Биология света. Световой спектр

Обновлено: 29.11.2022

А.С. Степановских
Экология. Учебник для вузов
М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. — 703 с.

4. Важнейшие абиотические факторы и адаптации к ним организмов

4.1. Излучение: свет

Свет является одним из важнейших абиотических факторов, особенно для фотосинтезирующих зеленых растений. Солнце излучает в космическое пространство громадное количество энергии. На границе земной атмосферы с космосом радиация составляет от 1,98 до 2 кал/см^ин, или 136 МВТ/см 2 («солнечная постоянная»).

Рис. 4.1. Баланс солнечной радиации на земной поверхности

в дневное время (из Т. К. Горышиной, 1979)

Как видно на рис. 4.1, 42% всей падающей радиации (33 + 9%) отражается атмосферой в мировое пространство, 15% поглощается толщей атмосферы и идет на ее нагревание и только 43% достигает земной поверхности. Эта доля радиации состоит из прямой радиации (27%) — почти параллельных лучей, идущих непосредственно от Солнца и несущих наибольшую энергетическую нагрузку, и рассеянной (диффузной) радиации (16%) — лучей, поступающих к Земле со всех точек небосвода, рассеянных молекулами газов воздуха, капельками водяных паров, кристалликами льда, частицами пыли, а также отраженных вниз от облаков. Общую сумму прямой и рассеянной радиации называют суммарной радиацией.

Свет для организмов , с одной стороны, служит первичным источником энергии, без которого невозможна жизнь, а с другой — прямое воздействие света на протоплазму смертельно для организма. Таким образом, многие морфологические и поведенческие характеристики связаны с решением этой проблемы. Эволюция биосферы в целом была направлена главным образом на «укрощение» поступающего солнечного излучения, использование его полезных составляющих и ослабление вредных или на защиту от них. Следовательно, свет — это не только жизненно важный фактор, но и лимитирующий как на минимальном, так и максимальном уровне. С этой точки ни один из факторов так не интересен для экологии, как свет!

Среди солнечной энергии, проникающей в атмосферу Земли, на видимый свет приходится около 50% энергии, остальные 50% составляют тепловые инфракрасные лучи и около 1 % — ультрафиолетовые лучи (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Факторы космического воздействия на Землю

Видимые лучи («солнечный свет») состоят из лучей разной окраски и имеют разную длину волн (табл. 4.1).

Спектр солнечного света

В жизни организмов важны не только видимые лучи, но и другие виды лучистой энергии, достигающие земной поверхности: ультрафиолетовые, инфракрасные лучи, электромагнитные (особенно радиоволны) и некоторые другие излучения. Так, ультрафиолетовые лучи с длиной 0,25—0,30 мкм способствуют образованию витамина D в животных организмах, при длине волны 0,326 мкм в коже человека образуется защитный пигмент, а лучи с длиной волны 0,38—0,40 мкм обладают большей фотосинтетической активностью. Эти лучи в умеренных дозах стимулируют рост и размножение клеток, способствуют синтезу высокоактивных биологических соединений, повышая в растениях содержание витаминов, антибиотиков, увеличивают устойчивость к болезням.

Инфракрасное излучение воспринимается всеми организмами, например, воздействуя на тепловые центры нервной системы животных организмов, осуществляет тем самым у них регуляцию окислительных процессов и двигательные реакции как в сторону предпочитаемых температур, так и от них.

Особое значение в жизни всех организмов имеет видимый свет. С участием света у растений и животных протекают важнейшие процессы: фотосинтез, транспирация, фотопериодизм, движение, зрение у животных, прочие процессы (табл. 4.2).

Важнейшие процессы, протекающие у растений

и животных с участием света

На свету происходит образование хлорофилла и осуществляется важнейший в биосфере процесс фотосинтеза. Фотосинтезирующая деятельность зеленых растений обеспечивает планету органическим веществом и аккумулированной в нем солнечной энергией — источником возникновения и фактором развития жизни на Земле. Основная реакция фотосинтеза может быть записана следующим образом:

где Н2 Х — «донор» электронов; Н — водород; Х — кислород, сера или другие восстановители (например, сульфобактерии используют в качестве восстановителя H2S, другие же виды бактерий — органическую субстанцию, а большинство зеленых растений, осуществляющих хлорофилльную ассимиляцию, — кислород).

Среди всех лучей солнечного света обычно выделяют лучи, которые так или иначе оказывают влияние на растительные организмы, особенно на процесс фотосинтеза, ускоряя или замедляя его протекание. Эти лучи принято называть физиологически активной радиацией (сокращенно ФАР). Наиболее активными среди ФАР являются оранжево-красные (0,65—0,68 мкм), сине-фиолетовые (0,40—0,50 мкм) и близкие ультрафиолетовые (0,38—0,40 мкм). Меньше поглощаются желто-зеленые (0,50—0,58 мкм) лучи и практически не поглощаются инфракрасные. Лишь далекие инфракрасные принимают участие в теплообмене растений, оказывая некоторое положительное воздействие, особенно в местах с низкими температурами.

