Можно ли связать между собой проблемы фотосинтеза и проблему обеспечения продовольствия

Обновлено: 23.04.2024

Как связаны меж собой проблемы фотосинтеза и обеспечения продовольствием населения Земли? Растолкуйте , почему в процессе фотосинтеза используются углекислый газ и вода и укажите что служит источником побочного продукта фотосинтеза , т.е кислорода? Растолкуйте почему мы разговариваем что энергию для жизни на земле изночально поставляет Солнце?

Кирилл Никатов
Биология
2019-10-19 16:38:32
11
1

1) В итоге фотосинтеза в растениях из углекислого газа и воды образуются углеводы. Растениями кормятся многие животные, которые служат источником продовольствия, а также сами люди. Соответственно, чем меньше растений, тем меньше фотосинтеза, и тем больше заморочек с обеспечением продовольствием.

2) Из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза и полисахариды (6СО2 + 6Н2О = глюкоза + 6 молекул кислорода). Источником кислорода является вода, т.к. он выделяется в итоге ее фотолиза.

3) Все пищевые цепи начинаются с готового органического вещества (растений либо фотосинтезирующих микробов) либо детрита, который, вновь же, образуется из органического вещества. Потому вся энергия образуется с подмогою солнца.

Проблема в следующем - количество солнечного света. падпюшего на поверхность планеты постоянно (колебания малозначимы). Таким образом, при фотосинтезе может выробатываться только определенное количество биомассы (не существенно какой - в принципе есть можно все) , котоое соответственно имеет свое предельное значение. Сответственно получить достаточно пищи может ограниченное количество биологических существ. Проше говоря - существует предел населения на планете.
Можно помотреть "Закон Вернадского" - становиться не весело, учитывая современные темпы роста населения. Так что данную проблему простым увеличением деревьев решить нельзя - либо контроль за рождаемостью, либбо экспансия космоса.

без этого процесса привращения воды и углекислоты в молекуле хлорофила с использованием энергии солнца и как выхлопных газов в ввиде кислорода, обеспечение землян едой и дыхание были бы не возможны..

есть два способа питания -собирание (аграр) и охота (животноводство) .
итак из курса экологии за 7ой класс школы:
пищевая цепочка-продуценты (растения) ->консульменты ( здесь травоядные и хищники можно было отдельным звеном) ->редуценты
продуценты -растения которые питаются солнечным светом и минералосодержащей водой и продуктом жизнедеятельности редуйентов (гумус- перегной, чернозём) , как только не станет солнечного света (ибо фотосинтез-процесс производящийся с помощью хлорофила - преобразование углекислого газа CO2 в кислород О2) не станет и растений а следом изчезнет и кислород (ибо его быстро исчерпают животные) . как только не станет кислорода - животные вымрут. и как только мы потеряем свои источники пищи мы (даже если и сможем для себя получать кислород) вымрем от голода. во всяком случае это поряда 95% населения планеты

Космическая роль растений. Растения – автотрофы. Автотрофы использую световую энергию, с помощью энергии солнца, хлорофилла клеток и углерода углекислого газа синтезирует в своих организмах собственные органические вещества. Солнце – это космическое тело (звезда), которая дает энергию для жизни растений – для синтеза питательных веществ растений на планете Земля. А затем уже все остальные организмы используют растения для своего питания. То есть растения с помощью энергии солнца дают пищу всем остальным организмам на планете.

В каких органоидах клетки осуществляется фотосинтез?

Вопросы для повторения и задания

1. Что такое ассимиляция?

Ассимиляция или анаболизм (от греч. ἀναβολή, «подъём») – так называются все процессы создания новых веществ, клеток и тканей организма. Примеры анаболизма: синтез в организме белков и гормонов, создание новых клеток, накопление жиров, создание новых мышечных волокон – это все анаболизм.

2. Опишите известные вам типы питания. Какой критерий лежит в разделении организмов на автотрофные и гетеротрофные?

Гетеротрофы – организмы, не способны самостоятельно синтезировать органические вещества, это организмы, питающиеся готовыми органическими веществами.

Гетеротрофы делятся на:

Автотрофы – это организмы, которые самостоятельно синтезируют органические вещества.

Автотрофы делятся на:

Миксотрофы – организмы, по типу питания занимающие промежуточное положение между автотрофами и гетеротрофами. К М. относятся некоторые автотрофные растения, одновременно усваивающие и готовые органические вещества (напр., некоторые зеленые одноклеточные и синезеленые водоросли).

3. Какие организмы называют автотрофными?

Автотрофы – это организмы, которые самостоятельно синтезируют органические вещества.

4. Почему у зелёных растений в результате фотосинтеза выделяется в атмосферу свободный кислород?

