Нормативні документи 

Як відбувається перетворення сонячної енергії. Перетворення енергії сонячного світла та організми, що її використовують. Що відбувається у світлову фазу фотосинтезу

короткий зміст інших презентацій

«Питання ЄДІ з біології 2013» - Генотип організму. Симбіотичні відносини. Молекули білка. Основні помилки. Тютюновий дим. Подібність та відмінність мутаційної та комбінативної мінливості. нуклеотид. Скільки клітин утворюється внаслідок мейозу. Молекули білків. Група крові. Синдром Дауна. Триплет нуклеотидів. Стадії енергетичного обміну. Консультація з біології. тромбоцити. Комбінативна мінливість. Здатність до хемо-автотрофного харчування.

«Захворювання системи виділення» - Цистит. Уретрит. Діабетична ніфропатія. Нефрогенна анемія. Мочекам'яна хвороба. Пієлонефрит. Гідронефроз. Полікістоз нирок. Ниркова колька. Амілоїдоз нирок. Гострі захворювання органів видільної системи. Простатить.

"Палеогеновий період" - Клімат. Клімат був рівним тропічним. Кайнозойська ера. Костисті риби. Олігоцен. Початок палеогену. Тваринний світ. Діатріми. Палеоген. Віялохвости беззубі птахи. Верхній еоцен. Палеогеновий період.

«Питання ЄДІ з біології» - Розквіт класу Птаха. Яке розмноження відносять до безстатевих. Яка структура хлоропласту містить ферменти? Встановіть відповідність між ознакою та органом. Соматичні мутації. Поява тканин. Сприйняття подразнення. У хребетних у процесі еволюції змінювався орган слуху. Аналіз результатів ЄДІ з біології. Освіта плаценти. Виникнення легень. Структура ока. Яка кількість аутосом знаходиться у ядрах соматичних клітин.

«Правила здорового харчування» - Організація їдалень повного циклу. Реалізація програми. Курятина. Результати реалізації програми. Білок. Правильне харчування – це спосіб життя. Здорове харчування. Правильне харчування. Теорії харчування. Харчування школярів. Класична теорія збалансованого харчування. Комплексна реорганізація системи шкільного харчування. Дієти. Цілі та завдання програми. Можливі два варіанти розробки раціону шкільного харчування.

«Виробництво молочної продукції» – дослідження якості молока. Будівництво. Тваринницька галузь. Звіт про екскурсію. Визначення вуглеводів у молоці. Старицький маслосирзавод. Пропозиція, запрошення, речення. Роботи критиків та аналітиків. Вироблене молоко. Внесок великого вченого. Внесок Дмитра Івановича Менделєєва у розвиток молочної промисловості. Справжній вчений. Порядок. Розвиток сироваріння. Ідеї. Визначення жиру. Властивості складових частин молока.

Багато хто з нас так чи інакше стикався із сонячними елементами. Хтось користувався або користується сонячними батареями для отримання електрики в побутових цілях, хтось використовує невелику сонячну панель для зарядки улюбленого гаджета в польових умовах, а хтось точно бачив маленький сонячний елемент на мікрокалькуляторі. Декому навіть пощастило побувати на .

Але чи замислювалися ви колись про те, як відбувається процес перетворення сонячної енергії на електричну енергію? Яке фізичне явище є основою роботи всіх цих сонячних елементів? Звернемося до фізики і розберемося в процесі генерації детально.

З самого початку очевидно, що джерелом енергії тут є сонячне світло або, висловлюючись науковою мовою, виходить завдяки фотонам сонячного випромінювання. Ці фотони можна уявити як потік елементарних частинок, що безперервно рухається від Сонця, кожна з яких має енергію, і отже весь світловий потік несе в собі якусь енергію.

З кожного квадратного метра поверхні Сонця безперервно випромінюється по 63 МВт енергії у формі випромінювання! Максимальна інтенсивність цього випромінювання посідає діапазон видимого спектра - .

Так ось, вчені визначили, що щільність енергії потоку сонячного світла на відстані від Сонця до Землі в 149,6 млн кілометрів, після його проходження через атмосферу, і після досягнення поверхні нашої планети, становить в середньому приблизно 900 Вт на квадратний метр.

Тут цю енергію можна прийняти і спробувати отримати з неї електрику, тобто перетворити енергію світлового потоку Сонця - в енергію заряджених частинок, що рухаються, простіше кажучи - в .


Для перетворення світла на електрику нам знадобиться фотоелектричний перетворювач. Такі перетворювачі дуже поширені, вони зустрічаються у вільному продажу, це звані сонячні осередки - фотоелектричні перетворювачі як вирізаних із кремнію пластин.

Кращі - монокристалічні, вони мають ККД близько 18%, тобто якщо потік фотонів від сонця має щільність енергії в 900 Вт/кв.м, можна розраховувати на отримання 160 Вт електрики з квадратного метра батареї, зібраної з таких осередків.

Працює тут явище, яке називається «фотоефектом». Фотоефект або фотоелектричний ефект- це явище випромінювання електронів речовиною (явище виривання електронів з атомів речовини) під впливом світла чи іншого електромагнітного випромінювання.

Ще в 1900 Макс Планк, батько квантової фізики, висунув припущення, що світло випромінюється і поглинається окремими порціями або квантами, які пізніше, а саме в 1926, хімік Гілберт Льюїс назве «фотонами».


Кожен фотон має енергію, яку можна визначити за формулою Е = hv - постійна Планка помножити на частоту випромінювання.

Відповідно до ідеї Макса Планка стало зрозумілим явище, відкрите в 1887 Герцем, і досліджене потім досконало з 1888 по 1890 Столетовим. Олександр Столетов експериментально вивчив фотоефект та встановив три закони фотоефекту (закони Столетова):

    При постійному спектральному складі електромагнітних випромінювань, що падають на фотокатод, фотострум насичення пропорційний енергетичній освітленості катода (інакше: число фотоелектронів, що вибиваються з катода за 1 с, прямо пропорційно інтенсивності випромінювання).

    Максимальна початкова швидкість фотоелектронів залежить від інтенсивності падаючого світла, а визначається лише його частотою.

    Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто мінімальна частота світла (що залежить від хімічної природи речовини та стану поверхні), нижче за яку фотоефект неможливий.

