Преобразование энергии солнечного света и организмы использующие её
Сегодня мы поговорим об организмах, которые используют в своей жизнедеятельности солнечную энергию. Для этого нужно затронуть такую науку, как биоэнергетика. Она изучает способы преобразования энергии живыми организмами и использование её в процессе жизнедеятельности. В основе биоэнергетики лежит термодинамика. Эта наука описывает механизмы преобразования различных видов энергии друг в друга. В том числе, использование и преобразование различными организмами солнечной энергии. С помощью термодинамики можно полностью описать энергетический механизм процессов, происходящих вокруг нас. Но с помощью термодинамики нельзя понять природу того или иного процесса. В этой статье мы попробуем объяснить механизм использования солнечной энергии живыми организмами.
Для описания преобразования энергии в живых организмах или прочих объектах нашей планеты следует рассмотреть их с точки зрения термодинамики. То есть, системы, обменивающейся энергией с окружающей средой и объектами. Их можно подразделить на следующие системы:
- Закрытые;
- Изолированные;
- Открытые.
Через некоторое время эти вещества разрушаются и обеспечивают организм энергией. Их продукты распада удаляются из организма. Их место в организме заполняют другие молекулы. При этом целостность структуры организма не нарушается. Такое усвоение и переработка энергии в организме обеспечивает обновление организма. Энергетический обмен необходим для существования всех живых организмов. При остановке процессов преобразования энергии в организме он умирает.
Солнечный свет является источником биологической энергии на Земле. Ядерная энергия Солнца обеспечивает выработку лучистой энергии. Атомы водорода в нашей звезде в результате реакции переходят в атомы He. Энергия, освобождающаяся во время реакции, выделяется в виде гамма-излучения. Сама реакция выглядит следующим образом:
4Н ⇒ Не4 + 2е + hv, где
v ─ длина волны гамма-лучей;
h ─ постоянная Планка.
В дальнейшем, после взаимодействия гамма-излучения и электронов, энергия выделяется в виде фотонов. Эту световую энергию излучает небесное светило.
Солнечная энергия при достижении поверхности нашей планеты улавливается и преобразуется растениями. В них энергия солнца превращается в химическую, которая запасается в виде химических связей. Это связи, которые в молекулах соединяют атомы. Примером может служить синтез глюкозы в растениях. Первая стадия этого преобразования энергии ─ фотосинтез. Растения обеспечивают его с помощью хлорофилла. Этот пигмент обеспечивает превращение лучистой энергии в химическую. Происходит синтез углеводов из H 2 O и CO 2 . Это обеспечивает рост растений и передачу энергии на следующую ступень.
Следующий этап передачи энергии происходит от растений животным или бактериям. На этом этапе энергия углеводов в растениях преобразуется в биологическую. Это происходит в процессе окисления молекул растений. Величина полученной энергии соответствует тому количеству, которое было затрачено на синтез. Частично эта энергия преобразуется в тепло. В результате энергия запасается в макроэргических связях аденозинтрифосфата. Так солнечная энергия, проходя ряд превращений, оказывается в живых организмах уже в другой форме.
Здесь стоит дать ответ на часто задаваемый вопрос: «Какой органоид использует энергию солнечного света?». Это хлоропласты, участвующие в процесс фотосинтеза. Они используют её для синтеза из неорганических веществ органических.
В непрерывном потоке энергии заключается суть всего живого. Он постоянно движется между клетками и организмами. На клеточном уровне для преобразования энергии существуют эффективные механизмы. Можно выделить 2 основные структуры, где происходит превращение энергии:
- Хлоропласты;
- Митохондрии.
Человек, как и другие живые организмы на планете, пополняет энергетический запас из продуктов. Причём, часть потребляемых продуктов растительного происхождения (яблоки, картофель, огурцы, помидоры), а часть животного (мясо, рыба и другие морепродукты). Животные, которые мы употребляем в пищу, энергию также получают из растений. Поэтому вся получаемая нашим организмом энергия преобразуется из растений. А у них она появляется в результате преобразования солнечной энергии.
