Автотрофное питание

Все живые организмы являются потребителями пищи. Процесс приобретения энергии и вещества называется питанием.

Энергия не создаётся и не уничтожается ( закон сохранения энергии ). Она существует в разнообразных формах – может быть световой, тепловой, электрической, химической, механической, звуковой и т. д. , и эти формы энергии могут переходить друг в друга, то есть они взаимопревращаемы. Возьмем простой пример: когда мы чиркаем спичкой, ее химическая энергия превращается сразу в тепловую, световую и звуковую.

Энергию можно определить как способность совершать работу. Все живые организмы можно рассматривать как работающие машины, которые не могут работать и оставаться живыми без постоянного притока энергии. Энергия необходима для того, чтобы происходило множество различных жизненно важных процессов. При этом совершается различного рода работа, например:

• химический синтез веществ, необходимых для роста и восстановления тканей организма;

• транспорт веществ в клетку и из клетки;

• механическое сокращение мышц ( движение );

• электрическая передача нервного импульса;

• электрические разряды ( у электрического угря );

• биолюминесценция, то есть излучение света ( у светляков, некоторых глубоководных животных ).

Живые организмы можно разделить на группы в соответствии с тем, какой источник энергии и вещества ( углерода ) они используют. Углерод – главный элемент, который нужен всем живым организмам, так как он входит в состав всех органических веществ ( белков, жиров, углеводов ).

Хотя энергия существует во многих формах, для живых существ пригодны только две из них: световая и химическая энергия. Основных источников углерода тоже два: неорганическое вещество углекислый газ ( оксид углерода ( IV )) и органические вещества.

Организмы, которые синтезируют все необходимые им органические вещества из углекислого газа за счет энергии света, называются автотрофными ( автотрофами ). Для автотрофов характерно наличие вещества ( пигмента ) хлорофилла, который поглощает энергию света и превращает ее в химическую энергию. Другое название процесса автотрофного питания – фотосинтез. К автотрофным ( фотосинтезирующим ) организмам относятся все зеленые растения и некоторые бактерии.

Организмы, которые используют в качестве источника углерода готовые органические вещества ( белки, жиры, углеводы ) и их химическую энергию, называют гетеротрофными ( гетеротрофами ). К ним относятся все животные, грибы, большинство бактерий и некоторые растения – паразиты.

Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза – либо непосредственно, как в случае растений, либо, как в случае животных, косвенно. Фотосинтез делает доступными для живых организмов световую энергию и неорганический углерод и обеспечивает выделение в атмосферу кислорода, необходимого для дыхания живых организмов. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд. т органического вещества, усваивается около 300 млрд. т углекислого газа и выделяется около 200 млрд. т кислорода. Благодаря фотосинтетической деятельности первых живых организмов в первичной атмосфере древней Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для развития жизни и биологической эволюции.

Главным фотосинтезирующим органом высших растений является лист. Как и у всех других органов, строение листа и его функции тесно взаимосвязаны. Из уравнения фотосинтеза

CO2 ( углекислый газ ) + H2O ( вода ) ——————→ C6H12O6 ( глюкоза ) + O2 ( кислород ) солнечный свет, хлорофилл можно сделать вывод, что:

1) листьям нужен источник углекислого газа и вода;

2) листья должны быть приспособлены к поглощению солнечного света;

3) в листьях должен быть хлорофилл;

4) полезный продукт фотосинтеза – углевод глюкоза – должен транспортироваться в другие части растения или откладываться в запас. Лист – орган, удовлетворяющий всем этим требованиям.

Рассмотрим взаимосвязь строения и функций листа.

Строение и функции листа.

ткань листа строение ткани функции ткани

Покровная ткань - Состоит из одного слоя бесцветных прозрачных клеток. Защитная. Кутикула предохраняет лист от высыхания и верхняя и нижняя эпидерма Поверхность клеток покрыта восковым налётом от инфекции. Через один слой прозрачных клеток свет

( верхняя и нижняя кожица ) (кутикулой). легко проникает внутрь листа.