Пізніше, 1905 року, теорію фотоефекту прояснить Ейнштейн. Він покаже, як квантова теорія світла і закон збереження та перетворення енергії чудово пояснюють те, що відбувається і спостерігається. Ейнштейн запише рівняння фотоефекту, за яке 1921 року отримає Нобелівську премію:

А тут - це мінімальна робота, яку необхідно здійснити електрону щоб залишити атом речовини. Другий доданок - кінетична енергія електрона після виходу.

Тобто фотон поглинається електроном атома завдяки чому кінетична енергія електрона в атомі зростає на величину енергії поглиненого фотона.

Частина цієї енергії витрачається на вихід електрона з атома, електрон виходить з атома та отримує можливість вільно рухатися. А спрямовані електрони - це ніщо інше, як електричний струм або фотострум. У результаті можна говорити про виникнення ЕРС у речовині внаслідок фотоефекту.


Стало бути, сонячна батарея працює завдяки фотоефекту, що діє в ній.Але куди рухаються "вибиті" електрони у фотоелектричному перетворювачі? Фотоелектричний перетворювач або сонячний осередок або фотоелемент - це, отже фотоефект у ньому відбувається незвично, це внутрішній фотоефект, і він має навіть спеціальну назву "вентильний фотоефект".

Під дією сонячного світла в p-n переході напівпровідника виникає фотоефект і з'являється ЕРС, але електрони не залишають фотоелемент, все відбувається в замикаючому шарі, коли електрони залишають одну частину тіла, переходячи в іншу частину.

Кремнія в земній корі 30% від її маси, тому його всюди використовують. Особливість напівпровідників взагалі полягає в тому, що вони і не провідники і діелектрики, їх провідність залежить від концентрації домішок, від температури і від впливу випромінювань.

Ширина забороненої зони в напівпровіднику становить кілька електрон-вольт, і це якраз різниця енергій між верхнім рівнем валентної зони атомів, звідки вириваються електрони, і нижнім рівнем зони провідності. У кремнію заборонена зона має ширину 1,12 еВ - саме те, що потрібно для поглинання сонячного випромінювання.


p-n перехід. Леговані шари кремнію у фотоелементі утворюють p-n перехід. Тут виходить енергетичний бар'єр для електронів, вони залишають валентну зону і рухаються лише одному напрямку, у протилежному напрямі рухаються дірки. Так і виходить струм у сонячному елементі, тобто має місце генерація електроенергії із сонячного світла.

P-n перехід, що піддається дії фотонів, не дозволяє носіям заряду - електронам і діркам - рухатися інакше, ніж тільки в одному напрямку, вони поділяються і виявляються по різні боки бар'єру. І будучи приєднаний до ланцюга навантаження за допомогою верхнього та нижнього електродів, фотоелектричний перетворювач, що піддається дії сонячного світла, створить зовнішній ланцюг .

Широко відомим є той факт, що Сонце – це небесне тіло (зірка), а сонячна енергія, по суті – результат його життєдіяльності. Процеси, що відбуваються на ньому, виділяють величезний обсяг енергії, викидаючи її на неймовірній швидкості у бік нашої планети. Використання енергії сонячного світлалюдьми відбувається як усвідомлено, і неусвідомлено. Купаючись у променях Сонця, ми замислюємося у тому, що енергія цієї зірки запускає ряд важливих процесів у нашому організмі (наприклад, виробляється вітамін D нашій шкірі); завдяки їй відбувається фотосинтез у рослинах; кругообіг води в природі теж «її рук справа». Ми сприймаємо це як само собою зрозуміле. Але це лише частина ролі сонячної енергії у нашому житті.

Практичне використання сонячної енергії

Найпростіші та добре знайомі кожному види використання сонячної енергії- Застосування її в сучасних калькуляторах (на дуже компактних сонячних батареях) і для господарських потреб (висушити фрукти, нагріти воду в баку вуличного душу на дачі). Переміщення нагрітого теплом сонця повітря забезпечує роботу системи вентиляції та димоходів. Сонячні промені використовуються як випарник для опріснення морської води. Сонце одна із головних джерел енергії для тривалої роботи супутників, і навіть апаратів, що використовуються вивчення космічного простору. Автомобілі, що працюють на електричній енергії, все активніше впроваджуються у наше життя.

Отримання та перетворення енергії сонця

Сонячна енергія потрапляє на нашу планету у вигляді радіаційних хвиль трьох видів: ультрафіолетових, світлових та інфрачервоних.

Використання сонячної енергіїспрямовано насамперед отримання тепла чи електрики. Саме інфрачервоні хвилі, потрапляючи на особливу, розроблену вченими поверхню, перетворюються на те, що нам потрібне.

Так, для вилучення тепла використовуються колектор, що поглинає інфрачервоні хвилі, накопичувач, що його акумулює, і теплообмінник, в якому відбувається нагрівання.

При генерації електричної енергії використовуються спеціальні фотоелементи. Вони поглинають промені світла, а відповідні установки переробляють ці промені на електрику.

Способи використання сонячної енергіїможна розділити залежно від типу електростанції щодо її переробки. Усього їх шість.

Перші три:баштові (конструкція у вигляді чорної вежі з водою всередині та дзеркалами навколо), параболічні (нагадують супутникові антени з дзеркалами всередині), тарілчасті (на вигляд схожі на дерево з металу з листям із дзеркал). Їх можна об'єднати, оскільки вони мають однаковий принцип дії: уловлюють деякий обсяг світла, направляють його на резервуар з рідиною, яка нагрівається та виділяє пару, а вона вже у свою чергу використовується для виробництва електроенергії.

Четверта- Обладнання з фотоелементами. Найбільш відомий тип, оскільки його розміри можуть змінюватись в залежності від потреби. Невеликі сонячні батареї використовуються потреб приватних домогосподарств, більші - для промислових потреб. Принцип роботи полягає у виробленні електроенергії з променів сонця, що поглинаються фотоелементом за рахунок різниці потенціалів усередині нього.

П'ята- Вакуумна. Конструктивно - це ділянка землі, накрита круглим скляним дахом, усередині якого розташовується вежа з турбінами біля основи. Принцип дії полягає в нагріванні землі під цим дахом та появі за рахунок різниці температур повітряної тяги. Лопаті турбін обертаються та виробляють енергію.

Історія вивчення фотосинтезу веде свій початок від серпня 1771, коли англійський теолог, філософ і натураліст-аматор Джозеф Прістлі (1733-1804) виявив, що рослини можуть «виправляти» властивості повітря, що змінює свій склад в результаті горіння або життєдіяльності тварин. Прістлі показав, що у присутності рослин «зіпсоване» повітря знову стає придатним для горіння та підтримки життя тварин.

У ході подальших досліджень Інгенгауза, Сенеб'є, Соссюра, Буссенго та інших вчених було встановлено, що рослини при освітленні виділяють кисень та поглинають із повітря вуглекислий газ. З вуглекислого газу та води рослини синтезують органічні речовини. Цей процес було названо фотосинтезом.

Роберт Майєр, який відкрив закон збереження енергії, у 1845 р. висловив припущення, що рослини перетворюють енергію сонячного світла на енергію хімічних сполук, що утворюються при фотосинтезі. За його словами, «промені, що розповсюджуються в просторі, «захоплюються» і зберігаються для використання надалі в міру потреби». Згодом російським ученим К.А. Тиміразєвим було переконливо доведено, що найважливішу роль у використанні рослинами енергії сонячного світла відіграють молекули хлорофілу, присутні в зеленому листі.

Вуглеводи (цукору), що утворюються при фотосинтезі, використовуються як джерело енергії і будівельний матеріал для синтезу різних органічних сполук у рослин і тварин. У вищих рослин процеси фотосинтезу протікають у хлоропластах – спеціалізованих енергоперетворюючих органелах рослинної клітини.

Схематичне зображення хлоропласту показано на рис. 1.

Під подвійною оболонкою хлоропласту, що складається із зовнішньої та внутрішньої мембран, знаходяться протяжні мембранні структури, які утворюють замкнуті бульбашки, які називаються тилакоїдами. Мембрани тилакоїдів складаються з двох шарів молекул ліпідів, які включені макромолекулярні фотосинтетичні білкові комплекси. У хлоропластах вищих рослин тилакоїди групуються в грани, які є стопками сплюснутих і тісно притиснутих один до одного тилакоїдів, що мають форму дисків. Продовженням окремих тилакоїдів гран є міжгранні тилакоїди, що виступають з них. Простір між оболонкою хлоропласту та тилакоїдами називається стромою. У стромі містяться хлоропластові молекули РНК, ДНК, рибосоми, крохмальні зерна, а також численні ферменти, включаючи ті, що забезпечують засвоєння CO2 рослинами.

Публікацію здійснено за підтримки компанії «Суші E'xpress». Компанія «Суші E’xpress» надає послуги доставки суші в Новосибірську. Замовивши суші від компанії «Суші E'xpress», Ви в швидкі терміни отримаєте смачну та корисну страву, виготовлену професійними кухарями, з використанням найсвіжіших продуктів найвищої якості. Завітавши на сайт компанії «Суші E’xpress», Ви зможете ознайомитися з цінами та складом пропонованих ролів, що допоможе визначитися з вибором страви. Щоб зробити замовлення на доставку суші, дзвоніть за телефоном 239-55-87

Світлові та темнові стадії фотосинтезу

Згідно з сучасними уявленнями, фотосинтез є рядом фотофізичних і біохімічних процесів, в результаті яких рослини за рахунок енергії сонячного світла синтезують вуглеводи (цукри). Численні стадії фотосинтезу прийнято розділяти на великі групи процесів – світлову і темнову фази.

Світловими стадіями фотосинтезу прийнято називати сукупність процесів, внаслідок яких за рахунок енергії світла синтезуються молекули аденозинтрифосфату (АТФ) та відбувається утворення відновленого нікотинамідаденіндінуклеотид фосфату (НАДФ Н) – сполуки, що має високий відновлювальний потенціал. Молекули АТФ виконують роль універсального джерела енергії у клітині. Енергія макроергічних (тобто багатих на енергію) фосфатних зв'язків молекули АТФ, як відомо, використовується в більшості біохімічних процесів, що споживають енергію.

Світлові процеси фотосинтезу протікають у тилакоїдах, мембрани яких містять основні компоненти фотосинтетичного апарату рослин – світлозбираючі пігмент-білкові та електронтранспортні комплекси, а також АТФ-синтазний комплекс, який каталізує утворення АТФ з аденозиндифосфату (АДФ) та неорганічного фосфату. Ф i → АТФ + H2O). Таким чином, в результаті світлових стадій фотосинтезу енергія світла, що поглинається рослинами, запасається у формі макроергічних хімічних зв'язків молекул АТФ та сильного відновника НАДФ Н, які використовуються для синтезу вуглеводів у так званих стадіях темнових фотосинтезу.

Темновими стадіями фотосинтезу зазвичай називають сукупність біохімічних реакцій, у яких відбувається засвоєння рослинами атмосферної вуглекислоти (CO 2 ) і утворення вуглеводів. Цикл темнових біохімічних перетворень, що призводять до синтезу органічних сполук CO 2 і води, на ім'я авторів, які внесли вирішальний внесок у дослідження цих процесів, називається циклом Кальвіна-Бенсона. На відміну від електронтранспортних та АТФ-синтазних комплексів, що знаходяться в тилакоїдній мембрані, ферменти, що каталізують «темнові» реакції фотосинтезу, розчинені в стромі. При руйнуванні оболонки хлоропласту ці ферменти вимиваються з строми, у результаті хлоропласти втрачають здатність засвоювати вуглекислий газ.

В результаті перетворень ряду органічних сполук у циклі Кальвіна-Бенсона з трьох молекул CO 2 і води в хлоропластах утворюється молекула гліцеральдегід-3-фосфату, що має хімічну формулу CHO-CHOH-CH 2 O-PO 3 2- . При цьому з розрахунку на одну молекулу CO 2 , що включається в гліцеральдегід-3-фосфат, витрачаються три молекули АТФ і дві молекули НАДФ Н.

Для синтезу органічних сполук у циклі Кальвіна-Бенсона використовується енергія, що виділяється в ході реакції гідролізу макроергічних фосфатних зв'язків молекул АТФ (реакція АТФ + H 2 O → АДФ + Фі), і сильний відновлювальний потенціал молекул НАДФ Н. Основна частина молекул, що утворилися в хлоропла гліцеральдегід-3-фосфату надходить у цитозоль рослинної клітини, де перетворюється на фруктозо-6-фосфат та глюкозо-6-фосфат, які в ході подальших перетворень утворюють сахарофосфат – попередник сахарози. З молекул, що залишилися в хлоропласті, гліцеральдегід-3-фосфату синтезується крохмаль.

Перетворення енергії у фотосинтетичних реакційних центрах

Фотосинтетичні енергоперетворюючі комплекси рослин, водоростей та фотосинтезуючих бактерій добре вивчені. Встановлено хімічний склад та просторову будову енергоперетворювальних білкових комплексів, з'ясовано послідовність процесів трансформації енергії. Незважаючи на відмінності у складі та молекулярній будові фотосинтетичного апарату, існують загальні закономірності процесів перетворення енергії у фотореакційних центрах усіх фотосинтезуючих організмів. У фотосинтетичних системах як рослинного, так і бактеріального походження єдиною структурно-функціональною ланкою фотосинтетичного апарату є фотосистема, яка включає світлозбираючу антену, фотохімічний реакційний центр і пов'язані з ним молекули – переносники електрона.

Розглянемо спочатку загальні принципи перетворення енергії сонячного світла, характерні для всіх фотосинтетичних систем, а потім детальніше зупинимося на прикладі функціонування фотореакційних центрів та ланцюга електронного транспорту хлоропластів у вищих рослин.

Світлозбиральна антена (поглинання світла, міграція енергії до реакційного центру)

Найпершим елементарним актом фотосинтезу є поглинання світла молекулами хлорофілу або допоміжних пігментів, що входять до складу спеціального пігмент-білкового комплексу, що називається світлозбираючою антеною. Світлозбиральна антена є макромолекулярним комплексом, призначеним для ефективного уловлювання світла. У хлоропластах антенний комплекс містить велику кількість (до кількох сотень) молекул хлорофілу і кілька допоміжних пігментів (каротиноїдів), міцно пов'язаних з білком.

На яскравому сонячному світлі окрема молекула хлорофілу поглинає кванти світла порівняно рідко, в середньому не частіше ніж 10 разів на секунду. Однак, оскільки на один фотореакційний центр припадає велика кількість молекул хлорофілу (200–400), то навіть при відносно слабкій інтенсивності світла, що падає на лист в умовах затінення рослини, відбувається досить часто спрацьовування реакційного центру. Ансамбль пігментів, що поглинають світло, по суті справи, виконує роль антени, яка за рахунок своїх досить великих розмірів ефективно вловлює сонячне світло та спрямовує його енергію до реакційного центру. Тенелюбні рослини мають, як правило, більший розмір світлозбираючої антени в порівнянні з рослинами, що ростуть в умовах високого освітлення.

У рослин основними світлозбираючими пігментами служать молекули хлорофілу aта хлорофілу b, що поглинають видиме світло з довжиною хвилі λ ≤ 700-730 нм. Ізольовані молекули хлорофілу поглинають світло лише у двох порівняно вузьких смугах сонячного спектру: при довжинах хвиль 660-680 нм (червоне світло) та 430-450 нм (синьо-фіолетове світло), що, зрозуміло, обмежує ефективність використання всього спектра сонячного світла, що падає на зелений лист.

Однак спектральний склад світла, що поглинається світлозбираючою антеною, насправді значно ширший. Пояснюється це тим, що спектр поглинання агрегованих форм хлорофілу, що входять до складу світлозбираючої антени, зсувається у бік великих довжин хвиль. Поряд із хлорофілом у світлозбираючу антену входять допоміжні пігменти, які збільшують ефективність її роботи за рахунок того, що вони поглинають світло в тих областях спектру, в яких порівняно слабо поглинають світло молекули хлорофілу – основного пігменту світлозбираючої антени.

У рослин допоміжними пігментами є каротиноїди, що поглинають світло в області довжин хвиль λ ≈ 450-480 нм; у клітинах фотосинтезуючих водоростей це червоні та сині пігменти: фікоеритрини у червоних водоростей (λ ≈ 495–565 нм) та фікоціаніни у синьо-зелених водоростей (λ ≈ 550–615 нм).

Поглинання кванта світла молекулою хлорофілу (Сhl) або допоміжного пігменту призводить до її збудження (електрон переходить на вищий енергетичний рівень):

Chl + hν → Chl*.

Енергія збудженої молекули хлорофілу Chl* передається молекулам сусідніх пігментів, які, у свою чергу, можуть передати її іншим молекулам світлозбираючої антени:

Chl + Chl → Chl + Chl *.

Енергія збудження може таким чином мігрувати по пігментній матриці до тих пір, поки збудження в кінцевому підсумку не потрапить на фотореакційний центр P (схематичне зображення цього процесу показано на рис. 2):

Chl + P → Chl + P *.

Зауважимо, що тривалість існування молекул хлорофілу та інших пігментів у збудженому стані дуже мала, τ ≈ 10 –10 –10 –9 с. Тому існує певна ймовірність того, що на шляху до реакційного центру P енергія таких короткоживучих збуджених станів пігментів може даремно загубитися – розсіятися у тепло або виділитися у вигляді кванта світла (явище флуоресценції). Насправді, ефективність міграції енергії до фотосинтетичного реакційного центру дуже велика. У разі коли реакційний центр перебуває у активному стані, ймовірність втрати енергії становить, зазвичай, трохи більше 10–15%. Така висока ефективність використання енергії сонячного світла обумовлена ​​тим, що світлозбиральна антена є високоупорядкованою структурою, що забезпечує дуже хорошу взаємодію пігментів один з одним. Завдяки цьому досягається висока швидкість перенесення енергії збудження від поглинаючих світло молекул до фотореакційного центру. Середній час «перескоку» енергії збудження від одного пігменту до іншого, як правило, становить ? 10 -12 -10 -11 с. Загальний час міграції збудження до реакційного центру зазвичай не перевищує 10-10-10-9 с.

Фотохімічний реакційний центр (перенесення електрона, стабілізація розділених зарядів)

Сучасним уявленням про будову реакційного центру та механізми первинних стадій фотосинтезу передували роботи А.А. Красновського, який відкрив, що у присутності донорів і акцепторів електрона збуджені світлом молекули хлорофілу здатні оборотно відновлюватися (приймати електрон) і окислюватися (віддавати електрон). Згодом Коком, Віттом і Дюйзенсом у рослин, водоростей і бактерій, що фотосинтезують, були виявлені особливі пігменти хлорофілової природи, названі реакційними центрами, які окислюються при дії світла і є, по суті, первинними донорами електрона при фотосинтезі.

Фотохімічний реакційний центр P являє собою особливу пару (димер) молекул хлорофілу, які виконують роль пастки енергії збудження, що блукає пігментною матрицею світлозбираючої антени (рис. 2). Подібно до того, як рідина стікає зі стінок широкої лійки до її вузького шийки, до реакційного центру спрямовується енергія світла, що поглинається всіма пігментами світлозбираючої антени. Порушення реакційного центру ініціює ланцюг подальших перетворень енергії світла за фотосинтезу.

Послідовність процесів, що відбуваються після збудження реакційного центру P, та діаграма відповідних змін енергії фотосистеми схематично зображені на рис. 3.

Поряд з димером хлорофілу Р до фотосинтетичного комплексу входять молекули первинного та вторинного акцепторів електрона, які ми умовно позначимо символами A і B, а також первинний донор електрона – молекула D. Збуджений реакційний центр P* має низьку спорідненість до електрона і тому він з легкістю віддає його первинному акцептору електрона A, що знаходиться поруч з ним:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

Отже, внаслідок дуже швидкого (т ≈10 –12 з) перенесення електрона від P* до A реалізується другий принципово важливий етап перетворення сонячної енергії при фотосинтезі – поділ зарядів у реакційному центрі. У цьому утворюються сильний відновник А – (донор електрона) і сильний окислювач P + (акцептор електрона).

Молекули P+ та А – розташовані в мембрані асиметрично: у хлоропластах реакційний центр P+ знаходиться ближче до поверхні мембрани, зверненої всередину тилакоїда, а акцептор А – розташований ближче до зовнішньої сторони. Тому внаслідок фотоіндукованого поділу зарядів на мембрані виникає різниця електричних потенціалів. Індуковане світлом поділ зарядів у реакційному центрі подібно до генерації різниці електричних потенціалів у звичайному фотоелементі. Слід, проте, наголосити, що, на відміну всіх відомих і широко використовуваних у техніці фотоперетворювачів енергії, ефективність роботи фотосинтетичних реакційних центрів дуже висока. ККД поділу зарядів в активних фотосинтетичних реакційних центрах зазвичай перевищує 90–95% (у кращих зразків фотоелементів ККД не більше 30%).

За рахунок яких механізмів забезпечується така висока ефективність перетворення енергії в реакційних центрах? Чому електрон, перенесений на акцептор A, не повертається назад до позитивно зарядженого окисленого центру P+? Стабілізація розділених зарядів забезпечується головним чином з допомогою вторинних процесів електронного транспорту, наступних за перенесенням електрона від P* до A. Від відновленого первинного акцептора А – електрон дуже швидко (за 10 –10 –10 –9 з) йде вторинний акцептор електрона B:

D(P + A –)B → D(P + A)B – .

При цьому відбувається не тільки віддалення електрона від позитивно зарядженого реакційного центру P+, а й помітно знижується енергія всієї системи (рис. 3). Це означає, що для перенесення електрона у зворотному напрямку (перехід B – → A) йому потрібно подолати досить високий енергетичний бар'єр ΔE ≈ 0,3–0,4 еВ, де ΔE – різницю енергетичних рівнів для двох станів системи, за яких електрон знаходиться відповідно на переноснику A або B. Тому для повернення електрона назад, від відновленої молекули В – до окисленої молекули A, йому знадобилося б набагато більше часу, ніж для прямого переходу A – → B. Іншими словами, у прямому напрямку електрон переноситься набагато швидше, ніж у протилежному. Тому після перенесення електрона на вторинний акцептор B істотно зменшується ймовірність його повернення назад та рекомбінації з позитивно зарядженою «діркою» P+.

Другим фактором, що сприяє стабілізації розділених зарядів, є швидка нейтралізація окисленого фотореакційного центру P+ за рахунок електрона, що надходить до P+ від донора електрона D:

D(P + A)B – → D + (PA)B – .

Отримавши електрон від молекули донора D і повернувшись у свій вихідний відновлений стан P, реакційний центр вже не зможе прийняти електрон від відновлених акцепторів, проте тепер він готовий до повторного спрацьовування – віддати електрон окисленому первинному акцептору A, що знаходиться поряд з ним. Така послідовність подій, що відбуваються у фотореакційних центрах усіх фотосинтезуючих систем.

Ланцюг електронного транспорту хлоропластів

У хлоропластах вищих рослин є дві фотосистеми: фотосистема 1 (ФС1) та фотосистема 2 (ФС2), що відрізняються за складом білків, пігментів та оптичними властивостями. Світлозбиральна антена ФС1 поглинає світло з довжиною хвилі λ ≤ 700-730 нм, а ФС2 - світло з λ ≤ 680-700 нм. Індуковане світлом окислення реакційних центрів ФС1 і ФС2 супроводжується їх знебарвленням, яке характеризується змінами їх спектрів поглинання при 700 і 680 нм. Відповідно до їх оптичних характеристик реакційні центри ФС1 і ФС2 отримали назву P 700 і P 680 .

Дві фотосистеми пов'язані між собою у вигляді ланцюга електронних переносників (рис. 4). ФС2 є джерелом електронів ФС1. Поділ зарядів, що ініціює світло, у фотореакційних центрах P 700 і P 680 забезпечує перенесення електрона від води, що розкладається у ФС2, до кінцевого акцептора електрона – молекули НАДФ + . Ланцюг електронного транспорту (ЦЕТ), що з'єднує дві фотосистеми, як переносники електрона включає молекули пластохінону, окремий електронтранспортний білковий комплекс (так званий b/f-комплекс) і водорозчинний білок пластоціанін (P c). Схема, що ілюструє взаємне розташування електронтранспортних комплексів у тилакоїдній мембрані та шлях перенесення електрона від води до НАДФ + показана на рис. 4.

У ФС2 від збудженого центру Р* 680 електрон переноситься спочатку на первинний акцептор феофетин (Phe), а потім молекулу пластохінону Q A , міцно пов'язану з одним з білків ФС2,

Y (P * 680 Phe) Q A Q B → Y (P + 680 Phe -) Q A Q B → Y (P + 680 Phe) Q A - Q B .

Потім електрон переноситься на другу молекулу пластохінону Q B а Р 680 отримує електрон від первинного донора електрона Y:

Y(P + 680 Phe) Q A – Q B → Y + (P 680 Phe) Q A Q B – .

Молекула пластохінону, хімічна формула якої та її розташування у бислойной ліпідної мембрані показані на рис. 5, здатна прийняти два електрони. Після дворазового спрацювання реакційного центру ФС2 молекула пластохінону Q B отримає два електрони:

Q B + 2е – → Q B 2– .

Негативно заряджена молекула Q B 2- має високу спорідненість до іонів водню, які вона захоплює із стромального простору. Після протонування відновленого пластохінону Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) утворюється електрично нейтральна форма цієї молекули QH 2 , яка називається пластохінолом (рис. 5). Пластохінол виконує роль рухомого переносника двох електронів та двох протонів: залишивши ФС2, молекула QH 2 може легко переміщатися всередині тилакоїдної мембрани, забезпечуючи зв'язок ФС2 з іншими електронтранспортними комплексами.

Окислений реакційний центр ФС2 Р 680 має високу спорідненість до електрону, тобто. є дуже сильним окислювачем. Завдяки цьому у ФС2 відбувається розкладання води – хімічно стійкої сполуки. Водорозщеплюючий комплекс (ВРК), що входить до складу ФС2, містить у своєму активному центрі групу іонів марганцю (Mn 2+), які служать донорами електрона для P 680 . Віддаючи електрони окисленому реакційному центру, іони марганцю стають «накопичувачами» позитивних зарядів, які беруть участь у реакції окислення води. В результаті послідовного чотириразового спрацювання реакційного центру P 680 в Mn-активному центрі ВРК, що містить, накопичуються чотири сильні окислювальні еквіваленти (або чотири «дірки») у формі окислених іонів марганцю (Mn 4+), які, взаємодіючи з двома молекулами води, каталізують реакцію розкладання води:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2 .

Таким чином, після послідовної передачі чотирьох електронів від ВРК до Р 680 відбувається синхронне розкладання одразу двох молекул води, що супроводжується виділенням однієї молекули кисню та чотирьох іонів водню, які потрапляють у внутрішньотилакоїдний простір хлоропласту.

молекула пластохінолу QH 2 , що утворилася при функціонуванні ФС2, дифундує всередину ліпідного бислоя тилакоїдної мембрани до b/f-комплексу (рис. 4 і 5). При зіткненні з b/f-комплексом молекула QH 2 зв'язується з ним, а потім передає йому два електрони. При цьому на кожну молекулу пластохінолу, що окислюється b/f-комплексом, всередину тилакоїду виділяються два іони водню. У свою чергу b/f-комплекс служить донором електрона для пластоціаніну (P c) – порівняно невеликого водорозчинного білка, у якого до складу активного центру входить іон міді (реакції відновлення та окислення пластоціаніну супроводжуються змінами валентності іону міді Cu 2+ + e – ↔ Cu +). Пластоціанін виконує роль сполучної ланки між b/f-комплексом та ФС1. Молекула пластоціаніну швидко переміщається всередині тилакоїда, забезпечуючи перенесення електрона від b/f-комплексу до ФС1. Від відновленого пластоціаніну електрон надходить безпосередньо до окислених реакційних центрів ФС1 – Р700+ (див. рис. 4). Таким чином, в результаті спільної дії ФС1 і ФС2 два електрони від молекули води, що розкладається у ФС2, через ланцюг електронного транспорту переносяться в кінцевому підсумку на молекулу НАДФ + забезпечуючи утворення сильного відновника НАДФ Н.

Навіщо хлоропластам потрібні дві фотосистеми? Відомо, що фотосинтезують бактерії, які використовують як донора електрона для відновлення окислених реакційних центрів різні органічні та неорганічні сполуки (наприклад, Н 2 S), успішно функціонують з однією фотосистемою. Поява двох фотосистем, найімовірніше, пов'язана з тим, що енергії одного кванта видимого світла недостатньо для того, щоб забезпечити розкладання води та ефективне проходження електроном всього шляху ланцюгом молекул-переносників від води до НАДФ + . Приблизно 3 млрд років тому на Землі з'явилися синьо-зелені водорості або ціанобактерії, які набули здатності використовувати воду як джерело електронів для відновлення вуглекислоти. В даний час вважається, що ФС1 веде своє походження від зелених бактерій, а ФС2 від пурпурових бактерій. Після того як у ході еволюційного процесу ФС2 «включилася» в єдиний ланцюг переносу електрона разом з ФС1, стало можливим вирішити енергетичну проблему – подолати досить велику різницю в окисно-відновлювальних потенціалах пар кисень/вода та НАДФ+/НАДФ Н. Виникнення фотосинтезуючих організмів, здатних окислювати воду, стала однією з найважливіших етапів розвитку живої природи Землі. По-перше, водорості та зелені рослини, «навчившись» окислювати воду, оволоділи невичерпним джерелом електронів для відновлення НАДФ+. По-друге, розкладаючи воду, вони наповнили атмосферу Землі молекулярним киснем, створивши таким чином умови для бурхливого еволюційного розвитку організмів, енергетика яких пов'язана з аеробним диханням.

Поєднання процесів електронного транспорту з перенесенням протонів та синтезом АТФ у хлоропластах

Перенесення електрона по ЦЕТ, зазвичай, супроводжується зниженням енергії. Цей процес можна уподібнити до мимовільного руху тіла по похилій площині. Зниження рівня енергії електрона під час його руху вздовж ЦЕТ зовсім отже, що перенесення електрона завжди є енергетично марним процесом. У нормальних умовах функціонування хлоропластів більшість енергії, що виділяється в ході електронного транспорту, не пропадає марно, а використовується для роботи спеціального енергоперетворюючого комплексу, званого АТФ-синтазою. Цей комплекс каталізує енергетично невигідний процес утворення АТФ з АДФ та неорганічного фосфату Ф i (реакція АДФ + Ф i → АТФ + H 2 O). У зв'язку з цим прийнято говорити, що енергодонорні процеси електронного транспорту пов'язані з енергоакцепторними процесами синтезу АТФ.

