Дети солнца. Преобразование энергии солнечного света и организмы использующие её Какие живые организмы получают энергию от других
Протерозойский эон - это самая длинная эпоха в истории Земли. Он начался 2,5 миллиарда лет до н. э. и закончился 541 миллион лет до н.э. За это время Земля превратилась из бескислородной планеты микробов, прокариот в кислородную планету многоклеточных организмов.
1. Великое кислородное событие
Биолог Александр Марков о кислородном кризисе, парниковых газах и появлении эукариот
В раннем протерозое в течение нескольких сотен миллионов лет происходило достаточно быстрое нарастание количества свободного кислорода в атмосфере и гидросфере. Предпосылки к этому сложились еще в конце архейской эры. Примерно 2,45 миллиарда лет назад началось так называемое великое кислородное событие, когда уровень кислорода вырос почти с 0% до примерно 1% от нынешнего содержания кислорода.
Почему геологи считают, что в этот период выросло содержание кислорода? На это указывает целый ряд признаков, например соотношение изотопов серы в осадочных породах. По-видимому, вулканические газы, попадающие в атмосферу, в том случае, если в этой атмосфере нет кислорода, участвуют в определенных фотохимических реакциях, во время которых происходит фракционирование изотопов серы и получается измененный изотопный состав. Но когда в атмосфере появляется кислород, эти процессы прекращаются. И в начале протерозоя эти процессы как раз прекратились.
А. Марков. 2010. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. М.: Астрель: CORPUS.
2. Кризис в микробных сообществах
Также существует ряд минералов в осадочных породах, которые могут образовываться только в бескислородных условиях - в присутствии кислорода они окисляются. И такие неокисленные минералы тоже встречаются в породах до начала протерозоя, а потом они больше не образуются.
В те времена все микробы были приспособлены к жизни в бескислородных условиях, а кислород - это сильный окислитель, это фактически сильный яд, от которого нужно защищаться каким-то специальным образом. Рост содержания кислорода в атмосфере должен был вызвать некий кризис в микробных сообществах, которые тогда составляли фактически единственную форму жизни на Земле.
Е. Кунин. 2014. Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции. М.: Центрполиграф.
3. Причины Гуронского оледенения
В это же время происходит первое крупное оледенение на Земле - его называют Гуронским.
Причины наступления теплых или холодных эпох в истории Земли, по-видимому, были достаточно разнообразны. Но одна из важных причин их наступления - это количество таких парниковых газов в атмосфере, как CO2, метан, водяной пар. Однако развитие жизни влияет именно на содержание углекислого газа, а затем метана.
7 фактов об этапах абиогенеза и проблеме происхождения жизни на Земле
Почему оледенение происходит в тот момент, когда растет содержание кислорода? Во-первых, чтобы росло содержание кислорода, нужно, чтобы углерод выводился из круговорота. Во время биогенного цикла углерода фотосинтезирующие организмы изымают из атмосферы углекислый газ, делают из него органику. Потом гетеротрофные организмы, которые питаются готовой органикой, окисляют эту органику при помощи кислорода, выделяющегося фотосинтетиками, и превращают ее снова в CO2. Таким образом, фотосинтетики выделяют кислород и забирают углерод из атмосферы, а гетеротрофные организмы, наоборот, забирают кислород и выделяют углерод.
Если активность фотосинтетиков не уравновешивается полностью активностью гетеротрофов, то есть потребление органики отстает от производства органики, то эта лишняя органика будет захораниваться в земной коре. Это приводит к тому, что углерод постепенно выводится из атмосферы, содержание CO2 в атмосфере падает, парниковый эффект слабеет, и становится холоднее.
В момент быстрого роста содержания кислорода происходило оледенение. Кроме того, выделяющийся кислород мог окислять метан, который, по-видимому, тогда еще в значительном количестве присутствовал в атмосфере. А метан - это тоже очень сильный парниковый газ.
К. Еськов. 2000. История Земли и жизни на ней. М.: МИРОС – МАИК «Наука-Интерпериодика».
4. Появление первой эукариотической клетки
К окончанию первого оледенения и к окончанию периода быстрого роста кислорода происходит важнейшее событие в эволюции земной жизни - появляется первая эукариотическая клетка.
До сих пор на Земле жили только прокариоты - это бактерии, которые не имеют клеточного ядра и других мембранных структур, органелл. В клетке у них нет митохондрий, пластид и всяких других сложностей. Еще на заре клеточной жизни прокариоты разделились на две большие группы: бактерии и археи (раньше их называли архебактериями).
