Какие организмы способны к фотосинтезу самые древние – основная фотосинтезирующая

Первый фотосинтезирующий организм появился уже три с половиной миллиарда лет назад

Танаи Кордона (Tanai Cardona) из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) выяснил, что способность получать кислород в ходе фотосинтеза существовала у живых организмов ранее 3,4 миллиарда лет назад — до возникновения даже таких сравнительно простых организмов, как цианобактерии. Это значительно меняет всю раннюю картину эволюции жизни и показывает, что кислород стали массово получать в ходе фотосинтеза за миллиард с лишним лет до того, как его концентрация в атмосфере поднялась до заметных значений. Соответствующая статья опубликована в Heliyon.

Автор новой работы обращает внимание на то, что фотосинтез требует наличия специфического реакционного центра — набора белков, обеспечивающих превращение энергии света в химическую энергию. Его ключевой элемент — так называемое гетеродимерное ядро — соединение двух различных по структуре белков. Также оно известно как фотосистема I. Считается, что гетеродимер возник из-за удвоения генов, кодирующих составляющие его белки.

Время появления удвоенных генов, вероятно, указывает и на момент возникновения реакционного центра, а значит, и на появление феномена фотосинтеза у живых организмов. Чтобы выяснить, когда именно это произошло, Танаи Кордона применил метод молекулярных часов. Он основан на предположении, что эволюционно значимые мутации в живых организмах происходят с какой-то сравнительно постоянной скоростью. А значит, условно, «отсчитав их обратно», можно вычислить, например, момент расхождения двух видов в ходе эволюции или появление у живых организмов возможности синтезировать кислород.

Однако у метода существует проблема, особенно на больших временных отрезках: не всегда можно уверенно сказать, что скорость таких мутаций действительно не меняется. Автор работы попробовал снять эту трудность за счет байесовского «смягчения» в расчете возраста мутации, при которой фотосистема I стала гетеродимерной.

Байесовский метод позволяет определить вероятность какого-либо события при условии, что произошло другое статистически взаимозависимое с ним событие. Это дает возможность более точно оценить вероятность интересующего исследователя события за фиксированный отрезок времени, взяв в расчет уже известную информацию.

Сделав такие поправки, Кордона получил дату в 3,4 миллиарда лет назад. Это древнее любых известных цианобактерий и вообще довольно близко к моменту образования жизни на Земле. Кроме того, это на миллиард лет раньше Великой кислородной катастрофы — момента, когда в нижних слоях атмосферы в больших количествах появился кислород. До этого события развитие сложных форм жизни было ограничено.

Работа вызывает ряд вопросов. Во-первых, неясно, что мешало фотосинтезирующим организмам насытить атмосферу кислородом ранее Великой кислородной катастрофы — за целый миллиард лет подряд или даже больше. Во-вторых, непонятно, почему пока не обнаружены какие-либо ископаемые находки организмов такой древности, которые могли бы заниматься фотосинтезом. Возможно, фотосинтетики, способные производить кислород, по каким-то причинам находились в маргинальном положении, занимая узкие экологические ниши, и поэтому не могли заметно изменить состав атмосферы ранее, чем 2,45 миллиарда лет назад.

Что такое фотосинтез? История открытия процесса, фазы фотосинтеза и его значение.

Оглянитесь вокруг! Пожалуй, в каждом доме есть хотя бы одно зеленое растение, а за окном несколько деревьев или кустарников. Благодаря сложному химическом процессу происходящего в них фотосинтеза стало возможно зарождение жизни на Земле и существование человека. Разберем историю его открытия, суть процесса и реакции, которые протекают в разных фазах.

История открытия фотосинтеза

В настоящее время школьники впервые знакомятся со сложными процессами фотосинтеза уже в 6 классе.

Но еще 300-400 лет назад ответ на вопрос «откуда растения берут питательные вещества для строительства своих клеток?» занимал умы ученых во всем мире.

Первым и очевидным ответом было предположение, что из земли. Однако, в далеком 1600 году фламандский ученый Ян Батист ван Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провел уникальный в своей простоте опыт. Естествоиспытатель взял веточку ивы и бочку с почвой. Предварительно их взвесил. А затем посадил отросток ивы в бочку с почвой.

