Органические вещества: примеры. Примеры образования органических и неорганических веществ. Образование органических веществ Образование органических веществ

Как известно, все вещества могут быть поделены на две большие категории - минеральные и органические. Можно привести большое количество примеров неорганических, или минеральных, веществ: соль, сода, калий. Но какие типы соединений попадают во вторую категорию? Органические вещества представлены в любом живом организме.

Белки

Важнейшим примером органических веществ являются белки. В их состав входит азот, водород и кислород. Помимо них, иногда в некоторых белках также можно обнаружить атомы серы.

Белки являются одними из важнейших органических соединений, и они наиболее часто встречаются в природе. В отличие от других соединений, белкам свойственны некоторые характерные черты. Главное их свойство - это огромная молекулярная масса. Например, молекулярный вес атома спирта составляет 46, бензола - 78, а гемоглобина - 152 000. По сравнению с молекулами других веществ, белки являются настоящими великанами, содержащими в себе тысячи атомов. Иногда биологи называют их макромолекулами.

Белки являются самыми сложными из всех органических строений. Они относятся к классу полимеров. Если рассмотреть молекулу полимера под микроскопом, то можно увидеть, что она представляет собой цепь, состоящую из более простых структур. Они носят название мономеров и повторяются в полимерах множество раз.

Помимо белков существует большое количество полимеров - каучук, целлюлоза, а также обычный крахмал. Также немало полимеров создано и руками человека - капрон, лавсан, полиэтилен.

Образование белка

Как же образуются белки? Они представляют собой пример органических веществ, состав которых в живых организмах определяется генетическим кодом. При их синтезе в подавляющем большинстве случаев используются различные комбинации

Также новые аминокислоты могут образовываться уже когда белок начинает функционировать в клетке. При этом в нем встречаются только альфа-аминокислоты. Первичная структура описываемого вещества определяется последовательностью остатков аминокислотных соединений. И в большинстве случаев полипептидная цепь при образовании белка закручивается в спираль, витки которой располагаются тесно друг к другу. В результате образования водородных соединений она имеет достаточно прочную структуру.

Жиры

Другим примером органических веществ могут послужить жиры. Человеку известно немало видов жиров: сливочное масло, говяжий и рыбий жир, растительные масла. В больших количествах жиры образуются в семенах растений. Если очищенную семечку подсолнечника положить на лист бумаги и придавить, то на листе останется маслянистое пятно.

Углеводы

Не менее важными в живой природе являются углеводы. Они содержатся во всех органах растений. К классу углеводов относится сахар, крахмал, а также клетчатка. Богаты ими клубни картофеля, плоды банана. Очень легко обнаружить крахмал в картофеле. При реакции с йодом этот углевод окрашивается в синий цвет. В этом можно убедиться, если капнуть на срез картофелины немного йода.

Также несложно обнаружить и сахара - они все имеют сладкий вкус. Много углеводов этого класса содержится в плодах винограда, арбузов, дыни, яблони. Они представляют собой примеры органических веществ, которые также производятся в искусственных условиях. Например, из сахарного тростника добывается сахар.

А как образуются углеводы в природе? Самым простым примером является процесс фотосинтеза. Углеводы представляют собой органические вещества, в которых содержится цепь из нескольких углеродных атомов. Также в их состав входит несколько гидроксильных групп. В процессе фотосинтеза сахар неорганических веществ образуется из оксида углерода и серы.

Клетчатка

Еще одним примером органических веществ является клетчатка. Больше всего ее содержится в семенах хлопка, а также стеблях растений и их листьях. Клетчатка состоит их линейных полимеров, ее молекулярная масса составляет от 500 тысяч до 2 млн.

В чистом виде она представляет собой вещество, у которого отсутствует запах, вкус и цвет. Применяется оно при изготовлении фотопленки, целлофана, взрывчатки. В организме человека клетчатка не усваивается, однако является необходимой частью рациона, поскольку стимулирует работу желудка и кишечника.

Вещества органические и неорганические

Можно привести немало примеров образования органических и Вторые всегда происходят из минералов - неживых которые образуются в глубинах земли. Они входят и в состав различных горных пород.

В естественных условиях неорганические вещества образуются в процессе разрушения минералов либо органических веществ. С другой стороны, из минералов постоянно образуются вещества органические. Например, растения поглощают воду с растворенными в ней соединениями, которые в дальнейшем переходят из одной категории в другую. Живые организмы используют для питания главным образом органические вещества.

Причины разнообразия

Нередко школьникам или студентам нужно ответить на вопрос о том, в чем заключаются причины многообразия органических веществ. Главный фактор состоит в том, что атомы углерода соединяются между собой при помощи двух типов связей - простых и кратных. Также они могут образовывать цепи. Еще одной причиной является разнообразие различных химических элементов, которые входят в органические вещества. Кроме того, многообразие обусловлено и аллотропией - явлением существования одного и того же элемента в различных соединениях.

А как образуются неорганические вещества? Природные и синтетические органические вещества и их примеры изучаются как в старших классах школы, так и в профилированных высших учебных заведениях. Образование неорганических веществ - это не такой сложный процесс, как образование белков или углеводов. Например, соду с незапамятных времен люди добывали из содовых озер. В 1791 году ученый-химик Николя Леблан предложил синтезировать ее в лабораторных условиях с использованием мела, соли, а также серной кислоты. Когда-то всем привычная сегодня сода была достаточно недешевым продуктом. Для проведения опыта было необходимо прокалить поваренную соль вместе с кислотой, а затем образовавшийся сульфат прокалить вместе с известняком и древесным углем.

Другим является марганцовка, или перманганат калия. Это вещество получают в промышленных условиях. Процесс образования заключается в электролизе раствора гидроксида калия и марганцевого анода. При этом анод постепенно растворяется с образованием раствора фиолетового цвета - это и есть всем известная марганцовка.