Интенсивность фотосинтеза несколько варьирует с изменением длины волны света. В наземных средах жизни качественные характеристики солнечного света не настолько изменчивы, чтобы это сильно влияло на интенсивность фотосинтеза, при прохождении же света через воду красная и синяя области спектра отфильтровываются, и получающийся зеленоватый свет слабо поглощается хлорофиллом. Однако живущие в море красные водоросли (Rhodophyta) имеют дополнительные пигменты (фикозритрины), которые позволяют им использовать эту энергию и жить на большей глубине, чем зеленые водоросли.

Лучи разной окраски различаются животными. Например, бабочки при посещении цветков растений предпочитают красные или желтые, двукрылые насекомые выбирают белые и голубые. Пчелы проявляют повышенную активность к желто-зеленым, сине-фиолетовым и фиолетовым лучам, не реагируют на красный, воспринимая его как темноту. Гремучие змеи видят инфракрасную часть спектра. Для человека область видимых лучей — от фиолетовых до темно-красных.

Каждое местообитание характеризуется определенным световым режимом, соотношением интенсивности (силы), количества и качества света.

Интенсивность, или сила, света измеряется количеством калорий или джоулей, приходящихся на 1 см 2 горизонтальной поверхности в минуту. Для прямых солнечных лучей этот показатель практически не изменяется в зависимости от географической широты. Существенное же на него влияние оказывают особенности рельефа. Так, на южных склонах интенсивность света всегда больше, чем на северных.

Количество света, определяемое суммарной радиацией, от полюсов к экватору увеличивается.

Для определения светового режима необходимо учитывать и количество отражаемого света—альбедо. Оно выражается в процентах от общей радиации и зависит от угла падения лучей и свойств отражающей поверхности.

Например, снег отражает 85% солнечной энергии, альбедо зеленых листьев клена составляет 10%, а осенних пожелтевших — 28%.

По отношению к свету различают следующие экологические группы растений: световые (светолюбы), теневые (тенелюбы) и теневыносливые. Световые виды (гелиофиты) обитают на открытых местах с хорошей освещенностью, в лесной зоне встречаются редко.

Они образуют обычно разреженный и невысокий растительный покров, чтобы не затенять друг друга. Свет оказывает влияние на рост растений. Так, рост двухлетних дубов в зависимости от относительной освещенности в летний период показан на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Модифицирующее действие освещенности на рост

и морфогенез растений (по В. Лархеру, 1978):

А — рост двухлетних дубов Quercus robus в зависимости от относительной освещенности летом;

Б — развитие листьев у Ranunculus ficaria в зависимости от освещенности

При световом довольствии до 13,5% преобладает стимулирующее действие света (рис. 4.3А, кривая 1), при большем освещении (А, кривая 2) — наоборот. Листья Ranunculus ficaria (рис. 4.3Б) развивают меньшую поверхность при большем освещении.

Теневые растения (сциофиты) не выносят сильного освещения, живут в постоянной тени под пологом леса. Это главным образом лесные травы. При резком освещении, например на вырубках, они проявляют явные признаки угнетения и часто погибают.

Теневыносливые растения (факультативные гелиофиты) живут при хорошем освещении, но легко переносят незначительное затенение. Это большинство растений лесов. Расположение листовых пластинок в пространстве значительно варьирует в условиях избытка и недостатка света. Так, листья гелиофитов нередко «увертываются», «отворачиваются» от избыточного света, а у теневыносливых растений, растущих при ослабленном освещении, наоборот, листья направлены таким образом, чтобы получить максимальное количество падающей радиации. Это особенно хорошо заметно в лесу. При наличии в густом пологе древостоя просветов и «окон» листья растений нижних ярусов ориентированы по направлению к этому дополнительному источнику света. Затенение одних листьев другими уменьшается из-за их расположения в виде «листовой мозаики» (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Листорасположение у подроста липы мелколистной в разных условиях освещения (вид сверху):

А — под пологом леса, Б — на открытом месте (по Т. К. Горышиной, 1979)

Мелкие листья располагаются между крупными. Такая мозаика характерна как для древесной, так и травянистой растительности сильно затененных лесов.