Читать еще:  Бело серая кошка с голубыми глазами: черный дымчатый кот

Долгие пять лет ван Гельмонт поливал молодое деревце лишь дождевой водой. А через пять лет выкопал деревце, и вновь взвесил отдельно деревце и отдельно почву. Каково же было его удивление, когда весы показали, что деревце увеличило свой вес практически в тридцать раз, и совсем не походило на тот скромный прутик, что был посажен в кадку. А вес почвы уменьшился всего на 56 граммов.

Ученый сделал вывод. что почва практически не дает строительного материала растениям, а все необходимые вещества растение получает из воды.

После ван Гельмонта различные ученые повторили его опыт, и сложилась так называемая «водная теория питания растений».

Одним из тех, кто попытался возразить этой теории был М.В. Ломоносов. И строил он свои возражения на том, что на пустых, скудных северных землях с редкими дождями растут высокие, мощные деревья. Михаил Васильевич предположил, что часть питательных веществ растения впитывают через листья, но доказать свою теорию экспериментально он не смог.

И как часто бывает в науке, помог его величество случай.

Однажды нерадивая мышь, решившая поживиться церковными запасами, случайно перевернула банку и оказалась в ловушке. И через некоторое время погибла. К нашей удаче, эту мышь в банке обнаружил Джозеф Пристли, который был не просто священником, а по совместительству ученым-химиком, и очень интересовался химией газов и способами очистки испорченного воздуха. И тут церковным мышам не повезло. Они стали участницами различных опытов английского ученого.

Джозеф Пристли ставил под одну банку горящую свечу, а в другую сажал мышь. Свеча тухла, грызун погибал.

В наше время его самого зоозащитники посадили бы в банку, но в далеком 1771 году ученому никто не помешал продолжить свои опыты. Пристли посадил мышь в банку, где до этого потухла свеча. Животное погибло еще быстрее.

И тогда Пристли сделал вывод, что раз все живое на Земле до сих пор не погибло, Бог (мы же помним, что Пристли был священником), придумал некий процесс, чтобы воздух вновь был пригоден для жизни. И скорее всего, основная роль в нем принадлежит растениям.

Чтобы доказать это, ученый взял воздух из банки где погибла мышь, и разделил его на две части. В одну банку он поставил мяту в горшочке. А другая банка ждала своего часа. Через 8 дней растение не только не погибло, а даже выпустило несколько новых побегов. И он опять посадил грызунов в банки. В той, где росла мята — мышь была бодра и закусывала листиками. А в той, где мяты не было — практически моментально лежала дохлая мышиная тушка.

Опыты Пристли вдохновили ученых, и во всем мире начали отлавливать мелких грызунов и пытаться повторить его эксперименты.

Но мы же помним, что Пристли был священником и весь день, до вечерней службы мог заниматься исследованиями.

А Карл Шееле, аптекарь из Швейцарии, экспериментировал в домашней лаборатории в свободное от работы время, т.е. по ночам, и мыши дохли у него независимо от присутствия мяты в банке. В результате его экспериментов получалось, что растения не улучшают воздух, а делают его непригодным для жизни. И Шееле обвинил Пристли в обмане научной общественности. Пристли не уступил, и в результате противостояния ученых было установлено, что для восстановления воздуха растениям необходим солнечный свет.

Именно эти опыты положили начало изучению фотосинтеза.

Исследование фотосинтеза стремительно продолжалось. Уже в 1782 году, спустя всего лишь 11 лет после исследований Пристли, швейцарский ботаник Жан Сенебье доказал, что органоиды растений разлагают углекислый газ в присутствии солнечного света. И практически еще сто лет провальных и удачных экспериментов понадобилась ученым разных специальностей, чтобы в 1864 году немецкий ученый Юлиус Сакс смог доказать, что растения потребляют углекислый газ и выделяют кислород в соотношении 1:1.

Значение фотосинтеза для жизни на Земле

И теперь становится понятна важность процесса фотосинтеза для жизни на земле. Именно благодаря этому сложному химическом процессу стало возможно зарождение жизни на земле и существование человека.

