Биологи из Имперского колледжа Лондона (Великобритания) под руководством доктора Танаи Кардона (Tanai Cardona) сумели пролить свет на происхождение фотосинтеза — важнейшего процесса, который позволяет растениям вырабатывать на свету из углекислого газа питательные вещества и кислород, а людям и другим животным этим кислородом дышать. Содержание статьи британских ученых, опубликованной в журнале Molecular Biology and Evolution, кратко пересказывается в пресс-релизе издательства Oxford University Press.

Фотосинтез впервые появился в период между 3,2 и 2,7 млрд лет назад у примитивных доядерных одноклеточных существ — цианобактерий. Чтобы разобраться, как это происходило, ученые из Имперского колледжа Лондона исследовали фотосинтезирующие аппараты ныне живущих фотосинтезирующих бактерий. Точнее, их интересовал один конкретный протеин (белок) D1 — ключевой элемент фотосистемы II, которая отвечает за обеспечение электронами всей цепочки фотосинтеза.


Оказалось, что этот ключевой белок существует у современных бактерий в пяти основных формах, и некоторые из этих форм, похоже, возникли еще до того, как древние цианобактерии оксидизировали, то есть насытили кислородом, окислили первичный океан и атмосферу. Самая древняя версия D1 обнаружилась у бактерии Gloeobacter kilaueensis JS-1, обитающей в лавовых пещерах на Гавайях. Геном этой бактерии был расшифрован совсем недавно.

«Думаю, главный результат нашей работы — это то, что мы смогли показать, как эволюция биологической оксидизации воды может быть изучена экспериментально, — сказал д-р Кардона. — Такие исследования позволяют пролить свет не только на эволюцию фотосинтеза, но и на условия, которые существовали на Земле миллиарды лет назад, когда этот процесс только начинался».

Напомним, что в прошлом году американским ученым удалось зафиксировать процесс расщепления воды при фотосинтезе, что открывает новые перспективы в разработке искусственных систем оксидизации воды. А недавно было сделано другое интересное открытие, связанное с фотосинтезом — оказалось, что морской слизень Elysia chlorotica «одалживает» гены у водоросли, которой он питается, чтобы заняться фотосинтезом и вырабатывать таким образом питательные вещества самостоятельно, когда ему нечего есть.

Источник: scientificrussia.ru

Довольно неопределенной остается датировка следующего крупнейшего ароморфоза — появления фотосинтеза. С его помощью стало возможным получать ресурсы (угле­кис­лый газ) для синтеза органических веществ прямо из воздуха, отдавая взамен молекулярный кислород. Все дальнейшее развитие земной жизни было определено этим великим изобретением природы.


Поначалу накопление кислорода в атмосфере шло медленно из-за низкой скорости обмена веществ у примитивных микроорганизмов. Потребовалось около полутора миллиардов лет, чтобы содержание кислорода в воздухе достигло 1% от современного значения. Но этот рубеж — точка Пастера— был, наконец, достигнут, что имело целый букет важнейших последствий.

Во-первых, начиная с точки Пастера, дыхание становится эффективным способом обеспечения организма энергией. Многократно ускоряется обмен веществ, а с ним и темпы эволюции.

Во-вторых, из кислорода O2 в верхних слоях атмосферы образуется озон O3, защищающий от ультрафиолетового излучения Солнца. Это дало возможность организмам подняться в приповерхностный слой океана, наиболее богатый питательными веществами и солнечной энергией, а затем и выйти на сушу, не боясь «обжечься».

В-третьих, накопление свободного кислорода увеличило давление отбора на первые организмы. Дело в том, что для них химически активный кислород атмосферы был токсичен! Можно сказать, что около двух миллиардов лет назад разразился первый в истории Земли глобальный экологический кризис — загрязнение окружающей среды ядовитыми отходами жизнедеятельности в виде свободного кислорода. Борьба за существование в таких жестких условиях оказалась еще одним фактором, подстегнувшим эволюцию.


Примитивные одноклеточные — прокариоты — были хозяевами Земли более двух миллиардов лет. Как часто бывает, они сами создали себе проблемы и подготовили путь для их разрешения, но пошли по этому пути уже другие.

