зважив її у рослину. Верба важила 75 кілограмів, а вага землі змінилася всього на кілька сотень грамів. Висновок ученого був такий: рослини отримують поживні речовини насамперед не з грунту, а з води.

На два століття в науці затвердилася теорія водного живлення рослин. Листя, за цією теорією, лише допомагало рослині випаровувати зайву вологу.

Наприкінці ХVІІІ століття англійський учений Джозеф Прістлі повідомив, що він «випадково виявив метод виправлення повітря, яке було зіпсоване горінням свічок». 17 серпня 1771 року Прістлі «...помістив живу гілочку м’яти в закриту посудину, у якій горіла висока свічка», а 21 числа того ж таки місяця виявив, що «...інша свічка знову могла горіти в цій самій посудині». «Виправним початком, яким для цих цілей користується природа, - думав Прістлі, - була рослина». Він розширив свої спостереження й незабаром показав, що повітря, «яке виправляла» рослина, не було «зовсім не підходящим для миші».

Досліди Прістлі вперше дозволили пояснити, чому повітря на Землі залишається «чистим» і може підтримувати життя, незважаючи на горіння сили-чиленної вогнів і дихання безлічі живих організмів. Він говорив: «Завдяки цим відкриттям ми впевненні, що рослини ростуть не дарма, а очищають і облагороджують нашу атмосферу».

Пізніше голландський лікар Ян Інгенхауз (1730 – 1799) підтвердив досліди Прістлі й показав, що повітря «виправляється» тільки на сонячному світлі й тільки зеленими частинами рослин.

У 1796 році Інгенхауз припустив, що вуглекислота розкладається при фотосинтезі на С і О₂, а О₂ виділяється у вигляді газу. Пізніше було виявлено, що співвідношення атомів вуглецю, водню й кисню в цукрах та крохмалі таке, що один атом вуглецю припадає на одну молекулу води, на що й указує слово «вуглеводи». Вважалося загальноприйнятим, що вуглеводи утворюються із С та Н₂О, а О₂ виділяється з вуглекислоти. Ця цілком розумна гіпотеза була визнана багатьма вченими, але, як з’ясувалося пізніше, вона була зовсім невірною.

Дослідником, який спростував цю загальноприйняту теорію, був Корнеліус ван Ніль зі Стенфордського університету, коли він, будучи ще студентом-дипломником, досліджував метаболізм різних фотосинтетичних бактерій. Одна група таких бактерій, а саме: пурпурові сірчані бактерії, відновлює С до вуглеводів, але не виділяє О₂. Пурпуровим сірчаним бактеріям для фотосинтезу потрібен сірководень. У результаті фотосинтезу всередині бактеріальних клітин накопичуються частинки сірки. Ван Ніль виявив, що для цих бактерій рівняння фотосинтезу може бути записане так:

СО₂ + 2H₂S (CH₂O) + H₂O – 2S.

Цей факт не привертав уваги дослідників доти, доки ван Ніль не зробив сміливого повідомлення й не запропонував такого сумарного рівняння фотосинтезу:

CO₂ + 2H₂A (CH₂O) + H₂O + 2A.

У цьому рівнянні Н₂А являє собою або воду, або іншу окиснювану речовину, наприклад сірководень або вільний Н₂. У зелених рослин і водоростей Н₂А = Н₂О.

Сьогодні відомо, що фотосинтез проходить дві стадії, але тільки одна з них – на світлі. Докази двостадійнисті процесу вперше отримав у 1905 році англійський фізіолог рослин Ф. Ф. Блеклін, який досліджував вплив освітленості й температури на обсяг фотосинтезу.

На підставі експериментів Блеклін зробив такі висновки:

1. Є одна група світлозалежних реакцій, які не залежать від температури. Обсяг цих реакцій у діапазоні низьких освітленостей міг зростати зі збільшенням освітленості, але не зі збільшенням температури.

2. Є друга група реакцій, що залежить від температури, а не від світла. З’ясувалося, що обидві групи реакцій потрібні для здійснення фотосинтезу. Збільшення обсягу тільки однієї групи реакцій збільшує обсяг усього процесу, але тільки до того моменту, доки друга група обсяг усього процесу, але тільки до того моменту, доки друга група реакцій не почне стримувати першу. Після цього слід прискорити другу групу реакцій, що перші могли протікати без обмежень.

Таким чином, було показано, що обидві стадії світлозалежні: «світлова й темнова». Важливо пам’ятати, що темнові реакції нормально проходять на світлі й мають в продуктах світлової стадії. Вираз «темнові реакції» означає, що світло як таке участі в них не бере.

Процес фотосинтезу все більше й більше привертає до себе увагу вчених. Наука близька до розв’язання найважливішого питання: штучного створення за допомогою світлової енергії цінних органічних речовин із широко розповсюджених неорганічних речовин. Проблему фотосинтезу посилену розробляють ботаніки, хіміки, фізики та інші фахівці.

Фотосинтез – це єдиний процес у біосфері, що веде до збільшення її вільної енергії за рахунок зовнішнього джерела. Запасена в продуктах фотосинтезу енергія – це основне джерело енергії для людства. Щорічно в результаті фотосинтезу на Землі утворюється 150 млрд., тонн органічної речовини й виділяється близько 200 млн., тонн вільного кисню.

Кругообіг кисню, вуглецю та інших елементів, що беруть участь у фотосинтезі, підтримує сучасний склад атмосфери, необхідний для життя на Землі. Фотосинтез перешкоджає збільшенню концентрації СО₂, запобігаючи перегріванню Землі внаслідок так званого «парникового ефекту».

Оскільки зелені рослини являють собою безпосередню або опосередковану базу живлення всіх інших гетеротрофних організмів, фотосинтез задовільняє потребу в їжі всього живого на нашій планеті. Фотосинтез – найважливіша основа сільського й лісового господарства.

Важливий внесок у вивчення фотосинтезу зробив К.А. Тимірязєв.

Климент Аркадійович Тимірязєв народився в Петербурзі у 1843 році. У 1861 році він вступив до Петербурзького університету на камеральний факультет, потім перейшов на фізико-математичний, курс якого закінчив у 1866 році зі ступенем кандидата й був удостоєний золотої медалі за працю «Про печінкові мохи».