"Биология. Порядок в живой природе", Вахрушев А.А., Бурский О.В., Раутиан А.С., Родионова Е.И.
Живая клетка получает, запасает и использует энергию, необходимую для роста, движения веществ и других процессов. При фотосинтезе энергия света превращается в энергию химических связей органических веществ. При клеточном дыхании эти вещества расщепляются, а часть выделившейся энергии запасается в АТФ — удобном переносчике энергии. Вещества возвращаются в окружающую среду и снова используются организмами, поэтому совершают круговорот, тогда как энергия проходит через живые системы в одном направлении и рассеивается как тепло.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
АТФ — универсальный переносчик энергии в клетке. Энергия запасается при присоединении фосфатной группы к молекуле, а при распаде АТФ на более простые вещества высвобождается. Благодаря этому клетка может быстро направлять энергию туда, где она нужна.
Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. В результате световая энергия превращается в энергию химических связей органических молекул. Так растения запасают энергию, которую затем могут использовать сами и получают животные вместе с пищей.
Клеточное дыхание — расщепление органических веществ с высвобождением энергии. Часть этой энергии используется для образования АТФ, а часть рассеивается в виде тепла. Процесс обеспечивает клетку доступной энергией даже тогда, когда свет непосредственно не используется.
Круговорот веществ — повторное участие веществ в природных процессах благодаря их переходу между организмами и неживой средой. Например, углекислый газ и вода входят в состав новых органических веществ, а после их расщепления снова возвращаются в среду. Поэтому запасы атомов в природе постоянно перераспределяются, а не исчезают.
При фотосинтезе хлорофилл поглощает энергию света. Она используется для превращения углекислого газа и воды в органические вещества, поэтому энергия света оказывается заключённой в химических связях их молекул. Образованные вещества становятся запасом энергии и строительным материалом для растения.
При клеточном дыхании органические вещества окисляются, то есть их химическая энергия постепенно высвобождается в ходе реакций. Клетка использует эту энергию для образования АТФ из её менее энергоёмких продуктов. Кислород часто участвует в таком окислении, а конечными простыми веществами становятся углекислый газ и вода.
АТФ связывает процессы запасания и расходования энергии. При дыхании энергия передаётся молекулам АТФ, а затем при распаде АТФ становится доступной для синтеза веществ, движения и переноса частиц. Такая передача удобнее прямого использования энергии органической молекулы, потому что АТФ быстро образуется и расходуется в нужном месте.
Путь веществ можно проследить по цепочке: углекислый газ и вода используются при фотосинтезе, органические вещества переходят к животным с пищей, а при расщеплении и дыхании вновь образуются простые вещества. После отмирания организмов вещества возвращаются в почву, воду и атмосферу благодаря разложению. Затем они снова становятся доступными растениям и включаются в новые органические соединения.
Вещества могут совершать круговорот, потому что атомы сохраняются и только меняют соединения и место нахождения. Энергия ведёт себя иначе: она поступает в экосистему главным образом со светом, переходит от одного организма к другому и при каждом преобразовании частично рассеивается в виде тепла. Поэтому круговорот веществ замкнут, а поток энергии направлен от источника к рассеиванию.
| Признак | Фотосинтез | Клеточное дыхание |
|---|---|---|
| Исходные вещества | Углекислый газ и вода | Органические вещества, обычно с участием кислорода |
| Образующиеся вещества | Органические вещества и кислород | Углекислый газ, вода и энергия |
| Где происходит в клетке | В хлоропластах зелёных клеток | Главным образом в митохондриях |
| Роль энергии | Энергия света поглощается и запасается | Энергия органических веществ высвобождается |
| Связь с образованием или расходованием АТФ | Энергия используется в процессах образования и накопления органических веществ | Часть энергии используется для образования АТФ, затем АТФ расходуется клеткой |
Таблицу удобно читать по строкам, если нужно сравнить один признак у двух процессов. По столбцам можно проследить особенности каждого процесса целиком. Главное различие: фотосинтез накапливает энергию в органических веществах, а дыхание делает её доступной для клетки.
У растения на свету образуются органические вещества из углекислого газа и воды. Нужно назвать процесс и указать источник энергии. Наличие света и образование органических веществ из простых неорганических соединений подсказывают направление превращения.
Ответ: это фотосинтез. Энергия берётся из света и запасается в химических связях образовавшихся органических веществ.
Клетка расщепила глюкозу, и часть выделившейся энергии запаслась в АТФ. Требуется определить процесс и объяснить роль АТФ. Расщепление органического вещества с получением доступной энергии соответствует клеточному дыханию.
Ответ: произошёл процесс клеточного дыхания. АТФ временно запасает и переносит часть высвободившейся энергии, чтобы клетка могла использовать её для своей работы.
Растение образовало органические вещества, животное съело растение, а после отмирания организмов вещества вернулись в среду. Нужно объяснить судьбу веществ и энергии в этой цепи. Здесь следует отдельно проследить движение вещества и направление передачи энергии.
Ответ: вещества участвуют в круговороте: переходят из среды в растение, затем в животное и снова возвращаются в среду. Энергия движется в одном направлении — от света к органическим веществам и далее к организмам, после чего рассеивается.
Ошибка: считать, что при дыхании энергия создаётся. Её не создают, а высвобождают при расщеплении органических веществ; так думают из-за выражения «получение энергии». Проверка простая: спросите, какое вещество было источником энергии до реакции.
Ошибка: считать фотосинтез и дыхание одним процессом. Их путают, потому что продукты одного процесса могут быть исходными веществами другого. Сравните направление: фотосинтез образует органические вещества, а дыхание их расщепляет.
Ошибка: думать, что энергия совершает круговорот вместе с веществами. Такое представление возникает из-за постоянного перехода энергии по пищевой цепи. Проверьте себя: вещества возвращаются в среду, а энергия при переходах частично рассеивается в виде тепла.
Ошибка: утверждать, что вся энергия органических веществ запасается в АТФ. Часть энергии действительно передаётся АТФ, но часть выделяется как тепло при преобразованиях. Если в объяснении нет упоминания рассеивания энергии, оно неполное.
Зачем клетке нужна АТФ?
АТФ переносит энергию к месту, где она нужна клетке: например, для синтеза веществ, движения или активного транспорта. При распаде АТФ энергия высвобождается и используется клеточными процессами.
Чем клеточное дыхание отличается от дыхания организма?
Дыхание организма — это поступление кислорода и удаление углекислого газа, например через лёгкие или жабры. Клеточное дыхание — химическое расщепление органических веществ внутри клетки с высвобождением энергии.
Может ли фотосинтез происходить без света?
Фотосинтез использует энергию света, поэтому его световая часть без света невозможна. В темноте растение может некоторое время расходовать вещества и АТФ, образованные ранее, но не запасать новую световую энергию.
Почему вещества совершают круговорот, а энергия — нет?
Атомы веществ не исчезают при химических реакциях, а переходят из одних соединений в другие и возвращаются в среду. Энергия постепенно рассеивается в виде тепла, поэтому не возвращается в исходном виде.
Почему при передаче энергии часть её теряется?
При каждом преобразовании энергия не исчезает, но часть переходит в тепло и рассеивается в окружающей среде. Поэтому для следующего уровня пищевой цепи доступна только часть первоначально накопленной энергии.
§ 8. Поток энергии через живую клетку и круговорот веществ