Читать еще:  Помутнение глаза у кошки лечение

Кто-то может возразить, что на Земле есть места, где не растут ни деревья ни кустарники, например, пустыни или Арктические льды. Ученые доказали, что доля кислорода, выделяемого зеленой массой лесов, кустарников и трав — т. е. растений, что обитают на поверхности суши, составляет всего около 20% газообмена, а 80% кислорода приходится на мельчайшие морские и океанские водоросли, которые потоками воздуха переносятся по всей планете, позволяя дышать животным в экстремальных, практически лишенных растительности регионах нашей удивительной планеты.

Благодаря фотосинтезу вокруг нашей планеты сформировался защитный озоновый экран, защищающий все живое на земле от космической и солнечной радиации, и живые организмы смогли выйти на сушу из глубин океана.

Подробнее о «великой кислородной революции» можно прочитать в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А.А. Каменского на портале LECTA.

К сожалению, в настоящее время кислород потребляют не только живые существа, но и промышленность. Уничтожаются тропические леса, загрязняются океаны, что приводит к снижению газообмена и увеличению дефицита кислорода.

Определение и формула фотосинтеза

Определение и формула фотосинтеза

Слово фотосинтез состоит из двух частей: фото — «свет» и синтез — «соединение», «создание». Если подходить к определению упрощенно, то фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах.

Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста:

Вода + квант света + углекислый газ → кислород + углевод

или (на языке формул):

Если копнуть поглубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, выяснится удивительная вещь: вода и углекислый газ ни в одной из структурных частей листа непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

Фазы фотосинтеза

К фотосинтезу способны не только растения, но и многие одноклеточные животные благодаря специальным органоидам, которые называются хлоропласты.

Хлоропласты — это пластиды зеленого цвета фотосинтезирующих эукариот. В состав хлоропластов входят:

  1. две мембраны;
  2. стопки гранов;
  3. диски тилакоидов;
  4. строма — внутреннее вещество хлоропласта;
  5. люмен — внутреннее вещество тилакоида.

Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как понятно из названия, световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света. Название темновая фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. Т.е. для реакций, происходящих в этой этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта.

Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человечеству кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н2О.

Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида.

Получается такой бутерброд: с одной стороны отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида.

Гидроксильные ионы идут на производство кислорода:

Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов.

Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования.

На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу.

Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза:

  1. Фотон попадает на хлорофилл с выделением электронов.
  2. Фотолиз воды.
  3. Выделение кислорода.
  4. Накопление НАДФН+.
  5. Накопление АТФ.

У некоторых растений фотосинтез идет по упрощенному варианту, который называется «циклическое фосфорилирование» и разбирается этот процесс в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А. А. Каменского на портале LECTA.

Проверочная работа в формате ОГЭ по теме «Фотосинтез. Хемосинтез»

«Проверочной работы в формате ОГЭ по теме «Фотосинтез. Хемосинтез»

Проверочная работа

Актуальность работы состоит в подготовке обучающихся к сдаче ОГЭ по биологии с использование контрольных измерительных материалов, представляющих собой комплексы заданий стандартизированной формы. Задания данной работы формируются на основе ЕГЭ по теме «Фотосинтез. Хемосинтез» курса биологии основной школы.

Читать еще:  Болезни груши чернеют листья и плоды

Задачи работы:

— составлен кодификатор проверочной работы по теме «Фотосинтез. Хемосинтез»;

— разработаны два варианта проверочной работы в формате ЕГЭ;

— составлена характеристику данной работы.

Планируемый результат

повысить квалификацию в составлении контрольных работ в формате ЕГЭ;

— повысить квалификацию в составлении кодификатора и характеристики работы в соответствии с возрастными особенностями обучающихся.

Объект: качество биологического образования

Предмет: уровень усвоения обучающимися темы «Фотосинтез. Хемосинтез».

ФОТОСИНТЕЗ. ХЕМОСИНТЕЗ.

— проверить уровень усвоения обучающимися знаний и сформированности умений в объеме, установленном ГОС по теме «Фотосинтез. Хемосинтез»;

— создание проверочной работы, позволяющей проверить уровень усвоения обучающимися знаний и сформированности умений в объеме, установленном ГОС по теме « Фотосинтез. Хемосинтез»

Кодификатор темы «ФОТОСИНТЕЗ. ХЕМОСИНТЕЗ»

Элементы содержания, проверяемые на ОГЭ

Обмен веществ и превращения энергии – свойства живых организмов.

