Биология: путь к пониманию жизни – от клеточных механизмов до эволюции видов. Цикл: учебники и учебные пособия по биологии, сельскому хозяйству, зоологии, анатомии и агрономии

– Фиксация углекислого газа: Углекислый газ (CO₂) из атмосферы поступает в клетки растения и фиксируется ферментом рибулозобифосфаткарбоксилазой/оксигеназой (RuBisCO). RuBisCO присоединяет CO₂ к пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-бисфосфату (RuBP).

– Образование фосфоглицерата: После присоединения CO₂ образуется нестабильное шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на два трехуглеродных соединения – фосфоглицерат (PGA).

– Восстановление PGA до глицеральдегид-3-фосфата (GAP): PGA восстанавливается до GAP с использованием энергии АТФ и NADPH, полученных в световой фазе. Этот этап включает несколько промежуточных реакций.

– Регуляция цикла: Часть GAP используется для регенерации RuBP, чтобы продолжить цикл фиксации CO₂. Остальная часть GAP превращается в глюкозу и другие органические вещества, которые могут быть использованы растением для роста и развития.

Важность фотосинтеза

Фотосинтез является основой жизни на Земле. Благодаря этому процессу растения, водоросли и некоторые бактерии производят органические вещества, служащие пищей для большинства живых организмов. Кроме того, фотосинтез обеспечивает атмосферу кислородом, необходимым для дыхания многих видов.

Таким образом, фотосинтез – это сложный многоэтапный процесс, обеспечивающий преобразование световой энергии в химическую энергию и синтез органических веществ из неорганических.

Упражнение №8. Тестовое задание для закрепления темы «3.1. Процесс фотосинтеза». Вопросы разделены на разные уровни сложности.

Легкие вопросы:

– 1. Что такое фотосинтез?

A. Процесс дыхания

B. Процесс превращения света в пищу

C. Процесс роста растений

– 2. Где происходит фотосинтез?

A. В корнях

B. В листьях

C. В стебле

– 3. Какой источник энергии используется в фотосинтезе?

A. Вода

B. Солнечный свет

C. Луна

Средние вопросы:

– 4. Какой газ растения поглощают во время фотосинтеза?

A. Углекислый газ

B. Кислород

C. Азот

– 5. Какой продукт образуется во время фотосинтеза?

A. Сахар

B. Вода

C. Углекислый газ

– 6. Какой пигмент помогает растениям улавливать свет?

A. Каротин

B. Хлорофилл

C. Антоциан

Сложные вопросы:

– 7. Какова формула фотосинтеза?

A. 6CO₂ +6H₂O → C₆H₁₂O₆ +6O₂

B. C₆H₁₂O₆ +6O₂ → 6CO₂ +6H₂O

C. H₂O + O₂ → H₂ + O

– 8. Какое значение имеет фотосинтез для экосистемы?

A. Он уменьшает количество кислорода.

B. Он производит кислород и пищу.

C. Он убивает растения.

– 9. Какие факторы влияют на скорость фотосинтеза?

A. Свет, температура, углекислый газ

B. Луна, ветер, дождь

C. Грунт, время, листья

Очень сложные вопросы:

– 10. Как фотосинтез влияет на климат Земли?

A. Увеличивает температуру

B. Уменьшает содержание углекислого газа

C. Устойчиво изменяет погоду

– 11. Какой процесс происходит во время световой фазы фотосинтеза?

A. Превращение света в углеводы

B. Продукция ATP и NADPH

C. Удаление кислорода

– 12. Как изменения в окружающей среде, например, загрязнение, влияют на фотосинтез?

A. Помогают растениям расти быстрее

B. Могут уменьшить эффективность фотосинтеза

C. Не влияют на растения

Инструкция:

Прочитай каждый вопрос.

Выбери правильный ответ.

Проверь ответы с учителем или с другом.

Эти вопросы помогут учащимся закрепить пройденный материал.

3.2. Роль хлоропластов

Фотосинтез – это сложный биохимический процесс, который происходит в растениях, водорослях и некоторых бактериях. В ходе этого процесса световая энергия преобразуется в химическую энергию, которая затем используется для синтеза органических веществ из неорганических (например, углекислого газа). Ключевым местом, где происходят эти преобразования, являются хлоропласты.

Что такое хлоропласты? Хлоропласты – это органеллы, которые находятся внутри клеток растений и некоторых других организмов. Они имеют двойную мембрану и содержат множество мелких структур, называемых тилакоидами, собранных в стопки, называемые гранами. Внутри тилакоидов находится зеленое вещество под названием хлорофилл, которое играет важную роль в процессе фотосинтеза.

Структура хлоропластов

– Наружная мембрана: Она окружает весь хлоропласт и служит барьером между внутренней средой хлоропласта и цитоплазмой клетки.

– Внутренняя мембрана: Эта мембрана отделяет внутреннее пространство хлоропласта от межмембранного пространства. Она контролирует обмен веществами между внутренним содержимым хлоропласта и окружающей клеткой.

– Матрикс (строма): Это внутренняя жидкость хлоропласта, содержащая ферменты, ДНК, рибосомы и другие компоненты, необходимые для фотосинтетической активности.

– Тилакоиды: Эти структуры представляют собой плоские мешочки, уложенные друг на друга, образуя граны. В мембранах тилакоидов содержатся молекулы хлорофилла и другие пигменты, а также белки, участвующие в световой фазе фотосинтеза.

– Граны: Стопки тилакоидов, соединенных ламеллами (тонкими мембранами), образуют структуру, напоминающую стопку монет. Граны обеспечивают большую площадь поверхности для поглощения света.

– Ламеллы: Мембраны, соединяющие отдельные граны, они играют важную роль в распределении энергии и продуктов реакции по всему хлоропласту.

Роль хлоропластов в фотосинтезе Фотосинтез состоит из двух основных этапов:

– Световая фаза: Происходит в мембранах тилакоидов.

– Темновая фаза: Происходит в строме хлоропласта.

Световая фаза В этой фазе световая энергия, поглощенная молекулами хлорофилла, используется для создания высокоэнергетического соединения аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановленного никотинамид-аденин-динуклеотида фосфата (NADPH).

– Поглощение света: Молекула хлорофилла поглощает фотон света, что приводит к возбуждению электрона. Этот электрон передается через цепь переносчиков электронов, расположенную в мембране тилакоида.

– Цепь переноса электронов: Электроны проходят через серию белков и коферментов, теряя часть своей энергии при каждом переходе. Эта энергия используется для синтеза АТФ из АДФ (аденозиндифосфат) и неорганического фосфата.

– Разделение воды: В процессе переноса электронов вода расщепляется на кислород, протоны и электроны. Кислород выделяется как побочный продукт, а протоны используются для создания градиента концентрации, который способствует синтезу АТФ.

– Синтез NADPH: Электроны, полученные от разделения воды, восстанавливают NADP+ до NADPH, который является важным источником водорода для темновой фазы.

Темновая фаза (цикл Кальвина) Эта фаза происходит в строме хлоропласта и не требует прямого участия света. Однако она использует продукты световой фазы – АТФ и NADPH.

– Фиксация CO₂: Углекислый газ (CO₂) связывается с пятиуглеродным сахаром, называемым рибулозо-1,5-бисфосфатом (RuBP), с помощью фермента RuBisCO (рибулозобифосфаткарбоксилаза/оксигеназа).

– Образование глицеральдегид-3-фосфата (G3P): Продукт фиксации CO₂ превращается в G3P, который может быть использован для синтеза глюкозы и других углеводов.

– Регуляция цикла: Фермент RuBisCO способен также катализировать реакцию окисления RuBP, что снижает эффективность фотосинтеза. Поэтому важно поддерживать оптимальные условия для работы этого фермента.

Вывод.

Таким образом, хлоропласты играют ключевую роль в процессе фотосинтеза, обеспечивая место для протекания всех его стадий. Их уникальная структура позволяет эффективно использовать световую энергию для синтеза органических веществ, необходимых для роста и развития растений. Основная функция хлоропластов в живых организмах заключается в осуществлении фотосинтеза.

Хлоропласты способны поглощать и преобразовывать энергию света, используя её для связывания атомов углерода из атмосферного углекислого газа в длинные цепочки сахаров. Эти полимерные формы служат источниками энергии, которые могут храниться в растении, транспортироваться по его тканям или превращаться в другие органические соединения.

Другие важные функции хлоропластов:

1. Синтез различных веществ: Хлоропласты участвуют в производстве жирных кислот, аминокислот, фитогормонов, витаминов, нуклеотидов, вторичных метаболитов, ассимиляционного крахмала и ферментов.

2. Восстановление нитритов и сульфатов: Эти процессы позволяют хлоропластам преобразовывать неорганические вещества в органические соединения.

3. Участие в наследственном комплексе: Хлоропласты содержат ДНК и играют ключевую роль в передаче наследственных признаков.

Упражнение №9 Задание на закрепление материала по теме «3.2. Роль хлоропластов»

Легкие вопросы:

1. Где находятся хлоропласты?

2. Что такое тилакоиды?

3. Какую роль играет хлорофилл в фотосинтезе?

Вопросы среднего уровня:

4. Опишите структуру хлоропласта.

5. Как граны участвуют в фотосинтезе?

6. Какая химическая реакция происходит в тилакоидах?

Сложные вопросы:

7. Объясните, как световая энергия преобразуется в химическую энергию в хлоропластах.

8. Опишите роль электронтранспортной цепи в фотосинтезе.

9. Какое значение хлоропластов для жизни на Земле?

Очень сложные вопросы:

10. Исследуйте влияние концентрации углекислого газа на скорость фотосинтеза. Сформулируйте гипотезу и разработайте эксперимент для ее проверки.

11. Проанализируйте роль хлоропластов в эволюции растений. Как изменение структуры и функции хлоропластов повлияло на разнообразие и адаптацию растений?

12. Предложите новые направления исследований, которые могли бы расширить наше понимание роли хлоропластов в биологических процессах.

3.3. Важность фотосинтеза для живых организмов

Фотосинтез – это процесс преобразования световой энергии (в основном солнечной) в химическую энергию, которая запасается в органических веществах. Этот процесс происходит у растений, водорослей, цианобактерий и некоторых других микроорганизмов.

Определение основных терминов:

– Световая энергия: Энергия, которую излучает Солнце и другие источники света.

– Химическая энергия: Энергия, заключенная в химических связях молекул.

– Органические вещества: Вещества, содержащие углерод, водород и кислород, такие как глюкоза, крахмал, целлюлоза.

– Автотрофы: Организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических источников (например, углекислого газа).

– Гетеротрофы: Организмы, которые получают питательные вещества за счет потребления органических веществ, произведенных другими организмами.

Значение фотосинтеза для различных групп организмов:

– Растения и водоросли Фотосинтез является основным источником питания для этих организмов. Они используют солнечную энергию для превращения воды и углекислого газа в глюкозу и кислород. Глюкоза служит строительным блоком для создания более сложных углеводов, таких как крахмал и целлюлоза, а также белков и жиров. Кислород выделяется в атмосферу как побочный продукт этого процесса.

– Цианобактерии Эти бактерии играют важную роль в экосистемах, особенно в водных средах. Они проводят фотосинтез аналогично растениям, используя воду и углекислый газ для производства глюкозы и кислорода. Цианобактерии были одними из первых организмов, способных к фотосинтезу, что привело к насыщению атмосферы кислородом миллиарды лет назад.

– Другие микроорганизмы Некоторые виды бактерий и архей также способны проводить фотосинтез, хотя они используют различные пигменты и механизмы по сравнению с растениями и цианобактериями. Например, пурпурные серные бактерии используют сероводород вместо воды, выделяя серу вместо кислорода.

– Животные и грибы Хотя животные и грибы сами не могут проводить фотосинтез, они зависят от него косвенно. Все гетеротрофы получают свою пищу либо непосредственно от автотрофов (растений), либо через пищевые цепи, где конечным источником энергии являются продукты фотосинтеза.

– Человек Люди также зависят от фотосинтеза, поскольку большая часть нашей пищи производится растениями или животными, которые питаются растениями. Кроме того, кислород, необходимый для дыхания, был первоначально произведен благодаря фотосинтетическим организмам.

– Экологические аспекты Фотосинтез играет ключевую роль в поддержании глобального баланса углерода и кислорода. Растения поглощают углекислый газ из атмосферы и выделяют кислород, что помогает регулировать климат и поддерживать жизнь на Земле.

– Энергетика и промышленность Продукты фотосинтеза используются человеком в качестве топлива (древесина, биотопливо) и сырья для промышленности (целлюлоза, сахара). Также существуют исследования по использованию фотосинтетических процессов для получения возобновляемой энергии.

– Эволюционные аспекты Развитие фотосинтеза стало важным этапом в эволюции жизни на Земле. Появление кислорода в атмосфере позволило развиваться аэробным формам жизни, включая животных и человека.

Таким образом, фотосинтез имеет фундаментальное значение для поддержания жизни на планете Земля. Он обеспечивает питание для большинства организмов, регулирует состав атмосферы и участвует в глобальных циклах углерода и кислорода.

Значение фотосинтеза для живых организмов состоит в следующем:

Производство кислорода

Растения, водоросли и цианобактерии играют важнейшую роль в процессе выделения кислорода в атмосферу. Это жизненно необходимый газ, который обеспечивает существование аэробных организмов, включая человека.

Основной источник пищи

Производя органические вещества, растения становятся главным источником пищи для всех живых существ в экосистеме.

Углеродный цикл

Фотосинтез играет ключевую роль в регулировании уровня углекислого газа в атмосфере, что способствует снижению концентрации парниковых газов и замедлению глобального потепления.

Влияние на климат

Фотосинтез не только регулирует уровни кислорода и углекислого газа, но и оказывает влияние на температурные режимы и осадки, формируя климат на планете.

Образование озонового слоя

Озоновый слой, окружающий Землю, создает защитный экран, который поглощает ультрафиолетовые лучи, опасные для всех живых организмов.

Образование почвы

Органические вещества, созданные растениями, служат основой для развития других живых существ, таких как животные, грибы и бактерии, способствуя образованию плодородной почвы.. Продукты жизнедеятельности этих организмов и их останки попадают в верхний слой почвы. Там они разлагаются бактериями, создавая плодородную почву.

Упражнение №10. Тестовое задание по теме: «3.3. Важность фотосинтеза для живых организмов»

Лёгкие вопросы:

– Что такое фотосинтез? a) Процесс превращения химической энергии в световуюb) Процесс превращения световой энергии в химическуюc) Процесс выделения кислорода растениямиd) Процесс дыхания у животных

– Какие организмы способны проводить фотосинтез? a) Грибыb) Бактерииc) Растенияd) Все вышеперечисленные

– Какой основной источник энергии используется при фотосинтезе? a) Солнцеb) Лунаc) Электричествоd) Химические реакции

Средние вопросы:

– Какую роль играет хлорофилл в процессе фотосинтеза? a) Обеспечивает зелёный цвет растениямb) Поглощает световую энергию и преобразует её в химическуюc) Участвует в дыхании растенийd) Выделяет кислород

– В каких частях растения обычно происходит фотосинтез? a) Корниb) Стеблиc) Листьяd) Цветы

– Конечный продукт фотосинтеза: a) Водаb) Кислородc) Глюкозаd) Углекислый газ

Сложные вопросы:

– Почему фотосинтез важен для жизни на Земле? a) Он обеспечивает растения питательными веществамиb) Он производит кислород, необходимый для дыхания большинства организмовc) Он помогает регулировать климатd) Все вышеперечисленное

– Где в клетке растения происходят светозависимые стадии фотосинтеза? a) В митохондрияхb) В цитоплазмеc) В хлоропластахd) В ядре клетки

– Чем отличается фотосинтез от хемосинтеза? a) Источником энергииb) Продуктами реакцийc) Участниками процессаd) Всем перечисленным выше

Очень сложные вопросы:

– Опишите, как происходит процесс фиксации углерода в ходе темновой фазы фотосинтеза. Ответ: Темновая фаза фотосинтеза, также известная как цикл Кальвина, включает несколько этапов. На первом этапе фермент рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилаза/оксигеназа (РуБисКО) катализирует присоединение углекислого газа к пятиуглеродному соединению рибулозо-1,5-бисфосфату. Это приводит к образованию нестабильного шестиуглеродного соединения, которое быстро распадается на две молекулы трехуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Затем ФГК восстанавливается до глицеральдегид-3-фосфата (ГАП), который является ключевым промежуточным продуктом цикла Кальвина. Часть ГАП используется для синтеза глюкозы, а другая часть регенерирует рибулозо-1,5-бисфосфат, чтобы продолжить цикл.

– Объясните, почему фотосинтез считается основным источником органического вещества на Земле. Ответ: Фотосинтез является основным источником органического вещества на Земле, потому что он позволяет автотрофам (растениям, водорослям и некоторым бактериям) синтезировать органические вещества из неорганических источников, таких как вода и углекислый газ, используя солнечную энергию. Эти органические вещества затем служат пищей для гетеротрофов (животных, грибов и многих бактерий), которые не могут самостоятельно производить органическое вещество. Таким образом, фотосинтез лежит в основе пищевых цепей и поддерживает жизнь на планете.

– Рассчитайте количество молекул АТФ, необходимое для синтеза одной молекулы глюкозы в цикле Кальвина. Ответ: Для синтеза одной молекулы глюкозы требуется 18 молекул АТФ. В цикле Кальвина каждая молекула рибулозо-1,5-бисфосфата фиксирует одну молекулу углекислого газа, образуя две молекулы фосфоглицерата. Чтобы восстановить эти два фосфоглицерита до двух молекул глицеральдегид-3-фосфата, необходимо шесть молекул АТФ. Так как для образования одной молекулы глюкозы нужно шесть молекул глицеральдегид-3-фосфата, общее количество АТФ составляет 36. Однако одна из этих молекул АТФ возвращается обратно в систему при образовании фруктозо-6-фосфата, поэтому чистое потребление АТФ равно 35. Но поскольку цикл Кальвина должен быть повторен трижды, чтобы получить одну молекулу глюкозы, итоговое количество АТФ равно 18.

Эти задания помогут учащимся закрепить знания по теме параграфа.

Контрольная работа по Главе 3. Фотосинтез

Вариант 1 (для слабых учащихся)

Часть 1. Вопросы с выбором ответа (по 1 баллу)

– Какой процесс отвечает за преобразование солнечной энергии в химическую?

– A) Хемосинтез

– B) Фотосинтез

– C) Гликолиз

– D) Дыхание

– Какой органоид клетки отвечает за фотосинтез?

– A) Митохондрия

– B) Хлоропласт

– C) Ядро

– D) Эндоплазматическая сеть

– Какой из следующих газов является продуктом фотосинтеза?

– A) Углекислый газ

– B) Водород

– C) Кислород

– D) Азот

Часть 2. Верно/Неверно (по 1 баллу)

– Фотосинтез происходит только в растениях. (Верно/Неверно)

– Хлорофилл поглощает световые лучи, в основном в синей и красной зонах спектра. (Верно/Неверно)

– Продукты фотосинтеза – это глюкоза и кислород. (Верно/Неверно)

Часть 3. Заполните пропуски (по 1 баллу)

– В процессе фотосинтеза растениями используется (газ), а в результате выделяется (газ).

– Фотосинтез состоит из двух основных этапов: (имя этапа) и (имя этапа).

Вариант 2 (для средних учащихся)

Часть 1. Открытые вопросы (по 2 балла)

– Опишите кратко, как происходит фотосинтез, укажите основные этапы.

– Какую роль играют хлоропласты в процессе фотосинтеза? Объясните.

– Почему фотосинтез считается важным процессом для живых организмов и экосистемы в целом?

Часть 2. Задачи (по 3 балла)

– Если растение в процессе фотосинтеза выделяет 12 г кислорода, сколько углекислого газа было использовано, если известно, что на каждые 6 г кислорода расходуется 6 г углекислого газа?

– Объясните, как изменения в количестве солнечного света могут повлиять на фотосинтез. Приведите несколько примеров.

Вариант 3 (для сильных учащихся)

Часть 1. Глубокие вопросы (по 3 балла)

– Объясните, как процесс фотосинтеза влияет на углеродный цикл в природе.

– Какие факторы могут ограничивать скорость фотосинтеза? Приведите их и объясните, как каждый из них влияет на процесс.

– Обсудите, как фотосинтез соотносится с другими процессами, происходящими в растениях, например, с дыханием.

Часть 2. Исследовательская задача (6 баллов)

– Проведите эксперимент (в рамках класса или как домашнее задание) по изучению влияния разных источников света на скорость фотосинтеза в водорослях. Запишите ваши наблюдения и выводы.

– Изучите, какие заболевания или вредители могут повлиять на эффективность фотосинтеза у растений. Подготовьте краткий отчет о своих находках и предложите пути решения проблемы.

Введение

Эти варианты контрольной работы содержат вопросы и задания для различного уровня учащихся, что позволяет проверить знания, понимание и способности применения материала по фотосинтезу. Учителя могут адаптировать задания в зависимости от целей обучения и уровня класса.

Глава 4. Эволюционная теория

4.1. История развития эволюционной теории

Эволюционная теория является одним из ключевых столпов современной биологии. Она объясняет процесс изменения живых организмов во времени и их адаптацию к окружающей среде. В этой главе мы рассмотрим историю становления эволюционных идей, начиная с ранних философских размышлений о природе жизни до современных научных концепций.

Определение биологических терминов и понятий:

– Эволюция: Процесс постепенного изменения видов животных и растений, происходящий под влиянием естественного отбора и других факторов, таких как мутации и генетический дрейф.

– Естественный отбор: Механизм эволюции, при котором организмы с наиболее выгодными для выживания признаками имеют больше шансов передать свои гены следующему поколению.

– Мутация: Случайное изменение в генах организма, которое может привести к появлению новых признаков.

– Генетический дрейф: Случайные изменения в частоте аллелей (вариантов генов) в популяции, которые не связаны с естественным отбором.

– Вид: Группа организмов, способных скрещиваться между собой и давать плодовитое потомство.

– Адаптация: Приспособление организма к условиям среды обитания, обеспечивающее его выживание и размножение.

– Фенотип: Набор внешних и внутренних характеристик организма, определяемых взаимодействием его генотипа и окружающей среды.

– Генотип: Совокупность всех генов организма, определяющая его наследственные признаки.

Теперь перейдем непосредственно к истории развития эволюционной теории.

Ранние представления об эволюции