Оптический аппарат гелиофитов развит лучше, чем у сциофитов, имеет большую фотоактивную поверхность и приспособлен к более полному поглощению света. На сухую массу в листьях гелиофитов приходится меньше хлорофилла, однако в них больше содержится пигментов I пигментной системы и хлорофилла П700. Отношение хлорофилла d к хлорофиллу b равно примерно 5:1. Отсюда высокая фотосинтетическая способность гелиофитов. Интенсивность фотосинтеза достигает максимума при полном солнечном освещении.

У особой группы растений — гелиофктов, у которых фиксация СО2 идет путем С-4-дикарбоновых кислот, световое насыщение фотосинтеза не достигается даже при самой сильной освещенности. Это растения из засушливых областей (пустынь, саванн), принадлежащие к 13 семействам цветковых растений (например, мятликовые, осоковые, амарантовые, маревые, гвоздичные и др.). Они способны к вторичной фиксации и реутилизации СО2 , освобождающегося при световом дыхании, и могут фотосинтезировать при высоких температурах и при закрытых устьицах, что нередко наблюдается в жаркие часы дня.

Обычно С-4-растения отличаются высокой продуктивностью, особенно кукуруза и сахарный тростник.

Интенсивность света, падающего на автотрофный ярус, управляет всей экосистемой, влияя на первичную продукцию. Как у наземных, так и у водных растений интенсивность фотосинтеза связана с интенсивностью света линейной зависимостью до оптимального уровня светового насыщения, за которым во многих случаях следует снижение интенсивности фотосинтеза, при высоких интенсивностях прямого солнечного света. Таким образом, здесь вступает в действие компенсация факторов: отдельные растения и целые сообщества приспосабливаются к разным интенсивностям света, становясь «адаптированными к тени» или «адаптированными к прямому солнечному свету».

Интенсивность освещения влияет на активность животных, определяя среди них виды, ведущие сумеречный, ночной и дневной образ жизни. Ориентация на свет осуществляется в результате «фототаксисов»: положительного (перемещение в сторону наибольшей освещенности) и отрицательного (перемещение в сторону наименьшей освещенности). Так, в сумерки летают бабочки бражника, охотится еж. Майские хрущи начинают летать только в 21—22 ч и заканчивают лет после полуночи, комары же активны с вечера до утра. Ночной образ жизни ведет куница. Бесшумно, обследуя одно дерево за другим, отыскивает она гнезда белок и нападает на спящих зверьков.

Освещение вызывает у растений ростовые движения, которые проявляются в том, что из-за неравномерного роста стебля или корня происходит их искривление. Это явление носит название фототропизма.

Одностороннее освещение смещает в затененную сторону поток ростового гормона ауксина, направленного, как правило, строго вниз. Обеднение ауксином освещенной стороны побега приводит здесь к торможению роста, а обогащение ауксином затененной стороны — к стимуляции роста, что и вызывает искривление.

Движение Земли вокруг Солнца вызывает закономерные изменения длины дня и ночи по сезонам года. Сезонная ритмичность в жизнедеятельности организмов определяется в первую очередь сокращением световой части суток осенью и увеличением — весной. В действиях организмов выработались особые механизмы, реагирующие на продолжительность дня. Так, определенные птицы и млекопитающие поселяются в высоких широтах с длинным полярным днем. Осенью, при сокращении дня, они мигрируют на юг. Летом в тундре скапливается большое количество животных, и, несмотря на общую суровость климата, они при обилии света успевают закончить размножение. Однако в тундру практически не проникают ночные хищники. За короткую летнюю ночь они не могут прокормить ни себя, ни потомство.

Уменьшение светового дня в конце лета ведет к прекращению роста, стимулирует отложение запасных питательных веществ организмов, вызывает у животных осенью линьку, определяет сроки группирования в стаи, миграции, переход в состояние покоя и спячки. Увеличение длины светового дня стимулирует половую функцию у птиц, млекопитающих, определяет сроки цветения растений (ольха, мать-и-мачеха и др.).

Растения, развитие которых нормально происходит при длинном дне, называют длиннодневными. Это растения наших северных зон и средней полосы (рожь, пшеница, луговые злаки, клевер, фиалки и др.). Другие растения нормально развиваются при сокращенном световом дне. Их называют короткодневными. К ним относятся выходцы из южных районов (гречиха, просо, подсолнечник, астры и др.).