Эукариоты - это третья большая группа живых организмов, которая появляется впервые в раннем протерозое, скорее всего, в связи с ростом кислорода. Эукариоты - это организмы, у которых есть ядро в клетке, митохондрии, и приспособлены они изначально именно к кислородной среде. Митохондрии - это органеллы эукариотической клетки, которые как раз нужны для кислородного дыхания, поскольку они используют кислород для окисления органики и получения энергии. Именно эукариотическая клетка стала основой развития всех сложных форм многоклеточной жизни на нашей планете: животных, растений, грибов.
Прокариоты несколько раз пытались и продолжают пытаться иногда перейти к многоклеточности, но эти попытки не заходят далеко по ряду технических причин. Например, в многоклеточном организме разные клетки выполняют разные функции, соответственно, в разных тканях у них работают разные гены. Геном эукариотического организма содержит все гены, необходимые для формирования всех тканей многоклеточного организма, но в каждой ткани работает только часть из них - та, которая нужна. Для того чтобы это работало, нужна очень сложная эффективная система регуляция работы генов. А для этого как раз очень важно иметь клеточное ядро, в котором гены изолированы от бурных биохимических процессов, происходящих в цитоплазме. Там можно развить эффективные системы регуляции работы генов, чего у прокариот нет, поскольку они имеют более простые регуляторные системы.
5. Строение эукариотической клетки
Некоторые исследователи считают, что именно появление эукариотической клетки - самое ключевое событие в эволюции жизни на Земле. И может быть, оно произошло только один раз, поскольку все современные эукариоты, очевидно, происходят от одного предка. Возможно, были какие-то другие попытки таких эволюционных опытов, но они не дожили до наших дней.
7 фактов о самой элементарной системе организма
Эукариотическая клетка имеет химерную природу. Она появилась как закономерный итог эволюции докембрийских микробных сообществ, которые составляли основную форму жизни в архейской эре и продолжали доминировать в протерозое. Если посмотреть, из каких белков сделана эукариотическая клетка, то получается очень интересная вещь. Центральная система эукариотической клетки, связанная с репликацией ДНК, работой с генетической информацией, синтезом белка, обслуживается белками, похожими на белки архей. А вот на периферии - обмен веществ, рецепторы, взаимодействие с внешней средой, передача сигналов - доминируют белки, похожие на белки бактерий. То есть эукариотическая клетка имеет архейную сердцевину и бактериальную периферию. Другими словами, в процессе эволюции произошло некое слияние, комбинирование геномов представителей двух великих ветвей прокариот.
Н. Лейн. 2014. Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции. М.: АСТ: CORPUS.
6. Приспособление древних микробов к кислороду
В ходе кислородного кризиса, когда древним микробам приходилось приспосабливаться к новому появившемуся яду - к свободному кислороду, какие-то археи, по-видимому, активно заимствовали чужие гены, в том числе бактериальные, и в результате приобрели ряд бактериальных свойств. Получился некий химерный одноклеточный организм, способный, например, к заглатыванию других прокариот. Возможно, они перешли к хищничеству, возможно, они сливались с другими клетками с целью обмена генетическим материалом. Скорее всего, на этом этапе формировалось половое размножение. Еще одной ключевой особенностью эукариот является настоящее половое размножение, связанное со слиянием половых клеток и с редукционным делением (мейозом).
Этот химерный организм в какой-то момент проглотил бактерии, представителей группы альфа-протеобактерий, которые стали предками митохондрий - органелл для кислородного дыхания. Тем самым этот организм, приобретя такого симбионта, защитился от токсического действия кислорода. После этого кислород утилизировался уже этими симбиотическими митохондриями. Свободноживущие предки митохондрий научились бороться с кислородом и изобрели систему кислородного дыхания. Вероятно, сначала они просто сжигали органику, чтобы обезвредить кислород, а потом научились извлекать из этого еще и пользу в виде энергии.
7. Развитие фауны одноклеточных эукариот в океане
Биолог Евгений Кунин о взгляде на гены с точки зрения статистической физики, смене эволюционной парадигмы и связи космологии с происхождением жизни
В ходе приспособления древних организмов к кислороду микробы превратились в прото-эукариотическую клетку с митохондриями. В какой-то момент в клетке появилось ядро. Существует теория о том, что ядро появилось в результате симбиоза с вирусами. Учеными были открыты очень большие вирусы, которые по ряду свойств напоминают клеточное ядро, из чего можно сделать вывод, что, возможно, ядро клетки тоже было приобретено в ходе эволюции путем симбиоза.