Первичная продукция на Земле создаётся в клетках зелёных растений под воздействием солнечной энергии, а также некоторыми бактериями вследствие химических реакций.

Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий).

Усваиваемая энергия фотон преобразуется в энергию связей химических веществ, синтезируемых при этих процессах.

Основная реакция фотосинтеза может быть записана следующим образом:

где Н 2 Х – «донор» электронов; Н – водород; X – кислород, сера или другие восстановители (например, сульфобактерии используют в качестве восстановителя Н 2 S, другие же виды бактерий – органическую субстанцию, а большинство зеленых растений, осуществляющих хлорофилльную ассимиляцию, – кислород).

Типы фотосинтеза:

1. Бесхлорофильный фотосинтез.

2. Хлорофильный фотосинтез

а). Аноксигенный фотосинтез. Процесс образования органических веществ на свету, при котором не происходит синтеза молекулярного кислорода. Осуществляется пурпурными и зелёными бактериями, а также геликобактериями.

б). Оксигенный фотосинтез с выделением свободного кислорода. Оксигенный фотосинтез распространён гораздо шире. Осуществляется растениями, цианобактериями и прохлорофитами.

Основная реакция фотосинтеза, осуществляемая растениями, может быть записана следующим образом:

Этапы (фазы) фотосинтеза:

· фотофизический;

· фотохимический;

· химический (или биохимический).

На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы.

На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи. Происходит переход энергии возбуждённого состояния в энергию химических связей. Синтезируются АТФ и НАДФН.

На третьем этапе протекают биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии с образование сахаров и крахмала. Реакции биохимической фазы происходят с участием ферментов и стимулируются температурой, поэтому эту фазу назвали термохимической.

Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза – световой. Третий этап происходит уже без обязательного участия света – темновой.

Энергия Солнца используется в процессе фотосинтеза и накапливается в виде химических связей в продуктах фотосинтеза, а затем передается как еда всем другим живым организмам. Фотосинтезирующая деятельность зеленых растений обеспечивает планету органическим веществом и аккумулированной в нем солнечной энергией – источником возникновения и фактором развития жизни на Земле.

Среди всех лучей солнечного света обычно выделяют лучи, которые оказывают влияние на на процесс фотосинтеза, ускоряя или замедляя его протекание. Эти лучи принято называть физиологическиактивнойрадиацией (сокращенно ФАР). Наиболее активными среди ФАР являются оранжево-красные (0,65…0,68 мкм), сине-фиолетовые (0,40…0,50 мкм) и близкие ультрафиолетовые (0,38…0,40 мкм). Меньше поглощаются желто-зеленые (0,50…0,58 мкм) лучи и практически не поглощаются инфракрасные. Лишь далекие инфракрасные принимают участие в теплообмене растений, оказывая некоторое положительное воздействие, особенно в местах с низкими температурами.

Синтез органического вещества может осуществляться бактериями как с использованием солнечного света, так и без него. Считается, что именно фотосинтез бактерий был первым этапом развития автотрофности.

Бактерии, использующие для образования органического вещества процессы, связанные с окислением соединений серы и других элементов, относятся к хемосинтетикам .

7 класс.

Урок______

Тема: Образование органических веществ в растении.

Цель урока : формировать представление учащихся об образовании органических веществ в растении.

Задачи:

о бразовательные : повторит знания учащихся о внешнем строении листа, разнообразие листьев. Раскрыть понятие «хлорофилл», «фотосинтез», «питание растений», познакомить учащихся с процессом образования органических веществ и с условиями для их образования, со значением листа для растений, значением зеленых растений для жизни на Земле.

коррекционно - развивающие: развитие связной речи, обогащение словаря новыми понятиями, развитие мыслительных операций (умение сопоставлять, обобщать, делать выводы, устанавливать причинно-следственные связи ); -воспитательные: воспитывать бережное отношение к природе, способствовать формированию у детей чувства ответственности за состояние окружающей среды .

Тип урока – комбинированный.

Форма организации: классный урок.

Оборудование : компьютер, презентация по теме «Образование органических веществ»», лаюораторное оборудование для демонстрации опытов, задания для индивидуальной проверки, карточки с познавательными материалами и заданиями, тестовый раздаточный материал, гербарий, учебник Биология 7 класс.

1. Организационный момент.

Проверка готовности учащихся к уроку. Психологический настрой.

Мобилизующее начало.

Из почек появляются,

Весною распускаются,

Летом шелестят,

Осенью – летят.

2. Проверка домашнего задания. «Внешнее строение листа. Разнообразие листьев».

а). Фронтальный опрос:

Что такое лист?

Из какого органа зародыша он развивается?

Каково внешнее строение листа?

Каким способом может прикрепляться лист?

Какие типы жилкования вы знаете?

К каким растениям принадлежат дугообразное и параллельное жилкование?

К каким растениям принадлежат сетчатое жилкование?

Какое значение имеют жилки в жизни растений?

Какие листья называются простыми, а какими сложными?

б). Работа по карточкам.

Карточка «Внешнее строение листа, разнообразие листьев»

1. Дополни предложения:

Лист – это _____________________________________________________

2. Из чего состоит лист. _________________________________________

3. Определите жилкование листьев

4. Какие листья называются простыми?

5. Какие листья называются сложными?

__________________________________________________________________________________________________________________________

6. Соедините стрелками:

Простые листья Сложные листья

в). Работа с гербарием. Самостоятельная работа

Сейчас Вам предстоит выполнить задание. Рассмотрите листья растений, изучите внешний вид листа и форму, определите тип жилкования. Изученные данные оформите в таблицу.

Название растения

Форма листа

Простой или сложный

Тип жилкования

Класс

Береза

Роза

Ландыш

Подорожник

Учитель проверяет выполненное задание совместно с учениками.

