Пластический обмен. Фотосинтез — что это, определение и ответ

Пластический обмен (ассимиляция, анаболизм) – совокупность реакций синтеза сложных органических соединений в клетке.

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи. Гетеротрофная ассимиляция сводится, по существу, к перестройке молекул.

Органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) → пищеварение → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара) → биологические синтезы → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Автотрофные организмы способны самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды. Выделяют два вида автотрофного питания: фотосинтез и хемосинтез. В этих процессах образуются сначала простые органические молекулы, которые затем, в результате биологического синтеза, формируют сложные макромолекулы.

Неорганические вещества (углекислый газ, вода) → фотосинтез/хемосинтез → простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара) → биологические синтезы → макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Фотосинтез ‒ синтез органических соединений из неорганических за счёт энергии солнечного света.

  • Характерен для растений, цианобактерий и эвглены зелёной.

  • Ведущую роль в процессах фотосинтеза играют фотосинтезирующие пигменты, обладающие уникальным свойством ‒ улавливать свет и превращать его энергию в химическую.

  • Фотосинтезирующие пигменты представляют собой довольно многочисленную группу белковоподобных веществ. Главным является пигмент хлорофилл, встречающийся у всех фототрофов.

  • Фотосинтезирующие пигменты встроены во внутреннюю мембрану пластид у эукариот или во впячивания цитоплазматической мембраны у прокариот.

Схема фотосинтеза

Процесс фотосинтеза подразделяется на реакции, вызываемые светом, и реакции, связанные с фиксацией углерода. Их называют световой и темновой фазами.

1. Световая фаза – это этап, на котором энергия света, поглощенная хлорофиллом, преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов при участии белков-переносчиков и АТФ-синтетазы:

1. возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;

2. фотолиз (разложение) воды, происходящий при участии квантов света:

2Н2О → 4Н+ + 4е— + О2;

3. восстановление акцепторов электронов — НАДФ+ до НАДФ • Н

2Н+ + 4е— + НАДФ+ → НАДФ • Н.

Данный процесс происходит внутри тилакоидов — складках внутренней мембраны хлоропластов.

Важно! Происходит только на свету

Результатами световой фазы являются:

— фотолиз воды с образованием свободного кислорода,

— синтез АТФ,

— восстановление НАДФ+ до НАДФ • Н

2. Темновая фаза — процесс преобразования (фиксации) СО2 в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФ • Н.

  • Происходит в строме хлоропласта (пространстве между гранами).

  • Здесь происходит фиксация углекислого газа, из которого синтезируется глюкоза. Также реакции автотрофной фиксации углекислого газа называют циклом Кальвина. Реакция: СО2 + Н2О = C6H12O6.

  • СО2 и Н2О ‒ это простые вещества, поэтому соединить их вместе очень сложно. Нужно много энергии. Здесь происходит затрата АТФ из световой фазы и НАДФ-Н2.

Основные процессы темновой фазы:

Важно! Темновая фаза так названа, не потому что происходит ночью, а потому что ей не нужен свет. Ей нужны только СО2, вода и АТФ. Если все это имеется, она может идти и на свету, и в темноте.

Суммарное уравнение фотосинтеза

6СO2+6H2O+Свет → C6H12O6+6O2

(Углекислый газ + Вода + Свет = Углеводы (глюкоза) + Кислород)

Появление фотосинтеза сыграло большую роль в эволюции органического мира.

Значение фотосинтеза в природе

  1. В процессе фотосинтеза, кроме моносахаридов (глюкоза и др.), которые превращаются в крахмал и запасаются растением, синтезируются мономеры других органических соединений – аминокислоты, глицерин и жирные кислоты. Таким образом, фототрофы обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом.

  2. Атмосфера насыщается кислородом.

  1. Из атмосферы поглощается углекислый газ, который мог бы вызвать парниковый эффект (перегрев Земли).

Влияние появления фотосинтезирующих организмов на дальнейшую эволюцию жизни на Земле

  1. Фотосинтезирующие организмы создают питание для гетеротрофов, это способствовало эволюции животных.

  2. Накопление в атмосфере кислорода привело к возникновению кислородного дыхания – самого выгодного способа энергетического обмена.

  3. Возникновение озонового экрана уменьшило поток солнечной радиации, падающей на землю, и позволило организмам выйти из океана на сушу.