По типу получения энергии все организмы можно разделить на две группы:
- Фототрофы. Черпают энергию из солнечного света;
- Хемотрофы. Получают энергию во время окислительно-восстановительной реакции.
То есть, солнечная энергия используется растениями, а животные получают энергию, которая находится в органических молекулах во время поедания растений.
Как преобразуется энергия в живых организмах?
Существует 3 основных разновидности энергии, преобразуемой организмами:
- Преобразование лучистой энергии. Этот вид энергии несёт солнечный свет. В растениях лучистая энергия улавливается пигментом хлорофиллом. В результате фотосинтеза она превращается в химическую энергию. Та, в свою очередь, используется в процессе синтеза кислорода и других реакциях. Солнечный свет несёт в себе кинетическую энергию, а в растениях она превращается в потенциальную. Полученный энергетический запас сохраняется в питательных веществах. К примеру, в углеводах;
- Преобразование химической энергии. Из углеводов и прочих молекул она превращается в энергию макроэргических фосфатных связей. Эти преобразования проходят в митохондриях.
- Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей. Она расходуется клетками живого организма для совершения разных видов работ (механическая, электрическая, осмотическая и т. д.).
Во время этих трансформаций часть энергетического запаса теряется и рассеивается в виде тепла.
Использование организмами накопленной энергии
В процессе метаболизма организм получает энергетический запас, расходуемый на совершение биологической работы. Это может быть световая, механическая, электрическая, химическая работа. И очень большая часть энергии организм расходует в виде тепла.
Ниже кратко описаны основные типы энергии в организме:
- Механическая. Характеризует движение макротел, а также механическую работу по их перемещению. Её можно разделить на кинетическую и потенциальную. Первая определяется скоростью передвижения макротел, а вторая ─ их местоположением по отношению друг к другу;
- Химическая. Определяется взаимодействием атомов в молекуле. Она является энергией электронов, которые двигаются по орбитам молекул и атомов;
- Электрическая. Это взаимодействие заряженных частиц, которое вызывает их движение в электрическом поле;
- Осмотическая. Расходуется при передвижении против градиента концентраций молекул вещества;
- Регуляторная энергия.
- Тепловая. Определяется хаотическим движением атомов и молекул. Основной характеристикой этого движения является температура. Этот вид энергии является самым обесцененных из всех, перечисленных выше.
Е h = 3/2rT, где
r ─ постоянная Больцмана (1,380*10 -16 эрг/град).
Вселенная наполнена энергией, но для живых организмов подходят лишь немногие ее виды. Основной источник энергии для подавляющего большинства биологических процессов на нашей планете - солнечный свет. Мощность излучения Солнца в среднем оценивается как 4 × 10 33 эрг/с, что обходится нашему светилу в ежегодные потери 10 -15 -10 -14 массы. Есть и гораздо более мощные излучатели. Например, 1-2 раза в столетие в нашей галактике происходят вспышки сверхновых звезд, каждая из которых сопровождается сильнейшим взрывом мощностью более 10 41 эрг/с. А квазары (ядра галактик, удаленных от нас на сотни миллионов световых лет), излучают еще большие мощности — 10 46 -10 47 эрг/с.
Клетка — основная единица жизни, она непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нуждается в постоянном притоке свободной энергии. Технологически решить такую задачу ей непросто, поскольку живая клетка должна выделять и использовать энергию при постоянной (и притом довольно низкой) температуре в разбавленной водной среде. В ходе эволюции, за сотни миллионов лет, сформировались изящные и совершенные молекулярные механизмы, способные действовать необыкновенно эффективно в очень мягких условиях. В итоге к.п.д. клеточной энергетики оказывается намного выше, чем у любых инженерных устройств, изобретенных человеком.
Клеточные трансформаторы энергии представляют собой комплексы специальных белков, встроенных в биологические мембраны. Независимо от того, поступает в клетку извне свободная энергия непосредственно с квантами света (в процессе фотосинтеза) или в результате окисления пищевых продуктов кислородом воздуха (в процессе дыхания), она запускает движение электронов. В итоге производятся молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и увеличивается разность электрохимических потенциалов на биологических мембранах. АТФ и мембранный потенциал — два относительно стационарных источника энергии для всех видов внутриклеточной работы.
Движение вещества через клетки и организмы легко воспринимается нашим сознанием как потребность в пище, воде, воздухе и удалении отходов. Движение же энергии практически неощутимо. На клеточном уровне оба этих потока согласованно взаимодействуют в той чрезвычайно сложной сети химических реакций, которая составляет клеточный обмен веществ. Процессы жизнедеятельности на любом уровне, от биосферы до отдельной клетки, в сущности, выполняют одну и ту же задачу: превращают питательные вещества, энергию и информацию в увеличивающуюся массу клеток, отходы жизнедеятельности и тепло.
Способность захватывать энергию и приспосабливать ее для совершения разных видов работы, по-видимому, и есть та самая жизненная сила, которая с незапамятных времен волнует философов. В середине XIX в. физика сформулировала закон сохранения энергии, согласно которому в изолированной системе энергия сохраняется; в результате тех или иных процессов она может преобразовываться в иные формы, но ее количество всегда будет постоянным. Однако живые организмы представляют собой незамкнутые системы. Каждая живая клетка хорошо об этом «знает» уже сотни миллионов лет и непрерывно пополняет свои энергетические запасы.
За год растения суши и океана манипулируют колоссальными количествами вещества и энергии: они усваивают 1,5 × 10 11 т углекислого газа, разлагают 1,2 × 10 11 т воды, выделяют 2 × 10 11 т свободного кислорода и запасают 6 × 10 20 калорий энергии Солнца в виде химической энергии продуктов фотосинтеза. Многие организмы, такие как животные, грибы и большинство бактерий, не способны к фотосинтезу: их жизнедеятельность целиком и полностью зависит от органического вещества и кислорода, которые продуцируются растениями. А потому можно смело утверждать, что в целом биосфера существует за счет солнечной энергии, и античные мудрецы нисколько не ошибались, провозглашая, что солнце — основа жизни.
Исключение из гелиоцентрического взгляда на глобальный поток энергии представляют некоторые виды бактерий, которые живут за счет неорганических процессов, таких как восстановление двуокиси углерода до метана или окисления сульфида водорода. Некоторые из этих «хемолитотрофных» существ хорошо исследованы (например, метаногенные бактерии, живущие в желудке коров), но огромное их количество неизвестно даже специалистам-микробиологам. Большинство хемолитотрофов облюбовали на редкость неуютные среды обитания, которые очень трудно исследовать — лишенные кислорода, слишком кислые или слишком горячие. Многие из таких организмов не удается вырастить в чистой культуре. До недавнего времени хемолитотрофов было принято расценивать как некую экзотику, интересную с биохимической точки зрения, но мало значимую для энергетического бюджета планеты. В перспективе такая позиция может оказаться ошибочной по двум причинам. Во-первых, бактерии все чаще обнаруживаются в местах, прежде считавшихся стерильными: в исключительно глубоких и раскаленных скальных породах земной коры. В наше время выявлено такое количество мест обитания организмов, способных извлекать энергию из геохимических процессов, что их население, может статься, составляет существенную долю общей биомассы планеты. Во-вторых, есть основания полагать, что самые первые живые существа зависели от неорганических источников энергии. Если эти предположения оправдаются, наши взгляды как на глобальный поток энергии, так и на его связь с происхождением жизни могут существенно измениться.
Сообщение
Роль зелёных растений в обеспечении энергией живых
Организмов на нашей планете
Как известно, основным источником энергии на земле является солнце. Но люди и животные не способны напрямую использовать солнечную энергию, потому что в их организмах отсутствуют системы, с помощью которых энергия потреблялась бы в такой форме, как она есть. Поэтому солнечная энергия попадает в организм человека или животного в качестве полезной энергии только через вещества, производимые растениями.