Доказана способность птиц к навигации. При дальних перелетах они с поразительной точностью выбирают направление полета, преодолевая иногда многие тысячи километров от гнездовий до мест зимовок (рис. 4.5), ориентируясь по солнцу и звездам, т. е. астрономическим источникам света. Днем птицы учитывают не только положение Солнца, но и смещение его в связи с широтой местности и временем суток

Рис. 4.5. Главнейшие пути пролетных путей птиц

(по Н. О. Реймерсу, 1990)

Опыты показали, что ориентация птиц меняется при изменении картины здездного неба в соответствии с направлением предполагаемого перелета. Навигационная способность птиц врожденная, создается естественным отбором, как система инстинктов. Способность к ориентации свойственна и другим животным. Так, пчелы, нашедшие нектар, передают другим информацию о том, куда лететь за взятком. Ориентиром служит положение солнца. Пчела-разведчица, открывшая источник корма, возвращаясь в улей, начинает на сотах танец, описывая фигуру в виде восьмерки, с наклоном поперечной оси по отношению к вертикали, соответствующим углу между направлениями на солнце и на источник корма (рис. 4.6). Угол наклона восьмерки постепенно смещается в соответствии с движением солнца по небу, хотя пчелы в темном улье и не видят его.

Рис. 4.6. «Виляющий» танец пчел (по В. Е. Кипяткову, 1991)

При облачной погоде пчелы ориентируются на поляризованный свет свободного участка неба. Плоскость поляризации света зависит от положения солнца. Определенное сигнальное значение в жизни животных имеет биолюминесценция, или способность животных организмов светиться в результате окисления сложных органических соединений люциферинов с участием катализаторов люцифераз, как правило, в ответ на раздражения, поступающие из внешней среды (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Светящиеся животные:

1 — медуза; 2 — рыба-дракон, нападающая на светящихся анчоусов; 3 — глубоководный кальмар; 4 — глубоководная креветка, защищаясь, выбрасывает светящееся облако: 5 — глубоководный удильщик, приманивающий жертву.

Световые сигналы, испускаемые животными, зачастую служат для привлечения особей противоположного пола, приманивания добычи, отпугивания хищников, для ориентации в стае и т. д. (рыбы, головоногие моллюски, жуки семейства светляков и др.). Следовательно, растениям свет необходим в первую очередь для осуществления фотосинтеза — важнейшего процесса в биосфере по накоплению энергии и созданию органического вещества. Для животных он имеет главным образом информационное значение.

Биология. 10 класс

§ 5. Свет в жизни организмов. Фотопериод и фотопериодизм

*Свет как абиотический фактор среды

Одним из условий существования жизни на Земле является солнечный свет, поступающий из космического пространства.

При прохождении солнечной радиации через атмосферу около 19 % поглощается облаками и водяными парами, 34 % отражается обратно в космос, 47 % достигает земной поверхности, из них 24 % — прямая радиация и 23 % — отраженные лучи. Растения связывают в ходе фотосинтеза в среднем 1 % поступающей к ним солнечной энергии.

В солнечном спектре выделяют три основных компонента: ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасные лучи. Их характеристика представлена в таблице.

Таблица. Состав солнечного света, достигающего поверхности Земли

Содержание в спектре, %

Ультрафиолетовые лучи действуют на организмы неоднозначно в зависимости от дозы. Избыточное облучение ультрафиолетом может причинять существенный вред здоровью. Все живое на Земле защищено от губительного влияния ультрафиолетовых лучей озоновым слоем земной атмосферы. Однако, несмотря на защитный озоновый слой, на долю ультрафиолетовых лучей приходится около 3 % солнечного света, достигающего поверхности Земли. Ультрафиолетовые лучи приводят к повреждению хромосом, могут вызывать рак кожи, преждевременное старение, стать причиной развития катаракты (помутнения хрусталика). Для людей со светлой кожей ультрафиолетовые лучи являются основным фактором, приводящим к меланоме — самой опасной форме рака кожи.

В то же время в небольших дозах ультрафиолетовые лучи стимулируют синтез пигмента кожи меланина и витамина D. Из курса биологии 9-го класса вы уже знаете, что витамин D оказывает влияние на обмен кальция и фосфора. Это в свою очередь влияет на рост и развитие скелета человека.

Велико значение витамина D для растущего потомства млекопитающих и птиц. Лисицы и барсуки, выводящие детенышей в норах, регулярно выносят их на солнце. «Солнечное купание» свойственно многим птицам. Стремятся погреться на солнышке после зимовки и домашние животные. Известно, что умеренное ультрафиолетовое облучение молодняка сельскохозяйственных животных положительно сказывается на их росте и развитии.

Видимый свет наиболее важен для существования жизни на Земле. Все разнообразие климатических условий и температуры верхних слоев морских и пресных вод определяется количеством поглощенной солнечной энергии. Различные участки спектра видимого света действуют на организмы по-разному. Красные лучи оказывают тепловое действие. Синие и фиолетовые лучи изменяют скорость и направление некоторых биохимических реакций. Особенно велико значение видимого света в жизни растений. Они поглощают его с помощью пигментов и используют в процессе фотосинтеза.

