Фотосинтез та хемосинтез

Хемосинтез і фотосинтез

Як вам відомо, автотрофні організми залежно від джерела енергії поділяють на хемосинтезуючі і фотосинтезуючі.

Хемосинтез. Хемосинтезуючі організми (хемотрофи) для син­тезу органічних сполук використовують енергію, яка вивільнюєть­ся під час перетворення неорганічних сполук. До цих організмів на­лежать деякі групи бактерій: нітрифікуючі, безбарвні сіркобактерії, залізобактерії тощо.

Нітрифікуючі бактерії послідовно окиснюють аміак (NH3) до нітритів (солі HNO2), а потім — до нітратів (солі HNО3). Залізобак­терії одержують енергію за рахунок окиснення сполук двовалент­ного заліза до тривалентного. Вони беруть участь в утворенні покла­дів залізних руд. Безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень та інші сполуки сірки до сірчаної кислоти (H2SO4).

Процес хемосинтезу відкрив у 1887 році видатний російський мікробіолог С.М.Виноградський. Хемосинтезуючі мікроорганізми ві­діграють виняткову роль у процесах перетворення хімічних елемен­тів у біогеохімічних циклах. Біогеохімічні цикли (біогеохіміч­ний колообіг речовин) — це обмін речовинами та забезпечення потоку енергії між різними компонентами біосфери, внаслідок жит­тєдіяльності різноманітних організмів, що має циклічний характер.

Фотосинтез. Фототрофи використовують для синтезу органічних сполук енергію світла. Процес утворення органічних сполук із неор­ганічних завдяки перетворенню світлової енергії в енергію хімічних зв'язків називають фотосинтезом. До фототрофних організмів на­лежать зелені рослини (вищі рослини, водорості), деякі тварини (рос­линні джгутикові), а також деякі прокаріоти — ціанобактерії, пурпу­рові та зелені сіркобактерії.

Основними з фотосинтезуючих пігментів є хлорофіли. За своєю структурою вони нагадують гем гемоглобіну, але в цих сполуках замість заліза присутній магній. Залізо потрібне рослинним орга­нізмам для забезпечення синтезу молекул хлорофілу (якщо в рос­лину залізо не надходить, то в неї утворюються безбарвні листки, нездатні до фотосинтезу).

Більшість фотосинтезуючих організмів має різні хлорофіли хлорофіл а (обов'язковий), хлорофіл Ь (у зелених рослин), хлорофіл с (у діатомових і бурих водоростей), хлорофіл d (у червоних водоростей). Зелені й пурпурові бактерії містять особливі бактеріохлорофіли.

В основі фотосинтезу лежить окиснювально-відновний процес, пов'язаний із перенесенням електронів від сполук постачальників електронів (донорів) до сполук, які їх сприймають (акцепторів), з утворенням вуглеводів і виділенням в атмосферу молекулярного кисню. Світлова енергія перетворюється на енергію синтезованих органічних сполук (вуглеводів) в особливих структурах - реакційних центрах, що містять хлорофіл а.

У процесі фотосинтезу у зелених рослин і ціанобактерій беруть участь дві фотосистеми — перша (І) та друга (II), які мають різні реакційні центри та пов'язані між собою через систему перенесення електронів.

Процес фотосинтезу відбувається в дві фази — світлову та темнову. У світлову фазу, реакції якої перебігають у мембранах особли­вих структур хлоропластів - тилакоїдів за наявності світла фотосинтезуючі пігменти вловлюють кванти світла (фотони). По­глинання фотонів приводить до «збудження» одного з електронів молекули хлорофілу, який за допомогою молекул — переносників електронів переміщується на зовнішню поверхню мембрани тила­коїдів, набуваючи певної потенційної енергії.

У фотосистемі І цей електрон може повертатись на свій енер­гетичний рівень і відновлювати її, а може передаватись такій спо­луці, як НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат). Електро­ни, взаємодіючи з іонами водню, які є в навколишньому середовищі, відновлюють цю сполуку:

Нагадаймо, що коли певна сполука віддає електрон — вона окиснюється, а коли приєднує — відновлюється. Відновлений НАДФ (НАДФ • Н2) згодом постачає водень, потрібний для віднов­лення атмосферного СО2 до глюкози (тобто сполуки, в якій запаса­ється енергія).