Растения способны создавать из неорганических органические вещества, используя световую энергию. Этот процесс называется фотосинтезом (от греческих слов «фотос» -свет, «синтез» - соединение). Способность к фотосинтезу - важнейшее свойство зелёных растений. Это единственный на нашей планете процесс, связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей, заключенную в органических веществах. Поэтому фотосинтез - важнейший процесс, благодаря которому возможна жизнь на Земле.
Выдающийся русский ученый конца ХIХ – начала ХХ в. Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920) роль зеленых растений на Земле назвал космической. К.А. Тимирязев писал: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического».
Кроме этого растения насыщают атмосферу Земли кислородом, который служит для окисления органических веществ и извлечения этим способом запасенной в них химической энергии аэробными клетками.
Ежегодно зелёные растения синтезируют большое количество органического вещества, поглощают около 600 млрд т углекислоты, выделяют в атмосферу 400 млрд т свободного кислорода. Благодаря фотосинтезу ежегодно запасается огромное количество преобразованной солнечной энергии.
Накопление энергии – очень важное для живой природы явление, обусловленное фотосинтезом зеленых растений. Органические вещества – отличный энергоноситель.
Созданные с участием хлорофилла и солнечного света углеводы, а также образованные в растениях белки и жиры содержат в себе много энергии. Особенно много ее в крахмале и различных сахарах.
Многие растения, такие как сахарный тростник, сахарная свекла, лук, горох, кукуруза, виноград, финик, запасают сахара в стеблях, корнях, луковицах, плодах и семенах. Именно сахара служат главным источником энергии для всех живых существ, так как легко могут стать одним из наиболее активных соединений в любой живой клетке. Постоянно поглощая энергию в виде солнечного излучения, растения ее накапливают. Из-за огромного количества зеленых растений на Земле энергии в биосфере становится все больше. Человек широко пользуется газом, нефтью, углем, дровами – все эго органические вещества, которые выделяют при сгорании энергию, некогда занесенную в зеленых растениях.
Можно сделать вывод, что существование растений играет очень важную и необходимую роль для выживания живых существ на земле. Поступившая из космоса энергия солнечных лучей, запасенная зелеными растениями в углеводах, жирах и белках, обеспечивает жизнедеятельность всего живого мира – от бактерий до человека.
Для тех, кто не интересуется животными, а ищет где бы купить подарок к Новому году подешевле промокод Групон обязательно придется очень кстати.Некоторые организмы, если сравнивать их с другими, обладают рядом неоспоримых преимуществ, например, способностью выдерживать крайне высокие или низкие температуры. Таких выносливых живых существ в мире есть очень много. В статье ниже вы познакомитесь с самыми удивительными из них. Они, без преувеличения, способны выживать даже в экстремальных условиях.
1. Гималайские пауки-скакуны
Горные гуси, как известно, являются одними из самых высоко летающих птиц в мире. Они способны летать на высоте более 6 тысяч метров над землёй.
А знаете ли Вы, где находится высочайший населённый пункт на Земле? В Перу. Это город Ла-Ринконада, расположенный в Андах недалеко от границы с Боливией на высоте около 5100 метров над уровнем моря.
Между тем, рекорд самых высоко живущих существ на планете Земля достался Гималайским паукам-скакунам Эуофрис омнисуперстес (Euophrys omnisuperstes – «стоящие надо всем»), которые обитают в укромных уголках и трещинах на склонах горы Эверест. Альпинисты находили их даже на высоте 6700 метров. Эти крошечные пауки питаются насекомыми, которых заносит на горную вершину сильным ветром. Они являются единственными живыми существами, постоянно обитающими на такой огромной высоте, не считая, конечно, некоторые виды птиц. Известно также, что Гималайские пауки-скакуны способны выжить даже в условиях недостатка кислорода.
2. Гигантский кенгуровый прыгун
Когда нас просят назвать животное, которое способно обходиться без питьевой воды длительные периоды времени, первое, что приходит на ум – это верблюд. Однако в пустыне без воды он может продержаться не более 15 дней. И нет – верблюды не хранят запасы воды в своих горбах, как многие ошибочно полагают. Меж тем, на Земле всё же есть такие животные, которые живут в пустыне и способны прожить без единой капли воды в течение всей жизни!
Гигантские кенгуровые прыгуны являются родственниками бобров. Продолжительность их жизни составляет от трёх до пяти лет. Воду гигантские кенгуровые прыгуны получают вместе с пищей, а питаются они преимущественно семенами.
Гигантские кенгуровые прыгуны, как отмечают учёные, не потеют вовсе, поэтому они не теряют, а, наоборот, накапливают воду в организме. Найти их можно в Долине Смерти (штат Калифорния). Гигантские кенгуровые прыгуны в данный момент находятся под угрозой исчезновения.
3. Черви, устойчивые к высоким температурам
Поскольку вода проводит тепло от тела человека примерно в 25 раз более эффективно, чем воздух, то температура, равная 50 градусам Цельсия, в глубинах моря будет намного опаснее, нежели на суше. Именно поэтому под водой процветают бактерии, а не многоклеточные организмы, которые не выдерживают слишком высоких температур. Но есть и исключения…
Морские глубоководные кольчатые черви Паральвинелла сульфинкола (Paralvinella sulfincola), которые обитают рядом с гидротермальными источниками на дне Тихого океана, возможно, являются самыми теплолюбивыми живыми существами на планете. Результаты проведённого учёными эксперимента с нагреванием аквариума показали, что эти черви предпочитают селиться там, где температура достигает 45-55 градусов Цельсия.
4. Гренландская полярная акула
Гренландские полярные акулы являются одними из крупнейших живых существ на планете Земля, однако учёные практически ничего о них знают. Они плавают очень медленно, наравне с обычным пловцом-любителем. Тем не менее, увидеть гренландских полярных акул в океанских водах почти не представляется возможным, поскольку они, как правило, обитают на глубине, равной 1200 метрам.
Гренландские полярные акулы также считаются самыми холодолюбивыми существами в мире. Они предпочитают обитать в местах, где температура достигает 1-12 градусов Цельсия.
Гренландские полярные акулы живут в холодных водах, следовательно, им приходится экономить энергию; это объясняет тот факт, что плавают они весьма медленно – со скоростью не более двух километров в час. Гренландских полярных акул ещё называют «спящими акулами». В еде они не разборчивы: питаются всем, что удастся поймать.
По мнению некоторых учёных, продолжительность жизни Гренландских полярных акул может достигать 200 лет, однако пока это не было доказано.
5. Дьявольские черви
На протяжении нескольких десятилетий учёные думали, что только одноклеточные организмы способны выживать на очень больших глубинах. Считалось, что многоклеточные формы жизни там не могут обитать из-за недостатка кислорода, давления и высоких температур. Тем не менее, совсем недавно исследователи обнаружили на глубине нескольких тысяч метров от поверхности земли микроскопических червей.
Нематоды Halicephalobus mephisto, названные в честь демона из немецкого фольклора, были обнаружены Гаэтаном Боргони и Таллисом Онстоттом в 2011 году в пробах воды, взятой на глубине 3,5 километра в одной из пещер Южной Африки. Учёные выяснили, что они проявляют высокую стойкость в различных экстремальных условиях, как и те круглые черви, которые пережили катастрофу шаттла «Колумбия», произошедшую 1 февраля 2003 года. Обнаружение дьявольских червей может способствовать расширению области поиска жизни на Марсе и любой другой планете нашей Галактики.
6. Лягушки
Учёные заметили, что некоторые виды лягушек в буквальном смысле замерзают с наступлением зимы и, оттаивая весной, возвращаются к полноценной жизни. В Северной Америке насчитывается пять видов таких лягушек, наиболее распространённым из них является Rana sylvatica, или Лесная лягушка.
Лесные лягушки не умеют зарываться в землю, поэтому с наступлением холодов они просто прячутся под опавшие листья и замерзают, как и всё вокруг. Внутри организма у них срабатывает естественный «антифризовый» защитный механизм, и они, как компьютер, переходят в «спящий режим». Пережить зиму им во многом позволяют запасы глюкозы в печени. Но самым удивительным является то, что Лесные лягушки проявляют свою удивительную способность как в дикой природе, так и в лабораторных условиях.
7. Глубоководные бактерии
Все мы знаем, что глубочайшей точкой Мирового океана является Марианская впадина, которая находится на глубине более 11 тысяч метров. У её дна давление воды достигает 108,6 МПа, что примерно в 1072 раза больше нормального атмосферного давления на уровне Мирового океана. Несколько лет назад учёные при помощи камер высокого разрешения, помещённых в стеклянные сферы, обнаружили в Марианской впадине гигантских амёб. По мнению Джеймса Кэмерона, возглавлявшего экспедицию, в ней также процветают и другие формы жизни.
Изучив пробы воды со дна Марианской впадины, учёные обнаружили в ней огромное количество бактерий, которые, на удивление, активно размножались, несмотря на большую глубину и экстремальное давление.
8. Bdelloidea
Коловратки Bdelloidea – небольшие беспозвоночные животные, которые обычно встречаются в пресной воде.
У представителей коловраток Bdelloidea самцы отсутствуют, популяции представлены лишь партеногенетическими самками. Bdelloidea размножаются бесполым способом, что, по мнению учёных, негативно влияет на их ДНК. А какой самый лучший способ побороть эти вредные последствия? Ответ: съесть ДНК других форм жизни. Благодаря такому подходу, у Bdelloidea развилась удивительная способность выдерживать экстремальное обезвоживание. Более того, они могут выжить даже после получения смертельной для большинства живых организмов дозы радиации.
Учёные считают, что способность Bdelloidea к репарации ДНК была изначально дана им для выживания в условиях высоких температур.
9. Тараканы
Существует популярный миф о том, что после ядерной войны на Земле в живых останутся только тараканы. Эти насекомые способны неделями обходиться без еды и воды, однако ещё больше поражает тот факт, что они могут жить много дней спустя после того, как лишатся своей головы. Тараканы появились на Земле 300 миллионов лет назад, даже раньше, чем динозавры.
Ведущие «Разрушителей легенд» в одной из передач решили проверить тараканов на живучесть в ходе нескольких экспериментов. Сначала они подвергли определённое количество насекомых излучению в 1000 рад – дозе, способной убить здорового человека за считанные минуты. Из них выжить удалось почти половине. После Разрушители легенд увеличили мощность излучения до 10 тысяч рад (как при атомной бомбардировке Хиросимы). На этот раз выжило всего 10 процентов тараканов. Когда мощность излучения достигла 100 тысяч рад, ни одному таракану, к сожалению, остаться в живых не удалось.
10. Тихоходки
Микроскопические беспозвоночные животные тихоходки, обитающие в воде, возможно, являются самыми выносливыми живыми существами на планете Земля. Эти, в некоторой степени, милые создания способны пережить всё: холод, жару, высокое давление и даже мощное радиационное излучение. Тихоходки способны выжить в экстремальных условиях благодаря тому, что переходят в состояние обезвоженности, которое может длиться десятилетиями! Они возвращаются к полноценному существованию сразу же после того, как оказываются в воде.
Материал подготовила Rosemarina
P.S. Меня зовут Александр. Это мой личный, независимый проект. Я очень рад, если Вам понравилась статья. Хотите помочь сайту? Просто посмотрите ниже рекламу, того что вы недавно искали.
Copyright сайт © - Данная новость принадлежит сайт, и являются интеллектуальной собственностью блога, охраняется законом об авторском праве и не может быть использована где-либо без активной ссылки на источник. Подробнее читать - "об Авторстве"
Вы это искали? Быть может это то, что Вы так давно не могли найти?