Источник: helpiks.org

Влияния растений на состав воздуха

Изучение влияния растений на состав окружающего воздуха впервые было проведено Д. Пристли (1773 г.).

В его опытах мышь, накрытая стеклянным колоколом, погибала, но помещенная вместе с веткой мяты в те же условия оставалась живой. Д. Пристли установил тот факт, что растения способны «исправлять» воздух.

Опыт Д. Присли
Опыт Д. Пристли

Однако то, что это «исправление» воздуха происходит лишь на свету, ускользнуло от внимания Д. Пристли в его первых опытах. В дальнейшем Д. Пристли и И. Ингенгауз (1779 г.) установили, что растения могут исправлять воздух только на свету, а в темноте они, так же как и животные, «портят» воздух.

iv>

Исправление воздуха на свету свойственно только зеленым частям растения. Таким образом, в этих опытах были впервые получены доказательства существования у растений двух прямо противоположных процессов, влияющих на состав воздуха. Но ни Пристли, ни Ингенгауз не поняли, какое значение имеет «исправление» воздуха для самого растения.

Процесс углеродного питания

Ж. Сенебье (1782 г.) доказал, что усвоение растениями углекислого газа и выделение кислорода на свету — это процесс углеродного питания, в результате которого углерод накапливается в растениях. Сенебье впервые, дал правильное объяснение сущности газообмена растений.

Серия этих открытий в области фотосинтеза завершилась опытами Н. Соссюра (1804 г.), который количественно показал, что объемы обмениваемых газов — кислорода и углекислого газа — в этом процессе равны и что одновременно с углекислотой используется и вода, так как прибыль в весе сухой массы растения значительно превосходила вес углерода в углекислоте. Так было установлено происхождение углерода, кислорода и водорода в растениях.

Газообмен в растениях
Газообмен в растениях

Таким образом, на протяжении XVIII и в начале XIX столетия были выяснены основные положения воздушного питания растений: поглощение углекислого газа, выделение кислорода, необходимость света и хлорофилла и характер конечных продуктов. Однако в чем заключалась роль света, оставалось неясным.


Роль света в жизни растений

Следующим этапом в познании природы фотосинтеза является изучение К. А. Тимирязевым энергетической стороны этого процесса и роли света.

Роль света в жизни растений
Роль света в жизни растений

К. А. Тимирязев показал, что свет, поглощаемый хлорофиллом, необходим как источник энергии, и доказал приложимость к процессу фотосинтеза закона о сохранении энергии.

Большой вклад в изучение пигментов, участвующих в фотосинтезе, внесли Вильштеттер, давший формулу хлорофилла и каротиноидов, и М. С. Цвет, разработавший хроматографический метод для разделения пигментов листа.

Экология фотосинтеза изучалась многими русскими учеными: С. П. Костычевым, В. Н. Любименко, А. А. Ивановым, Д. И. Ивановским и А. А. Рихтером.

В 70 годах ХХ века химия фотосинтеза активно изучалась А. И. Терениным, А. А. Красновским, А. А. Ничипоровичем Т. Н. Годневым, а за рубежом — О. Варбургом, М. Кальвиным, Е. И. Рабиновичем и др.

Источник: LibTime.ru

Страница 129

Заполните таблицу по предложенному образцу.

Этапы формирования жизни на Земле

>
Заполните таблицу «Этапы формирования жизни на Земле» по предложенному образцу

Страница 130

1. Выполните задания, ответьте на вопросы.

— Дайте определение понятия «жизнь».

Ответ: классическое определение (Ф. Энгельс): Жизнь — это способ существования белковых тел с постоянным самообновлением частей этих тел. Современное определение (М.В. Волькенштейн): живые земные тела — это открытые, саморегулирующиеся системы, построенные из биополимеров.

— Расскажите о гипотезах возникновения жизни.

Ответ:

1 Креационизм — жизнь создана Богом раз и навсегда неизменной, следовательно, и рассматривать этот процесс человеку не надо: всё, как описано в Священном Писании.

2 Гипотеза панспермии предполагает, что жизнь была занесена на Землю из космоса на метеоритах и космической пыли. Идея космическом посеве жизни (панспермии) высказана греческим философом Анаксагором.


3 Гипотеза самозарождения живой материи — учёные с античных времён до XVIII в., не сомневалось в том, что живые существа постоянно самозарождаются из неживой материи.

— Назовите этапы процесса возникновения жизни.

Ответ: Первый этап — из неорганических молекул возникли органические молекулы, т. е произошёл абиогенный синтез

Второй этап — процесс концентрации возникших органических веществ.

Третий этап — началось самовоспроизведение органических молекул, т. е. было положено начало размножению

— Что послужило причиной возникновения фотосинтеза?

Ответ: Первые живые организмы, появившиеся на Земле, скорее всего, были анаэробными гетеротрофами. Эволюция первичных гетеротрофов шла в направлении освобождения зависимости от органических соединений абиогенного происхождения. В связи с этим чрезвычайно важным собы-тием оказалось возникновение хемосинтеза и бактериального фо-тосинтеза, которые привели к накоплению органических веществ уже биогенного происхождения. Однако бактериальный фотосинтез был бескислородным, и лишь значительно позднее цианобактерии начали выделять при фотосинтезе кислород, который они вырабатывали в процессе фотолиза воды

— Каково эволюционное значение фотосинтеза?

Ответ: Важнейший этап эволюции жизни на Земле связан с возникновением фотосинтеза, что обусловило разделение органического мира на растительный и животный. Состав воздуха начал постепенно приближаться к современному, включающему в основном азот, кислород и небольшое количество углекислого газа. Это способствовало возникновению бактерий, способных жить в аэробной среде. Такая атмосфера способствовала развитию более совершенных форм жизни. Кроме этого, фотосинтез стал новым источником органического вещества, необходимого для жизнедеятельности всех живых организмов


— Почему невозможно возникновение жизни в современных условиях?

Ответ: во-первых, в настоящее время нет соответствующих условий, а во-вторых, чрезвычайно велика опасность уничтожения появившейся новой жизни некоторыми современными живыми существами

2. Объединитесь в небольшую группу с одноклассниками и с помощью различных источников информации, в том числе Интернета, подготовьте презентацию познавательного проекта для школьников младших классов и всех желающих на тему «Возникновение жизни». Форму презентации заранее обсудите с учителем.

Земля сформировалась 4,5—5 млрд. лет назад из гигантского облака космической пыли, частицы которой спрессовались в раскаленный шар. Из него в атмосферу выделялся водяной пар, а из атмосферы на медленно остывавшую Землю в течение миллионов лет в виде дождей выпадала вода. В углублениях земной поверхности образовался доисторический Океан. В нем примерно 3,8 млрд. лет назад зародилась первоначальная жизнь.


Несколько теорий о происхождении жизни на Земле Она занесена на Землю из космоса Жизнь зародилась на Земле, в ее морях Солнечный свет и, возможно, очень сильные электрические разряды служили в этом процессе источником энергии. Может быть, из таких элементов зародились первые обитатели Земли — прокариоты, организмы без оформленного ядра, похожие на современных бактерий.

Жизнь существовала в тонкой бактериальной пленке на дне водоемов и во влажных местах. Эту эру развития жизни называют архейской. Из бактерий, а возможно, и совершенно независимым путем, возникли и крошечные одноклеточные организмы — древнейшие простейшие животные.

Примитивные существа, обитавшие приблизительно 600 — 570 млн. лет назад в кембрийском геологическом периоде, первом периоде палеозойской эры. Отсюда и произошло название геологического периода истории. Настоящих рыб в кембрии еще не было, но уже жили кишечнополостные, губки, ныне вымершие археоциаты, плоские и многощетинковые черви, улитки, каракатицы, раки и трилобиты.

В конце кембрия, очевидно, уже появились первые хордовые, похожие на современных ланцетников. В течение последующих миллионов лет животные постепенно изменялись, и в следующем геологическом периоде — силуре, начавшемся 500 — 400 млн. лет назад, кроме многочисленных трилобитов на морском дне появились новые обитатели — морские скорпионы. В толще вод силурийского моря пассивно дрейфовали одноклеточные организмы и медузы

400 млн.