3. Актуализация знаний по теме урока.

Корни дают растениям только воду и минеральные соли, но растениям для нормального роста и развития необходимы ещё и органические вещества. Откуда эти вещества поступают в растение? Многие ученые пытались разгадать эту загадку живой природы. В начале XVI в. голландский натуралист Ян ванн Гельмонт тоже заинтересовался этим вопросом и решил поставить опыт. В горшок он поместил 80 кг земли и посадил ветку ивы. Землю в горшке прикрыл, чтобы на нее не попала пыль. Поливал ветку только дождевой водой, которая не содержала никаких питательных веществ. Через 5 лет выросшую иву вынули из земли и взвесили. Ее масса за 5 лет увеличилась на 65 кг. Масса же земли в горшке уменьшилась всего лишь на 50 г! Откуда же растение взяло 64 кг 950 г органического веществаМногие ученые пытались разгадать эту загадку живой природы. В начале XVI в. голландский натуралист Ян ванГельмонт тоже заинтересовался этим вопросом и решил поставить опыт. В горшок он поместил 80 кг земли и посадил ветку ивы. Землю в горшке прикрыл, чтобы на нее не попала пыль. Поливал ветку только дождевой водой, которая не содержала никаких питательных веществ. Через 5 лет выросшую иву вынули из земли и взвесили. Ее масса за 5 лет увеличилась на 65 кг. Масса же земли в горшке уменьшилась всего лишь на 50 г! Откуда же растение взяло 64 кг 950 г органического вещества?

Ответы учащихся, основанные на знаниях и жизненном опыте.

( растения способны сами создавать органические вещества.)

4. Сообщение темы и цели урока.

Тема: Образование органических веществ в растениях Вы узнаете, какие условия нужны для образования органических веществ и о значении этого процесса для жизни на земле.

5. Работа по теме урока.

Рассказ учителя, показ презентации, демонстрация опытов.

1. Из чего состоят растения?

В состав растений входят органические и неорганические вещества.

Неорганические вещества, как вы помните из 6 класс, это вода, минеральные соли.

А к органическим веществам, входящим в состав растений относится сахар (его вы чувствуете, когда едите виноград), витамины (которых особенно много в лимоне, смородине и т.д.), растительные белки (в фасоле, горохе и т.д.)

Состав растений

Органические вещества

Неорганические вещества

Сахар

жир

вода

Минеральные вещества

Крахмал

витамины

белки

Закончить заполнение схемы в тетради по результатам опытов.

Демонстрация опытов:

Опыт 1. Обнаружения жира на примере подсолнечника.

1. Очистить несколько семян подсолнечника от кожуры.

2. Положить семя на промокательную бумагу.

3. Надавить на семя и убрать раздавленное семя.

Что вы видите? На промокательной бумаге осталось жирное пятно.

Вывод: значит в семенах подсолнечника есть жир.

Опыт 2. «Обнаружение крахмала».

1. Взять картофелину и разрезать пополам.

2. Взять пипетку и йод. Капнуть на разрез картофелины 2- 3 капельки йода.

Что вы видите? На разрезе картофелины вы увидите синее пятно.

Вывод: значит в картофеле есть крахмал.

Но все же откуда берутся в растениях все эти вещества? Воду и минеральные соли растение берет из почвы? А откуда – органические вещества?

2. Образование органических веществ в растениях

На этот вопрос ответил русский ученый Климент Аркадьевич Темирязев.

Он установил, что органические вещества образуются в листьях.

Листья – это не только часть побега, но и своеобразные, уникальные

лаборатории, в которых образуются органические вещества: сахар и крахмал. Этот

процесс является едва ли не самым замечательным процессом происходящим на нашей

планете. Благодаря ему существует все живое на Земле.

Рассмотрим зелёный лист растения. (слайд)

Лист имеет зеленую окраску. Это объясняется тем, что в листе есть зеленое вещество – хлорофилл.

Словарная работа. Работа с биологическим словариком стр. 221.

На доске вывешивается карточка со словом «Хлорофилл».

Хлорофилл – зеленое вещество растений, которое находится в специальных тельцах - хлоропластах.

В них то и образуется органическое вещество. Но для образования органических веществ необходимы определенные условия.

3. Условия образования органических веществ растениями.

Прежде всего нужен хлорофилл. Хлорофилл будет работать, если на лист падает свет. Освещенный лист берет из воздуха углекислый газ. Вода в лист поступает из корней. И весь этот процесс происходит при наличии тепла.

Словарная работа «Фотосинтез»

Образование органических веществ на свету с помощью хлорофилла называют фотосинтезом.

Фотосинтез - / фото- свет, синтез – образование/.

Запись в тетрадь

Условия образования органических веществ растениями

1 наличие хлорофилла.

2 свет.

3. углекислый газ.

4 тепло.

5 вода.

Когда все эти условия- хлорофилл, свет, углекислый газ, тепло, вода- есть, в листе образуется сахар. Частично уже в листе сахар переходит в крахмал. Образование крахмала в листьях – это питание растений.

Показ презентации «Образование крахмала в листьях растений на свету»

1. Растение герань поставили в тёмный шкаф на 3 дня, чтобы произошёл отток питательных веществ из листьев,

2. Затем растение поместил на свет на 8 часов,

3. Удалили лист растения и поместили сначала в горячую воду (при этом разрушилась покровная и основная ткань листа), лист стал более мягким, затем мы поместили его в кипящий спирт.(При этом лист обесцветился, а спирт стал ярко зелёным от хлорофилла) .

4. Потом обесцвеченный лист обработал слабым раствором йода

5. Результат: появление синей окраски при обработке листа йодом.

Вывод: Действительно в листьях образовался крахмал.