Растения способны изменять положение своих органов в пространстве под действием света, то есть проявлять фототропизм. Фототропизм (от греч. phōtós — свет) — ростовые движения органов растений под влиянием одностороннего освещения. Обычно у стеблей наблюдается положительный (по направлению к свету), а у корней — отрицательный (от света) фототропизмы. Положительный фототропизм можно наблюдать на посевах подсолнечника во время цветения. С восхода и до захода соцветия подсолнечника, как локаторы, поворачиваются вслед за солнцем.

Свет играет роль основного энергетического и сигнального фактора. Для подавляющего большинства организмов видимый свет является источником тепла. Дневным животным видимый свет позволяет ориентироваться в среде. Некоторые ночные виды (совы, филины) могут перемещаться даже при слабой освещенности.

Инфракрасные лучи являются источником тепловой энергии. На их долю приходится 45 % солнечного света, достигающего Земли. Некоторые наземные животные (ящерицы, змеи) используют инфракрасные лучи для повышения температуры тела.

Свет и цвет в животном мире

Через зрительный анализатор мы воспринимаем 85% информации об окружающем нас мире. Благодаря цветному зрению мы можем наслаждаться всем многообразием красок окружающей нас природы, отчетливо воспринимать цветовые оттенки как естественных пейзажей, так и произведений искусства, сотворенных человеком.

Наша зрительная система воспринимает цвета благодаря улавливанию трех типов световых волн определенной длины. Тот или иной оттенок складывается из соотношения интенсивности этих волн. Давайте разберемся в этом постепенно, шаг за шагом. И начнем с того, как устроен глаз человека, да, собственно, не только человека, но и всех позвоночных животных – от рыб до млекопитающих.

По своему строению глаз больше всего напоминает фотокамеру. Затвору в этой природной конструкции соответствует веко. Диафрагмой служит радужная оболочка, отверстие которой – зрачок – увеличивается или уменьшается в зависимости от количества падающего на него света. Линза – хрусталик, образованный специальными прозрачными эпителиальными клетками. Однако в фотокамере линза имеет жесткое (фиксированное) фокусное расстояние, и потому при фокусировании на разноудаленные предметы приходится придвигать ее к светочувствительной поверхности или удалять от нее. Глазу позвоночных нет надобности укорачиваться или удлиняться, чтобы сфокусироваться на объектах: мышцы, прикрепленные к эластичному хрусталику, могут изменять кривизну этой природной линзы, меняя тем самым ее фокусное расстояние, чтобы изображение предмета попало именно на сетчатку (а не перед ней или за ней). Это явление называется аккомодация. При близком расположении предмета от глаза хрусталик становится более выпуклым, а при взгляде на удаленные предметы его кривизна уменьшается.

Глазное яблоко позвоночных заполнено жидкими светопреломляющими средами. Небольшую полость от прозрачной роговицы до радужки заполняет водянистая влага, а весь остальной объем от хрусталика до задней стенки – стекловидное тело. Заднюю и боковые стенки глаза образует плотная соединительнотканная оболочка, называемая склерой. Она непрозрачна и у человека окрашена в белый цвет (белок глаза). У других млекопитающих эта оболочка темная. Эквивалентом светочувствительной пленки фотокамеры в глазу служит оболочка, образованная нервными клетками, – сетчатка. Она выстилает дно и боковые стенки глазного яблока изнутри. Между сетчаткой и склерой располагается тонкая сосудистая оболочка, состоящая из сети кровеносных сосудов, обеспечивающих глаз питательными веществами и кислородом.

Зрение позвоночных осуществляется благодаря зрительной части сетчатки, которая состоит примерно из 130 млн светочувствительных клеток (фоторецепторов) – палочек и колбочек (в сетчатке есть и другие нервные клетки, но речь сейчас не о них). От этих фоторецепторов отходят нервные отростки, объединяющиеся в общий зрительный нерв. В месте его выхода из глаза нет световоспринимающих структур (только светопередающие), и поэтому эта часть сетчатки носит название слепое пятно. Цветное зрение позвоночных обеспечивается за счет колбочек – конических клеток, содержащих зрительные пигменты. Палочки чувствительны к свету, но не различают цветов, за исключением синего и зеленого. Колбочки же улавливают все цвета и помогают нам четко видеть, но перестают работать при недостатке освещения. Вот почему с наступлением сумерек наше зрение ослабевает и мы хуже различаем цвета.

У человека колбочки, обеспечивающие цветное зрение, бывают трех типов, и каждый из них содержит свой особый пигмент, чувствительный к определенному диапазону длин световых волн. Такая особенность зрения человека называется трихромазией. Трихромазия – явление весьма обычное для представителей отряда приматов. Однако у целого ряда млекопитающих, ведущих ночной образ жизни, в сетчатке есть только один пигмент, и про таких животных, можно сказать, что весь мир они видят одноцветным (правда, с оттенками). Но большинство млекопитающих обладают дихроматическим зрением, при котором восприятие цветов осуществляется с помощью двух зрительных пигментов.