Подібні процеси відбуваються й у фотосистемі II. Збуджені електрони, повертаючись на свій енергетичний рівень, можуть пе­редаватись фотосистемі І і таким чином п відновлювати. Фотосисте­ма II відновлюється за рахунок електронів, які постачають молеку­ли води. Під дією світла за участю ферментів молекули води розщеплюються (фотоліз води) на протони водню та молекуляр­ний кисень, який виділяється в атмосферу, а електрони використо­вуються на відновлення фотосистеми II

Енергія, вивільнена при поверненні електронів із зовнішньої поверхні мембрани тилакоїдів на попередній енергетичний рівень, запасається у вигляді хімічних зв'язків молекул АТФ, які синтезу­ються під час реакцій в обох фотосистемах. Деяка її частина витра­чається на випаровування води. Таким чином, під час світлової фази фотосинтезу утворюються багаті на енергію (яка запасається у ви­гляді хімічних зв'язків) сполуки: синтезується АТФ і відновлюється НАДФ. Як продукт фотолізу води в атмосферу виділяється молеку­лярний кисень.

Реакції темпової фази фотосинтезу перебігають у внутріш­ньому середовищі (матриксі) хлоропластів як на світлі, так і за його відсутності. Як згадувалося раніше, в ході реакцій темпової фази С02 відновлюється до глюкози завдяки енергії, що вивільнюється при розщепленні АТФ, та за рахунок відновленого НАДФ.

Сполукою, яка сприймає атмосферний СО2, є рибульозобіфосфат (п'ятивуглецевий цукор, сполучений із двома залишками фос­форної кислоти). Процес приєднання СО2 каталізує фермент карбоксилаза. Внаслідок складних і багатоступеневих хімічних реакцій, кожну з яких каталізує свій специфічний фермент, утворюється кін­цевий продукт фотосинтезу — глюкоза, а також відновлюється ак­цептор СО2, - рибульозобіфосфат. З глюкози в клітинах рослин можуть синтезуватися полісахариди — крохмаль, целюлоза тощо.

Підсумкове рівняння процесу фотосинтезу у зелених рослин має такий вигляд:

У фотосинтезуючих прокаріот е певні відмінності у перебігу світлової та темнової фаз фотосинтезу. У прокаріот відсутні пластиди, тому фотосинтезуючі піг­менти розташовані на внутрішніх виростах цитоплазматичної мембрани, де і від­буваються реакції світлової фази. У зелених і пурпурових бактерій, на відміну від ціанобактерій, немає фотосистеми II, постачальником електронів є не вода, а сірководень, молекулярний водень та деякі Інші сполуки. Внаслідок цього у цих груп бактерій під час фотосинтезу кисень не виділяється.

Значення фотосинтезу для біосфери важко переоцінити. Саме завдяки цьому процесові вловлюється світлова енергія Сонця. Фотосинтезуючі організми перетворюють її на енергію хімічних зв'язків синтезованих вуглеводів, а потім по ланцюгах живлення вона передається гетеротрофним організмам. Отже, не буде пере­більшенням вважати, що саме завдяки фотосинтезу можливе існу­вання біосфери. Зелені рослини та ціанобактерії, поглинаючи ву­глекислий газ і виділяючи кисень, впливають на газовий склад атмосфери. Увесь атмосферний кисень має фотосинтетичне по­ходження. Щорічно завдяки фотосинтезу на Землі синтезується близько 150 млрд тонн органічної речовини і виділяється понад 200 млрд тонн вільного кисню, який не тільки забезпечує дихання організмів, але й захищає все живе на Землі від згубного впливу короткохвильових ультрафіолетових космічних променів (озоновий екран атмосфери).

Але загалом процес фотосинтезу малоефективний. У синтезова­ну органічну речовину переводиться лише 1-2% сонячної енергії. Це пояснюється неповним поглинанням світла рослинами, а також тим, що частина сонячного світла відбивається від поверхні Землі назад у космос, поглинається атмосферою тощо. Продуктивність процесу фотосинтезу зростає за умов кращого водопостачання рос­лин, їхнього оптимального освітлення, забезпечення вуглекислим газом, завдяки селекції сортів, спрямованій на підвищення ефек­тивності фотосинтезу тощо. Однією з найпродуктивніших культур­них рослин вважають кукурудзу, в якої досить високий коефіцієнт корисної дії фотосинтезу.

39.Віруси їх відкриття і життєдіяльність

Віруси ( Вимова. Від лат. virus — отрута) — неклітинні форми живих організмів[1] , які складаються з нуклеїнової кислоти (ДНКабо РНК) і білкової оболонки, зрідка включаючи інші компоненти (ферменти, ліпідні оболонки тощо). Віруси займають екологічну нішу облігатних внутрішньоклітинних паразитів, розмножуючись тільки в живих клітинах, вони використовують їхній ферментативний апарат і переключають клітину на синтез зрілих вірусних часток — віріонів. Поширені всюди. Викликаютьхвороби рослин, тварин і людини. Існує декілька механізмів антивірусного захисту організму людини. Один із них — синтезінтерферону, протеїну, що бере участь в блокуванні розповсюдження вірусної інфекції між сусідніми клітинами. Розділ біології, що вивчає віруси називається вірусологією.

2002 року в університеті Нью-Йорку був створений перший синтетичний вірус — аналог природного вірусу поліомієліту.

У процесі вивчення природи вірусів, після відкриття їх Дмитром Івановським (1892) формувалися уявлення про віруси як про дрібні організми. Епітет «фільтрівний» згодом був відкинутий, тому що стали відомі фільтрівні форми або стадії звичайних бактерій, а потім і фільтрівні види бактерій. Найправдоподібнішою є гіпотеза про те, що віруси походять з «утікача» нуклеїнової кислоти, тобто нуклеїнової кислоти, що набула спроможність реплікуватись незалежно від тієї клітини, із якої виникла, хоча при цьому передбачається, що така ДНК реплікується з використанням структур цієї або іншої клітин.

На підставі дослідів фільтрації через градуйовані лінійні фільтри були визначені розміри вірусів. Виявилося, що розмір найдрібніших із них становив 20-30 нанометрів, а найбільших — 300—400 нанометрів.

У процесі подальшої еволюції у вірусів змінювалася більше форма, аніж хімічна будова.

Розміри більшості вірусів коливаються від 10 до 300 нм. У середньому віруси в 50 разів менші забактерій. Їх неможливо побачити у оптичний мікроскоп, тому що їх розмір менший за довжину світлової хвилі.

Віруси складаються з різноманітних компонентів:

1.серцевина — генетичний матеріал (ДНК або РНК). Генетичний апарат вірусу кодує від декількох (Вірус Тютюнової Мозаїки) до сотень генів (Вірус Віспи, більше 100 генів). Необхідний мінімум — гени, що кодують вірус-специфічну полімеразу та структурні білки.

2.білкова оболонка, що називають капсидом. Оболонка часто побудована з ідентичних повторюваних субодиниць — капсомерів. Капсомери утворюють структури з високою симетрією.

3.додаткова ліпопротеїдна оболонка. Ліпідна оболонка походить з плазматичної мембрани клітини-хазяїна та зустрічається в порівняно складних вірусів (вірус грипу, вірус герпесу). Цілком сформована інфекційна вірусна частка називається віріоном.

40.Організм як цілісна система. Гомеостаз

Органі́зм (від лат. organismus, від лат. organizo — влаштовую, від дав.-гр. ὄργανον — знаряддя) — жива істота, частини якої впливають одна на одну так, що вони функціонують разом як біологічна система, що має різні рівні організації (молекулярний,клітинний, тканинний та ін.); це жива істота, яка володіє сукупністю властивостей:

ñобмін речовин,

ñріст,

ñрозвиток,

ñрозмноження,

ñспадкування та ін.,

які роблять її відмінною від неживої матерії.

Організми — основний предмет вивчення у біології. Для зручності всі організми розподіляються та класифікуються за різними групами і категоріями, що складають біологічну систему їх класифікації.

Найзагальніший їх поділ на ядерні і без'ядерні.

Більшість організмів мають клітинну будову. Формуваня цілісного організму — процес, який складається з диференціюванняструктур (клітин, тканин, органів) і функцій та їх інтеграції як в онтогенезі, так і в філогенезі.