Запомните, в отличие от других живых организмов растения не поглощают органические вещества, они синтезируют их сами.

В процессе создания органического вещества растения выделяют кислород.

В 18 веке В 1771 году английский химик Джозеф Пристли проделал следующий опыт: он поместил двух мышей под стеклянный колпак, но под один из колпаков поставил комнатное растение. Посмотрите на иллюстрацию и скажите, что произошло с мышью, где не было комнатного растения. Мышь погибла.

Да, к сожалению мышь погибла. Подумайте, как можно объяснить тот факт, что мышь под вторым колпаком, куда было помещено комнатное растение осталась живой?

Вспомните, какой из перечисленных газов необходим живым существам для дыхания? Кислород.

Верно. Вот мы и ответили на вопрос, почему мышка осталась жить. Комнатное растение выделяло кислород, а мышь использовала его для дыхания.

Органические вещества, которые вырабатываются в процессе фотосинтеза нужны для питания всех частей растения, от корней до цветков и плодов. Чем больше солнечной энергии и углекислого газа будет получать растение, тем больше органических веществ оно будет образовывать. Так растение питается, растет и набирает вес.

Действительно, растения создают органические вещества для собственных нужд, но и обеспечивают пищей другие живые организмы, представляют всему живому кислород для дыхания. Растительный покров земли называют«зелёными лёгкими планеты». А б у дут ли они здоровыми зависит от нас с вами, от того насколько разумно мы распорядимся данным нам богатством.

ФИЗМИНУТКА

ГИМНАСТИКА ДЛЯ ГЛАЗ

Ребята, послушайте слова К.А. Тимирязева «Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, - он решит, что вы над ним смеетесь.

Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрепятственно совершается в зеленых листьях»

Как вы понимаете это выражение?

6. Первичное закрепление и коррегирование знаний.

Какой газ поглощают зелёные листья растений? Углекислый.

Какое вещество поступает по сосудам стебля в листья? Вода.

Какое важное условие необходимо? Солнечный свет.

Какой газ выделяют зелёные листья растений? Кислород.

Какие сложные вещества образуются в листьях. Органические вещества

Дайте название этому процессу. Фотосинтез.

Как называется вещество, в котором происходит процесс фотосинтеза. Хлорофилл.

Зарисовать и записать схему фотосинтеза

УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ + ВОДА = ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА + КИСЛОРОД

Фотосинтез – это процесс, протекающий в зелёных листьях растений на свету , при котором из углекислого газа и воды образуются органические вещества и кислород.

7. Закрепление изученного материала.

(вариативное задание)

1. Фронтальный опрос

Ребята, сегодня на уроке вы узнали много нового, интересного.

Ответьте на вопросы:

1.Какой процесс называют фотосинтезом?

2.При помощи какого вещества в листьях происходит процесс фотосинтеза?

3. Из чего в зелёных листьях образуются органические вещества?

4. Какой газ выделяется из зелёных листьев на свету? Каково его значение для живых организмов?

5 . Какие условия необходимы для процесса фотосинтеза?

2. Тестирование

«Образование органических веществ в листе».

В какой части растения образуются органические вещества?

корень;

лист;

стебель;

цветок.

Какие условия необходимы для образования в растении органических веществ?

хлорофилл, свет, тепло, углекислый газ, вода;

хлорофилл, тепло;

углекислый газ, вода.

Какой газ выделяет растение в процессе образования крахмала?

азот;

кислород;

углекислый газ.

Как растение расходует органические вещества?

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. Карточка «Условия образования органических веществ в растениях».

Дополнительное з адание.

Прочитай текст письма. Найдите ошибки, допущенные автором письма?

Исправь ошибки.

Здравств уйте, юные биолухи! С приветом к вам Алёша Перепуткин. Я великий знаток

процесса фотосинтеза. А, вы, знаете его? отосинтез происходит в корнях и листьях,

только ночью, к ог да никто не мешает. В ходе этого процесса образуется вода, а кислород расходуется. Луна посылает свою энергию и в клетках образ уются органические

вещества: сначала крахмал, а потом сахар. В процессе фотосинтеза выделяется много

энергии, поэтому растения не боятся холода зимой. Без фотосинтеза мы бы задохнулись, так как не было бы обогащения атмосферы углекислым газом.

Подведение итога урока

В ходе урока вы узнали как питаются и растут растения, было доказано, что без зеленого листа не только не может жить растение, но и не было бы вообще жизни на Земле, так как кислород земной атмосферы, которым дышат все живые существа, был наработан в процессе фотосинтеза. Великий русский ученый ботаник К.А.Тимирязев называл зеленый лист великой фабрикой жизни. Сырьем для нее служит углекислый газ и вода, двигателем – свет. Зеленые растения, постоянно выделяя кислород, не дадут погибнуть человечеству. А мы, должны заботиться о чистоте воздуха.

У рок мне бы хотелось закончить стихами

Фотосинтез идет на свету круглый год.

И он людям дает пищу и кислород.

Очень важный процесс- фотосинтез, друзья,

Без него на Земле обойтись нам нельзя.

Фрукты, овощи, хлеб, уголь, сено, дрова –

Фотосинтез всему этому голова.

Воздух чист будет, свеж, как легко им дышать!

И озоновый слой будет нас защищать.

Домашнее задание

Образование органического вещества как на суше, так и в океане начинается с воздействия солнечного света на хлорофилл зеленых растений. Из каждого миллиона фотонов, достигающих географической оболочки, не более 100 идет на производство пиши. Из них 60 расходуется растениями суши и 40 фитопланктоном океана. Эта доля света обеспечивает планету органическим веществом.

Фотосинтез происходит в диапазоне тепла от 3 до 35°C. В современных климатах растительность занимает на суше 133,4 млн. км 2 . Остальная площадь падает на ледники, водоемы, строения и скальные поверхности.