т назад силур сменился девонским геологическим периодом, который длился около 60 млн. лет. Тогда на суше появились первые растения — лишайники, которыми зарастали увлажненные берега водоемов. В течение девона от них произошли другие формы— папоротники и хвощи. Кроме того, если прежде все животные дышали лишь кислородом, растворенным в воде, то теперь некоторые из них научились извлекать его из воздуха. Первые сухопутные животные — тысяченожки, скорпионы и бескрылые примитивные насекомые, вероятно, обитали поблизости от воды. Предком всех сухопутных позвоночных животных была кистеперая рыба с похожими на лапы грудными и брюшными плавниками. Постепенно у кистеперых рыб развились настоящие верхние и нижние конечности, и с течением времени появились земноводные (амфибии) и пресмыкающиеся (рептилии).

Источник: resheba.me

Исходным материалом для фотосинтеза служат углекислый газ атмосферы и вода. Для синтеза органических веществ растения используют только неорганические вещества: азотистые, фосфорные, сернистые соединения. Источником азота служат также молекулы атмосферного азота, который способны фиксировать бактерии, живущие в корневых клубеньках, главным образом бобовых растений. Газообразный азот переходит при этом в состав аммиака — NH₃ и далее входит в состав аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и иных соединений. Органические вещества, которые образуются в фотосинтезирующих клетках из углекислого газа, воды, азота атмосферы и неорганических солей почвы или водных сред, используются всеми живыми существами нашей планеты, которые не способны к фотосинтезу. В число этих существ входят все животные и человек, живущие благодаря трансформированной растениями энергии солнца. Исключение составляют хемосинтезирующие микроорганизмы, о которых речь будет далее Фотосинтезирующие клетки, захватывая углекислый газ из атмосферы, выделяют в нее кислород.

До появления на нашей планете фотосинтезирующих клеток и организмов атмосфера Земли была лишена кислорода. С появлением фотосинтезирующих клеток она стала насыщаться кислородом. Постепенное наполнение атмосферы кислородом привело к появлению клеток с энергетическим аппаратом нового типа. Это были клетки, производящие энергию вследствие окисления органических соединений, главным образом углеводов и жиров, при участии атмосферного кислорода в качестве окислителя. В результате этого наступил следующий важный этап в развитии жизни на Земле — этап кислородной или аэробной, жизни. Первые клетки, способные использовать энергию солнечного света, возникли, очевидно, около 3 млрд. лет назад. Это были одноклеточные сине-зеленые водоросли. Окаменелые остатки таких клеток были найдены в слоях сланцев, относящихся к тому периоду в истории Земли, который называют архейской эрой. Потребовалось еще более 1 млрд. лет для насыщения атмосферы Земли кислородом и возникновения аэробных клеток. Очевидно, что планетарная роль растений и иных фотосинтезирующихорганизмов исключительно велика:

1) они трансформируют энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений, которая используется всеми остальными живыми существами нашей планеты;

2) они насыщают атмосферу Земли кислородом, который служит для окисления органических веществ и извлечения этим способом запасенной в них химической энергии аэробными клетками;

3) наконец, определенные виды растений в симбиозе с азотфиксирующими бактериями вводят газообразный азот атмосферы в состав молекул аммиака, его солей и органических азотсодержащих соединений. В почве есть и несимбиотические азотфиксирующие микроорганизмы. Из всего сказанного следует, что роль зеленых растений в планетарной жизни трудно переоценить. Сохранение и расширение зеленого покрова Земли имеет решающее значение для всех живых существ, населяющих нашу планету.

Естественно, что эта задача ложится на человека, на нас с вами, также несущих ответственность за сохранение жизни на Земле.

В результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. т. органического вещества и выделяется около 200 млрд. т. свободного кислорода в год. Фотосинтез создал и поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Он препятствует увеличению концентрации CO₂ в атмосфере, предотвращая перегрев Земли (парниковый эффект).

Таким образом, фотоавтотрофный тип питания и фотосиптез возникли в процессе эволюции как «надстройка» над первичным гетеротрофным типом питания. Появление на Земле фотосинтеза былообусловлено всем ходом предшествовавшей биологической эволюции и явилось поворотпым пунктом впереходе от анаэробного к аэробному типу обмена веществ.

Источник: ingvarr.net.ru