Нижний эпидермис содержит устьица. Устьица – ворота для газообмена с внешней средой

( размеры отверстия устьиц регулируются замыкающими клетками – единственными клетками кожицы, содержащими хлорофилл ).

Основная ткань ( мезофилл ):

1) столбчатая ткань несколько слоёв столбчатых клеток с многочисленными благодаря наличию многочисленных хлоропластов ( палисадная паренхима ) хлоропластами. Клетки прилегают к верхней кожице клетках столбчатая ткань – основная ткань листа, в своей более узкой стороной. которой происходит фотосинтез.

Благодаря тому, что столбчатые клетки прилегают к поверхности листа более узкой стороной увеличивается их общее количество, а значит увеличивается и продуктивность фотосинтеза;

газообмен через устьица и межклетники

несколько слоёв клеток неправильной формы, клетки расположены очень рыхло, так что между ними остаются

2) губчатая ткань большие воздушные

( губчатая паренхима ) пространства ( межклетники ).

Проводящая ткань *:

1) ксилема образована мёртвыми клетками - сосудами восходящий ток ( из корней в листья ) воды и растворов минеральных веществ;

образована живыми клетками с многочисленными нисходящий ток ( из листьев в корни ) растворов

2) флоэма отверстиями в поперечных стенках – ситовидными органических веществ, образованных в ходе трубками фотосинтеза

Механическая ткань* клетки с утолщенными оболочками опорная, служит для листовой пластинки скелетом

( колленхима )

* - проводящая и механическая ткани образуют проводящие пучки ( жилки ) листа

Во внешнем строении листа также есть особенности, дающие возможность наиболее эффективно улавливать свет. К этим особенностям относятся:

1) тонкая уплощённая листовая пластинка ( более глубокое проникновение света внутрь тканей листа );

2) широкая поверхность листовой пластинки ( увеличение площади улавливания света );

3) наличие черешка у многих растений ( повороты листа к свету );

4) расположение листьев в виде листовой мозаики ( минимальное затенение листьев друг другом ).

Выдвижению листьев к свету способствует также наличие стебля и явление фототропизма ( рост по направлению к свету ).

У высших растений фотосинтез происходит в особых частях клетки – хлоропластах ( у низших растений – водорослей – в хроматофорах ). Хлоропласты находятся в цитоплазме клеток, в столбчатой ткани листа их количество может достигать примерно ста штук. У высших растений хлоропласты на срезе обычно имеют двояковыпуклую форму, а при взгляде сверху выглядят округлыми. Диаметр хлоропластов около 3 – 10 микрометров, так что они хорошо видны в световой микроскоп. У водорослей форма хроматофоров более разнообразна: они могут быть спиралевидные, чашевидные, дисковидные, зернистые.

Детали строения хлоропластов выявляются с помощью электронного микроскопа. Оболочка хлоропласта состоит их двух мембран ( внешней и внутренней ). Основное вещество хлоропласта – строма – жидкость, похожая на гель. В строме находятся многочисленные мембраны, содержащие хлорофилл. Местами мембраны внутри хлоропласта уложены в стопки – граны. Отдельные граны соединены друг с другом одиночными мембранами – ламеллами. Каждая грана похожа на кучку монет, уложенных столбиком, а ламеллы чаще имеют вид пластинок. Также в строме хлоропласта находится своя собственная ДНК и запасные вещества: зёрна крахмала и капельки жиров.

Процесс фотосинтеза состоит из двух этапов: светового и темнового.

Кратко сравним эти два этапа.

особенности световой этап темновой этап

1. Наличие света обязательно необязательно

( происходит только на свету ) ( происходит как на свету, так и в темноте )

2. В какой части хлоропласта в гранах в строме происходит

3. Какие вещества необходимы вода, хлорофилл углекислый газ, АТФ

4. Какие вещества образуются кислород, АТФ углеводы ( глюкоза )

Таким образом, хлорофилл принимает участие только в световом этапе фотосинтеза.

В целом пигменты представляют собой соединения, которые поглощают видимый свет.

Некоторые пигменты поглощают свет любой длины волны и поэтому кажутся черными. Другие – свет только определенной длины волны, а остальной пропускают или отражают.

Пигменты, которые участвуют в процессе фотосинтеза, - это хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. Роль этих пигментов состоит в том, чтобы поглощать свет и превращать световую энергию в энергию химическую ( химическая энергия запасается в молекулах углеводов, которые образуются в результате фотосинтеза ). Название « хлорофилл » происходит от греческих слов chloros – « зелёный » и phyllon – « лист », а « каротиноиды » - от научного названия моркови – carota.

Хлорофиллы поглощают главным образом красные и сине-фиолетовые лучи солнечного спектра. Зелёный свет они отражают и поэтому придают растениям характерную зелёную окраску.

Обнаружено несколько форм хлорофилла, которые отличаются по молекулярной структуре. Хлорофилл а характерен для всех фотосинтезирующих эукариот и цианобактерий. Полагают, что это основной пигмент, участвующий в процессах фотосинтеза у данных организмов.

Сосудистые растения, мхи, зеленые и эвгленовые водоросли содержат и хлорофилл b. Это вспомогательный пигмент, который расширяет спектр поглощения света в процессе фотосинтеза, поскольку хлорофилл b поглощает свет других длин волн, нежели хлорофилл а. Содержимое хлорофилла b в листьях зеленых растений составляет в целом ¼ общего количества хлорофилла.

У некоторых групп водорослей, в основном бурых, вместо хлорофилла b функционирует хлорофилл c.

В преобразовании энергии участвуют и другие типы пигментов – каротиноиды и фикобилины. Энергия, поглощенная этими вспомогательными пигментами, должна быть перенесена на хлорофилл а; заменить его в процессе фотосинтеза данные пигменты не могут.

Каротиноиды – это жёлтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, которые сильно поглощают сине-фиолетовые лучи, обнаружены в хлоропластах и у цианобактерий. Подобно хлорофиллам, кротиноиды хлоропластов в тилакоиды. В хлоропластах обычно присутствуют две группы каротиноидов – каротины и ксантофиллы. Каротиноиды обычно замаскированы зелёными хлорофиллами, но хорошо проявляются осенью перед листопадом, так как хлорофиллы в листьях разрушаются первыми ( обычно это связано с понижением температуры и уменьшением длины светового дня ). Каротиноиды в процессе фотосинтеза выполняют роль « страховки »: при больших, избыточных потоках света они забирают энергию у хлорофиллов и рассеивают её в виде тепла. Каротиноиды придают цвет некоторым цветкам и плодам, яркая окраска которых служит для привлечения насекомых, птиц и других животных, участвующих в опылении цветков или распространении семян.

Фикобилины характерны для цианобактерий и хлоропластов красных водорослей.

Главные фотосинтетические пигменты, их цвет и распространение

группа пигментов, примеры цвет пигментов распространение

1. Хлорофиллы

1) хлорофилл a сине – зелёный у всех фотосинтезирующих организмов, кроме фотосинтезирующих бактерий

у высших растений и зелёных водорослей

2) хлорофилл b желто – зелёный у бурых водорослей

3) хлорофилл c зелёный у красных водорослей

4) хлорофилл d зелёный

2. Каротиноиды

1) каротин оранжевый у всех фотосинтезирующих организмов, кроме фотосинтезирующих бактерий;

у бурых водорослей

2) ксантофиллы жёлтые

Таким образом окраска листа получается при смешении трёх основных цветов: сине – зелёного ( хлорофилл а ), желто – зелёного ( хлорофилл b ) и оранжево – желтого ( каротиноиды ). Если в листе много хлорофилла а, преобладают тёмно-зелёные оттенки листа. Если же соотношение хлорофиллов сдвигается в сторону хлорофилла b, лист приобретает более светлый, близкий к салатовому оттенок. Осенью, как уже было сказано, происходит разрушение хлорофилла, и каротиноиды оказываются незамаскированными: листья желтеют.