*Прочитайте темы “Пластический обмен. Хемосинтез” и выполните тестирование.

Возникновение жизни на Земле

Возникновение жизни на Земле

Вариант 1

Задание А .

Выбрать правильный ответ. (5 балов )

1. Первыми живыми организмами на Земле были:

А) анаэробные гетеротрофы Б) анаэробные автотрофы

В) аэробные гетеротрофы Г) аэробные автотрофы

2. Опыты Л.Пастера доказали возможность:

А) самозарождения жизни Б) появление живого только из живого

В) занесение «семян жизни» из космоса

Г) биохимической эволюции

3. Появление фотосинтеза привело :

А) к возникновению многоклеточности

Б) к возникновению бактерий

В) к накоплению кислорода в атмосфере

Г) к возникновению полового процесса

4. В соответствии с гипотезой А . Опарина :

А) жизнь переносится с планеты на планету

Б) жизнь появилась одновременно с появлением Земли

В) жизнь зародилась на Земле в водах первичного океана

Г) жизнь на Земле существует вечно

5. Согласно представлениям о возникновении живого из неживого в первичной атмосфере не было :
 А) водорода Б) кислорода В) метана Г) воды

Задание В .

Расположите события в порядке их возникновения

А. появление многоклеточности

Б. появление клеточной мембраны

В. появление ядра

Г. появление полового процесса

Д. появление аэробного дыхания

Задание С.

Выделяют 3 этапа возникновения жизни на Земле :

  1. Возникновение простых органических веществ (мономеров ) из неорганических

  2. Образование сложных органических веществ (полимеров)

  3. Образование первичных живых организмов (протобионтов )

Дайте характеристику первого этапа . Опишите условия , в которых он протекал . ( 10 балов )

Возникновение жизни на Земле

Вариант 2

Задание А .

Выбрать правильный ответ. (5 балов )

1.Первыми автотрофными организмами на Земле были :

А. анаэробные эукариоты Б. аэробные прокариоты

В. анаэробные прокариоты Г. аэробные эукариоты

2.Опыты Л. Пастера отвергли теорию:

А. появления живого из не живого

Б. появления живого только из живого

В. занесения «семян жизни» из космоса

Г. божественного творения

3.Появление фотосинтеза привело

А. к возникновению многоклеточности

Б. к возникновению бактерий

В. к возникновению полового процесса

Г. к возникновению аэробного дыхания

4.В соответствии с гипотезой Рихтера :

А. жизнь переносится с планеты на планету

Б. жизнь появилась одновременно с появлением Земли

В. жизнь зародилась на Земле в водах первичного океана

Г. жизнь на Земле существует вечно

5.Согласно представлениям возникновении живого из неживого первые живые организмы появились :

А. 6млрд лет назад Б. 4,6млрд лет назад

В. 3,5млрд лет назад Г. 2,6млрд лет назад

Задание В .

Расположите события в порядке их возникновения

А. появление аэробного дыхания

Б. появление клеточной мембраны

В. появление метаболизма

Г. появление многоклеточности

Д. появление полового процесса

Задание С.

Выделяют 3 этапа возникновения жизни на Земле :

1. Возникновение простых органических веществ (мономеров ) из неорганических

2. Образование сложных органических веществ (полимеров)

3. Образование первичных живых организмов (протобионтов )

Дайте характеристику второго этапа .Опишите теорию , происхождения протобиополимеров . ( 10 балов )

Возникновение жизни на Земле

Ответы на вопросы :

ВАРИАНТ 1

Задание А

1 – а 2 – б 3 – в 4 – в 5 – б

Задание В

Б Г Д В А

ВАРИАНТ 2

Задание А

1 – В 2 – А 3 – Г 4 – А 5 – В

Задание В

Б В Д А Г

Фотосинтез более древний, чем предполагалось, и большинство живых существ могут это делать

Вдохновленные переносом воды в натуральных листьях (на фото), исследователи создали синтетический «лист», изготовленный из микрофибры, который может генерировать энергию за счет испарения. Изображение предоставлено: pdphoto.org

Большинство современных бактерий произошли от предков, которые могли преобразовывать солнечную энергию в топливо более 3,5 миллиардов лет назад.