На нынешней стадии развития Земли материковая и океанская части биосферы различны. В океане почти нет высших растений. Площадь литорали, на которой растут прикрепленные ко дну растения, составляет всего 2% от общей площади дна океана. Основу жизни в океане составляют микроскопические водоросли фитопланктона и микроскопические травоядные организмы зоопланктона. Те и другие в воде крайне рассеяны, концентрация жизни в сотни тысяч раз меньше, чем на суше. Прежние завышенные оценки биомассы океанов пересмотрены. По новым подсчетам она по общей массе в 525 раз меньше, чем на суше. По данным В. Г. Богорова (1969) и А. М. Рябчикова (1972), ежегодная продуктивность биомассы на Земле составляет 177 млрд. т сухого вещества, из них 122 млрд. т дает растительность суши и 55 млрд. т фитопланктон моря. Хотя объем биомассы в море много меньше, чем на суше, продуктивность ее в 328 раз (А. М. Рябчиков) выше материковой, объясняется это быстротой смены поколений водорослей.

Биомасса суши состоит из фитомассы, зоомассы, включающей и насекомых, и биомассы бактерий и грибов. Суммарная масса почвенных организмов достигает порядка 1-10 9 т, а в составе зоомассы основная доля (до 99%) приходится на беспозвоночные организмы.
В целом же в биомассе суши абсолютно преобладает вещество растений, главным образом древесных: на фотомассу приходится 97-98%, на зоомассу 1-3% по массе (Ковда, 1971).
Хотя масса живого вещества и не велика в сравнении с объемом лито-, гидро- и даже атмосферы, роль ее в природе несравненно больше ее удельного веса. Например, на 1 га, занятом растениями, площадь их листьев может достигать 80 га, прям бизнес можно делать, а площадь хлорофилльных зерен, т. е. активно работающей поверхности, еще в сотни раз больше. Площадь хлорофилльных зерен всех зеленых растений на Земле приблизительно равна площади Юпитера.

Подчеркнем еще раз, что фотосинтез - весьма совершенная форма аккумуляции энергии, количество которой выражается числом 12,6-10 21 Дж (3-1021 кал). Эта энергия производит на Земле ежегодно около 5,8-10 11 т органического вещества, в том числе 3,1 ∙ 10 10 т на суше. Из этого числа приходится на долю лесов 2,04-10 10 , степей, болот и лугов 0,38-10 10 , пустынь 0,1 ∙ 10 10 и культурной растительности 0.58-10 10 т (Ковла, 1971).

В 1 г почвы хлопкового поля содержится 50-100 тыс. микроорганизмов, что в переводе на гектар составляет несколько тонн (Ковда, 1969). Некоторые почвы на 1 га содержат до 10 млрд. круглых червей, до 3 млн. дождевых червей и 20 млн. насекомых.

ЛЕКЦИЯ 9

Образование и разложение органических веществ.

(Фотосинтез, дыхание, транспирация)

Рассмотрим подробнее процессы аккумуляции солнечной энергии при образовании органических веществ и рассеивании ее при разрушении этих веществ. Жизнь на Земле зависит от потока энергии, образующейся в результате термоядерных реакций, идущих в недрах Солнца. Около 1 % солнечной энергии, достигающей Земли, преобразуется клетками растений (и некоторых бактерий) в химическую энергию синтезированных углеводов.

Образование органических веществ на свету называется фотосинтезом (гр. Свет, соединение) Фотосинтез – это накопление части солнечной энергии путем превращения ее потенциальную энергию химических связей органических веществ.

Фотосинтез - необходимое связующее звено между живой и неживой природой. Без притока энергии от Солнца жизнь на нашей планете, подчиняясь второму закону термодинамики прекратилась бы навсегда. Сравнительно недавно (конец 18 столетия) было обнаружено, что в образующихся при фотосинтезе органических веществах соотношение углерода, водорода и кислорода таково, что на 1 атом углерода приходится как бы 1 молекула воды (откуда и название сахаров – углеводы). Считалось, что углеводы образуются из углерода и воды, а кислород выделяется из СО 2 . Позже английский медик Корнелиус ван Ниль, изучая фото синтезирующие бактерии, показал, что в результате фотосинтеза серные бактерии выделяют серу, а не кислород:

Он предположил, что не СО 2 , а вода разлагается при фотосинтезе, и предложил следующее суммарное уравнение фотосинтеза:

Для водорослей и зеленых растений Н 2 А - это вода (Н 2 О). Для пурпурных серных бактерий Н 2 А – сероводорюд. Для других бактерий это может быть свободный водород или другое окисляемое вещество.

Эта идея в 30-х годах 20-го столетия была подтверждена экспериментально с использованием тяжелого изотопа кислорода (18 О).

Для водорослей и зеленых растений суммарное уравнение фотосинтеза стали записывать следующим образом:

Синтезированные растениями углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал и др.) являются главным источником энергии для большинства гетеротрофных организмов, населяющих нашу планету. Разложение органических веществ происходит в процессе метаболизма (гр. изменение) в живых клетках.

Метаболизм – это совокупность биохимических реакции и превращений энергии в живых клетках, сопровождающихся обменом веществ между организмом и средой.

Сумма реакций, ведущих к распаду или деградации молекул и выделению энергии, называется катоболизмом , а приводящих к образованию новых молекул – анаболизмом.

Превращения энергии в живых клетках осуществляются путем переноса электронов с одного уровня на другой или от одного атома или молекулы - к другим. Энергия углеводов выделяется в метаболических процессах при дыхании организмов.

Дыхание – это процесс, в результате которого энергия, выделенная при распаде углеводов, передается на универсальную энергонесущую молекулу аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), где она хранится в виде высокоэнергетических фосфатных связей.

Так, например, при разложении 1 моля глюкозы выделяется 686 ккал свободной энергии (1 ккал = 4,18т10 Дж). Если бы эта энергия выделялась быстро, то большая часть ее рассеялась бы в виде теплоты. Это не принесло бы пользы клетке, а привело бы к гибельному для нее увеличению температуры. Но в живых системах есть сложные механизмы, которые регулируют многочисленные химические реакции таким образом, что энергия хранится в химических связях и затем может выделяться постепенно, по мере необходимости. У млекопитающих, птиц и некоторых других позвоночных теплота, выделяемая при дыхании, сохраняется, и поэтому температура их тела выше температуры окружающей среды. У растений скорость дыхания невелика, поэтому выделяемая теплота обычно не влияет на температуру растений. Дыхание может происходить как в аэробных (в присутствии кислорода), так и в анаэробных (бескислородных) условиях.

Аэробное дыхание - процесс, обратный фотосинтезу, т. е. синтезированное органическое вещество (С 6 Н 12 О 6) вновь разлагается с образованием СО 2 и Н 2 О с высвобождением потенциальной энергии Q пот аккумулированной в этом веществе:

Однако в отсутствие кислорода процесс может идти не до конца. В результате такого незавершенного дыхания образуются органические вещества, еще содержащие некоторое количество энергии, которая в дальнейшем может быть использована другими организмами при других типах дыхания.

Анаэробное дыхание протекает без участия газообразного кислорода. Акцептором электронов служит не кислород, а другое вещество, например уксусная кислота:

запасом энергии q 1 и может использоваться в качестве топлива или самопроизвольно окисляться и воспламеняться в природе по реакции:

Бескислородное дыхание служит основой жизнедеятельности многих сапротрофов (бактерий, дрожжей, плесневых грибков, простейших), но может встречаться и в тканях высших животных.

Брожение - это анаэробное дыхание, при котором органическое вещество само служит акцептором электронов:

		а образующийся спирт также содержит

некоторое количество энергии q 2 , которая может быть использована другими организмами:

Разложение может быть результатом не только биотических, но и абиотических процессов. Так, например, степные и лесные пожары возвращают большое количество СО 2 и других газов в атмосферу и минеральных веществ в почву. Они - важный и иногда даже необходимый процесс в экосистемах, где физические условия таковы, что микроорганизмы не успевают разлагать образующиеся органические остатки. Но окончательное разложение отмерших растений и животных осуществляется, в основном, гетеротрофными микроорганизмами - редуцентами, примером которых являются широко распространенные в сточных и природных водах сапрофитные бактерии. Разложение органических веществ есть результат добывания необходимых химических элементов и энергии в процессе преобразовании пищи внутри клеток их тел. При прекращении этих процессов все биогенные элементы окажутся связанными в мертвых остатках и продолжение жизни станет невозможным. Комплекс разрушителей в биосфере состоит из огромного числа видов, которые, действуя последовательно, осуществляют распад органических веществ до минеральных. Процессы образования органических веществ и их распад называют процессами продукции (лат. создание, производство) и деструкции (лат. разрушение). Продукционно-деструкционный баланс в биосфере в целом в современных условиях является положительным. Это обусловлено тем, что не все части отмерших растений и животных разрушаются с одинаковой скоростью. Жиры, сахара и белки разлагаются достаточно быстро, а древесина (клетчатка, лигнин), хитин, кости - очень медленно. Наиболее устойчивым промежуточным продуктом разложения органических веществ является гумус (лат. почва, перегной), дальнейшая минерализация которого оченьзамедлена. Медленное разложение гумуса - одна из причинзапаздывания деструкции по сравнению с продукцией. С точки зрения химии, гумусовые вещества представляют собой продуктыконденсации (лат. - скопление, уплотнение) ароматических соединений (фенолов, бензолов и др.) с продуктами распада белков и полисахаров. для их расщепления, видимо, требуютсяспециальные ферменты, которые часто отсутствуют у почвенныхи водных сапротрофов.

Таким образом, разложение органических остатков - длительный, многоступенчатый и сложный процесс, который контролирует несколько важных функций экосистемы: возвращение элементов питания в круговорот и энергии - в систему; преобразование инертных веществ земной поверхности; образование безвредных комплексных соединений токсичных веществ; поддержание состава атмосферы, необходимого для жизни азробов. Для биосферы в целом важнейшее значение имеет отставание процессов разложения органических веществ от процессов синтеза их зелеными растениями. Именно это отставание обусловило накопление в недрах планеты горючих ископаемых, а в атмосфере кислорода. Установившийся в биосфере положительный баланс продукционно-деструкционных процессов обеспечивает жизнь аэробных организмов, в том числе и человека.

Основные закономерности водопотребления растениями.

Транспирация – это процесс испарения воды наземными частями растений.

Одна из основных физиологических функций любого организма - поддержание на достаточном уровне количества воды в теле. В процессе эволюции у организмов сформировались разнообразные приспособления к добыванию и экономному расходованию воды, а также к переживанию засушливого периода. Одни животные пустыни получают воду из пищи, другие за счет окисления своевременно запасенных жиров (на пример, верблюд, способный путем биологического окисления из 100 г жира получить 107 г метаболической воды). При этом у них минимальна водопроницаемость наружных покровов тела, преимущественно ночной образ жизни и т. д. При периодической засушливости характерно впадание в состояние покоя с минимальной интенсивностью обмена веществ.

