АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

I. Абиотические факторы

К числу абиотических факторов относят климатические условия, которые в различных частях земного шара тесно связаны с деятельностью Солнца.

Солнечный свет является основным источником энергии, которая используется для всех жизненных процессов на Земле. Благодаря энергии солнечных лучей в зеленых растениях происходит фотосинтез, в результате которого обеспечивается питание всех гетеротрофных организмов.

Солнечное излучение неоднородно по своему составу. В нем различают инфракрасные (длина волны более 0,75 мкм), видимые (0,40,— 0,75 мкм) и ультрафиолетовые (менее 0,40 мкм) лучи. Инфракрасные лучи составляют около 45 % лучистой энергии, достигающей Земли, и являются главным источником тепла, поддерживающего температуру окружающей среды. Видимые лучи составляют около 50 % лучистой энергии, которая особенно необходима растениям для процесса фотосинтеза, а также для обеспечения видимости и ориентации в пространстве всех живых существ. Хлорофилл поглощает преимущественно оранжево-красные (0,6—0,7 мкм) и сине-фиолетовые (0,5 мкм) лучи. Растения используют на фотосинтез менее 1 % солнечной энергии; остальная ее часть рассеивается в виде тепла или отражается.

Большая часть ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 0,29 мкм задерживается своеобразным «экраном» — озоновым слоем атмосферы, который образуется под воздействием этих же лучей. Это излучение является губительным для живого. Ультрафиолетовые лучи с большей длиной волны (0,3—0,4 мкм) достигают поверхности Земли и в умеренных дозах оказывают благоприятное воздействие на животных — стимулируют синтез витамина В, пигментов кожи (загар) и др.

Большинство животных способны воспринимать световые раздражения. Уже у простейших начинают появляться светочувствительные органоиды («глазок» у эвглены зеленой), с помощью которых они способны реагировать на световое воздействие (фототаксисы). Почти все многоклеточные имеют разнообразные светочувствительные органы.

По требовательности к интенсивности освещения различают светолюбивые, теневыносливые и тенелюбивые растения.

Светолюбивые растения могут нормально развиваться только при интенсивном освещении. Они широко распространены в сухих степях и полупустынях, где растительный покров редкий и растения не затеняют друг друга (тюльпан, гусиный лук). К светолюбивым растениям относятся и хлебные злаки, растения безлесных склонов (чабрец, шалфей) и др.

Теневыносливые растения лучше растут при прямом освещении солнечными лучами, однако способны выносить и затенение. Это в основном лесообразующие породы (береза, осина, сосна, дуб, ель) и травянистые растения (зверобой, земляника) и др.

Тенелюбивые растения не выносят прямого солнечного излучения и нормально развиваются в условиях затенения. К таким растениям относятся лесные травы — кислица, мхи и др. При вырубке леса некоторые из них могут погибать.

Ритмические изменения активности светового потока, связанные с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, заметно отражаются на живой природе. Продолжительность светового дня неодинакова в различных частях земного шара. На экваторе она постоянна на протяжении всего года и равна 12 ч. По мере передвижения от экватора к полюсам длительность светового дня изменяется. В начале лета световой день достигает максимальной длины, затем постепенно уменьшается, в конце декабря становится самым коротким и снова начинает увеличиваться.

Реакция организмов на продолжительность светового дня, выражающаяся в изменении интенсивности физиологические процессов, называется фотопериодизмом. С фотопериодизмом связаны основные приспособительные реакции и сезонные изменения у всех живых организмов. Совпадение периодов жизненного цикла с соответствующим временем года (сезонный ритм) имеет огромное значение для существования видов. Роль пускового механизма сезонных изменений (от весейнего пробуждения до зимнего покоя) играет длина светового дня, как наиболее постоянное изменение, предвещающее смену температур и других экологических условий. Так, увеличение длины светового дня стимулирует дея­тельность половых желез у многих животных и определяет начало брачного периода. Укорочение светового дня ведет к затуханию функции половых желез, накоплению жира, развитию пышного меха у животных, перелетам птиц. Аналогично у растений с удлинением светового дня связано образование гормонов, влияющих на цветение, оплодотворение, плодоношение, образование клубней и т. д. Осенью эти процессы затухают.