Фотосинтез – это процесс, при котором растения, водоросли и цианобактерии используют энергию Солнца для производства сахара из воды и углекислого газа, выделяя кислород в качестве побочного продукта. Но несколько групп бактерий осуществляют более простую форму фотосинтеза, не производящую кислород, которая возникла первой.

Новое исследование имперского исследователя предполагает, что эта более примитивная форма фотосинтеза развилась у гораздо более древних бактерий, чем предполагали ученые, более 3,5 миллиардов лет назад.

Сегодня фотосинтез поддерживает жизнь на Земле, высвобождая кислород в атмосферу и обеспечивая энергию для пищевых цепочек. Рост фотосинтеза, производящего кислород, позволил эволюционировать сложным формам жизни, таким как животные и наземные растения, около 2,4 миллиарда лет назад.

Однако первый тип фотосинтеза не производил кислород. Было известно, что он впервые появился примерно 3,5-3,8 миллиарда лет назад, но до сих пор ученые думали, что одна из групп бактерий, живущих сегодня, которые все еще используют этот более приматный фотосинтез, была первой, кто развил эту способность.

Но новое исследование показывает, что более древние бактерии, которых, вероятно, больше не существует сегодня, на самом деле были первыми, кто развил более простую форму фотосинтеза, и что эти бактерии были предками большинства современных бактерий.

«Картина, которая начинает складываться, заключается в том, что в первой половине истории Земли большинство форм жизни, вероятно, были способны к фотосинтезу», — сказал автор исследования доктор Танай Кардона с факультета наук о жизни Имперского колледжа Лондона.

Более примитивная форма фотосинтеза известна как аноксигенный фотосинтез, при котором в качестве топлива вместо воды используются такие молекулы, как водород, сероводород или железо.

Традиционно ученые предполагали, что одна из групп бактерий, которые до сих пор используют аноксигенный фотосинтез, развила эту способность, а затем передала ее другим бактериям с помощью горизонтального переноса генов — процесса передачи всего набора генов, в данном случае тех, требуется для фотосинтеза, неродственным организмам.

Однако доктор Кардона создала эволюционное дерево бактерий, проанализировав историю белка, необходимого для аноксигенного фотосинтеза. Благодаря этому он смог раскрыть гораздо более древнее происхождение фотосинтеза.

Вместо того, чтобы одна группа бактерий развивала способность и передала ее другим, анализ доктора Кардоны показывает, что аноксигенный фотосинтез развился до того, как большинство групп современных бактерий разветвились и диверсифицировались. Результаты опубликованы в журнале PLOS ONE.

«Практически каждая группа фотосинтезирующих бактерий, о которой мы знаем, в тот или иной момент была предложена в качестве первых изобретателей фотосинтеза», — сказал доктор Кардона. «Но это означает, что все эти группы бактерий должны были отделиться друг от друга до того, как развился аноксигенный фотосинтез, около 3,5 миллиардов лет назад». так что они все должны были быть в состоянии сделать это. На самом деле эволюция оксигенного фотосинтеза, вероятно, привела к исчезновению многих групп бактерий, способных к аноксигенному фотосинтезу, что вызвало диверсификацию современных групп».0003

Чтобы выяснить происхождение аноксигенного фотосинтеза, доктор Кардона проследил эволюцию BchF, белка, играющего ключевую роль в биосинтезе бактериохлорофилла а, основного пигмента, используемого в аноксигенном фотосинтезе. Особенностью этого белка является то, что он содержится исключительно в аноксигенных фотосинтезирующих бактериях, и без него невозможно образование бактериохлорофилла а.

Сравнивая последовательности белков и реконструируя эволюционное дерево BchF, он обнаружил, что он возник раньше большинства описанных групп бактерий, живущих сегодня.

Дополнительная информация: Танай Кардона и др. Происхождение бактериохлорофилла а и ранняя диверсификация фотосинтеза, PLOS ONE (2016). DOI: 10.1371/journal.pone.0151250

Предоставлено Имперский колледж Лондон

Цитата : Фотосинтез древнее, чем считалось, и большинство живых существ могут его осуществить (15 марта 2016 г.) получено 13 апреля 2023 г. с https://phys.org/news/2016-03-photogenesis-ancient-thought.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Запечатлено: момент, когда фотосинтез изменил мир

Все благодаря захваченным электронам

(Изображение: Том Бин/Corbis)

МИЛЛИАРДА лет назад крошечная цианобактерия расщепила молекулу воды и выпустила яд, который принёс смерть и разрушение в эпических масштабах. Микроб только что усовершенствовал фотосинтез — процесс, который освобождал кислород, захваченный водой, и убивал анаэробных обитателей ранней Земли.

Теперь геологи впервые нашли доказательства критической стадии эволюции, непосредственно предшествующей расщеплению воды цианобактериями. Находка предлагает уникальный снимок момента, который создал современный мир. С появлением фотосинтеза в атмосфере преобладал кислород и, в конечном счете, разнообразие форм жизни, которые мы знаем сегодня.

Впервые у нас есть свидетельство ключевой стадии, предшествовавшей фотосинтезу, как мы знаем, он развился

Реклама

«Это было самое большое изменение, которое когда-либо происходило в биосфере», — говорит Кевин Реддинг из Аризонского государственного университета в Темпе. «Вымирание, вызванное кислородом, было, вероятно, самым большим из когда-либо наблюдавшихся, но в то же время жизнь животных была бы невозможна без кислорода».

Фотосинтез использует свет и источник электронов для выработки энергии и питания организма. В мире, каким мы его знаем, источником электронов является вода, а кислород — отходы. Но нет никаких признаков того, что кислород образовывался, когда фотосинтез впервые появился около 3,4 миллиарда лет назад, поэтому ранние фотосинтезаторы, вероятно, поглощали электроны, вместо этого расщепляя другие молекулы, такие как сероводород.

Ситуация изменилась примерно 2,4 миллиарда лет назад, когда залежи окисленных минералов говорят нам о том, что в атмосфере начал накапливаться кислород. Фотосинтез в том виде, в каком мы его знаем, эволюционировал.

Чтобы выяснить, как это произошло, Вудворд Фишер из Калифорнийского технологического института в Пасадене и его коллеги изучили горные породы в Южной Африке, которые сформировались незадолго до отметки в 2,4 миллиарда лет. Их анализ показывает, что хотя породы образовались в бескислородных условиях, которые преобладали с момента образования Земли, весь марганец в породе отложился в окисленной форме.

В отсутствие атмосферного кислорода марганцу нужен какой-то катализатор, чтобы помочь ему окислиться — он не вступит в реакцию без небольшой помощи. Лучшее объяснение, по мнению команды Фишера, состоит в том, что фотосинтезирующий организм использовал марганец в качестве источника электронов. Это оставило нестабильные ионы марганца, которые реагировали с водой с образованием оксидов. Фишер представил результаты на конференции Американского геофизического союза в Сан-Франциско 6 декабря.

Каждый исследователь, с которым связался New Scientist высоко оценил значение исследования, отчасти потому, что доказательства в точности соответствуют предсказаниям эволюционных теорий.

При внимательном рассмотрении современных растений и водорослей видно, что окисление марганца по-прежнему является важной частью фотосинтеза. В их фотосинтетических структурах находятся богатые марганцем кристаллы, которые обеспечивают электроны для запуска фотосинтеза. Затем кристаллы захватывают электроны от проходящих молекул воды, чтобы восстановить их дефицит. Именно этот электронный рейд расщепляет молекулы воды и генерирует кислород, которым мы дышим.

У этого сложного процесса должны быть более простые корни. В 2007 году Джон Аллен из Лондонского университета королевы Марии и Уильям Мартин из Дюссельдорфского университета в Германии предложили один сценарий ( Nature , doi.org/bs65kb). Они считают, что современный фотосинтез зародился, когда ранние цианобактерии случайно попали в водную среду, богатую марганцем, и быстро адаптировались, чтобы воспользоваться преимуществами нового источника электронов.

Позже, поскольку марганец является относительно дефицитным ресурсом, который нельзя использовать бесконечно, цианобактерии развили другую стратегию. Они включали марганец непосредственно в свои фотосинтетические структуры и использовали его в качестве перезаряжаемой батареи. истощая его электроны, но позволяя пополнять его запасы за счет кражи электронов из другого, более обильного источника — воды.

То, что обнаружила команда Фишера, свидетельствует о начальном этапе этого процесса: бескислородная среда, богатая марганцем, который был лишен электронов и оставлен в окисленном состоянии, почти наверняка примитивными цианобактериями.