Впервые хлорофилл а и хлорофилл b разделил в начале ХХ в. русский ботаник Михаил Семёнович Цвет. Именно им был изобретён очень простой и одновременно зрелищный метод разделения пигментов зелёного листа - хроматография, который мы будем использовать в работе.

План работы: 1) извлечение и разделение пигментов листа: а) получение спиртовой и бензиновой вытяжек пигментов; б) разделение пигментов методом Крауса; в) разделение пигментов методом хроматографической адсорбции;

2) изучение оптических свойств хлорофилла: а) обнаружение флюоресценции хлорофилла.

Цель работы: 1) освоить методы извлечения и разделения пигментов зелёного листа;

2) составить хроматографию пигментов зелёного листа;

3) изучить оптические свойства хлорофилла.

Материалы и оборудование:

Растения: свежесрезанные листья комнатного растения Drimiopsis makulata ( Дримиопсис пятнистый ).

Реактивы: спирт этиловый ( по 15-20 мл на одного работающего ), бензин, смесь бензина с бензолом 9:1, ацетон, гидроксид натрия ( сухой ).

Оборудование: настольная лампа, фарфоровые ступки с пестиками, воронки, пробирки в штативах ( по 10 шт. на одного работающего ), пипетки капельные, ножницы, фильтры, полоски фильтровальной бумаги ( 5х25 см ), стеклянная пластинка ( 10х30 см ), высокий цилиндр на 100 мл

Работа № 1 Извлечение пигментов зелёного листа

Пигменты листа нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в спирте, бензине и ацетоне. Чаще всего для извлечения пигментов используют спирт. Спиртовая вытяжка состоит из смеси четырёх пигментов: двух зелёных – хлорофиллов a и b, оранжевого – каротина и жёлтого – ксантофилла.

Ход работы:

1. Приготовление спиртовой вытяжки пигментов листа ( используется для разделения пигментов по методу Крауса и изучения оптических свойств пигментов ):

1) взял 1 – 2 г свежих листьев комнатного растения Drimiopsis makulata ( Дримиопсис пятнистый ), измельчил их ножницами и тщательно растёр в ступке, добавляя постепенно небольшими порциями этиловый спирт ( около 10 мл );

2) отфильтровал вытяжку через складчатый фильтр в пробирку.

2. Приготовление бензиново – бензольной вытяжки пигментов листа ( используется для разделения пигментов методом хроматографической адсорбции ):

1) 5 г листьев растёр в ступке, добавил 5 мл смеси бензина с бензолом, 10 мл ацетона и продолжил тщательно растирать;

2) отфильтровал содержимое ступки через складчатый фильтр в пробирку;

3) дал фильтрату хорошо отстояться ( 30 мин );

4) через 30 мин пипеткой осторожно отобрал верхний слой и перенёс его в чистую сухую пробирку.

Работа № 2 Разделение пигментов по методу Крауса с отделением каротина

Отделение зелёных пигментов от оранжевых по методу Крауса основано на разной растворимости этих пигментов в спирте и бензине.

Ход работы:

1) в пробирку налил 5 мл свежеприготовленной спиртовой вытяжки пигментов, добавил такое же количество бензина и 1 каплю воды ( для лучшего отделения спирта от бензина );

2) пробирку хорошо встряхнул и дал смеси пигментов отстояться;

3) наблюдается расслаивание жидкости: в верхний, бензиновый слой – зелёного цвета, переходят оба хлорофилла и каротин, в нижнем, спиртовом слое остаётся жёлтый пигмент ксантофилл;

4) для отделения каротина от хлорофилла верхний бензиновый слой отбрал с помощью пипетки и перенёс в чистую сухую пробирку ( в этой зелёной вытяжке каротин незаметен, так как его маскирует хлорофилл, которого больше );

5) в пробирку добавил 2 мл этилового спирта и несколько кристалликов щёлочи, сильно встряхнул содержимое: в результате в пробирке обнаруживаются два разноокрашенных слоя. Верхний, бензиновый слой жёлтого цвета, а нижний, спиртовой – зелёного цвета.

Выводы: 1) хлорофилл хорошо растворим в бензине, поэтому бензиновый слой окрашивается в зелёный цвет, а ксантофилл лучше растворим в спирте, поэтому спиртовой слой окрашивается в жёлтый цвет;

2) каротин, также как и хлорофилл, хорошо растворим в бензине и, при удалении из бензиновой вытяжки хлорофилла, проявляется оранжевая окраска каротина.

Работа № 3 Разделение пигментов методом хроматографиии

( методом бумажной восходящей хроматографии )

Ход работы:

1) полоску фильтровальной бумаги размером 5х25 см положил на чистый стеклянную пластинку ( 10х30 см ) и простым карандашом начертил на бумаге горизонтальную стартовую линию на расстоянии 4 см от края полоски;

2) из ранее приготовленной бензиново-бензольной вытяжки пигментов взял пипеткой небольшую каплю и нанёс её на стартовую линию фильтровальной бумаги;

3) подсушил бумагу на воздухе и снова нанёс каплю смеси пигментов; повторил эту операцию 5 раз;

4) в высокий цилиндр налил растворитель ( бензин с бензолом 9:1 ), опустил приготовленную полоску фильтровальной бумаги стартовой линией вниз так, чтобы бумага касалась растворителя;

5) наблюдал, как растворитель поднимается вверх по бумаге, увлекая за собой смесь пигментов: пигменты начинают разделяться приблизительно на расстоянии 7-8 см от стартовой линии.

Выводы: на основании распределения цветов на полоске фильтровальной бумаги можно сказать следующее: первым снизу остаётся хлорофилл b ( жёлто-зелёная зона полоски), затем – хлорофилл а ( сине-зелёная зона ), далее – ксантофилл ( жёлтая зона ), выше – каротин ( оранжевая зона ).

Работа № 4 Оптические свойства пигментов зелёного листа: флюоресценция хлорофилла

Хлорофилл способен избирательно поглощать световые лучи и обладает свойством флюоресценции. При поглощении света молекулы хлорофилла переходят в возбуждённое состояние, которое является неустойчивым. Возвращение молекул хлорофилла из возбуждённого состояния в невозбуждённое ( основное и устойчивое ) сопровождается излучением световой энергии. Это явление называют флюоресценцией.

Ход работы:

1) в пробирку налил 5 мл спиртовой вытяжки пигментов листа;

2) пробирку с вытяжкой расположил между глазами и источником света (проходящие лучи);

3) пробирку с вытяжкой расположил сбоку от источника света ( отражённые лучи )

4) зарисовал полученные результаты;

5) приготовил водную вытяжку пигментов листа и рассмотрел её в проходящих и отражённых лучах.

Выводы: 1) явление флюоресценции наблюдается в отражённых лучах: в отражённых лучах вытяжка выглядит красной ( хлорофилл имеет красную флюоресценцию );

2) в проходящих лучах цвет хлорофилла зелёный – явление флюоресценции отсутствует;

3) явление флюоресценции более интенсивно в спиртовой вытяжке и очень слабое в водной, это связано с тем, что пигменты листа хорошо растворимы в спирте и практически нерастворимы в воде.

4. Дримиопсис пятнистый: описание

Дримиопсис (Drimiopsis) Гиацинтовые: род дримиопсис включает в себя около 15 видов луковичных растений из Африки. Дримиопсис пятнистый (Drimiopsis maculata )– многолетнее растение из влажных субтропиков Южной Африки с рыхлой луковицей, состоящей из утолщенных влагалищ листьев. В горшке постоянно образуется множество луковичек разного возраста и размера. Название пятнистый дано растению из-за окраски его листьев. Узко - сердцевидная  пластинка украшена округлыми пятнами и полосками темно-зеленого цвета, появляющимися при хорошем освещении, как правило, летом. Черешок листа имеет форму желобка и по размеру примерно равен длине листовой пластинки. Цветоносы появляется из середины луковиц, на них развиваются мелкие зеленоватые невзрачные цветки в кистевидных соцветиях.