Стадии энергетического обмена.

Фотосинтез, его значение, космическая роль.

Фазы фотосинтеза. (Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь).

Роль хемосинтезирующих бактерий

Открытие фотосинтеза и хемосинтеза

Открытие фотосинтеза и хемосинтеза

А1. Совокупность реакций распада и окисления органических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием ее в молекулах АТФ, — это:

1. пластический обмен

3. энергетический обмен

А2. Какие организмы, способные к фотосинтезу, самые древние?

3. Эвглена зеленая

А3. Фотолиз воды в клетках живых организмов протекает в процессе:

А4. На рисунке изображен пластид, какой цифрой обозначен тилакоид?

2. внешняя мембрана

А5. Процесс синтеза органических веществ из неорганических называется :

А6. Открыл и изучил процесс хемосинтеза:

1. Д.И. Ивановский

3. Виноградский С.Н.

В заданиях В1 выберите три верных ответа из шести. Запишите выбранные цифры.

В 1. Световая фаза фотосинтеза характеризуется:

возбуждением молекулы хлорофилла

расщеплением молекулы воды

использованием энергии АТФ

использованием молекул углекислого газа

Выполняя задание В2, установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов.

В2. Установите соответствие между характеристикой и фазой процессов фотосинтеза.

А) восстанавливается молекула углекислого газа

Б) используется энергия АТФ

В) возбуждается молекула хлорофилла

Г) в результате реакций образуются молекулы глюкозы

Д) происходит фотолиз воды

Е) путем присоединения остатка фосфорной кислоты к АБФ синтезируется АТФ

В3. Вставьте в текст «Типы питания живых организмов» пропущенные термины из предложенного перечня, а затем запишите получившуюся последовательность цифр выбранных ответов в приведенную ниже таблицу.

Типы питания живых организмов.

Процесс потребления вещества и энергии называется _________(А). По источнику углерода живые организмы делятся на автотрофов и __________ (Б). В зависимости от источника энергии автотрофы делятся не ___________ (В), которые используют световую энергию, и _________ (Г), использующих химическую энергию.

Перечень терминов

С1. Используя содержание текста «Фотосинтез», ответьте на следующие вопросы.

Какие вещества образуются в световую фазу фотосинтеза и какова их дальнейшая «судьба»?

В каких органах, кроме листьев, может протекать фотосинтез?

В чём состоит космическая роль растений?

Фотосинтез у зеленых растений – это процесс преобразования света в химическую энергию органических соединений, синтезируемых из углекислого газа и воды. Фотосинтез происходит в две фазы – световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза. Хлорофилл поглощает квант света, который переводит электрон в возбужденное состояние. Возбужденный электрон приобретает большой запас энергии и перемещается на более высокий энергетический уровень. Возбужденный электрон, перемещаясь по цепи сложных органических соединений, теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Под воздействием света происходит процесс фотолиза воды. В результате образуются ионы водорода (Н + ) и электроны (е — ), а также побочный продукт – кислород (О 2 ). Электроны и ионы водорода взаимодействуют с молекулой – переносчиком.

Темновая фаза фотосинтеза. В реакциях темновой фазы углекислый газ восстанавливается до глюкозы, при этом затрачивается энергия, запасённая в молекулах АТФ и молекулах-переносчиках водорода. Углекислый газ растение получает из воздуха через устьица.

Продуктивность фотосинтеза велика: за один час на 1м 2 площади листа синтезируется до 1г сахара.

А1. Совокупность реакций синтеза органических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счет распада молекул АТФ, — это:

1. пластический обмен (ассимиляция)

3. энергетический обмен (диссимиляция)

А2. В процессе хемосинтеза организмы преобразуют энергию химических связей:

Источники:

http://nauka.tass.ru/nauka/6818598

http://rosuchebnik.ru/material/fotosintez/

http://infourok.ru/proverochnaya_rabota_v_formate_oge_po_teme_fotosintez._hemosintez-578596.htm

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector