Какие организмы способные к фотосинтезу самые древние
Цианобактерии: характеристика, анатомия и физиология
Видео:
Содержание:
Присутствие кислорода в нашей атмосфере настолько распространено для нас, что мы обычно не ценим его, и когда мы это делаем, мы благодарим растения, поскольку именно они поддерживают цикл этого газа, который используют все животные для дышать и, следовательно, так держать нас в живых
Так откуда это взялось? Каким образом атмосфера превратилась из такого состава в более чем 28% кислорода и менее 0,07% углекислого газа и других газов, которые раньше были в большинстве? Пришло время представить главных героев этой статьи: цианобактерии.
Эти бактерии были первыми организмами, способными к фотосинтезу., вызвав так называемое Великое окисление, изменение окружающей среды, которое произошло 2,4 миллиарда лет назад и наполнило атмосферу кислородом. Сегодня мы увидим характеристики и важность этих примитивных организмов.
Бактерии в раннем мире: когда они возникли?
Принимая во внимание, что они были единственными обитателями Земли в течение миллионов лет (эукариоты появились только около 2,6 миллиарда лет назад) и что им пришлось адаптироваться к очень суровым условиям, бактерии были разделены на бесчисленное количество видов.
Фактически, по оценкам, помимо в мире может быть более 6 триллионов триллионов бактерий, количество различных видов составляет около 1 миллиарда. Как мы можем сделать вывод, мы сталкиваемся с невероятно разнообразным царством (одним из семи) живых существ, с организмами, способными быть патогенами, живущими в экстремальных условиях, расти в почве, выживать без кислорода и даже проводить фотосинтез, как растения.
И здесь, представляя концепцию фотосинтеза, мы подходим к цианобактериям, организмам, которые навсегда изменят эволюционную историю Земли. Без них нас бы здесь не было.
Что такое цианобактерии и почему они вызвали Великое окисление?
Как бы то ни было, цианобактерии появились в результате эволюции других бактерий примерно 2,8 миллиарда лет назад. С момента своего появления цианобактерии стали огромным эволюционным успехом, потому что благодаря развитию таких структур, как хлорофилл, пигмент, необходимый для кислородного фотосинтеза и придающий характерный зеленый цвет, они начали расти во всех морях Земли.
Около 2400 миллионов лет назад произошло так называемое Великое окисление., изменение окружающей среды, которое привело к исчезновению многих видов и невероятному увеличению численности цианобактерий.
Изображение того, как произошло Великое окисление, то есть массовый выброс кислорода в атмосферу.
Цианобактерии продолжали расти в морях до тех пор, пока около 1,85 миллиарда лет назад в атмосфере не было достаточно кислорода, чтобы он мог быть поглощен поверхностью Земли и образовался озоновый слой.
Как бы то ни было, цианобактерии были ключевыми не только для эукариотических существ, которые использовали кислород, чтобы жить, чтобы появиться, но и для того, чтобы жизнь могла покинуть океаны и развиваться на суше. Кто знает, каким был бы мир без массового вымирания в результате Великого окисления.
13 основных характеристик цианобактерий
Сегодня, зарегистрировано около 150 различных родов цианобактерий, около 2000 видов. разные. Хотя они принимают очень разные формы и размеры, все представители этого примитивного края бактерий обладают некоторыми общими характеристиками, которые мы проанализируем ниже.
1. Осуществляют оксигенный фотосинтез.
Как мы уже отмечали, основной характеристикой цианобактерий является то, что они осуществляют (и были первыми живыми существами, которые это сделали) кислородный фотосинтез, метаболический путь, который позволяет синтезировать органическое вещество за счет фиксации углекислого газа, высвобождение кислорода в качестве побочного продукта. Это тот же процесс, что и у растений.
2. У них есть фотосинтетические пигменты.
Для осуществления вышеуказанного процесса необходимы фотосинтетические пигменты. В случае цианобактерий у нас есть хлорофилл (зеленый цвет) и фикоцианины, которые придают голубоватый цвет. По этой причине колонии цианобактерий воспринимаются как сине-зеленый цвет. Важно то, что когда свет падает на эти пигменты, они возбуждаются, стимулируя фотосинтетические реакции.
3. Есть токсичные виды
Из 2000 зарегистрированных видов, около 40 из них имеют штаммы, способные синтезировать токсины.. Однако это производство токсинов происходит только в очень специфических условиях, в которых они бесконтрольно растут, образуя цветы, о которых мы поговорим позже.
В любом случае токсины обычно гепатотоксичны (влияют на печень) или нейротоксичны (влияют на нервную систему) и вредят находящимся поблизости рыбам или животным, которые пьют воду. Они могут быть смертельными, но цветение цианобактерий легко распознать (в воде видны колонии), поэтому в принципе нет риска отравления человека.
4. Они грамотрицательные.
Разделение на грамотрицательные и грамположительные бактерии очень важно в повседневной жизни микробиологии. В этом случае мы сталкиваемся с типом грамотрицательных бактерий, что означает, что у них есть внутренняя клеточная мембрана, над ней очень тонкая клеточная стенка пептидогликана и, над ней, вторая внешняя клеточная мембрана.
5. Они могут образовывать колонии.
Все цианобактерии одноклеточные (все прокариоты), но многие из них способны организовываться в колонии, то есть миллионы клеток соединяются и формирующие волокна, видимые невооруженным глазом. Это причина, по которой считались сине-зелеными водорослями.
6. Они населяют тропические реки и озера.
То, что они примитивны, не означает, что их больше нет. Не намного меньше. Цианобактерии продолжают населять пресноводные экосистемы (некоторые виды галофильны и могут развиваться в морях и океанах, но это необычно), особенно лентичные, то есть виды с небольшим движением воды, такие как озера и лагуны.
В любом случае, несмотря на то, что это наиболее распространенный вид, мы также можем найти цианобактерии в почве (пока она влажная), в сточных водах, на разлагающихся бревнах и даже в гейзерах, поскольку некоторые виды способны выдерживать очень большие нагрузки. высокие температуры.
7. У них есть газовые пузырьки.
Для фотосинтеза цианобактериям нужен свет. А где больше света в водной системе? На поверхности, правда? В этом смысле цианобактерии имеют в своей цитоплазме газовые вакуоли, которые функционируют как своего рода «поплавки», удерживающие клетки на плаву, всегда в поверхностных слоях воды.
8. Они крупнее большинства бактерий.
Большинство бактерий имеют размер от 0,3 до 5 микрон. С другой стороны, цианобактерии обычно измеряют от 5 до 20 микрометров. Они все еще очень маленькие, но для бактерий они выше среднего.
9. Обычно они имеют форму кокоса.
Разнообразие морфологий огромно, но это правда, что большинство цианобактерий, как правило, имеют форму кокоса, то есть более или менее сферический. Это объясняет, почему, как и большинство коккоидных бактерий, они имеют тенденцию образовывать колонии между разными организмами.
10. Они ответственны за 30% мирового фотосинтеза.
11. Они размножаются бесполым путем.
Как и все бактерии, цианобактерии размножаются бесполым путем, то есть создание клонов. В зависимости от вида, это будет осуществляться путем разделения на две части (клетка просто делится на две), фрагментации (она высвобождает фрагменты, которые регенерируют, давая начало новой взрослой клетке) или споруляции (образуются клетки, известные как споры, которые при в соответствующих условиях прорастают и дают начало новой клетке).
12. Они могут образовывать цветы.
Как мы уже упоминали, когда говорили о токсинах, колонии цианобактерий могут бесконтрольно расти, вызывая так называемое цветение или цветение. Это массовое распространение происходит только при очень специфических условиях.
Должно быть немного приливов, слабый ветер, высокая температура воды (от 15 до 30 ° C), много питательных веществ (эвтрофные воды), pH близок к нейтральному и т. Д. В любом случае, цветы вызывают помутнение воды, и вы можете отчетливо видеть зеленовато-синие колонии, которые бросаются в глаза. Обычно это происходит только в стоячей воде..
13. У них нет жгутиков.
Важной характеристикой цианобактерий является то, что у них нет жгутиков для перемещения, но это достигается, хотя и не слишком ясно, скольжением благодаря выделяемым ими слизистым веществам. В любом случае, его способность двигаться очень ограничена водными течениями. Это действительно важно только для тех видов, которые растут в земле.
Аменадиэль: кем был этот религиозный персонаж?
Тайна эвглены зеленой: растение, животное или простой организм?
Повсюду нас окружают простейшие микроорганизмы. На слуху у большинства людей названия вроде «инфузория туфелька» или «амёба», но на самом деле одноклеточных микроорганизмов гораздо больше. Несмотря на те или иные различия, простейшие в основном похожи — как по модели питания, так и по строению, отличия, как правило, касаются только способа передвижения. Но есть один род микроорганизмов, который хоть и относят к простейшим, поскольку он состоит из одной клетки, но в то же время ему нельзя дать такую четкую классификацию. Ведь его представители отличаются тем, что сочетают в себе признаки РАСТЕНИЙ и ЖИВОТНЫХ. Это род эвглен.
Ученые до сих пор не могут определиться, к какому виду отнести эти микроорганизмы
Что такое эвглена зеленая
Эвглена зеленая — одноклеточный организм, представитель простейших, из рода эвглен. Размер клетки около 0,05 мм, поэтому невооруженным глазом увидеть ее трудно.
Для примера можно взять самого яркого представителя рода эвглен — эвглена зеленая. Ее клетка содержит хлорофилл, прямо как у растений, поэтому она может питаться за счет процесса фотосинтеза. А в темноте эвглена зеленая питается как животное — пожирая органику вокруг себя. При этом она очень активно передвигается, еще один признак, который роднит ее с животными.
Фотосинтез — процесс образования в клетках углеводов из углекислоты и воды с помощью света, который поглощает хлорофилл растений.
Эвглена зеленая под микроскопом
Эвглена имеет вытянутое тельце, на конце которого находится жгутик, с помощью него организм и передвигается. Жгутик ввинчивается в воду, при этом сама клетка крутится в другую сторону. Рядом со жгутиком у нее расположен клеточный рот для поглощения органической пищи. Кстати, жгутик тоже принимает в этом участие.
Эвглена зеленая отличается тем, что плывет в сторону света. Для этого в передней части клетки находится светочувствительное образование — глазок, имеющий красный цвет.
Где обитает эвглена зеленая?
Средой обитания эвглены считаются загрязненные пресные водоемы. Наверняка вы задавались вопросом «почему вода в болоте зеленая?» — такой оттенок вода приобретает как раз при сильном размножении эвглены зеленой. В таких водоемах для нее достаточно органической пищи, к тому же так эвглена остается на свету и может питаться за счет фотосинтеза — как растение.
В этой воде большая концентрация эвглены зеленой
Представители рода эвглен широко распространены в природе, они населяют пресноводные бассейны, пруды и озера. Эвглена может использовать фотосинтез и потребление органики как взаимозаменяемые и очевидно эквивалентные источники углерода и энергии. Полового размножения у эвглены не обнаружено.
Эвглена зеленая — растение или животное?
Среди ученых эвглена классифицируется частично как растение, частично как животное. В то же время официально она не относится ни к царству животных, ни к растениям. Согласно опросу в нашем Telegram-чате, многие считают, что это подвижное растение, но это не совсем так.
Эвглены принадлежат к группе одноклеточных организмов эвгленозои, которые содержат бесцветные и пигментированные организмы. Среди них есть осмотрофы, у которых нет органов для приема пищи и которые способны поглощать молекулы непосредственно из окружающей среды. Также сюда относятся паразиты и фаготрофы, которые охотятся и поглощают твердые частицы пищи, включая бактерии и другие одноклеточные организмы, живущие в этих средах.
Среди фаготрофов есть организмы, которые питаются бактериями, и эукариоты (клетки, содержащие ядра), которые питаются такими же эукариотами. Многие также способны к фотосинтезу.
Схема строения эвглены зеленой
На протяжении сотен лет зоологи считали эти удивительные организмы животными, а ботаники считали их растениями. Классификация в итоге привела к путанице, так как эвглена зеленая может есть пищу посредством гетеротрофии, как животные, а также посредством автотрофии, как растения. Поэтому она и зеленого цвета, так как содержит хлоропласты.
Чем отличаются растения от животных
Вроде бы эвглена зеленая — не что иное, как самое настоящее растение. Но чтобы точно отнести ее к растениям, нужно вспомнить отличительные черты этих организмов.
Эвглена зеленая не попадает ни под один из этих критериев. Во-первых, она активно перемещается с помощью жгутика. Во-вторых, у эвглены нет клеточной стенки, ее тельце может менять свою форму. В-третьих, у эвглены нет крахмала, она запасает сахар в форме особого вещества – парамилона. Кстати, это уникальное вещество, которое не обнаружено больше ни у одного живого организма.
Получается, что единственное, чем эвглена зелёная похожа на растения — наличием хлорофилла. По этой же причине ее нельзя отнести к животным, поскольку ни одно животное не способно к фотосинтезу.
Эти спорные моменты заставляют выделить эвглену зеленую и все семейство эвглен в отдельное царство, отличное от растений и животных. Несмотря на это, в общепринятой классификации эвглена зеленая по-прежнему является простейшим (одноклеточным организмом). Но не исключено, что в ближайшем будущем эта классификация будет доработана.
Тест. Проверочная работа в формате ОГЭ Фотоссинтез Хемосинтез
Учитель биологии МБОУ Могилевецкая ООШ Мирончук Наталия Сергеевна. Тест в 9 классе по теме Фотоссинтез и хемосинтез
Просмотр содержимого документа
«Тест. Проверочная работа в формате ОГЭ Фотоссинтез Хемосинтез»
Тест проверочной работы в формате ОГЭ по теме «Фотосинтез. Хемосинтез»
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.
— повысить квалификацию в составлении кодификатора и характеристики работы в соответствии с возрастными особенностями обучающихся.
— проверить уровень усвоения обучающимися знаний и сформированности умений в объеме, установленном ГОС по теме «Фотосинтез. Хемосинтез»;
— создание проверочной работы позволяет проверить уровень усвоения обучающимися знаний и сформированности умений в объеме, установленном ГОС по теме « Фотосинтез. Хемосинтез»
1. пластический обмен 2. Биосинтез 3. энергетический обмен 4. фотосинтез
А2. Какие организмы, способные к фотосинтезу, самые древние?
1. вирусы 2. Растения 3. Эвглена зеленая 4. цианобактерии
А3. Фотолиз воды в клетках живых организмов протекает в процессе:
1.Дыхания 2. Фотосинтеза 3.Брожения 4. Хемосинтеза
А5. Процесс синтеза органических веществ из неорганических называется :
1. фотосинтезом 2. Фотолизом 3. Гликолизом 4. репликацией
А6. Открыл и изучил процесс хемосинтеза:
1. Д.И. Ивановский 2. К.А. Тимирязев 3. Виноградский С.Н. 4. А. Левенгук
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
Ответ: 1) световая _____________ 2) темновая___________
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.
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.
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.
1. пластический обмен (ассимиляция) 2. метаболизм
3. энергетический обмен (диссимиляция) 4. катаболизм
А2. В процессе хемосинтеза организмы преобразуют энергию химических связей:
1.Липидов 2.Полисахаридов 3.Строительных белков 4.Неорганических веществ
А3. Какие организмы стали развиваться в результате появления хлорофилла у эукариот?
А5. При фотосинтезе фиксация углекислого газа происходит:
1. только в темновой фазе 2. в световой фазе при синтезе АТФ
3. вне зависимости от света 4. только при синтезе АТФ
А6. В изучение процесса фотосинтеза внёс вклад русский ученый:
1. Н.И. Вавилов 2. К.А.Тимирязев 3. И.П. Павлов 4. В.И. Вернадский
В заданиях В1 выберите три верных ответа из шести. Запишите выбранные цифры.
В 1. Темновая 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) происходит в строме хлоропласта
Б) выделяется кислород
В) происходит в тилакоидах
Г) образуется глюкоза
Д) образуются молекулы АТФ и НАДФ Н2
Е) затрачиваются молекулы АТФ и НАДФ Н2
Ответ: 1) световая ______________ 2) темновая__________
В3. Вставьте в текст «Хемосинтез» пропущенные термины из предложенного перечня, а затем запишите получившуюся последовательность цифр выбранных ответов в приведенную ниже таблицу.
Некоторые бактерии, лишенные ___________ (А), также способны к синтезу ______________ (Б) соединений, при этом они используют энергию химических реакций неорганических веществ, такое преобразование называется _______________ (В). Фиксируя атмосферный азот, переводя нерастворимые минералы в форму, пригодную для усвоения растениями, __________________ (Г) бактерии играют важную роль в круговороте веществ в природе.
С1. Используя содержание текста «Пластиды», ответьте на следующие вопросы.
Каковы функции пластид?
С какими органоидами сходны по строению и выполняемым функциям хлоропласты?
При каких условиях и почему происходит позеленение клубней картофеля? Можно ли употреблять такие клубни в пищу?
В цитоплазме клеток всех растений находятся пластиды. Различают три основных типа пластид: зелёные – хлоропласты, цветные – хромопласты, бесцветные – лейкопласты.
Хлоропласты содержатся в клетках листьев и других зеленых органов растений. Зелёный цвет хлоропластов зависит от содержания в них пигмента хлорофилла. Хлоропласты отграничены от цитоплазмы двумя мембранами. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует много складчатых выростов – гран. В мембранах гран расположены молекулы хлорофилла. В хлоропластах происходит фотосинтез, синтезируется крахмал и АТФ.
Хромопласты находятся в цитоплазме клеток цветков, плодов, стеблей и листьев.
Лейкопласты бесцветны. Они содержатся в цитоплазме неокрашенных частей растений, например, в стеблях, корнях, клубнях. Форма их разнообразна. Лейкопласты накапливают зерна крахмала.
Хлоропласты, хромопласты и лейкопласты способны к взаимному переходу. Так, при созревании плодов или изменении окраски листьев осенью хлоропласты превращаются в хромопласты, а лейкопласты могут превращаться в хлоропласты, например, при позеленении клубней картофеля.
Какие организмы способны к фотосинтезу самые древние вирусы
Информация
одноклеточный растительный организм
Фотосинтез — эволюционный прорыв древней Земли
Более трех миллиардов лет назад живущие на земле организмы приобрели способность эффективно захватывать солнечную энергию и использовать ее для синтеза органических молекул путем фотосинтеза.
Процесс фотосинтеза привел к беспрецедентному взрыву биологической активности на Земле, позволив жизни процветать и изменяться огромными шагами,
о чем свидетельствуют ископаемые останки животных и растительных организмов, сохранившиеся в земной коре с прежних геологических эпох, а также количество и разнообразие живущих организмов на нашей планете сегодня. Энергия солнца — это единственный имеющийся в избытке источник возобновляемой энергии, и фотосинтетический аппарат использует эту энергию для осуществления термодинамически и химически затратной реакции расщепления воды. Осуществляя этот процесс, фотосинтез снабжает биологию неограниченными поставками водорода (электронов и протонов), необходимого для того, чтобы превратить двуокись углерода в органические молекулы жизни.
До эволюции фотосинтеза биология зависела от доноров водорода/электронов, то есть веществ-восстановителей, таких как сероводород H2S или аммиак NH3, которые присутствовали на Земле в гораздо более ограниченном количестве по сравнению с океанами воды.
Накопление выделяемого кислорода привело к возникновению аэробной атмосферы. Образование озонового слоя позволило организмам выйти из океанов на сушу. С появлением кислорода эффективность метаболизма увеличилась, поскольку аэробное дыхание дает почти в 20 раз больше клеточной энергии, чем анаэробное. Эта улучшенная эффективность в превращении энергии была, очевидно, основным фактором, ответственным за последующую эволюцию эукариотических клеток в многоклеточных организмах. Поэтому можно утверждать, что
одним из наиболее значимых событий в истории Земли была эволюция фотосинтезирующих организмов, способных окислять воду.
Фотосинтез может быть либо оксигенным (O2 продуцирующим), либо аноксигенным. Оксигенные организмы используют энергию солнца, чтобы отрывать электроны и протоны от воды, главным образом, для цикла ассимиляции СО2, и продуцируют О2 в качестве побочного продукта. Аноксигенные организмы не обладают редокс потенциалом, необходимым для того, чтобы окислить Н2О, и потому вынуждены брать электроны от других электрон-донорных субстратов, таких как H2S или органические кислоты. Оксигенный фотосинтез имеет место в высших растениях, водорослях и цианобактериях, тогда как аноксигенный фотосинтез происходит в организмах, таких как зеленые серные и пурпурные несерные бактерии.
Благодаря фотосинтезу энергия солнца захватывается и накапливается в форме биотоплива, такого как уголь, нефть и газ. Однако эти виды топлива, даваемые фотосинтезирующими организмами, интенсивно используются и становятся ограниченными. Из всего объема потребленной энергии на Земле в 2005 году 86% было получено из ископаемых видов топлива. Кроме того, глобальное потребление энергии будет увеличиваться от настоящего уровня до 12.8-27 ТВт к 2050 году. Это приведет к дальнейшему глобальному потеплению на нашей планете, поскольку повышаются уровни двуокиси углерода и других парниковых газов в атмосфере Земли.
За последние 50 лет концентрация двуокиси углерода в атмосфере увеличилась более чем на 18%, а температура поверхности Земли увеличилась на 0,64 градуса.
Все еще не решен вопрос о том, насколько индустриальная активность человечества ответственна за эти глобальные изменения нашего климата,
так как эти изменения могут вызвать множество факторов. Тем не менее причина, за которую активность человечества, безусловно, ответственна, — это разработка только тех промышленных процессов, которые приводят к выделению двуокиси углерода, и ни одного из тех, которые бы были сопряжены с ее ассимиляцией. И это является существенной проблемой, потому что мы нарушаем равновесие в круговороте углерода, поглощая унаследованные нами источники углерода без какой-либо надежды на их возобновление. Поэтому очень важно в самом ближайшем будущем разработать источники возобновляемой, чистой энергии. В этом отношении
фотосинтез представляет собой успешный пример того, как энергия солнца может превращаться в топливо,
когда электроны отнимаются от воды, используя свет в качестве единственного источника энергии. Было бы разумно более детально изучить фотосинтез, потому что процессы фотосинтеза содержат много загадок, разгадав которые, человечество могло бы многому научиться.
энергия Солнца и вода — чистые и возобновляемые источники энергии.
Во-вторых, сжигание Н2 — экологически чистый, дающий воду в качестве конечного продукта сгорания и возобновляемый процесс. Фотосинтез лежит в основе производства водорода всеми биологическими методами за счет энергии солнца в зеленых водорослях, цианобактериях и высших растениях.
Некоторые из аноксигенных организмов способны генерировать водород довольно эффективно. Однако, поскольку они не могут получать электроны от воды, экономически невыгодно использовать их для фотопроизводства водорода в промышленных масштабах. Все оксигенные фототрофы отнимают электроны и протоны от воды и затем восстанавливают пластохинон и вещество NADP+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат), которое используется в качестве источника энергии для метаболизма клетки. В этом случае оксигенные фототрофы, включая цианобактерии и микроводоросли, могут кратковременно производить Н2 в анаэробных условиях путем восстановления протонов.
Этот процесс катализируется ключевым ферментом гидрогеназой (или нирогеназой) и конкурирует с другими внутриклеточными процессами. В случае оксигенных фототрофов электроны и протоны, произведенные в процессе окисления воды, переносятся через ферредоксин/NADPH к гидрогеназе. Таким образом, восстановленные за счет фотосинтеза вещества — ферредоксин (или NADPH) — могут служить в качестве физиологических доноров электрона для гидрогеназы и звеном, связывающим гидрогеназы (нирогеназы) с электрон-транспортной цепью.
Исследование биологического производства водорода в зеленых водорослях было начато из простого любопытства, и после 75-летних исследований его эволюционный источник все еще остается загадкой.
Основной прогресс в этой области начинается с 1940-х годов, когда Ганс Гафрон (Hans Gaffron) открыл, что зеленая водоросль Scenedesmus obliquus продуцирует водород. Однако последнее десятилетие было отмечено существенными достижениями в этой области, что было обусловлено повышенным интересом к проблеме фотобиологического производства водорода. Некоторые водоросли в анаэробных условиях могут использовать крахмал в качестве источника протонов и электронов для продуцирования Н2 с помощью гидрогеназ. В цианобактериях протон и электрон, оторванные от воды, могут превращаться в водород с помощью нитрогеназ или в процессе ферментации (см. рисунок).
В частности, для некоторых видов зеленых водорослей были секвенированы гены, кодирующие гидрогеназы, и определена кристаллическая структура этих ферментов. Кроме того, в результате интенсивных исследований структуры процессов сборки и биологических свойств гидрогеназ был выяснен механизм, с помощью которого гидрогеназа создает молекулярный водород.
коммерческое производство так называемого фотосинтетического водорода (получаемого за счет фотосинтеза) будет невозможно до тех пор, пока не будут решены две главные проблемы, которые мешают гидрогеназе продуцировать значительные количества молекулярного водорода.
Во-первых, гидрогеназа имеет короткое время жизни — фермент не может быть использован для продуцирования водорода дольше одной минуты. Во-вторых, необходимо сделать так, чтобы гидрогеназа стала устойчивой к кислороду. Поскольку все известные в настоящее время гидрогеназы имеют короткое время жизни даже в присутствии очень низких концентраций кислорода, то только модифицированные гидрогеназы с увеличенной способностью продуцировать водород и/или уменьшенной чувствительностью к кислороду позволят перейти к коммерческому производству фотосинтетически генерируемого водорода. Фотосинтетическая эффективность также важна для производства водорода. Поэтому необходима разработка подходов для улучшения связи между фотосинтетической эффективностью, стабильностью, продуктами фотосинтеза и производством водорода.
Как происходит фотосинтез?
Энергия, необходимая для реакции расщепления воды, потребляется от солнечного света с помощью особого фермента, называемого фотосистемой 2 (ФС-2).
Фотосинтез инициируется серией фотохимических реакций, в которых энергия поглощенного молекулами хлорофилла света превращается в химическую энергию, которая может быть использована для серии метаболических реакций. Реакции поглощения света в фотосинтетических организмах можно разделить на два раздельных процесса. В первом свет поглощается пигментами антенны, которые связаны с белками антенны. Молекулы хлорофилла, которые поглотили свет, могут передавать эту энергию другим соседним пигментам в процессе, который некоторые называют переносом экситона. Структура и организация антенных пигмент-белковых комплексов показала, что эти белки функционируют в качестве неких строительных лесов, которые связывают их молекулы хлорофилла в высокоорганизованные комплексы (см. рисунок).
Оксигенные организмы (цианобактерии, водоросли и растения) с двумя фотосистемами (ФС-1 и ФС-2) (см. рисунок), а также фотосинтетические бактерии с одной фотосистемой содержат фотосинтетические реакционные центры (РЦ), которые представляют собой белковые мембранные комплексы, состоящие из множества субъединиц, и функционируют в качестве превосходных фотохимических устройств.
Пигменты реакционных центров захватывают энергию, поставляемую, главным образом, процессом переноса энергии возбуждения от антенны, а также прямым поглощением света. Здесь, в реакционных центрах, энергия света превращается в потенциальную энергию окисления-восстановления и стабилизируется в форме, которая имеет время жизни, достаточно долгое, чтобы позволить электронам быть экстрагированными из системы. Перенос этих электронов к другим интермедиатам сопровождается генерированием ионной силы и градиента рН, что дает энергию для синтеза АТФ, а также восстанавливающую энергию, которая используется для превращения СО2 в сахар, крахмал и другие метаболиты.
Все реакционные центры имеют поразительную аналогию в структуре и составе.
В ФС-2 РЦ состоят из двух внутренних мембранных белков Д1 и Д2, чьи аминокислотные последовательности аналогичны, но не идентичны, в аноксигенных фотосинтетических бактериях найдены аналогичные белки L и M. Взаимодействия между этими двумя белками во всех фототрофных организмах образует гетеродимерную структуру, которая предоставляет связывающие участки для кофакторов, которые участвуют в реакциях фотохимического разделения зарядов (см. рисунок выше).
Постепенно молекулярные энзимологии медленно открывали секреты фотосинтетического водорасщепляющего фермента.
Было показано, что фотохимический РЦ ФС-2 подобен более простому и гораздо более изученному РЦ пурпурных бактерий. Это впервые было показано в 1980-х с помощью спектроскопии, биохимии и молекулярной биологии, а позже подтверждено кристаллографией. Однако каталитический участок окисления воды все еще изучен недостаточно. Одним из наиболее важных достижений в структурной биологии в конце 20-го столетия была кристаллизация бактериальных РЦ и
определение их структуры, сделанное Дейзенхофером и Михелем (Deisenhofer and Michel), которые наряду с Робертом Хубером (Robert Huber) получили Нобелевскую премию по химии за эту работу в 1988 году.
Это открыло дверь к кристаллизации и определению структуры большого числа различных мембранных белков, а также привело в конечном итоге к кристаллизации ФС-1 и ФС-2, и выяснению их структур с разрешением, соответственно, 2.5 и 3.0 Å. Несколько интересных аспектов функции РЦ были выяснены с помощью этих кристаллических структур. РЦ бактерий, ФС-1 и ФС-2 обладают псевдо С2 симметрией: можно разделить центры пополам, чтобы получить зеркальные изображения, которые будут аналогичными, подобными, но не идентичными; имеются две ветви кофакторов транспорта электрона, каждая из которых может служить в качестве пути транспорта электрона. Кофакторы переноса электрона организованы так, что поглощение света приводило бы к переносу электрона через липидный бислой тилакоидной мембраны. Поскольку структура и функция бактериального РЦ, или РЦ тип II, хорошо охарактеризована, структура этой системы используется в качестве основы для понимания функции всех фотосинтетических реакционных центров.
Точная кинетическая модель окислительно-восстановительных интермедиатов, система (машина) была установлена в течение последних десятилетий. Общепринято, что активный участок состоит из кластера из четырех ионов Mn, близко расположенных к активной тирозиновой группе. Была также показана роль близлежащего иона Са. С помощью направленного мутагенеза и спектроскопии были получены данные о специфических аминокислотах, вероятных лигандах Mn. Кроме того, накоплено много спектроскопической информации о структурной геометрии этого кластера. Но поскольку Mn — это один из наименее кооперативных переходных металлов, однозначная структура водорасщепляющего участка не определена.
Однако эта картина изменилась вследствие появления рентгеноструктурных кристаллографических моделей.
Первые грубые структурные модели подтвердили существующие модели относительно мест расположения и конфигураций кофакторов фотохимического реакционного центра и основные аспекты белковой структуры. Они оказались, как и ожидалось, неким реакционным центром пурпурных бактерий с Mn-содержащим комплексом в основании. Несколько давнишних неопределенностей также были решены: например, расположение Mn-содержащего кластера и вопрос о том, на какой стороне реакционного центра расположен цитохром b559 и т. д. Первая кристаллографическая модель с высоким разрешением, включая большую часть боковых аминокислотных цепей многих субъединиц, впервые появилась в 2004 году. Это дало не только множество прямых новых данных, но также богатый источник структурной информации для значительного ряда текущих и будущих исследований. Хотя имеющиеся на настоящий момент кристаллические структуры еще не дают ясной недвусмысленной модели структуры и конфигурации водорасщепляющего участка, они дали заметный количественный прыжок.
Сегодня мы знаем много о ФС-2 и реакции окисления воды. Однако остается много вопросов, на которые еще предстоит ответить. Ясно, что структурные свойства и динамика структурообразующих белков ФС-2 являются критичными для переноса электронов, который приводит к окислению воды до молекулярного кислорода. Тем не менее необходимо полностью понять эти белковые взаимодействия, получить кристаллическую структуру с более высоким разрешением, а также усовершенствовать и/или разработать методы определения динамики белков.
Полностью понять реакции ФС-2 необходимо не только для развития наших фундаментальных знаний, но и для разработки новых технологий, использующих энергию солнца для расщепления воды на чистый молекулярный кислород и водород, которые будут использованы в качестве потенциального источника топлива, как указывал на это Жюль Верн еще 136 лет назад (см. рисунок).
Некоторые организмы способны захватывать энергию солнечного света и использовать ее для производства органических соединений. Этот процесс, известный как фотосинтез, необходим для поддержания жизни, поскольку обеспечивает энергию как для производителей, так и для потребителей. Фотосинтезирующие организмы, также известные как фотоавтотрофы, являются организмами, способными к процессу фотосинтеза, и включают высшие растения, некоторые протисты (водоросли и эвглена), а также бактерии.
При фотосинтезе световая энергия преобразуется в химическую энергию, которая хранится в виде глюкозы (сахара). Неорганические соединения (диоксид углерода, вода и солнечный свет) используются для производства глюкозы, кислорода и воды. Фотосинтезирующие организмы используют углерод для получения органических молекул (углеводов, липидов и белков), которые необходимы для построения биологической массы.
Кислород, образующийся в виде побочного продукта фотосинтеза, используется многими организмами, включая растения и животных, для клеточного дыхания. Большинство организмов полагаются на фотосинтез, прямо или косвенно, для получения питательных веществ. Гетеротрофные организмы, такие как животные, большинство бактерий и грибов, не способны к фотосинтезу или продуцированию биологических соединений из неорганических источников. Таким образом, они должны потреблять фотосинтетические организмы и другие автотрофы для получения питательных веществ.
Первые фотосинтезирующие организмы
Мы очень мало знаем о самых ранних источниках и организмах фотосинтеза. Были многочисленные предложения относительно того, где и как возник этот процесс, но нет прямых доказательств для подтверждения любого из возможных происхождений. Имеются внушительные доказательства того, что первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле примерно от 3,2 до 3,5 млрд лет назад в виде строматолитов, слоистых структур, подобных формам, которые образуют некоторые современные цианобактерии. Существует также изотопное доказательство автотрофной фиксации углерода около 3,7-3,8 миллиарда лет назад, хотя нет ничего, что указывало бы на то, что эти организмы были фотосинтезирующими. Все эти утверждения о раннем фотосинтезе весьма противоречивы и вызвали множество споров в научном сообществе.
Хотя считается, что жизнь впервые появилась на Земле около 3,5 миллиардов лет назад, вероятно, ранние организмы не метаболизировали кислород. Вместо этого они полагались на минералы, растворенные в горячей воде вокруг вулканических жерл. Возможно, что цианобактерии начали производить кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза. По мере роста концентрации кислорода в атмосфере, он начал отравлять многие другие формы ранней жизни. Это привело к эволюции новых организмов, которые могли использовать кислород в процессе, известном как дыхание.
Современные фотосинтезирующие организмы
К основным организмам, которые перерабатывают энергию солнца в органические соединения относятся:
Фотосинтез растений происходит в специализированных органеллах растительных клеток, называемых хлоропластами. Хлоропласты встречаются в листьях растений и содержат пигмент хлорофилл. Этот зеленый пигмент поглощает световую энергию, необходимую для процесса фотосинтеза. Хлоропласты содержат внутреннюю мембранную систему, состоящую из структур, называемых тилакоидами, которые служат местами преобразования энергии света в химическую энергию. Двуокись углерода превращается в углеводы в процессе, известном как фиксация углерода или цикл Кальвина. Углеводы могут хранится в виде крахмала, используемого во время дыхания или для производства целлюлозы. Кислород, который образуется в процессе, выделяется в атмосферу через поры в листьях растений, называемые устьицами.
Растения играют важную роль в цикле питательных веществ, в частности, углерода и кислорода. Водные и наземные растения (цветущие растения, мхи и папоротники) помогают регулировать углерод в атмосфере, удаляя углекислый газ из воздуха. Растения также важны для производства кислорода, который выделяется в воздух как ценный побочный продукт фотосинтеза.
Водоросли могут быть одноклеточными или существовать в виде больших многоклеточных организмов. Они живут в различных местах обитания, включая соленые и пресные водные среды, влажную почву или породы. Фотосинтезирующие водоросли, известные как фитопланктон, встречаются как в морской, так и в пресноводной среде. Морской фитопланктон состоит из диатомей и динофлагеллятов. Пресноводный фитопланктон включает зеленые водоросли и цианобактерии. Фитопланктон плавает вблизи поверхности воды, чтобы получить лучший доступ к солнечному свету, который необходим для фотосинтеза. Фотосинтетические водоросли жизненно важны для глобального цикла веществ, таких как углерод и кислород. Они поглощают углекислый газ из атмосферы и генерируют более половины кислорода на планетарном уровне.
Аноксигенные фотосинтетические бактерии представляют собой фотоавтотрофы (синтезируют пищу с использованием солнечного света), которые не продуцируют кислород. В отличие от цианобактерий, растений и водорослей, эти бактерии не используют воду в качестве донора электронов в транспортной цепи электрона при производстве АТФ. Вместо этого они используют водород, сероводород или серу в качестве основных доноров электронов. Аноксигенные бактерии также отличаются от цианобактерий тем, что у них нет хлорофилла для поглощения света. Они содержат бактериохлорофилл, который способен поглощать более короткие волны света, чем хлорофилл. Таким образом, бактерии с бактериохлорофиллом, как правило, обнаруживаются в глубоких водных зонах, куда могут проникать более короткие длины волн света.
Примеры аноксигенных фотосинтетических бактерий включают пурпурные и зеленые бактерии. Пурпурные бактериальные клетки бывают разных форм (сферические, стержневые, спиральные), и они могут быть подвижными или не подвижными. Пурпурные серные бактерии обычно встречаются в водных средах и серных источниках, где присутствует сероводород и отсутствует кислород. Пурпурные несерные бактерии используют более низкие концентрации сульфида, чем пурпурные серные бактерии. Зеленые бактериальные клетки обычно имеют сферическую или стержнеобразную форму, и в основном не подвижны. Зеленые серные бактерии используют сульфид или серу для фотосинтеза и не могут жить при наличии кислорода. Они процветают в богатых сульфидами водных средах и иногда образуют зеленоватый или коричневый окрас в своих местах обитания.
Какие организмы способные к фотосинтезу самые древние
КОНТРОЛЬНОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ПО ИТОГАМ 3-Й ЧЕТВЕРТИ
К каждому вопросу выберите ОДИН верный ответ.
1.В какой гипотезе говорится о том, что жизнь на Земле занесена из космоса?
1) в гипотезе биохимической эволюции
2) в гипотезе стационарного состояния
3) в генетической гипотезе
4) в гипотезе панспермии
2.Что такое коацерваты?
1) комплексы нуклеиновых кислот
2) комплексы белков
4) самопроизвольно концентрирующиеся комплексы первичных органических веществ
3.Как называются организмы, которые питаются готовыми органическими веществами?
4.Какие организмы, способные к фотосинтезу, самые древние?
5.Как называются организмы, которые сами синтезируют органические вещества из неорганических?
6.Как называется наибольшая единица геологического летоисчисления?
7.Какие животные первыми освоили сушу?
8.Сколько эр выделяют в истории развития нашей планеты?
9.Какая эра продолжается и на современном этапе развития Земли?
10.Что, по утверждению Ч.Дарвина, является главной движущей силой эволюции?
1) естественный отбор
3) искусственный отбор
11.Какую совокупность особей принято считать элементарной единицей эволюции?
12.Какое учение утверждало, что зарождение и многообразие мира – результат божественной воли?
13.Какой критерий вида самый точный?
14.Каким явлением Ч.Дарвин объяснял возникновение разных видов вьюрков на Галапагосских островах?
3) аллопатрическим видообразованием
4) симпатрическим видообразованием
15.Какой процесс относится к биологическому регрессу?
1) увеличение численности вида
2) увеличение области распространения вида
3) возрастание приспособленности особей к условиям среды
4) уменьшение приспособленности особей к окружающей среде
16.Какой процесс НЕ относится к ароморфозам?
1) появление теплокровности
2) появление у растений семян
3) потеря органов пищеварения у паразитов
4) возникновение головного мозга
17.Какая таксономическая категория есть в классификации растений, но отсутствует в классификации животных?
18.Что относится к биологическому прогрессу?
1) уменьшение численности вида
2) увеличение численности вида
3) уменьшение приспособленности особей к окружающей среде
4) уменьшение области распространения вида
19.Какой процесс НЕ относится к идиоадаптации?
1) возникновение крыла у птиц
2) большое разнообразие способов опыления у покрытосеменных растений
3) экологическая дифференциация клювов вьюрков
4) формирование покровительственной окраски
20.Как называлась группа человекообразных обезьян, состоящая из наиболее ранних приматов?
21.Какая биологическая особенность НЕ характеризует вид Человек разумный?
1) большой объём головного мозга
3) преобладание мозгового отдела черепа над лицевым
22.Как назывались вымершие древесные человекообразные обезьяны, являющиеся предками современных человекообразных обезьян и человека?
23.Какой учёный впервые в своём труде доказал родство человека с человекообразными обезьянами?
24.Какие люди современного типа появились на Земле 40-30 тыс. лет назад и продолжают жить сегодня?
25.Как с латинского языка переводится слово «австралопитек»?
1) австралийская обезьяна
2) древнейшая обезьяна
3) человекообразная обезьяна
26.Ископаемые останки какого древнейшего человека были найдены вблизи Пекина?
27.Сколько основных рас существует на сегодняшний день?
28.Какой морфологический признак НЕ характеризует монголоидную расу?
1) уплощённая форма лица
2) узкие глазные щели
4) прямые или волнистые мягкие волосы
29.Какой человеческой расы НЕ существует?
30.Чем занимались древнейшие и древние люди на протяжении долгого периода антропогенеза?