Цветное зрение неоднократно утрачивалось и снова приобреталось в ходе эволюции позвоночных. Его появление связывают с изменением суточной активности животных. У некоторых рыб, пресмыкающихся и птиц имеется четыре зрительных пигмента, благодаря чему они могут видеть еще и в ультрафиолетовой части спектра, в которой мы, люди, видеть не способны.

Глазные среды птиц прозрачны для лучей спектра от 300 до 750 нм. В сетчатке у них есть палочки и несколько типов колбочек. В теле большинства колбочек находится маленькая жировая капля, фильтрующая свет. В большинстве случаев эта капля ярко окрашена, но может быть и бесцветной. Кванты света сначала проходят через эту каплю, а затем попадают на наружный сегмент фоторецепторов, содержащий стопку плоских мембранных дисков, в которые встроены молекулы зрительных пигментов. Ученые предполагают, что жировая капля нужна для лучшего восприятия цветов при изменении интенсивности освещенности.

Молекулярно-генетические исследования зрительных пигментов птиц показали, что у них синтезируются два пигмента, чувствительных к коротковолновой (ультрафиолетовой и синей), один к средневолновой (зеленой) и один к длинноволновой (красной) частям спектра, а также родопсин палочек, который максимально чувствителен в средневолновой области и относится к ахроматической системе зрения.

«Ультрафиолетовый»/«фиолетовый» пигмент птиц гомологичен «синему» (или «ультрафиолетовому») зрительному пигменту млекопитающих, но отличается от него по структуре и имеет несколько другой набор аминокислот.

«Красный» и «зеленый» зрительные пигменты у человека и высших приматов родственны и, вероятно, образованы дупликацией (удвоением) генов одного из них, о чем говорится чуть ниже. У птиц же эти пигменты абсолютно не родственны и маркируются соответствующими цветными каплями в сетчатке.

Но давайте вернемся к цветному зрению человека и особенностям работы его зрительных пигментов. Как выяснили исследователи, пигмент, чувствительный к коротковолновой части спектра и носящий название S-пигмент, имеет максимальное поглощение при длине волны 430 нм. Пигмент, воспринимающий волны средней длины (М-пигмент), наиболее эффективно улавливает свет с длиной волны около 530 нм, а пигмент, чувствительный к длинноволновой части спектра (L-пигмент), имеет максимальное поглощение при длине волны 560 нм. Эти длины волн соответствуют оттенкам, которые человек воспринимает как синий, зеленый и желтый (или красный) соответственно. Светочувствительные пигменты располагаются в мембранах колбочек и представляют собой комплекс белка опсина и светопоглощающего хромофора, названного ретиналь (производного витамина А). Поглощение света молекулой пигмента запускает каскад химических реакций, приводящих к возбуждению колбочек. Они, в свою очередь, активируют другие нейроны сетчатки, которые в итоге передают сигнал по зрительному нерву в мозг.

Несмотря на то что спектр поглощения трех пигментов человека давно изучен, структура этих молекул стала известна всего около 25 лет назад. Выяснилось, что М- и L-пигменты почти идентичны и разница в спектральной чувствительности между ними обеспечивается замещением всего трех аминокислот.

Гены же, отвечающие за синтез М- и L-пигментов расположены в Х-хромосоме (одной из двух половых хромосом человека). Ген, определяющий синтез S-пигмента, в отличие от двух предыдущих, располагается в седьмой хромосоме, и анализ его строения показал, что S-пигмент имеет весьма отдаленное родство с длинноволновыми пигментами.

Практически у всех позвоночных животных есть гены по своему строению очень близкие к гену S-пигмента человека и к одному из его длинноволновых пигментов. Однако присутствие сразу и M- и L-пигментов встречается только у некоторых видов приматов и у человека, а остальные млекопитающие имеют только один пигмент, чувствительный к длинноволновой части спектра. И кодирующий этот пигмент ген так же, как и у человека, расположен в Х-хромосоме.

Как появилось трихроматическое зрение у приматов – вопрос дискуссионный. Возможно, ген «длинноволнового» пигмента млекопитающих у приматов дуплицировался, после чего обе его копии, расположенные в Х-хромосоме, мутировали, дав два близких пигмента, различающихся по спектральной чувствительности. Признак закрепился естественным отбором, так как оказался полезным. Например, приматы с трихроматическим зрением лучше, чем другие млекопитающие, могли отличать спелые фрукты от не очень спелых, их мир стал богаче красками.