В зависимости от реакции на длину светового дня растения делят на длиннодневные, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 и более часов (рожь, овес, ячмень, картофель и др.), короткодневные, у которых цветение наступает, когда день становится коротким (менее 12 ч) (это растения преимущественно тропического происхождения — кукуруза, соя, ифосо, георгины и др.) и нейтральные, цветение которых не зависит от длины светового дня (горох, гречиха и др.).

На основе фотопериодизма у растений и животных в процессе эволюции выработались специфические изменения интенсивности физиологических процессов, периодов роста и размножения, повторяющиеся с годичной периодичностью, которые называются сезонными ритмами. Изучив закономерности суточных ритмов, связанных со сменой дня и ночи, и сезонных ритмов, человек использует эти знания для круглогодичного выращивания в искусственных условиях овощей, цветов, птиц, повышения яйценоскости кур и т. п.

Суточная ритмичность у растений проявляется в периодическом открытии и закрытии цветков (хлопчатник, лен, душистый табак), усилении или ослаблении физиологических и биохимических процессов фотосинтеза, скорости деления клеток и др. Суточные ритмы, проявляющиеся в периодическом чередовании активности и отдыха, характерны для животных и человека. Всех животных можно подразделить на дневных и ночных. Большинство из них проявляют наибольшую активность днем и лишь немногие (летучие мыши, совы, крыланы и др.) приспособились к жизни только в ночных условиях. Ряд животных постоянно обитают в полной темноте (аскарида, крот и др.).

У человека обнаружены суточные колебания свыше трехсот показателей. Так, температура тела выше в дневные часы, достигает максимального значения к 18 часам, а ночью снижается. Самый низкий уровень температуры наблюдается между 1 часом ночи и 5 часами утра. Артериальное давление днем выше, а ночью ниже. В дневное время свертываемость крови выше, в периферической крови увеличено содержание кровяных пластинок, эритроцитов, лейкоцитов, адреналина и др. У большинства людей наивысшая биоэлектрическая активность мозга наблюдается утром (с 8 до 12 часов) и вечером (между 17 и 19 часами). Людей, способных к наиболее активной работе утром, называют «жаворонками». Однако встречаются лица, наиболее высокая работоспособность которых приходится на вечерние и даже ночные часы (их называют «совами»). Большинство людей может работать производительнее в дневное время суток, поэтому в ночные смены снижаются производительность труда и внимание, что приводит к повышению травматизма.

40 вопрос. Сущность и значение фотосинтеза

Синтезируемые в процессе фотосинтеза сахара почти сразу преобразуются в высокополимерные соединения – крахмал, накопленный в виде крахмальных зерен в хлоропластах и лейкопластах; одновременно часть сахаров выделяется из пластид и перемещается по растению в другие места. Сахар, преобразовавшийся в крахмал, тем самым на некоторое время выходит из дальнейших метаболических реакций; однако крахмал может вновь расщепляться до сахара, который окисляется и при этом обеспечивает клетку необходимой энергией.

Когда лучи соответствующей длины волны поглощаются хлоропластом, двуокись углерода химически восстанавливается до сахаров, а газоподобный кислород выделяется в объеме, равным восстановленному СО₂. Эти изменения противоположны по направлению изменениям, которые происходят в процессе дыхания. Таким образом, важная роль растений в балансе природы связана и с тем, что они возвращают кислород в атмосферу, который необходим для других организмов.

Обозначивши формулой (СН₂О) элементарную единицу молекулы углевода (молекула глюкозы С₆Н₁₂О₆ построена из шести таких единиц), мы можем записать общее выражение фотосинтеза:

Суммарное уравнение фотосинтеза в свое время предложил Ж-Б. Буссенго. Этот процесс В. Пфеффер в 1887 году назвал фотосинтезом.

В 1842 году Ю. Майер сформулировал закон сохранения и преобразования энергии. Не забыл он и зеленые растения. Он писал, что природа поставила своей задачей перехватить приходящий на Землю свет и преобразовать эту подвижнейшую из сил в твердую форму, сложив ее в запас. Для достижения этой цели она покрыла земную кору растениями. Однако ученые того времени не обратили внимания на это высказывание.

Экспериментальное доказательство о том, что процесс фотосинтеза подчиняется закону сохранения и преобразования энергии сделал К. А. Тимирязев в 1867 г. Он показал, что интенсивней всего фотосинтез происходит в тех лучах, которые максимально поглощаются специальным пигментом – хлорофиллом. Поглощенная хлорофиллом энергия света дальше используется на образование органического вещества в растении и выделении О₂.

Следовательно, фотосинтез – это процесс, связанный с накоплением света в растении, который собирается в органических веществах. Одновременно К. А. Тимирязев доказал ошибочность взглядов В. Пфеффера, Ю. Сакса и Г. Дрепера. Последние считали, что фотосинтез интенсивней всего идет в самых ярких для человеческого глаза желтых лучах, а не в тех, которые поглощаются хлорофиллом.

Таким образом, суммарное выражение фотосинтеза отражает суть процесса, который сводится к тому, что на свету в зеленом растении из очень окисленных веществ – углекислого газа и воды – синтезируются органические вещества и выделяется молекулярный О₂. В ходе этого синтеза происходит преобразование лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ.

Все компоненты системы, принимающие участие в фотосинтезе, содержат кислород, поэтому приведенное уравнение не говорит откуда берется выделяемый при фотосинтезе кислород: из СО₂или Н₂О. На протяжении многих лет биологи считали, что световая энергия тратится на расщепление молекулы СО₂ и перенос атома С на Н₂О с образованием (СН₂О). Однако наблюдение за фотосинтезирующими организмами пошатнули эти представления.

Биохимический путь у фотосинтезирующих микроорганизмах аналогичен соответствующим процессам у высших растений, но все же немного отличается от них. Так у бактерий имеется только одна пигментная система, а не две. Кроме того, бактерии отличаются от зеленых растений и по природе своих хлорофиллов. Они содержат бактериохлорофилл и (или) хлоробиумхлорофилл (chlorobium – хлорофилл). Фотосинтез у бактерий отличается и по природе световой стадии. У некоторых бактерий восстановитель образуется за счет части молекул АТФ, синтезируемых в световой фазе, при этом запускается обратный перенос электронов по дыхательной цепи (или по фотосинтетической цепи переноса электронов, в которой включены некоторые компоненты дыхательной цепи). У других бактерий восстановитель восстанавливается аналогично растениям, с той только разницей, что в качестве конечного источника электронов используется не вода, а другие доноры электронов. Кроме того, фотосинтезирующие бактерии не выделяют О₂ в качестве конечного продукта.

Например, фотосинтезирующие пурпурные бактерии используют при фотосинтезе не Н₂О, а Н₂S, и в качестве побочного продукта фотосинтеза, выделяют не кислород, а серу.

Во многих местах зеленого шара важным природным источником серы служат отложения серы, образовавшиеся именно таким путем. Как видно, эта сера может происходить только с Н₂S, разлагаемого в процессе фотосинтеза. Аналогичным путем ведут себя некоторые водоросли, которых можно «приучить» использовать вместо воды газоподобный водород Н₂ для восстановления СО₂ до (СН₂О), т. е. до уровня углевода:

Известно, что в обоих случаях световая энергия растрачивается на разложение (фотолиз) донора водорода, а восстановительная сила, генерируемая таким путем, используется для преобразования СО₂ в (СН₂О).

Фотосинтез происходит и в тех многочисленных организмах, которые хоть и содержат хлорофилл, но не имеют зеленого цвета, потому что их цвет определяется присутствием других пигментов, маскирующих хлорофилл, например, бурые или красные водоросли.

Если у разных организмов существует какой либо общий механизм, то приведенные данные позволяют предполагать, что у высших растений световая энергия расходуется на разложение воды. Убедится в том, что мысль верна смогли тогда, когда биохимики начали использовать для изучения фотосинтеза Н₂О или СО₂, меченные тяжелыми изотопами кислорода (¹⁸О). В этих опытах было показано, что выделяющийся О₂ всегда соответствует по своему изотопному состоянию кислороду, который содержится в воде, а не а СО₂. Вообще, фотолиз воды – это ключ ко всему процессу фотосинтеза, так как на этом этапе световая энергия используется для выполнения химической работы.

В молекуле кислорода, выделяемой при фотосинтезе у высших растений, содержится два атома О, а в молекуле воды – только один, а это значит, что в реакции должны участвовать две молекулы воды. Чтобы получить сбалансированное уравнение, которое бы правильно отражало механизм суммарной реакции, мы должны ввести в обе части этого уравнения еще по одной молекуле воды. Когда вода будет содержать ¹⁸О, то мы получим:

Если мы пометили при помощи ¹⁸О СО_2, тогда уравнение принимает следующий вид:

Выделяемый при фотосинтезе кислород образуется из вступающей в реакцию воды, образующиеся же молекулы воды, отличаются от тех двух молекул, которые принимают участие в фотосинтезе.

На рис. 1 приведена схема, которая помогает наглядно представить общий ход рассматриваемой реакции.

Суммарное уравнение фоторинтеза выражается следующим образом: свет6СО2 + 6Н2О - С6Н12О6 + 6О2 В результате фотосинтеза из веществ...

41 вопрс… Хлорофилл в процессе фотосинтеза, или о усвоении света растениями

В настороженной тишине торжественного зала лондонского Королевского общества слушается доклад русского ученого:

- Уважаемые леди и джентльмены, - начинает он. - Когда Гулливер в первый раз осматривал академию в Лагадо, ему прежде всего бросился в глаза человек сухопарого вида, сидевший, уставив глаза на огурец, запаянный в стеклянном сосуде. Диковинный человек пояснил, что вот уже 8 лет он погружен в созерцание этого предмета в надежде разрешить задачу улавливания солнечных лучей и их дальнейшего применения. Для первого же знакомства я должен откровенно признаться, что перед вами именно такой чудак. Более тридцати пяти лет провел я, уставившись, если не на зеленый огурец, закупоренный в стеклянную посуду, то на нечто вполне равнозначащее - на зеленый лист в стеклянной трубке, ломая себе голову над разрешением вопроса о запасе впрок солнечных лучей…

Русским ученым, выступившим на заседании Королевского общества, был Климент Аркадьевич Тимирязев.

В 1863 году К. А. Тимирязев, в то время уже известный ученый, автор многочисленных трудов по физиологии растений, начал работать над выяснением самого существенного процесс а в жизни растений - над усвоением света. Итоги этой работы и были изложены им в лекции "Космическая роль растения", прочитанной в 1903 году в лондонском Королевском обществе.

Тридцать пять лет упорного труда понадобилось ученому, чтобы доказать решающую роль хлорофилла в процессе фотосинтеза. В хлорофилле он увидел разгадку таинства созидания. Оказалось, что растения не случайно имеют зеленую окраску. Благодаря ей они являются своеобразным аккумулятором солнечной энергии на Земле и дают возможность существовать всему остальному миру.

Заслуги Тимирязева были признаны всей Европой. Он был избран почетным доктором Кембриджского, Глазговского и Женевского университетов, членом Эдинбургского и Манчестерского обществ и, наконец, членом лондонского Королевского общества - честь, которой редко удостаивался иностранный ученый.

Но давайте попробуем разобраться, что же такое хлорофилл, почему он играет основную роль при фотосинтезе и в чем суть этого процесса.

Хлорофилл представляет собой сложное химическое соединение и состоит из двух близких веществ, названных хлорофиллом "а" и "в". Вот как выглядят их формулы:

хлорофилл "а": С₃₂Н₃₀ОN₄Мg · (СООСН₃) · СООС₂₀Н₃₉
хлорофилл "в": С₃₂Н₂₈О₂N₄Мg · (СООСН₃) · СООС₂₀Н₃₉

Хлорофилл "а" отличается от "в" двумя лишними атомами водорода и отсутствием одного атома кислорода, а также окраской. Первый имеет синеватый, а второй - желтоватый оттенок, а, как известно, смешение синего цвета и желтого дает зеленый. Хлорофилл - сравнительно неустойчивое вещество. При освещении яркими лучами он разрушается и, следовательно, хранить его надо темноте. Но запаянный в пробирку без доступа воздуха, он даже на ярком свете остается без изменений. Для образования хлорофилла необходимы определенные условия. Если растение выращивать в темноте, оно вырастет бесцветным и сильно вытянутым. Такие растения называются этилированными. Но попробуйте выставить такое растение на свет - оно зазеленеет. Значит, свет является необходимым условием для образования хлорофилла. Но это произойдет только в том случае, если растения имеют особые палочкообразные тельца - пластиды. Из пластид наибольшее значение имеют так называемые лейкопласты, содержащие бесцветное вещество - лейкофилл, из которого на свету образуется хлорофилл.

Другое условие - присутствие в почве хотя бы следов железа и магния, без которых листья растений тоже не образуют хлорофилла и имеют бледные полосы и слабую зеленую окраску.

Образование хлорофилла приостанавливается при температуре ниже 10 градусов. Поэтому при возврате холодов весной можно наблюдать, что начавшие прорастать растения не зеленеют до наступления теплой погоды.

Извлекать хлорофилл из листьев научились еще в 1682 году. Для этого два-три свежих листа любого растения кладут в колбу, заливают спиртом и оставляют на ночь в темном месте. На другой день раствор надо прокипятить - получится изумрудно-зеленая жидкость. Стоит теперь добавить к этой жидкости несколько капель воды и бензина, как в ней образуются два слоя: верхний - зеленого цвета, нижний - желтого. Нижний слой - это пигмент ксантофилл. В верхнем же слое содержится хлорофилл и пигмент каротин, который можно выделить добавлением в раствор кусочка едкого калия. В существовании двух хлорофиллов можно убедиться, проделав следующий опыт.

Известно, что чистый мел и сахарная пудра неодинаково поглощают различные вещества. Поэтому если через них пропустить неоднородный раствор, то образуются слои различной окраски. Спиртовая вытяжка хлорофилла в таком поглотителе разделится на два слоя. Они будут отличаться по цвету.

Хлорофилл обладает тремя важнейшими свойствами, делающими его незаменимым в процессе фотосинтеза.

Во-первых, он поглощает не все, а только определенные лучи солнечного спектра. Если положить на солнце два листа бумаги - черный и белый, то через некоторое время черный лист нагреется быстрее. Происходит это потому, что черные тела поглощают все лучи солнечного спектра, а белые - их отражают. Зеленое зернышко хлорофилла имеет изумрудный цвет потому, что оно отражает большую часть, зеленых и голубых лучей, но энергично поглощает почти все другие лучи солнечного спектра и особенно красные, несущие наибольшее количество энергии.

Во-вторых, хлорофилл обладает важным оптическим свойством, названным флуоресценцией. Достаточно крепкая спиртовая хлорофилловая вытяжка в тонком слое кажется зеленой, в толстом - красной, в отраженных же лучах света - вишнево-красной. Значит, хлорофилл способен перерабатывать падающие на него лучи - отражать с измененной длиной световой волны. А от длины световой волны зависит количество энергии. Чем короче длина волны, тем больше энергии она несет и тем быстрее идут реакции превращения одного вещества в другое.

И, наконец, хлорофилл является оптическим сенсибилизатором - веществом, способным направлять высвободившуюся энергию лучей на процесс фотосинтеза. Зная эти свойства хлорофилла, нетрудно понять, что он представляет собой своеобразную "западню", с помощью которой лист "ловит" красные лучи.

Мы уже говорили о том, что в процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ, выделяют кислород и образуют углеводы. Убедиться в этом легко.

Налейте в стеклянную банку воду комнатной температуры, поместите в нее несколько зеленых веточек водоросли элодеи и накройте их стеклянной воронкой, на которую наденьте пробирку, наполовину погруженную в воду. Если взять обыкновенную воду, а еще лучше, если через нее в течение пяти минут пропускать углекислый газ, то через некоторое время на свету поверхность листьев покроется серебристыми пузырьками газа. Повторите опыт, но предварительно прокипятите воду, и вы увидите, что на поверхности листьев пузырьков газа не появится. Не выделяются они, даже если вода насыщена углекислотой, и в темноте.

Газ, выделяемый листьями на свету, - кислород. Осторожно введите в пробирку тлеющую лучинку - она мгновенно вспыхнет и будет гореть ярким пламенем.

Первым продуктом фотосинтеза является сахар - глюкоза, которая сразу же по образовании переходит в крахмал. Чтобы убедиться в этом, возьмите любое комнатное растение, поставьте его на день-два в темноту, а затем выставьте на свет, закрыв часть какого-либо листа черной бумагой. Через некоторое время обесцветьте лист спиртом и обработайте его йодом. Места, закрытые бумагой, останутся бесцветными, а открытые под, действием йода посинеют. Здесь образовался так называемый ассимиляционный крахмал.

Он может отложиться в корневищах и клубнях в виде запасного крахмала или под влиянием ферментов образовать мальтозу - солодовый сахар. Мальтоза изменяется в глюкозу, которая растекается по ситовидным трубочкам во все части растения и становится в них сахарозой - тростниковым сахаром. И, наконец, тростниковый сахар может снова превратиться в запасной или транзисторный крахмал, накапливающийся в клетках и тканях растений.

Помимо глюкозы и крахмала, при фотосинтезе образуются и другие вещества, важнейшим из которых является клетчатка - очень стойкое соединение, нерастворимое в щелочах и даже кислотах. Только бактерии и грибы способны разложить это вещество, - пожалуй, самое распространенное в растительном мире, так как оно составляет основной скелет растений и входит в состав оболочек клеток.

Процесс фотосинтеза - самый замечательный процесс на нашей планете - превращает в потенциальную энергию органических веществ столько солнечного света, сколько могут дать за это же время 200 тысяч таких гигантских электростанций, как Куйбышевская ГЭС. Поэтому луч света, упавший на зеленое растение, не исчезает бесследно. Поглощенный даже сотни миллионов лет тому назад, он сохранился до наших дней в виде каменного угля и нефти. Благодаря этому процессу наша планета не лишена кислорода, а мы в изобилии обеспечены продуктами питания и сырьем для промышленности. И возможно, что растения будут единственным источником пополнения кислорода для экипажей космических кораблей, летящих к далеким галактикам.

Так, красный цвет солнечного луча и зеленый цвет маленького хлорофиллового зернышка дают жизнь всему живому нашей планеты, лишенному зеленой окраски.

44 вопрос….. Зависимость процесса фотосинтеза от факторов внешней среды

Дата добавления: 2015-05-19 | Просмотры: 1326 | Нарушение авторских прав