В начале протерозоя, два миллиарда лет назад, появляется эукариотическая клетка. Первые эукариоты были одноклеточными, гетеротрофами, то есть они потребляли готовую органику. Несколько позже какие-то эукариоты вступили в симбиоз с цианобактериями, проглотили их. Таким образом, эти цианобактерии дали начало пластидам, что привело к возникновению растений.
В течение среднего протерозоя мы уже видим в ископаемой летописи остатки одноклеточных эукариот. Постепенно из уже эукариотических одноклеточных водорослей развивался фитопланктон. И в это же время, по-видимому, начинают появляться первые многоклеточные водоросли.
Сообщение
Роль зелёных растений в обеспечении энергией живых
Организмов на нашей планете
Как известно, основным источником энергии на земле является солнце. Но люди и животные не способны напрямую использовать солнечную энергию, потому что в их организмах отсутствуют системы, с помощью которых энергия потреблялась бы в такой форме, как она есть. Поэтому солнечная энергия попадает в организм человека или животного в качестве полезной энергии только через вещества, производимые растениями.
Растения способны создавать из неорганических органические вещества, используя световую энергию. Этот процесс называется фотосинтезом (от греческих слов «фотос» -свет, «синтез» - соединение). Способность к фотосинтезу - важнейшее свойство зелёных растений. Это единственный на нашей планете процесс, связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей, заключенную в органических веществах. Поэтому фотосинтез - важнейший процесс, благодаря которому возможна жизнь на Земле.
Выдающийся русский ученый конца ХIХ – начала ХХ в. Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920) роль зеленых растений на Земле назвал космической. К.А. Тимирязев писал: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического».
Кроме этого растения насыщают атмосферу Земли кислородом, который служит для окисления органических веществ и извлечения этим способом запасенной в них химической энергии аэробными клетками.
Ежегодно зелёные растения синтезируют большое количество органического вещества, поглощают около 600 млрд т углекислоты, выделяют в атмосферу 400 млрд т свободного кислорода. Благодаря фотосинтезу ежегодно запасается огромное количество преобразованной солнечной энергии.
Накопление энергии – очень важное для живой природы явление, обусловленное фотосинтезом зеленых растений. Органические вещества – отличный энергоноситель.
Созданные с участием хлорофилла и солнечного света углеводы, а также образованные в растениях белки и жиры содержат в себе много энергии. Особенно много ее в крахмале и различных сахарах.
Многие растения, такие как сахарный тростник, сахарная свекла, лук, горох, кукуруза, виноград, финик, запасают сахара в стеблях, корнях, луковицах, плодах и семенах. Именно сахара служат главным источником энергии для всех живых существ, так как легко могут стать одним из наиболее активных соединений в любой живой клетке. Постоянно поглощая энергию в виде солнечного излучения, растения ее накапливают. Из-за огромного количества зеленых растений на Земле энергии в биосфере становится все больше. Человек широко пользуется газом, нефтью, углем, дровами – все эго органические вещества, которые выделяют при сгорании энергию, некогда занесенную в зеленых растениях.
Можно сделать вывод, что существование растений играет очень важную и необходимую роль для выживания живых существ на земле. Поступившая из космоса энергия солнечных лучей, запасенная зелеными растениями в углеводах, жирах и белках, обеспечивает жизнедеятельность всего живого мира – от бактерий до человека.
Корлисс предположил, что гидротермальные источники могли создавать коктейли химических веществ. Каждый источник, говорил он, был своего рода распылителем первичного бульона.
По мере того, как горячая вода текла через скалы, тепло и давление приводили к тому, что простые органические соединения сливались в более сложные, такие как аминокислоты, нуклеотиды и сахара. Ближе к границе с океаном, где вода была не такой горячей, они начинали связываться в цепочки - формировать углеводы, белки и нуклеотиды вроде ДНК. Затем, когда вода подходила к океану и остывала еще больше, эти молекулы собирались в простые клетки.
Это было интересно, теория привлекла внимание людей. Но Стэнли Миллер, эксперимент которого мы обсуждали в первой части, не поверил. В 1988 году он писал, что глубоководные жерла были слишком горячими.
Хотя сильное тепло может привести к образованию химических веществ вроде аминокислот, эксперименты Миллера показали, что оно также может и уничтожить их. Основные соединения вроде сахаров «смогли бы выжить пару секунд, не больше». Более того, эти простые молекулы вряд ли связались бы в цепи, поскольку окружающая вода мгновенно их разорвала бы.
На этом этапе к битве подключился геолог Майк Расселл. Он посчитал, что теория гидротермальных источников может быть вполне верной. Более того, ему показалось, что эти источники будут идеальным домом для прекурсоров организма Вахтершаузера. Это вдохновение привело его к созданию одной из самых широко признанных теорий происхождений жизни.
Геолог Майкл Расселл
В карьере Расселла было много интересных вещей - он делал аспирин, разыскивая ценные минералы - и в одном замечательном происшествии 1960-х годов координировал реагирование на возможное извержения вулкана, несмотря на отсутствие подготовки. Но его больше интересовало, как менялась поверхности Земли на протяжении эпох. Эта геологическая перспектива и позволила сформироваться его идеям о происхождении жизни.
В 1980-х годах он обнаружил ископаемые свидетельства менее бурного типа гидротермального источника, в котором температуры не превышали 150 градусов по Цельсию. Эти мягкие температуры, по его словам, могли позволить молекулам жизни жить дольше, чем полагал Миллер.
Более того, ископаемые остатки этих «прохладных» жерл содержали нечто странное: минерал пирит, состоящий из железа и серы, сформировался в трубочках диаметром 1 мм. Работая в лаборатории, Расселл обнаружил, что пирит также может формировать сферические капли. И предположил, что первые сложные органические молекулы могли образоваться внутри этих простых пиритовых структур.
Железный пирит
Примерно в это же время Вахтершаузер начал публиковать свои идеи, в основе которых был поток горячей химически обогащенной воды, протекающей через минералы. Он даже предположил, что в этом процессе участвовал пирит.
Расселл сложил два плюс два. Он предположил, что гидротермальные источники на глубине моря, достаточно холодные, чтобы позволить образоваться пиритовым структурам, приютили прекурсоры организмов Вахтершаузера. Если Расселл был прав, жизнь началась на дне моря - и сначала появился метаболизм.
Расселл собрал это все в статье, опубликованной в 1993 году, 40 лет спустя после классического эксперимента Миллера. Она не вызвала такого же ажиотажа в СМИ, но была, возможно, более важной. Расселл объединил две, казалось бы, отдельные идеи - метаболические циклы Вахтершаузера и гидротермальные источники Корлисса - в нечто по-настоящему убедительное.
Расселл даже предложил объяснение того, как первые организмы получали свою энергию. То есть он понял, как мог бы работать их метаболизм. Его идея опиралась на работу одного из забытых гениев современной науки.
Питер Митчелл, нобелевский лауреат
В 1960-х годах биохимик Питер Митчелл заболел и был вынужден уйти в отставку из Университета Эдинбурга. Вместо этого он создал частную лабораторию в отдаленном поместье в Корнуолле. Изолированный от научного общества, он финансировал свою работу за счет стада молочных коров. Многие биохимики, в том числе и Лесли Оргел, чью работу по РНК мы обсудили во второй части, считали идеи Митчелла совершенно нелепыми.
Спустя несколько десятков лет Митчелла ждала абсолютная победа: по химии 1978 года. Он не стал знаменитым, но его идеи сегодня в каждом учебнике по биологии. Свою карьеру Митчелл провел, выясняя, что организмы делают с энергией, которую получают из пищи. По сути, он задавался вопросом, как всем нам удается оставаться в живых каждую секунду.
Он знал, что все клетки хранят свою энергию в одной молекуле: аденозинтрифосфате (АТФ). К аденозину крепится цепочка из трех фосфатов. Добавление третьего фосфата требует много энергии, которая затем запирается в АТФ.
Когда клетка нуждается в энергии - например, когда сокращается мышца - она разбивает третий фосфат в АТФ. Это превращает АТФ в аденозидифосфат (АДФ) и высвобождает накопленную энергию. Митчелл хотел узнать, как клетка вообще создает АТФ. Как она накапливает достаточно энергии в АДФ, чтобы прикрепить третий фосфат?
Митчелл знал, что фермент, образующий АТФ, находится в мембране. Поэтому предположил, что клетка закачивает заряженные частицы (протоны) через мембрану, поэтому много протонов находится по одну сторону, а по другую - нет.
Затем протоны пытаются просочиться обратно через мембрану, чтобы уравновесить число протонов по каждую сторону - но единственное место, через которое они могут пройти, это фермент. Поток текущих протонов, таким образом, обеспечивал фермент энергией, необходимой для создания АТФ.
Впервые Митчелл изложил свою идею в 1961 году. Следующие 15 лет он провел, защищая ее со всех сторон, пока доказательства не стали неопровержимыми. Теперь мы знаем, что процесс Митчелла используется каждым живым существом на Земле. Прямо сейчас он протекает в ваших клетках. Как и ДНК, он лежит в основе известной нам жизни.
Расселл позаимствовал у Митчелла идею протонного градиента: наличие большого количества протонов на одной стороне мембраны и немногого - на другой. Все клетки нуждаются в протонном градиенте, чтобы хранить энергию.
Современные клетки создают градиенты, откачивая протоны через мембраны, но для этого нужен сложный молекулярный механизм, который просто не мог появиться сам по себе. Поэтому Расселл сделал еще один логический шаг: жизнь должна была сформироваться где-то с естественным протонным градиентом.
Например, где-то у гидротермальных источников. Но это должен быть особенный тип источника. Когда Земля была молодой, моря были кислыми, а в кислой воде много протонов. Чтобы создать протонный градиент, вода из источника должна быть с низким содержанием протонов: она должна быть щелочной.
Источники Корлисса не подходили. Они не только были слишком горячими, но еще и кислыми. Но в 2000 году Дебора Келли из Вашингтонского университета обнаружила первые щелочные источники.
Келли пришлось тяжело трудиться, чтобы стать ученым. Ее отец умер, когда она заканчивала среднюю школу, и она была вынуждена работать, чтобы остаться в колледже. Но справилась и выбрала предметом своего интереса подводные вулканы и обжигающие горячие гидротермальные источники. Эта пара и привела ее в центр Атлантического океана. В этом месте земная кора треснула и с морского дна поднялся хребет гор.
На этом хребте Келли обнаружила поле гидротермальных источников, которое назвала «Потерянным городом». Они не были похожи на обнаруженные Корлиссом. Вода вытекала из них при температуре 40-75 градусов по Цельсию и была слегка подщелоченной. Карбонатные минералы из этой воды слипались в крутые белые «столбы дыма», которые поднимались с морского дна подобно трубам органа. На вид они жуткие и призрачные, но это не так: в них обитает множество микроорганизмов.
Эти щелочные жерла идеально вписывались в идеи Расселла. Он твердо поверил в то, что жизнь появилась в таких «потерянных городах». Но была одна проблема. Будучи геологом, он знал не так много о биологических клетках, чтобы убедительно представить свою теорию.
Столб дыма «черной курилки»
Поэтому Расселл объединился с биологом Уильямом Мартином. В 2003 году они представили улучшенный вариант прежних идей Расселла. И это, наверное, самая лучшая теория появления жизни на данный момент.
Благодаря Келли, теперь они знали, что породы щелочных источников были пористыми: они были усеяны крошечными отверстиями, наполненными водой. Эти крошечные кармашки, предположили они, действовали в качестве «клеток». В каждом кармашке находились основные химические вещества, в том числе и пирит. В сочетании с естественным протонным градиентом от источников, они были идеальным местом для начала метаболизма.
После того, как жизнь научилась использовать энергию вод источников, говорят Расселл и Мартин, она начала создавать молекулы вроде РНК. В конце концов, она создала себе мембрану и стала настоящей клеткой, сбежав из пористой породы в открытую воду.
Такой сюжет в настоящее время рассматривается в качестве одной из ведущих гипотез о происхождении жизни.
Клетки бегут из гидротермального источника
В июле 2016 года он получил поддержку, когда Мартин опубликовал исследование, реконструирующее некоторые детали « » (LUCA). Это организм, который жил миллиарды лет назад и от которого произошла вся существующая жизнь.
Едва ли мы когда-нибудь найдем прямые окаменевшие доказательства существования этого организма, но тем не менее вполне можем делать обоснованные предположения о том, как он выглядел и чем занимался, изучая микроорганизмы наших дней. Это и проделал Мартин.
Он исследовал ДНК 1930 современных микроорганизмов и идентифицировал 355 генов, которые были почти у всех. Это убедительно говорит о передаче этих 355 генов, через поколения и поколения, от общего предка - примерно того времени, когда жил последний универсальный общий предок.
Эти 355 генов включают некоторые для использования протонного градиента, но для генерации оного - нет, как и предсказывали теории Расселла и Мартина. Более того, LUCA, похоже, был адаптирован к присутствуют химических веществ вроде метана, что наводит на мысли, что он населял вулканически активную среду - по типу жерла.
Сторонники гипотезы «мира РНК» указывают на две проблемы в этой теории. Одну можно поправить; другая может быть фатальной.
Гидротермальные источники
Первая проблема в том, что экспериментальных доказательств описанных Расселлом и Мартином процессов нет. У них есть пошаговая история, но ни один из этих шагов не наблюдался в лаборатории.
«Люди, которые верят в то, что все началось с воспроизводства, постоянно находят новые экспериментальные данные», говорит Армен Мулкиджанян. «Люди, которые стоят за метаболизм, этого не делают».
Но это может измениться, благодаря коллеге Мартина Нику Лейну из Университетского колледжа Лондона. Он построил «реактор происхождения жизни», который имитирует условия внутри щелочного источника. Он надеется увидеть метаболические циклы, а может даже и молекулы вроде РНК. Но пока еще рано.
Вторая проблема заключается в расположении источников в глубоком море. Как отмечал Миллер в 1988 году, длинноцепочечные молекулы вроде РНК и белков не могут формироваться в воде без вспомогательных ферментов.
Для многих ученых это фатальный аргумент. «Если вы хорошо разбираетесь в химии, вас не подкупить идеей глубоководных источников, потому что вы знаете, что химия всех этих молекул несовместима с водой», говорит Мулкиджанян.
И все же Расселл и его союзники остаются оптимистами.
И только в последнее десятилетие на первый план вышел третий подход, подкрепленный серией необычных экспериментов. Он обещает нечто, чего не удалось добиться ни «миру РНК», ни гидротермальным источникам: способ создать целую клетку с нуля. Об этом в следующей части.
Преобразование энергии солнечного света и организмы использующие её
Сегодня мы поговорим об организмах, которые используют в своей жизнедеятельности солнечную энергию. Для этого нужно затронуть такую науку, как биоэнергетика. Она изучает способы преобразования энергии живыми организмами и использование её в процессе жизнедеятельности. В основе биоэнергетики лежит термодинамика. Эта наука описывает механизмы преобразования различных видов энергии друг в друга. В том числе, использование и преобразование различными организмами солнечной энергии. С помощью термодинамики можно полностью описать энергетический механизм процессов, происходящих вокруг нас. Но с помощью термодинамики нельзя понять природу того или иного процесса. В этой статье мы попробуем объяснить механизм использования солнечной энергии живыми организмами.
Для описания преобразования энергии в живых организмах или прочих объектах нашей планеты следует рассмотреть их с точки зрения термодинамики. То есть, системы, обменивающейся энергией с окружающей средой и объектами. Их можно подразделить на следующие системы:
- Закрытые;
- Изолированные;
- Открытые.
Через некоторое время эти вещества разрушаются и обеспечивают организм энергией. Их продукты распада удаляются из организма. Их место в организме заполняют другие молекулы. При этом целостность структуры организма не нарушается. Такое усвоение и переработка энергии в организме обеспечивает обновление организма. Энергетический обмен необходим для существования всех живых организмов. При остановке процессов преобразования энергии в организме он умирает.
Солнечный свет является источником биологической энергии на Земле. Ядерная энергия Солнца обеспечивает выработку лучистой энергии. Атомы водорода в нашей звезде в результате реакции переходят в атомы He. Энергия, освобождающаяся во время реакции, выделяется в виде гамма-излучения. Сама реакция выглядит следующим образом:
4Н ⇒ Не4 + 2е + hv, где
v ─ длина волны гамма-лучей;
h ─ постоянная Планка.
В дальнейшем, после взаимодействия гамма-излучения и электронов, энергия выделяется в виде фотонов. Эту световую энергию излучает небесное светило.
Солнечная энергия при достижении поверхности нашей планеты улавливается и преобразуется растениями. В них энергия солнца превращается в химическую, которая запасается в виде химических связей. Это связи, которые в молекулах соединяют атомы. Примером может служить синтез глюкозы в растениях. Первая стадия этого преобразования энергии ─ фотосинтез. Растения обеспечивают его с помощью хлорофилла. Этот пигмент обеспечивает превращение лучистой энергии в химическую. Происходит синтез углеводов из H 2 O и CO 2 . Это обеспечивает рост растений и передачу энергии на следующую ступень.
Следующий этап передачи энергии происходит от растений животным или бактериям. На этом этапе энергия углеводов в растениях преобразуется в биологическую. Это происходит в процессе окисления молекул растений. Величина полученной энергии соответствует тому количеству, которое было затрачено на синтез. Частично эта энергия преобразуется в тепло. В результате энергия запасается в макроэргических связях аденозинтрифосфата. Так солнечная энергия, проходя ряд превращений, оказывается в живых организмах уже в другой форме.
Здесь стоит дать ответ на часто задаваемый вопрос: «Какой органоид использует энергию солнечного света?». Это хлоропласты, участвующие в процесс фотосинтеза. Они используют её для синтеза из неорганических веществ органических.
В непрерывном потоке энергии заключается суть всего живого. Он постоянно движется между клетками и организмами. На клеточном уровне для преобразования энергии существуют эффективные механизмы. Можно выделить 2 основные структуры, где происходит превращение энергии:
- Хлоропласты;
- Митохондрии.
Человек, как и другие живые организмы на планете, пополняет энергетический запас из продуктов. Причём, часть потребляемых продуктов растительного происхождения (яблоки, картофель, огурцы, помидоры), а часть животного (мясо, рыба и другие морепродукты). Животные, которые мы употребляем в пищу, энергию также получают из растений. Поэтому вся получаемая нашим организмом энергия преобразуется из растений. А у них она появляется в результате преобразования солнечной энергии.
По типу получения энергии все организмы можно разделить на две группы:
- Фототрофы. Черпают энергию из солнечного света;
- Хемотрофы. Получают энергию во время окислительно-восстановительной реакции.
То есть, солнечная энергия используется растениями, а животные получают энергию, которая находится в органических молекулах во время поедания растений.
Как преобразуется энергия в живых организмах?
Существует 3 основных разновидности энергии, преобразуемой организмами:
- Преобразование лучистой энергии. Этот вид энергии несёт солнечный свет. В растениях лучистая энергия улавливается пигментом хлорофиллом. В результате фотосинтеза она превращается в химическую энергию. Та, в свою очередь, используется в процессе синтеза кислорода и других реакциях. Солнечный свет несёт в себе кинетическую энергию, а в растениях она превращается в потенциальную. Полученный энергетический запас сохраняется в питательных веществах. К примеру, в углеводах;
- Преобразование химической энергии. Из углеводов и прочих молекул она превращается в энергию макроэргических фосфатных связей. Эти преобразования проходят в митохондриях.
- Преобразование энергии макроэргических фосфатных связей. Она расходуется клетками живого организма для совершения разных видов работ (механическая, электрическая, осмотическая и т. д.).
Во время этих трансформаций часть энергетического запаса теряется и рассеивается в виде тепла.
Использование организмами накопленной энергии
В процессе метаболизма организм получает энергетический запас, расходуемый на совершение биологической работы. Это может быть световая, механическая, электрическая, химическая работа. И очень большая часть энергии организм расходует в виде тепла.
Ниже кратко описаны основные типы энергии в организме:
- Механическая. Характеризует движение макротел, а также механическую работу по их перемещению. Её можно разделить на кинетическую и потенциальную. Первая определяется скоростью передвижения макротел, а вторая ─ их местоположением по отношению друг к другу;
- Химическая. Определяется взаимодействием атомов в молекуле. Она является энергией электронов, которые двигаются по орбитам молекул и атомов;
- Электрическая. Это взаимодействие заряженных частиц, которое вызывает их движение в электрическом поле;
- Осмотическая. Расходуется при передвижении против градиента концентраций молекул вещества;
- Регуляторная энергия.
- Тепловая. Определяется хаотическим движением атомов и молекул. Основной характеристикой этого движения является температура. Этот вид энергии является самым обесцененных из всех, перечисленных выше.
Е h = 3/2rT, где
r ─ постоянная Больцмана (1,380*10 -16 эрг/град).
Вселенная наполнена энергией, но для живых организмов подходят лишь немногие ее виды. Основной источник энергии для подавляющего большинства биологических процессов на нашей планете - солнечный свет. Мощность излучения Солнца в среднем оценивается как 4 × 10 33 эрг/с, что обходится нашему светилу в ежегодные потери 10 -15 -10 -14 массы. Есть и гораздо более мощные излучатели. Например, 1-2 раза в столетие в нашей галактике происходят вспышки сверхновых звезд, каждая из которых сопровождается сильнейшим взрывом мощностью более 10 41 эрг/с. А квазары (ядра галактик, удаленных от нас на сотни миллионов световых лет), излучают еще большие мощности — 10 46 -10 47 эрг/с.