Известно, например, что во время внутриутробного развития в колбочках активируется только коротковолновый пигмент. Одновременно другой неизвестный процесс подавляет эксперессию генов остальных пигментов в этих клетках. Как показали исследования на приматах, активация гена, ответственного за работу того или иного длинноволнового пигмента, – процесс случайный. Это означает, что в каждой колбочке будет экспрессирован только один ген, ответственный за синтез или М-, или L- пигмента.

Изучение основ цветного зрения приматов также показало, что определенные процессы, протекающие в сетчатке и мозге и связанные с распознаванием волн большей длины, могут быть высокопластичными. В мозге существует ряд структур, обеспечивающих сопоставление визуальной информации от S-колбочек с комбинированными сигналам и от длинноволновых фоторецепторов. Однако для проведения сравнения между сигналами от L- и М-колбочек мозг и сетчатка вынуждены фактически «импровизировать». В частности, отслеживая реакции колбочек на визуальные стимулы, зрительная система после приобретения собственного опыта, вероятно, способна «научиться» идентифицировать эти клетки.

Кроме того, выяснилось, что основные нейронные пути, которые проводят импульсы от длинноволновых колбочек, не всегда образованы специфическими нейронами, обеспечивающими цветное зрение. Так что получение от L- и М-колбочек информации об оттенках выглядит скорее как счастливая случайность, побочный эффект эволюции древнего нейронного аппарата пространственного зрения высокой четкости, который обеспечивает способность различать границы объектов и их удаленность от наблюдателя.

Таких нерешенных загадок, касающихся цветного зрения, еще много, и они ждут своего решения. Так, например, в 2009 г. группа ученых из Университета в Западной Австралии опубликовала свои исследования относительно наличия цветного зрения у ряда сумчатых животных. Оказалось, что некоторые виды сумчатых, как и приматы, способны различать цвета. Более того, ряд поведенческих тестов показал, что их область свето- и цветовосприятия намного шире таковой у человека и его ближайших родственников. Сумчатые способны различать оттенки даже в ультрафиолетовой области, чего от них никто не ожидал.

омматидиями, или фасетками. У очень активных летунов, например стрекоз, может быть от 12 до 28 тыс. омматидиев, у жуков – до 25 тыс., у муравьев – от 8 до 12 тыс.

Каждый омматидий – это длинная, напоминающая карандаш структура, расположенная в оболочке роговицы. Как правило, омматидий состоит из 8 светочувствительных клеток (ретинул) и устроен следующим образом: на дистальном конце имеется маленькая прозрачная роговица, расположенная на вспомогательном кристаллическом корпусе. Эти маленькие прозрачные линзочки и придают глазу насекомого фасеточный вид. Они опираются на стержень (рабдом), вокруг которого располагаются восемь светочувствительных клеток. Каждый омматидий обернут оболочкой из пигментных клеток, служащих для оптической изоляции. На проксимальном (ближнем к основанию) конце фасеточного глаза находится базальная пластина. Длинные отростки нервных светочувствительных клеток пересекают эту пластину, и по ним информация передается в зрительные центры. Что касается цвета, то многочисленные наблюдения показали, что различные цветовые рецепторы могут находиться в одном омматидии, но в разных ретикулярных клетках. Например, у одного из видов мух в одном омматидии шесть ретикулярных клеток имеют зрительный пигмент, чувствительный к длине волны 510 нм (что соответствует восприятию зеленого цвета), а в двух других светочувствительных клетках – к 470 нм, что ближе к синему цвету. У одного из видов тараканов в одном и том же омматидии находятся два четко выраженных типа рецепторов: с максимальной чувствительностью к ультрафиолетовому (около 360 нм) и зеленому (около 500 нм) цветам. Подобные закономерности обнаружены у многих других насекомых. А для пчел, например, показано, что они различают четыре цвета. С точки зрения человека, эти цвета можно расписать как красно-желто-зеленый, сине-зеленый, сине-фиолетовый и ультрафиолетовый. В общем, пчелы являются тетрахроматами. Удивительно, правда?

По материалам:

Джейкобс Д., Натанс Д. Эволюция цветного зрения у приматов // В мире науки. 2009. Т. 6. С. 31–39.
Тихонова Г.Н., Феоктистова Н.Ю. Кто как видит. Зрительный анализатор от одноклеточных до человека. – М.: Чистые пруды, 2006. (Библиотечка «Первого сентября», сер. «Биология». Вып. 6.)
Физиология сенсорных систем (физиология зрения). – М.: Наука, 1971.
Хохлова Т.В. Фоторецепторы птиц: молекулярная генетика зрительных пигментов, структурные и функциональные особенности клеток и их топография // Сенсорные системы. 2009. Т. 23. № 2. с. 91–105
Primate color vision: A comparative perspective // Visual Neuroscience. 2008. V. 25. N 5–6. P. 619–633

Урок биологии в 11-м классе по теме "Свет как абиотический фактор"

Источником света для Земли является Солнце. Солнечное излучение служит основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле. Растения используют энергию Солнца для синтеза органических веществ. Свет является источником тепла, от которого зависит активность жизни. Свет служит сигналом, определяющим активность процессов жизнедеятельности. Световые условия в природе имеют отчетливую суточную и сезонную периодичность, которая обусловлена вращением Земли.