Найважливішу роль забезпеченні енергетичного сполучення в мембранах тилакоидов, як й у всіх інших энергопреобразующих органелах (мітохондрії, хроматофоры фотосинтезирующих бактерій), грають процеси протонного транспорту. Синтез АТФ тісно пов'язаний з перенесенням через АТФ-синтазу трьох протонів з тилакоїдів (3H in +) у строму (3Н out +):

АДФ + Ф i + 3H in + → АТФ + Н 2 О + 3Н out +.

Цей процес стає можливим тому, що внаслідок асиметричного розташування переносників у мембрані функціонування ЦЕТ хлоропластів призводить до накопичення надлишкової кількості протонів усередині тилакоїду: іони водню поглинаються зовні на стадіях відновлення НАДФ+ та утворення пластохінолу та виділяються всередині тилакоїдів на стадіях. 4). Висвітлення хлоропластів призводить до суттєвого (в 100-1000 разів) збільшення концентрації іонів водню всередині тилакоїдів.

Отже, ми розглянули ланцюг подій, у ході яких енергія сонячного світла запасається у вигляді енергії високоенергетичних хімічних сполук – АТФ і НАДФ Н. Ці продукти світлової стадії фотосинтезу використовують у темнових стадіях освіти органічних сполук (вуглеводів) з вуглекислого газу та води. Основні етапи перетворення енергії, що призводять до утворення АТФ і НАДФ Н, включають такі процеси: 1) поглинання енергії світла пігментами світлозбираючої антени; 2) перенесення енергії збудження до фотореакційного центру; 3) окислення фотореакційного центру та стабілізація розділених зарядів; 4) перенесення електрона з ланцюга електронного транспорту, освіту НАДФ Н; 5) трансмембранне перенесення іонів водню; 6) синтез АТФ.

1. Албертс Би., Брей Д., Льюїс Дж., Робертс До., Вотсон Дж.Молекулярна біологія клітки. Т. 1. - М.: Світ, 1994. 2-ге вид.
2. Кукушкін А.К., Тихонов О.М.Лекції з біофізики фотосинтезу рослин. - М.: Вид-во МДУ, 1988.
3. Ніколс Д.Д.Біоенергетика. Введення в хеміосмотіческую теорію. - М.: Світ, 1985.
4. Скулачов В.П.Енергетика біологічних мембран. - М.: Наука, 1989.

Сьогодні ми поговоримо про організми, які використовують у своїй життєдіяльності сонячну енергію. Для цього потрібно торкнутися такої науки, як біоенергетика. Вона вивчає способи перетворення енергії живими організмами та використання її у процесі життєдіяльності. В основі біоенергетики лежить термодинаміка. Ця наука визначає механізми перетворення різних видів енергії один одного. У тому числі, використання та перетворення різними організмами сонячної енергії. За допомогою термодинаміки можна повністю описати енергетичний механізм процесів навколо нас. Але з допомогою термодинаміки не можна зрозуміти природу тієї чи іншої процесу. У статті ми спробуємо пояснити механізм використання сонячної енергії живими організмами.

Для опису перетворення енергії у живих організмах чи інших об'єктах нашої планети слід розглянути з точки зору термодинаміки. Тобто системи, що обмінюється енергією з навколишнім середовищем та об'єктами. Їх можна поділити на такі системи:

  • Закриті;
  • Ізольовані;
  • Відкриті.

Живі організми, про які йдеться у цій статті, належать до відкритих систем. Вони ведуть безперервний обмін енергією з ОС та навколишніми об'єктами.Разом з водою, повітрям, їжею в організм надходять всілякі хімічні речовини, які відрізняються від нього за хімічним складом. Потрапляючи до організму, відбувається їх глибока переробка. Вони проходять ряд змін і стають подібними до хімічного складу організму. Після цього вони тимчасово входять до складу організму.

Через деякий час ці речовини руйнуються та забезпечують організм енергією. Їхні продукти розпаду видаляються з організму. Їхнє місце в організмі заповнюють інші молекули. У цьому цілісність структури організму порушується. Таке засвоєння та переробка енергії в організмі забезпечує оновлення організму. Енергетичний обмін необхідний існування всіх живих організмів. При зупинці процесів перетворення енергії у організмі він вмирає.

Сонячне світло є джерелом біологічної енергії Землі. Ядерна енергія Сонця забезпечує вироблення променистої енергії. Атоми водню в зірці в результаті реакції переходять в атоми He. Енергія, що звільняється під час реакції, виділяється у вигляді гамма-випромінювання. Сама реакція виглядає так:

4Н? Не4 + 2е + hv де

v - Довжина хвилі гамма-променів;

h - постійна Планка.

Надалі, після взаємодії гамма-випромінювання та електронів, енергія виділяється у вигляді фотонів. Цю світлову енергію випромінює небесне світило.

Сонячна енергія при досягненні поверхні нашої планети вловлюється і перетворюється на рослини. Вони енергія сонця перетворюється на хімічну, яка запасається як хімічних зв'язків.Це зв'язки, що у молекулах з'єднують атоми. Прикладом може бути синтез глюкози в рослинах. Перша стадія цього перетворення енергії – фотосинтез. Рослини забезпечують його за допомогою хлорофілу. Цей пігмент забезпечує перетворення променистої енергії на хімічну. Відбувається синтез вуглеводів з H 2 O та CO 2 . Це забезпечує зростання рослин та передачу енергії на наступний щабель.

Наступний етап передачі енергії походить від рослин тварин або бактерій. На цьому етапі енергія вуглеводів у рослинах перетворюється на біологічну. Це відбувається у процесі окислення молекул рослин. Величина отриманої енергії відповідає тій кількості, яка була витрачена на синтез. Частково ця енергія перетворюється на тепло. В результаті енергія запасається у макроергічних зв'язках аденозинтрифосфату. Так сонячна енергія, проходячи ряд перетворень, виявляється у живих організмах вже у іншій формі.

Тут варто дати відповідь на запитання, що часто задається: «Який органоїд використовує енергію сонячного світла?». Це хлоропласти, що у процес фотосинтезу. Вони використовують її для синтезу з неорганічних органічних речовин.

У безперервному потоці енергії полягає суть всього живого. Він постійно рухається між клітинами та організмами. На клітинному рівні перетворення енергії існують ефективні механізми. Можна виділити 2 основні структури, де відбувається перетворення енергії:

  • Хлоропласти;
  • Мітохондрії.

Людина, як і інші живі організми планети, поповнює енергетичний запас із продуктів. Причому частина споживаних продуктів рослинного походження (яблука, картопля, огірки, помідори), а частина тварини (м'ясо, риба та інші морепродукти). Тварини, які ми вживаємо, енергію також отримують з рослин. Тому вся енергія, що отримується нашим організмом, перетворюється з рослин. А вони з'являються в результаті перетворення сонячної енергії.

За типом отримання енергії всі організми можна поділити на дві групи:

  • Фототрофи. Черпають енергію із сонячного світла;
  • Хемотрофи. Отримують енергію під час окисно-відновної реакції.

Тобто сонячна енергія використовується рослинами, а тварини одержують енергію, яка знаходиться в органічних молекулах під час поїдання рослин.

Як перетворюється енергія у живих організмах?

Існує 3 основні різновиди енергії, що перетворюється організмами:

  • Перетворення променистої енергії. Цей вид енергії несе сонячне світло. У рослинах промениста енергія уловлюється пігментом хлорофілом. Внаслідок фотосинтезу вона перетворюється на хімічну енергію. Та, своєю чергою, використовується у процесі синтезу кисню та інших реакціях. Сонячне світло несе у собі кінетичну енергію, а рослинах вона перетворюється на потенційну. Отриманий енергетичний запас зберігається у поживних речовинах.Наприклад, у вуглеводах;
  • Перетворення хімічної енергії. З вуглеводів та інших молекул вона перетворюється на енергію макроергічних фосфатних зв'язків. Ці перетворення відбуваються у мітохондріях.
  • Перетворення енергії макроергічних фосфатних зв'язків. Вона витрачається клітинами живого організму до виконання різних видів робіт (механічна, електрична, осмотична тощо. буд.).

Під час цих трансформацій частина енергетичного запасу втрачається та розсіюється у вигляді тепла.

Використання організмами накопиченої енергії

У процесі метаболізму організм отримує енергетичний запас, витрачається скоєння біологічної роботи. Це може бути світлова, механічна, електрична, хімічна робота. І більшість енергії організм витрачає у вигляді тепла.

Нижче описано основні типи енергії в організмі:

  • Механічна. Характеризує рух макротіл, а також механічну роботу щодо їх переміщення. Її можна розділити на кінетичну та потенційну. Перша визначається швидкістю пересування макротіл, а друга - їх місцем розташування один до одного;
  • Хімічна. Визначається взаємодією атомів у молекулі. Вона є енергією електронів, які рухаються орбітами молекул і атомів;
  • Електрична. Це взаємодія заряджених частинок, що викликає рух у електричному полі;
  • Осмотична. Витрачається при пересуванні проти градієнта концентрацій молекул речовини;
  • Регуляторна енергія.
  • Теплова. Визначається хаотичним рухом атомів та молекул. Основною характеристикою цього руху є температура. Цей вид енергії є найбільш знеціненим із усіх, перерахованих вище.

Зв'язок між температурою та кінетичною енергією атома можна описати наступною формулою:

Е h = 3/2rT, де

r - постійна Больцмана (1,380 * 10 -16 ерг/град).

Як із поживних речовин звільняється енергія?

У процесі вилучення енергії з поживних речовин є 3 умовні етапи;

  • Підготовчий. Цей етап потрібен для перекладу біополімерів у клітинах їжі мономери. Ця форма найкраще підходить для отримання енергії. Цей процес (гідроліз) протікає у кишечнику чи всередині. Гідроліз йде за участю лізосом та ферментів цитоплазми. Енергетична цінність цього етапу є нульовою. На цій стадії вивільняється 1 відсоток енергетичної цінності субстратів і вся вона втрачається у вигляді тепла;
  • З другого краю етапі частково розпадаються мономери із заснуванням проміжних продуктів. Утворюються кислоти циклу Кребса та ацетил-КоА. Кількість вихідних субстратів на цій стадії зменшується до трьох та вивільняється до 20 відсотків енергетичного запасу субстратів. Процес іде анаеробно, тобто, без доступу кисню. Енергія частково накопичується у фосфатних зв'язках АТФ, а залишок витрачається у формі тепла. Розпад мономерів у гіалоплазмі, інші процеси — в мітохондріях;
  • На заключному етапі відбувається розпад мономерів до Н 2 O і С 2 реакції з участю кисню. Біологічне окислення відбувається з повним вивільненням енергетичного запасу. Із 3 трьох метаболітів, які були присутніми на попередньому етапі, залишається лише H 2 . Він є універсальним паливом у ланцюжку дихання. На цьому етапі звільняються 80 відсотків енергетичного запасу, що залишилися. Частина енергії виходить у вигляді тепла, а решта накопичується у фосфатних зв'язках. Усі реакції цього етапу йдуть у мітохондріях.

Вивільнення енергії у живих клітинах відбувається поступово.На всіх етапах виділення вона може накопичуватися у хімічній формі, зручній для клітин речовини. Енергетична будова клітини включає 3 різні функціональні блоки, в яких йдуть різні процеси:

  • I-процеси (утворення субстратів окислення, які відповідають окислювальному ферменту в клітинах);
  • Блок S-H 2 (субстрат окиснення);
  • Процес H генерації водню. На виході виходить КН 2 (водень з коферментом).

Ось такі складні багатоступеневі процеси відбуваються під час перетворення сонячної енергії у рослинах та живих організмах.
Якщо стаття виявилася корисною для вас, поширіть посилання на неї в соціальних мережах. Цим ви допоможете розвитку сайту. Голосуйте в опитуванні нижче та оцінюйте матеріал! Виправлення та доповнення до статті залишайте у коментарях.

Опубліковано в