Клетка — основная единица жизни, она непрерывно работает для поддержания своей структуры, а потому нуждается в постоянном притоке свободной энергии. Технологически решить такую задачу ей непросто, поскольку живая клетка должна выделять и использовать энергию при постоянной (и притом довольно низкой) температуре в разбавленной водной среде. В ходе эволюции, за сотни миллионов лет, сформировались изящные и совершенные молекулярные механизмы, способные действовать необыкновенно эффективно в очень мягких условиях. В итоге к.п.д. клеточной энергетики оказывается намного выше, чем у любых инженерных устройств, изобретенных человеком.
Клеточные трансформаторы энергии представляют собой комплексы специальных белков, встроенных в биологические мембраны. Независимо от того, поступает в клетку извне свободная энергия непосредственно с квантами света (в процессе фотосинтеза) или в результате окисления пищевых продуктов кислородом воздуха (в процессе дыхания), она запускает движение электронов. В итоге производятся молекулы аденозинтрифосфата (АТФ) и увеличивается разность электрохимических потенциалов на биологических мембранах. АТФ и мембранный потенциал — два относительно стационарных источника энергии для всех видов внутриклеточной работы.
Движение вещества через клетки и организмы легко воспринимается нашим сознанием как потребность в пище, воде, воздухе и удалении отходов. Движение же энергии практически неощутимо. На клеточном уровне оба этих потока согласованно взаимодействуют в той чрезвычайно сложной сети химических реакций, которая составляет клеточный обмен веществ. Процессы жизнедеятельности на любом уровне, от биосферы до отдельной клетки, в сущности, выполняют одну и ту же задачу: превращают питательные вещества, энергию и информацию в увеличивающуюся массу клеток, отходы жизнедеятельности и тепло.
Способность захватывать энергию и приспосабливать ее для совершения разных видов работы, по-видимому, и есть та самая жизненная сила, которая с незапамятных времен волнует философов. В середине XIX в. физика сформулировала закон сохранения энергии, согласно которому в изолированной системе энергия сохраняется; в результате тех или иных процессов она может преобразовываться в иные формы, но ее количество всегда будет постоянным. Однако живые организмы представляют собой незамкнутые системы. Каждая живая клетка хорошо об этом «знает» уже сотни миллионов лет и непрерывно пополняет свои энергетические запасы.
За год растения суши и океана манипулируют колоссальными количествами вещества и энергии: они усваивают 1,5 × 10 11 т углекислого газа, разлагают 1,2 × 10 11 т воды, выделяют 2 × 10 11 т свободного кислорода и запасают 6 × 10 20 калорий энергии Солнца в виде химической энергии продуктов фотосинтеза. Многие организмы, такие как животные, грибы и большинство бактерий, не способны к фотосинтезу: их жизнедеятельность целиком и полностью зависит от органического вещества и кислорода, которые продуцируются растениями. А потому можно смело утверждать, что в целом биосфера существует за счет солнечной энергии, и античные мудрецы нисколько не ошибались, провозглашая, что солнце — основа жизни.
Исключение из гелиоцентрического взгляда на глобальный поток энергии представляют некоторые виды бактерий, которые живут за счет неорганических процессов, таких как восстановление двуокиси углерода до метана или окисления сульфида водорода. Некоторые из этих «хемолитотрофных» существ хорошо исследованы (например, метаногенные бактерии, живущие в желудке коров), но огромное их количество неизвестно даже специалистам-микробиологам. Большинство хемолитотрофов облюбовали на редкость неуютные среды обитания, которые очень трудно исследовать — лишенные кислорода, слишком кислые или слишком горячие. Многие из таких организмов не удается вырастить в чистой культуре. До недавнего времени хемолитотрофов было принято расценивать как некую экзотику, интересную с биохимической точки зрения, но мало значимую для энергетического бюджета планеты. В перспективе такая позиция может оказаться ошибочной по двум причинам. Во-первых, бактерии все чаще обнаруживаются в местах, прежде считавшихся стерильными: в исключительно глубоких и раскаленных скальных породах земной коры. В наше время выявлено такое количество мест обитания организмов, способных извлекать энергию из геохимических процессов, что их население, может статься, составляет существенную долю общей биомассы планеты. Во-вторых, есть основания полагать, что самые первые живые существа зависели от неорганических источников энергии. Если эти предположения оправдаются, наши взгляды как на глобальный поток энергии, так и на его связь с происхождением жизни могут существенно измениться.