Выделяющийся кислород – это побочный промежуточный продут, который образуется в результате работы световой фазы фотосинтеза, при фотолизе воды – разрушении молекулы воды под действием света. Фотолиз воды необходимая мера, при которой образуются электроны и протоны необходимые для восстановления «электронных дыр» фотосистемы II и восстановления кофермента НАДФ*Н.

5. Каковы признаки гетеротрофного типа питания? Приведите примеры гетеротрофных организмов.

Гетеротрофы, организмы, использующие для своего питания готовые органические вещества (обычно ткани растений или животных) через процесс, известный как гетеротрофное питание. Все животные и грибы - гетеротрофы. В результате пищеварительного процесса (как и у людей) происходит расщепление тканей, обеспечивая организм материалом, из которого он может синтезировать необходимые питательные вещества, такие как углеводы, белки, жиры, витамины и минералы.

6. Как вы думаете, почему всё живое на Земле можно назвать «детьми Солнца»?

Так как роль растений называют космической. Растения – автотрофы. Автотрофы использую световую энергию, с помощью энергии солнца, хлорофилла клеток и углерода углекислого газа синтезирует в своих организмах собственные органические вещества. Солнце – это космическое тело (звезда), которая дает энергию для жизни растений – для синтеза питательных веществ растений на планете Земля. А затем уже все остальные организмы используют растения для своего питания. То есть растения с помощью энергии солнца дают пищу всем остальным организмам на планете.

В природе органическое вещество создают не только зеленые растения, но и бактерии, не содержащие хлорофилл. Этот автотрофный процесс называется хемосинтезом. Хемосинтез открыл в 1889-1890 гг. знаменитый русский микробиолог С.Н.Виноградский. Хемосинтез осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и других. Энергия, образовавшаяся в реакциях окислении, запасается в бактериальных клетках в форме АТФ.

В водоемах, вода которых содержит сероводород, живут бесцветные серобактерии. Колоссальное количество серобактерий имеется в Черном море, в котором глубже 200 м вода насыщена сероводородом. Энергию, необходимую для синтеза органических соединений эти бактерии получают, окисляя сероводород:

Реакция окисления сероводорода относится к окислительно-восстановительным реакциям. Путь движения электронов от S к О показан стрелками.

Какие элементы выполняют роли окислителя и восстановителя?

Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в бактериальных клетках в виде множества крупинок. При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

Высчитайте, чему равен энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты?

Обе реакции сопровождаются выделением энергии - экзотермические реакции. Количество энергии, выделившееся в процессе окисления серводорода до серной кислоты равно сумме энергий, выделившейся в каждой реакции. Значит энергетический эффект реакции окисления сероводорода до серной кислоты равен 908 кДж.

Чрезвычайно широко распространены в почве и в различных водоемах нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе. Аммиак, образующийся при гниении белков в почве или в водоемах. Окисляется нитрифицирующими бактериями (Nitrosomonas). Этот процесс отражает уравнение:

Дальнейшее окисление образовавшейся азотистой кислоты осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов - Nitrobacter - нитробактером:

Энергетический эффект реакций окисления аммиака до азотной кислоты равен 763 кДж.

Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв.

В почве обитают бактерии, окисляющие водород:

Энергетический эффект реакций окисления водорода равен 235 кДж.Водородные бактерии окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы.

Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа и марганца, обитают как в пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и марганца. Академик В.И.Вернадский - основатель биогеохимии говорил о залежах железных и марганцевых руд как о результате жизнедеятельности этих бактерий в древние геологические периоды.

Энергетический эффект реакций окисления железа (II) в железо (III) равен 324 кДж.

Подумайте! Вспомните!

1. Как связаны между собой фотосинтез и проблема обеспечения продовольствием населения Земли?

Растения являются важным источником питания для населения всех стран, поэтому, чем больше фотосинтезируют растения, тем больше этих растений, их форм (травы, кустарников, деревьев) их плодов, тем самым население будет обеспечено всеми растительными продуктами питания.

2. Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя одновременно два процесса — ассимиляцию и диссимиляцию? Объясните свою точку зрения.

Да. Ассимиляция – это пластический обмен – синтез сложных органических веществ с затратами энергии, а диссимиляция – это энергетический обмен – разрушение сложных органических веществ с выделение энергии и запасанием АТФ. В процессе фотосинтеза одновременно идет синтез углеводов в растениях, и в световую фазу синтез молекул АТФ, которые идут в темновую фазу.

3. Приведите примеры использования особенностей метаболизма живых организмов в медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.

Организация тепличного хозяйства (получение большого выхода растительных организмов нужных для питания человека за счет интенсивного процесса фотосинтеза при постоянном действии света на растения), эксперименты на грызунах по исследованию лекарств (у грызунов быстрый обмен веществ, короткий срок полового созревания, большое количество потомства).

4. Достаточно ли знать, что организм способен выделять кислород, чтобы отнести его к автотрофам? И верно ли обратное утверждение: «Если организм является автотрофом, то он выделяет кислород»?

Достаточно ли знать, что организм способен выделять кислород, чтобы отнести его к автотрофам. Да,с уточнением на фотоавтотрофы, так как кислород выделяется при фотолизе воды, это этап фотосинтеза. К автотрофам относят две категории организмов: хемоавтотрофы и фотоавтотрофы.

И верно ли обратное утверждение: «Если организм является автотрофом, то он выделяет кислород»? Нет неверно. Хемавтоотрофы не выделяют кислород, они преобразуют разные виды энергии.

5. Как особенности метаболизма живых организмов используются в сельском хозяйстве, медицине, микробиологии, биотехнологии? Найдите необходимую информацию, используя дополнительные источники (литература, ресурсы Интернета). Обобщите информацию и представьте её в виде стенда.

Любой живой организм — открытая динамичная система, в которой постоянно осуществляются разнообразные процессы. В ходе жизнедеятельности клетки накапливают питательные вещества, образуют новые органоиды, растут, делятся, выполняют свои специфические функции, осуществляя при этом активный синтез органических веществ — пластический обмен и расходуя энергию, запасённую в процессе энергетического обмена. Особенно активно ассимиляция происходит в период роста организма. Но для осуществления процессов биосинтеза наличия одной энергии мало. Нужен ещё материал, из которого организм сможет синтезировать свои органические соединения. Самым важным элементом, необходимым всем живым организмам, является углерод.

Например, особенности метаболизма у бактерий состоят в том, что:

– его интенсивность имеет достаточно высокий уровень, что возможно обусловлено гораздо большим соотношением поверхности к единице массы, чем у многоклеточных;

– процессы диссимиляции преобладают над процессами ассимиляции;

– субстратный спектр потребляемых бактериями веществ очень широк — от углекислого газа, азота, нитритов, нитратов до органических соединений, включая антропогенные вещества — загрязнители окружающей среды (обеспечивая тем самым процессы ее самоочищения);

– бактерии имеют очень широкий набор различных ферментов — это также способствует высокой интенсивности метаболических процессов и широте субстратного спектра.

Ферменты бактерий по локализации делятся на 2 группы:

– экзоферменты — ферменты бактерий, выделяемые во внешнюю среду и действующие на субстрат вне клетки (например, протеазы, полисахариды, олигосахаридазы);

– эндоферменты — ферменты бактерий, действующие на субстраты внутри клетки (например, ферменты, расщепляющие аминокислоты, моносахара, синтетазы).

Синтез ферментов генетически детерминирован, но регуляция их синтеза идет за счет прямой и обратной связи, т.е. для одних — репрессируется, а для других — индуцируется субстратом. Ферменты, синтез которых зависит от наличия соответствующего субстрата в среде (например, бета-галактозидаза, бета-лактамаза), называются индуцибельными.

Другая группа ферментов, синтез которых не зависит от наличия субстрата в среде, называется конститутивными (например, ферменты гликолиза). Их синтез имеет место всегда, и они всегда содержатся в микробных клетках в определенных концентрациях.

Изучают метаболизм бактерий с помощью физико-химических и биохимических методов исследования в процессе культивирования бактерий в определенных условиях на специальных питательных средах, содержащих то или иное соединение в качестве субстрата для трансформации. Такой подход позволяет судить об обмене веществ путем более детального изучения процессов различных видов обмена (белков, углеводов) у микроорганизмов. На основании этих особенностей бактерии имеют широко применение.

Хлоропласты окружены двумя мембранами: наружной гладкой и внутренней, образующей множественные плоские цистерны, которые как бы сложены в стопки. Эти цистерны называются тилакоидами, а состоящие из них стопки — гранами. Внутренняя среда, окружающая тилакоиды, называется стромой. В мембранах тилакоидов расположены белково — пигментные комплексы, содержащие хлорофилл. В свою очередь, строма пластид содержит ферменты, связывающие СО2 и синтезирующие органические соединения (в первую очередь углеводы) для питания клеток.

Функции хлоропластов: в них проходит фотосинтез (образование углеводов из неорганических веществ), синтез АТФ.

Вопрос 3. Что представляла собой великая кислородная революция?

Великая кислородная революция представляла собой период перехода от атмосферы почти бескислородной до атмосферы кислородной. А когда кислорода стало достаточно для того, чтобы мог возникнуть озоновый слой, защитивший от смертоносного действия ультрафиолета поверхности водоёмов и суши, то организмы, освоившие новые, энергетически более выгодные процессы, стали заселять поверхностный слой воды.

Вопрос 4. Какое соединение является источником углерода для сахаров, синтезированных в процессе фотосинтеза?

Углекислый газ является источником углерода для сахаров, синтезированных в процессе фотосинтеза.

Вопрос 5. Сравните процессы хемосинтеза и фотосинтеза. Ответ представьте в виде таблицы.

Вопрос 6. Сколько глюкозы, синтезируемой в процессе фотосинтеза, приходится на каждого из 4 млрд жителей Земли в год?

Если учесть, что за год вся растительность планеты производит около 130 000 млн т Сахаров, то на одного жителя Земли (при условии, что население Земли составляет 4 млрд жителей) их приходится 32,5 млн т.

Вопрос 7. Используя ключевые слова параграфа, постройте основу схемы (ментальной карты), показывающей суть процесса фотосинтеза.

Вопрос 8. Установите правильную последовательность процессов фотосинтеза.

A)преобразование солнечной энергии в энергию АТФ

Б) образование возбуждённых электронов хлорофилла

B)фиксация углекислого газа

Г) образование крахмала

Д) преобразование энергии АТФ в энергию глюкозы

Ответ: Б, А, В, Д, Г.

Вопрос 9. Можно ли связать между собой проблему фотосинтеза и проблему обеспечения продовольствием населения нашей планеты?

Выше мы уже говорили, что все людское население земного шара использует сейчас в качестве пищи около 700 млн. т. органических веществ, получаемых непосредственно от растений или от них же, но через посредство животных, в виде молока, яиц, мяса, рыбопродуктов и т. д. Первоисточником всех этих продуктов животного мира служит фотосинтез зеленых растений.

Каковы же главные источники снабжения человека пищей. Частично это — моря и океаны. Оттуда человек получает рыбу, продукты китобойного промысла и др. Но значение- этого источника в питании человечества сравнительно невелико, хотя фотосинтетическая продукция водных растений (главным образом, одноклеточных водорослей морей и океанов) составляет не менее 3/4 всей фотосинтетической продукции всего зеленого мира Земли. Использовать фотосинтетическую продукцию морей и океанов сравнительно трудно. Человек получает ее через посредство сложных и иногда длинных пищевых цепей: первичная органическая биомасса одноклеточных водорослей поедается в основной части низшими беспозвоночными животными, микроскопическими живыми организмами, плавающими в поверхностных слоях воды. Эти микроскопические животные служат пищей для более высокоорганизованных животных, промысловых рыб и крупных животных. В каждом из этих звеньев происходят значительные потери органических веществ и энергии на дыхание, разложение, выпадение мертвых осадков на дно.

Несомненно, что система использования фотосинтетической продукции морей и океанов может еще совершенствоваться и запасы полезной продукции будут увеличиваться. Однако решающую роль в снабжении человека пищей играют и будут играть процессы фотосинтеза наземных зеленых растений. Но и здесь мы сталкиваемся с большим разнообразием их продуктивности.

Значительная часть суши покрыта зелеными массивами естественной растительности: лесами, лугами, степями. Но роль их как непосредственного источника пищевых материалов невелика. Основное средство их использования — это получение кормов для животных или их выпасы. Количество пищевой продукции, получаемое человеком из этого источника, вряд ли составляет более 2% от общего потребления.

Основную же массу пищевых продуктов человек получает, используя культурные растения. Коэффициент использования их продукции человеком наиболее высок. Значительную часть пищевых продуктов он получает прямо от растений в виде зерна, корнеплодов, клубней, луковиц, сахара, растительных жиров, плодов, овощей и т. д.

Другая часть продукции получается через посредство одного единственного звена: через животных (иногда еще при участии микроорганизмов). Это хотя и связано с некоторыми абсолютными потерями первичных органических веществ, но зато обеспечивает получение высококачественных пищевых продуктов животноводства: молока, мяса, яиц и т. д. В конечном итоге культурные растения непосредственно или через посредство животных дают человеку в сумме около 660 млн. т. органических веществ в год в виде разнообразных пищевых продуктов, или 94% от общего потребления.

При этом и КПД использования энергии солнечной радиации культурными растениями в большинстве случаев более высок, чем КПД фотосинтеза естественной растительности. В среднем КПД фотосинтеза культурных растений за весь период роста составляет около 0,5—1%, а в некоторых случаях достигает 2—3%. Теоретически возможны КПД, равные 5—10%.

Принципиально увеличение фотосинтетической продукции пищевых растений возможно за счет расширения площадей под культурным земледелием. Однако возможности здесь не очень велики. Вероятно, в сумме можно расширить посевные площади продовольственных и кормовых культур всего в 2—3 раза. Основная же задача должна заключаться в повышении урожайности сельскохозяйственных растений или, иначе говоря, в повышении коэффициента использования ими энергии солнечной радиации на фотосинтез. Возможности и пути решения этой задачи во многом определяются природой самого процесса фотосинтеза. О ней читатель узнает подробнее из следующих разделов.

Читайте также: