§ 12. АТФ — универсальный источник энергии. Дыхание и фотосинтез, их роль в обмене веществ живых организмов и в биосфере

Определения и обозначения

АТФ (аденозинтрифосфат) — молекула, служащая универсальным переносчиком энергии в клетке. Она состоит из аденина, рибозы и трёх фосфатных групп. При превращениях АТФ энергия становится доступной для работы клетки, поэтому молекула связывает получение энергии с её использованием.

Клеточное дыхание — совокупность процессов, при которых органические вещества расщепляются и энергия используется для синтеза АТФ. Это не просто вдох и выдох: дыхание на клеточном уровне происходит внутри клеток и обеспечивает их энергией. Благодаря ему клетка может поддерживать жизненные процессы.

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. Он позволяет запасать энергию света в химических связях новых органических веществ. Эти вещества становятся источником материала и энергии для растения и других организмов.

Обмен веществ — совокупность процессов поступления, превращения и использования веществ и энергии организмом. В него входят и процессы построения веществ, и их расщепление. Это понятие помогает увидеть, как отдельные реакции связаны в единую работу организма.

Как это устроено

В состав АТФ входят азотистое основание аденин, сахар рибоза и цепочка из трёх фосфатных групп. Связи между фосфатными группами могут участвовать в переносе энергии: при отщеплении крайней группы АТФ превращается в АДФ и фосфат, а энергия высвобождается. Обратное образование АТФ из АДФ и фосфата требует притока энергии, поэтому молекула работает как посредник между процессами, которые энергию выделяют, и теми, которые её расходуют.

Энергия, высвобождаемая при расщеплении органических веществ, не просто рассеивается: клетка использует её часть, чтобы синтезировать АТФ. Затем АТФ расщепляется там, где нужна энергия, например при синтезе веществ или движении клеточных структур. Такая передача позволяет согласовать получение энергии с потребностями клетки, которые возникают в разных местах и в разное время.

При клеточном дыхании органические вещества окисляются, то есть взаимодействуют с кислородом в ходе ряда реакций. В школьной модели глюкоза при участии кислорода превращается в углекислый газ и воду. Химические связи исходных веществ содержат энергию, а при их перестройке энергия высвобождается; часть её запасается в АТФ, остальная рассеивается в виде тепла.

Для фотосинтеза нужны свет, вода и углекислый газ. Свет поглощается пигментами и обеспечивает энергией реакции, в которых из исходных веществ образуются органические вещества; кислород выделяется как продукт процесса. Углекислый газ поставляет углерод для создания органических молекул, а вода участвует в реакциях и даёт компоненты, необходимые для преобразований.

Фотосинтез запасает энергию света в химических связях органических веществ, а дыхание высвобождает часть этой энергии и помогает передать её клетке через АТФ. У них различаются исходные вещества и продукты: при фотосинтезе используются вода и углекислый газ, при дыхании — органические вещества и кислород. Эти процессы связаны, поскольку продукты одного могут быть исходными веществами другого, но это не точные обратные реакции: они идут разными путями и включают разные этапы.

При фотосинтезе углерод из углекислого газа включается в органические вещества, а при дыхании часть этого углерода снова возвращается в атмосферу в составе углекислого газа. Фотосинтез выделяет кислород, который используют многие организмы при дыхании; дыхание, в свою очередь, расходует кислород. Энергия проходит через биосферу не по замкнутому кругу: она поступает главным образом от Солнца, запасается в органических веществах и постепенно рассеивается.

Сравнение фотосинтеза и клеточного дыхания

Сравнивайте процессы по строкам: так видно, как различаются их вещества, продукты и энергетическая роль. При этом не делайте вывод, будто в любой клетке обязательно идут оба процесса: фотосинтез характерен для клеток с фотосинтезирующими структурами, а дыхание происходит у значительно более широкого круга организмов.

Разбор задач

Задача 1. Растительная клетка синтезирует АТФ при освещении. Объясните, почему наличие света само по себе не означает, что вся АТФ клетки образуется только при фотосинтезе. Нужно различить источник энергии и процессы, в которых клетка получает АТФ.

1. Свет необходим для фотосинтеза, и в его световых реакциях образуется АТФ.
2. Однако растительная клетка одновременно дышит: при расщеплении органических веществ она также получает энергию для синтеза АТФ.
3. Дыхание продолжается и в темноте, тогда как фотосинтез без света не идёт. Значит, наличие света не отменяет дыхание и не доказывает, что вся клеточная АТФ получена фотосинтезом.

Ответ. АТФ образуется в клетке не только в связи с фотосинтезом: её синтез связан также с клеточным дыханием. Свет обеспечивает фотосинтез, но не является доказательством отсутствия других путей получения АТФ.

Задача 2. Запишите словами, какие вещества расходуются и какие образуются при клеточном дыхании, и укажите, как связана с ним АТФ. В задаче речь идёт об аэробном дыхании — окислении органического вещества с участием кислорода. Важно назвать не только вещества, но и результат превращения энергии.

1. Определяем исходные вещества: органическое вещество, например глюкоза, и кислород.
2. Указываем продукты: углекислый газ и вода. В упрощённом виде словами это можно записать так: глюкоза и кислород превращаются в углекислый газ и воду.
3. При превращении высвобождается энергия. Клетка использует её часть для синтеза АТФ из АДФ и фосфата, а АТФ затем переносит энергию к клеточным процессам.

Ответ. При аэробном дыхании расходуются органические вещества и кислород, образуются углекислый газ и вода. Высвобождающаяся энергия используется, в частности, для синтеза АТФ.

Задача 3. В экосистеме снизилась интенсивность фотосинтеза растений. Объясните возможные последствия для содержания кислорода, запасов органического вещества и дыхания организмов. Для ответа проследите, какие вещества фотосинтез образует, а какие поглощает. Затем свяжите изменения с потребностями организмов.

1. При менее интенсивном фотосинтезе в экосистеме образуется меньше органических веществ и выделяется меньше кислорода.
2. Уменьшение образования органического вещества может сократить доступные запасы пищи и энергии для организмов, зависящих от растений прямо или через пищевые цепи.
3. Дыхание организмов продолжается и расходует кислород, поэтому его содержание может снижаться, если поступление кислорода при фотосинтезе не компенсирует расход. Степень последствий зависит от условий и других источников газообмена.

Ответ. Возможны уменьшение образования кислорода и органических веществ, а также ухудшение обеспеченности организмов пищей. Поскольку дыхание не прекращается вместе со снижением фотосинтеза, баланс кислорода в экосистеме может измениться.

Типичные ошибки

АТФ иногда считают долговременным запасом энергии, потому что её называют энергетической «валютой». Но в клетке она постоянно синтезируется и расходуется, а энергию в больших количествах организм запасает в других веществах. Проверка: спросите себя, описывается ли АТФ как постоянно обновляемый переносчик или как склад на длительный срок.

Фотосинтез путают с дыханием, потому что оба процесса связаны с превращениями энергии. Ошибка в том, что у них разные исходные вещества, продукты и направление энергетических изменений: фотосинтез запасает световую энергию, дыхание высвобождает энергию органических веществ. Проверяйте, какие вещества расходуются и что происходит с энергией.

Утверждение, что растения только фотосинтезируют, неверно: их клетки тоже нуждаются в энергии и дышат. Фотосинтез зависит от света, а дыхание идёт и днём, и ночью, поэтому в темноте растения продолжают дышать. Проверка проста: если в ответе дыхание растения поставлено в зависимость от освещения, значит, процессы перепутаны.

Иногда считают, что при дыхании выделяется кислород, а при фотосинтезе он расходуется. Обычно эту ошибку вызывают смешение двух процессов и запоминание газообмена наоборот. В школьной модели при фотосинтезе выделяется кислород, а при аэробном дыхании он расходуется; проверьте направление, сопоставив исходные вещества и продукты каждого процесса.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки и органических веществах, а также о роли кислорода и углекислого газа. Представление о химической энергии помогает проследить, как энергия переходит из одной формы в другую и почему АТФ важна для клетки. Эти связи пригодятся при дальнейшем изучении обмена веществ и клеточных органоидов.

Фотосинтез и дыхание важны не только для отдельных клеток: через них организмы участвуют в круговороте веществ и влияют на экосистемы. Поэтому тема связывает клеточную биологию с экологией и круговоротами в биосфере. Она помогает объяснить, откуда берутся органические вещества и как меняется состав атмосферы.

Что запомнить

• АТФ — универсальный переносчик энергии в клетке.
• Энергия для синтеза АТФ высвобождается при расщеплении органических веществ.
• При дыхании органические вещества окисляются, а энергия используется для образования АТФ.
• Фотосинтез использует световую энергию для образования органических веществ.
• Растения одновременно способны к фотосинтезу и дыханию.
• Фотосинтез и дыхание связаны с круговоротом кислорода, углекислого газа и органических веществ в биосфере.