Значення терміну[ред. • ред. код]

Термін "організм" (грец. ὀργανισμός – organismos, з давньогрецької ὄργανον – organon, "інструмент, знаряддя, орган тіла"[1]). Термін «організм» прямо пов'язаний з терміном «організація». Існує давня традиція визначення організму як створіння, що самоорганізується.[2]

Останнім часом велися широкі дискусії про те, як дати найкраще визначення організму[3] і навіть про те, чи таке визначення взагалі є необхідним.[4] Деякі науковці[5]висловили припущення, що категорія "організм", можливо, не зовсім адекватна для біології.[6]

Загальна будова організму[ред. • ред. код]

Організми складаються переважно з води, органічних вуглецевих сполук й часто з мінеральних чи посилених мінералами оболонок і скелетів.

Усі організми (тварини, рослини, гриби, найпростіші, бактерії, археї) складаються з клітин або мають синцитійну структуру. Окремі клітини та їхня сукупність мають певну структуру та компартментацію. Клітини відділені одна від одної та від зовнішнього світу так званими біомембранами. Кожна клітина має генетичну інформацію щодо її росту та всіх життєвих процесів. В ході росту клітини диференціюються в різноманітні органи, що переймають на себе певні функції, важливі для всього організму.

Елементи[ред. • ред. код]

Елементи, що містять організми, можна розділити на три групи:

ñМакроелементи (~96%) — вуглець (C), водень (H), кисень (O), які є основними елементами біомолекули.

ñОлігоелементи (~3%) — азот (N), фосфор (P), сірка (S), залізо (Fe), магній (Mg), калій (K), натрій (Na), кальцій (Ca), хлор (Cl).

ñМікроелементи (~1%) — цинк (Zn), мідь (Cu), йод (I), фтор (F). Часом трапляються також такі елементи, як селен (Se), кобальт (Co), молібден (Mo), хоча останні є найпоширенішими елементами неживих організмів.

Кремній та алюміній, які є поширенішими елементами на Землі у порівнянні з вуглецем, не входять до складу організмів через обмежену здатність утворювати сполуки.Інертні гази та речовини, важче йоду (номер 53), також не входять до складу організмів.

Біохімічні складові[ред. • ред. код]

Для організмів характерна наявність репродуктивних молекул. Сьогодні відомі полінуклеотиди ДНК та РНК, проте дослідники припускають, що й інші молекули можуть мати такі властивості. Організми містять також білки (протеїни), макромолекулярні вуглеводи (полісахариди), а також складні молекули на кшталт ліпідів та стероїдів. Усі ці макромолекули та складні молекули не трапляються у неживій природі й не можуть бути створені з неживої матерії. Натомість менші складові організму, такі якамінокислоти та нуклеотиди існують і в неживій природі, наприклад, їх було виявлено у міжзоряних газах або на метеоритах. Ці речовини можна добути також і небіологічним способом.

Окрім того, клітини організмів містять велику частку води, а також неорганічні речовини, розчинені в ній. Усі відомі життєві процеси відбуваються за присутності води.

Гомеоста́з — стан рівноваги динамічного середовища, у якому відбуваються біологічні процеси. Здебільшого це поняття вживається в біології. Гомеостаз підтримується безперервною роботою систем органів кровообігу, дихання, травлення, виділення тощо, виділенням у кров біологічно активних хімічних речовин, які забезпечують взаємодію клітин і органів. Найважливіша роль у підтриманні гомеостазу належить нервовій системі, яка регулює діяльність органів і систем організму. Гомеостаз регулюється безпосередньо проміжним мозком.

41.Одноклітинні колоніальні та багатоклітинні

Одноклітинні організми - це організми, які складаються лише з однієї клітини, в якій здійснюються всі необхідні життєві функції, притаманні багатоклітинним організмам.

До одноклітинних організмів належать: бактерії, одноклітинні тварини (амеба-протей) одноклітинні водорості (хламідомонада), одноклітинні гриби (мукор).

Колоніальні організми- це організми, які складаються з багатьох клітин одного чи декількох типів, що функціонують незалежно одна від одної. До колоніальних організмів належать: колоніальні джгутикові (вольвокс), колоніальні інфузорії та ін.

Багатоклітинні організми - це організми, які складаються із сукупності клітин, групи яких спеціалізуються на виконанні певних функцій, утворюю­чи якісно нові структури: тканини, органи, системи органів. У більшості випадків завдяки такій спеціалізації окремі клітини не можуть існувати поза організмом.

42
Форми розмноження організмів.Біологічне значення нестатевого розмноження.

.Наступність поколінь у природі здійснюється завдяки розмноженню організмів. Розмноження — здатність організму залишати потомство, тобто відтворювати собі подібних. У природі існують два типи розмноження організмів: безстатеве та статеве.

Безстатеве розмноження — утворення нового організму з однієї або групи клітин вихідного материнського організму. У цьому випадку в розмноженні бере участь тільки одна батьківська особина, що передає свою спадкову інформацію дочірнім організмам. В основі безстатевого розмноження лежить мітоз. Зустрічається декілька форм безстатевого розмноження.

Простий поділ, або розподіл навпіл, характерний для одноклітинних організмів. З однієї клітини шляхом мітозу утворюються дві дочірні, кожна з яких стає новим організмом.

Брунькування — форма безстатевого розмноження, під час якого від батьківської особини відокремлюється дочірній організм. Така форма характерна для грибів, гідри і деяких інших тварин.

У спорових рослин (водоростей, мохів, папоротей) розмноження відбувається спорами, спеціалізованими клітинами, що утворюються в материнському організмі. Кожна спора, проростаючи, дає початок новому організму.

Вегетативне розмноження — різновидність безстатевого розмноження окремими органами, частинами органів або тіла. Воно ґрунтується на здатності організмів відновлювати відсутні частини тіла — регенерації. Поширене і рослин (розмноження стеблами, листям, пагонами), у нижчих безхребетних тварин (кишковопорожнинних, плоских червів).

Статеве розмноження — утворення нового організму за участю двох батьківських організмів. Під час статевого розмноження відбувається злиття статевих клітин — гамет чоловічого і жіночого організму. Новий організм несе спадкову інформацію обох батьків. Статеві клітини формуються в результаті особливого типу поділу, при якому число хромосом у клітинах, що утворюються внаслідок поділу, у два рази менше, ніж у вихідній материнській клітині. Таким чином, гамети мають удвічі меншу кількість хромосом. В результаті злиття двох гамет кількість хромосом у клітині, що знову утворилася, — зиготі, збільшується у два рази, тобто відновлюється, причому одна половина усіх хромосом є батьківською, інша — материнською.

Хромосомний набір клітин. У клітинах більшості організмів хромосоми парні. Парні хромосоми, однакові за формою, розмірами і спадковою інформацією, називаються гомологічними, а подвійний, парний набір хромосом,— диплоїдним (2n). У деяких клітинах і організмах міститься одинарний, гаплоїдний набір хромосом (п). У цьому випадку однакових гомологічних хромосом немає.

Кількість хромосом для кожного виду організмів стала. Так, у клітинах людини — 46 хромосом (23 пари), голуба — 80 (40 пар), дощового черв’яка — 36 (18 пар), пшениці — 28 (14 пар). Ці організми мають диплоїдний набір хромосом. Деякі організми, такі як водорості, мохи, гриби, мають одинарний, гаплоїдний набір хромосом. Гаплоїдний набір позначають літерою n, диплоїдний — 2n.

Еволюційне значення нестатевого розмноження полягає в тому, що воно сприяє підтримці найбільшої пристосованості до малозмінних умов існування (підсилює роль стабілізувально-го добору), а статеве розмноження забезпечує генетичне різноманіття й створює передумови для освоєння різних середовищ існування, дає еволюційні й екологічні перспективи (сприяє творчій ролі природного добору).

У деяких груп організмів воно є єдиним способом розмноження. У видів, здатних до статевого розмноження, нестатевим шляхом можуть розмножуватися особини, які за тих чи інших причин опинилися ізольованими від інших.

Нестатеве розмноження є більш енергетично вигідним — організмам не треба витрачати ресурси на формування двох статей, з яких нащадків залишає лише одна.

Види з короткими життєвими циклами завдяки цим формам розмноження за незначний проміжок часу можуть значно збільшувати свою чисельність.

Крім того, за нестатевого або вегетативного розмноження нова особина зазвичай розвивається швидше, ніж за статевого.

У результаті нестатевого розмноження дочірні особини за набором спадкової інформації здебільшого є точними копіями батьків. Людина використовує цю особливість у розмноженні культурних рослин, підтримуючи з покоління в покоління властивості певних сортів.