Наземные растения получают воду главным образом из почвы. Малое количество осадков, быстрый дренаж, интенсивное испарение либо сочетания этих факторов ведут к иссушению, а избыток влаги - к переувлажнению и заболачиванию почв. Баланс влаги зависит от разницы между количеством выпавших осадков и количеством воды, испарившейся с поверхностей растений и почвы, а также путем транспирации. В свою очередь процессы испарения непосредственно зависят от относительной влажности атмосферного воздуха. При влажности, близкой к 100%, испарение практически прекращается, и если дополнительно понижается температура, то начинается обратный процесс - конденсация (образуется туман, выпадают роса, иней). Влажность воздуха как экологический фактор при своих крайних значениях (повышенной и пониженной влажности), усиливает воздействие (усугубляет) температуры на организм. Насыщение воздуха парами воды редко достигает максимального значения. Дефицит влажности - разность между максимально возможным и фактически существующим насыщением при данной температуре. Это один из важнейших экологических параметров, поскольку характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот. Режим осадков - важнейший фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в природной среде и вымывание их из атмосферы.

Масса воды, содержащаяся в живых организмах, оценивается в 1,1 10 3 млрд т, т. е. меньше, чем содержат русла всех рек мира. Биоценоз биосферы, заключая в себе относительно малое количество воды, тем не менее интенсивно прогоняет ее через себя. Особенно интенсивно это происходит в океане, где вода является и средой обитания, и источником пита тельных веществ и газов. Основную массу биоценоза планеты составляют продуценты. В водных экосистемах это водоросли и фитопланктон, а в наземных - растительность. В водной среде растения непрерывно фильтруют воду через свою поверхность, а на суше они извлекают воду корнями из почвы и удаляют (транспирируют) наземной частью. Так, для синтеза одного грамма биомассы высшие растения должны испарить около 100 г воды.

Наиболее мощные системы транспирации на суше - это леса, которые способны прокачать через себя всю массу воды гидросферы за 50 тыс. лет; при этом планктон океана профильтровывает всю воду океана за год, а морские организмы все вместе - всего за полгода.

В биосфере работает сложный фильтр фотосинтеза, в процессе которого вода разлагается и вместе с диоксидом углерода используется при синтезе органических соединений, необходимых для построения клеток организмов. Всю массу воды гидросферы фотосинтезирующие живые организмы могут разложить примерно за 5-б млн лет, а другие организмы примерно за такой же срок восстанавливают потерянную воду из отмирающей органической массы.

Таким образом, биосфера, несмотря на ничтожный объем заключенной в ней воды, оказывается самым мощным и сложным фильтром гидросферы на Земле.

Каскад биологических фильтров пропускает через себя массу воды, равную массе всей гидросферы за время от полугода до миллионов лет. Поэтому можно утверждать, что гидросфера - это продукт живых организмов, среда, которую они создали сами для себя. Академик В. И. Вернадский выразил это тезисом: Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена к нему.

Развитие экосистем.

Наблюдения в природе показывают, что заброшенные поля или выжженный лес постепенно завоевываются многолетними дикими травами, затем кустарниками и, в конце концов, деревьями. Развитие экосистем во времени известно в экологии под названием экологических сукцессий (лат. преемственность, последовательность).

Экологическая сукцессия - это последовательная смена биоценозов, преемственно возникающих на одной и той же территории под воздействием природных или антропогенных факторов.

Некоторые сообщества остаются стабильными многие годы, другие быстро изменяются. Изменения происходят во всех экосистемах естественным или искусственным путем. Естественные изменения являются закономерными и управляются самим сообществом. Если сукцессионные изменения определяются в основном внутренними взаимодействиями, то это аутогенные, т. е. самопорождающиеся сукцессии. Если изменения вызываются внешними силами на входе экосистемы (шторм, пожар, воздействие человека), то такие сукцессии называют аллогенными т. е. порожденными извне. Например, вырубка в леса быстро заселяется окружающими деревьями; луг может смениться лесом. Аналогичные явления происходят в озерах, на скальных склонах, голых песчаниках, на улицах покинутых поселков и т. п. Процессы сукцессии непрерывно идут на всей планете.

Последовательные сообщества, сменяющие друг друга на данном пространстве, называются сериями или стадиями.

Сукцессия, начинающаяся на участке, прежде не занятом, называется первичной. Например, поселения лишайников на камнях: под действием выделений лишайников каменистый субстрат постепенно превращается в подобие почвы, где поселяются затем кустистые лишайники, зеленые травы, кустарники и т. л.

Если сообщество развивается на месте уже существовавшего, то говорят о вторичной сукцессии. Например, изменения, происходящие после раскорчевки или порубки леса, устройство пруда или водохранилища и т. п.

Скорость сукцессий различна. В историческом аспекте смена фауны и флоры по геологическим периодам есть не что иное, как экологические сукцессии. Они тесно связаны с геологическими и климатическими изменениями и эволюцией видов. Такие изменения происходят очень медленно. Для первичных сукцессий требуются сотни и тысячи лет. Вторичные протекают быстрее. Сукцессия начинается с несбалансированного сообщества, у которого продукция (П) органического вещества либо больше, либо меньше скорости дыхания (Д), и сообщество стремится к состоянию, где П = Д. Сукцессия, начинающаяся при П > Д называется автотрофной , а при П <Д - гетеротрофной . Отношение П/Д является функциональным показателем зрелости экосистем.

При П > Д постепенно растет биомасса сообщества (Б) и отношение биомассы к продукции Б/П, т. е- увеличиваются размеры организмов. Возрастание происходит до тех пор, пока не произойдет стабилизация системы. Состояние стабилизированной экосистемы называется климаксом (гр. лестница, зрелая ступень).

Автотрофная сукцессия - широко распространенное в природе явление, которое начинается в незаселенной среде: формирование леса на брошенных землях или восстановление жизни после извержения вулканов и других природных катастроф. Она характеризуется длительным преобладанием автотрофных организмов.

Гетеротрофная сукцессия характеризуется преобладанием бактерий и встречается тогда, когда среда пересыщена органическими веществами. Например, в реке, загрязняемой сточными водами с большим содержанием органических веществ, или на очистных сооружениях. При гетеротрофных сукцессиях энергетические запасы могут постепенно исчезать. Из-за отсутствия автотрофного процесса климакс может не наступить; тогда после исчерпания энергетических запасов экосистема может исчезнуть (разрушающееся дерево).

В климаксных системах образуется сложная сеть взаимоотношений, поддерживающих ее стабильное состояние. Теоретически такое состояние должно бытъ постоянным во времени и существовать до тех пор, пока его не нарушат сильные внешние возмущения. Чем больше отношение П/Д отклоняется от 1, тем менее зрелой и менее устойчивой является экосистема. В климаксных сообществах это отношение приближается к 1.

Тенденции изменения основных характеристик экосистем. При аутогенных сукцессиях наблюдается закономерное изменение основных признаков экологических систем (табл. 2.2).

Сукцессии связаны с функциональным сдвигом энергии в сторону увеличения затрат на дыхание, по мере того как накапливаются органическое вещество и биомасса. Общая стратегия развития экосистем состоит в возрастании эффективности использования энергии и биогенных элементов, достижении максимального разнообразия видов и усложнении структуры системы.

Сукцессия- это направленное предсказуемое развитие экосистемы до установления равновесия между биотическим сообществом – биоценозом и абиотической средой – биотопом .

В процессе сукцессии популяции организмов, функциональные связи между ними закономерно и обратимо сменяют друг друга. Несмотря на то, что экосистема не является «сверхорганизмом», между развитием экосистемы, популяции, организма, а также сообщества людей существует множество параллелей.

Эволюция экосистем, в отличие от сукцессий, представляет собой длительный процесс исторического развития. Эволюция экосистем - это история развития жизни на Земле от возникновения биосферы до наших дней. В основе эволюции лежит естественный отбор на видовом или более низком уровне. Эволюция экосистем в какой-то степени повторяется в их сукцессионном развитии. Эволюционные процессы необратимы и нецикличны. Если сравнить состав и структуру экосистем в ранние и поздние геологические эпохи, то прослеживается тенденция увеличения видового разнообразия, степени замкнутости биогеохимических циклов равномерности распределения и сохранения ресурсов внутри системы, усложнения структуры сообществ и стремления к сбалансированному состоянию, при котором темпы эволюции замедляются. В такой системе эволюция встречает множество препятствий, т.к. сообщество плотно укомплектовано и связи между организмами и популяциями прочны. При этом шансы проникнуть в такую систему извне очень малы и ее эволюция несколько заторможена.

Биомы. Физико-химические и климатические условия в разных частях биосферы различны. Климатически обусловленные крупные совокупности экосистем называют биомами, или формациями. Биом- это макросистема или совокупность экосистем, тесно связанных климатическими условиями, потоками энергии, круговоротом веществ, миграцией организмов и типом растительности. Каждый биом включает в себя ряд меньших по размеру, связанных между собой экосистем.

Биомы по местообитанию подразделяют на три основные группы: наземные, морские и пресноводные. Формирование их зависит от макроклимата, а для пресноводной - от географической широты местности. Важными факторами являются:

циркуляция воздуха,

распределение солнечного света,

сезонность климата,

высота и ориентация гор,

гидродинамика водных систем.

Наземные биомы в основном определяются растительностью, теснейшим образом зависящей от климата и образующей основную биомассу. Четкие границы между биомами встречаются редко. Чаще они размыты и представляют широкие переходные зоны. На границе двух экосистем, например на опушке леса, одновременно встречаются представители лесных и луговых видов. Контрастность среды, а потому большое обилие экологических возможностей порождает «сгущение жизни», называемое правилом краевого эффекта или правилом экотона (от гр. дом и связь). Самый богатый по числу видов биом планеты - это вечнозеленый дождевой тропический лес.

Морские биомы в меньшей степени зависят от климата, чем наземные. Они формируются в зависимости от глубины водоема и вертикального размещения организмов. Важнейшее значение имеет то, что фотосинтез возможен лишь в поверхностных горизонтах воды. Прибрежное океаническое мелководье, ограниченное с одной стороны берегом, а с другой - гребнем континентального склона (до 600 м), называется континентальным шельфом (англ. полка). Площадь шельфа составляет около 8 % от общей площади мирового океана.

В области шельфа расположена литоральная зона (лат. прибрежный). Небольшие глубины, близостъ к материкам, приливы и отливы определяют ее богатство питательными веществами, высокую продуктивность и разнообразие организмов. Здесь производится около 80 % всей биомассы океана и сконцентрирован мировой океанический промысел. От нижнего края шельфа над континентальным склоном до глубины 2 - З тыс. м простирается батиальная зона (гр. глубокий). Площадь этой зоны - чуть более 15 % от всей площади океана. По сравнению с литоралью фауна и флора батиали гораздо беднее; общая биомасса не превышает 10 % биомассы мирового океана. От подножия континентального склона до глубин 6 - 7 тыс. м находится абиссальная зона (гр. бездна) океана. Она занимает площадь более 75 % дна океана. Абиссаль характеризуется отсутствием солнечного света у дна, слабой подвижностью водных масс, ограниченностью питательных веществ, бедностью животного мира, низким видовым разнообразием, биомассой. В абиссальной области встречаются глубокие впадины – до 11 тыс. м, площадь которых около 2 % от общей площади дна океана.

Пресные внутренние водоемы, как правило, неглубоки. Ведущим фактором в этих экосистемах становится скорость циркуляции воды. По этому признаку различают лотические (лат. смывающие) текучие воды (реки, ручьи) и лентические (лат, медленно, спокойно), стоячие воды (озера, пруды, лужи).

Крупные биомы земного шара отличаются стабильностью.