- Почему в темноте растение вытягивается?

Растение всю свою энергию направляет на достижение одной цели: выйти из темной зоны. Если растению это не удается, оно погибает. Без света невозможен фотосинтез.

- Что представляет собой свет как физическое явление?

В спектре солнечного излучения выделяются три области, различные по биологическому действию: ультрафиолетовая, видимая и инфракрасная.

Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 0,290мкм губительны для всего живого. Это коротковолновое излучение задерживается озоновым слоем атмосферы. До земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей. Большие дозы повреждают клетки.

Видимые лучи (0,400 – 0,750 мкм) – большая часть энергии солнечного излучения, достигающего земной поверхности, имеют особенно большое значение для организмов. Зеленые растения синтезируют органическое вещество и пищу для всех остальных организмов за счет энергии видимых лучей.

Инфракрасные лучи (более 0,750 мкм) – важный источник внутренней энергии. Ими особенно богат прямой солнечный свет.

- Какими свойствами обладает видимый свет?

Солнечный свет, попадая в земную атмосферу, начинает расщепляться, и по всему небу разливается синий и голубой свет. Это происходит потому, что верхние слои атмосферы содержит частицы газа и пыли той же величины, что и длина волны голубого света. В результате голубой свет отражается от них. Ближе к поверхности Земли атмосфера становится плотнее, и свет, проходя через нее, все больше рассеивается. При этом больше всего рассеиваются цвета с более короткими волнами, то есть опять же голубой, синий и фиолетовый. На закате или на рассвете солнечный свет вынужден преодолевать гораздо большую часть атмосферы прежде, чем достичь ваших глаз. К тому времени, как он попадает в нижние слои атмосферы, большинство составляющих его цветов уже рассеивается. Остаются только красный и оранжевый.

- Какие процессы жизнедеятельности растений, связаны со светом? (фотосинтез, фотопериодизм, фотонастии, фототропизмы, транспирация)

Фотосинтез – синтез органических соединений из неорганических (вода, углекислый газ, минеральные вещества), идущий за счет энергии солнечного излучения.

Для фотосинтеза используется 1-5% падающего света. Пучок света улавливается фотосинтезирующим пигментом – хлорофиллом-а, находящимся на внутренних мембранах пластид. Свет необходим и для синтеза хлорофилла. Молекулы хлорофилла возбуждаются квантами синего и красного света. Активность фотосинтеза зависит от количества углекислого газа, освещенности. При очень большой интенсивности света иногда начинается обесцвечивание хлорофилла, и это замедляет фотосинтез, однако в природе растения, находящиеся в таких условиях, защищаются (толстая кутикула, опушенные листья). Растения отличаются между собой эффективностью поглощения углекислого газа из атмосферы. Растения, более эффективно использующие углекислоту и по этой причине дающие более высокие урожаи, называют “С4 – растения” (С3-растения менее эффективно используют углекислый газ). Оптимальной температурой для фотосинтеза у растений умеренного климата является +25? С. При температуре, превышающей + 35? С, происходит денатурация белков-ферментов и фотосинтез тормозится.

Лимитирующим фактором для фотосинтеза является недостаток воды. По этой причине в засушливые годы резко падает урожайность.

Рассмотрев график зависимости скорости фотосинтеза от длины волны, можно прийти к выводу, что для фотосинтеза используются синий и красный спектр видимого света.

Приспособление клеток растений против повышения освещенности. У высших растений хлоропласты имеют эллиптическую форму. В зависимости от освещенности листа хлоропласты меняют свое расположение, что защищает их от перегрева (выстраиваются вертикально друг под другом, уменьшая площадь соприкосновения со светом).

Настии – это ненаправленное движение части растения в ответ на внешний раздражитель. Направление перемещения определяется структурой соответствующего органа. Движение происходит в результате роста или же изменения тургора; при этом ничтожное смещение отдельных клеток обычно приводит к значительному движению органа благодаря специфическому положению этих клеток. “Сонные движения” (никтинастия) некоторых цветков и листьев, когда они раскрываются или закрываются в ответ на изменение освещенности (фотонастия) относятся к настическим потому, что внешние стимулы только запускают их, а направление зависит от внутренних факторов. Некоторые цветки (например, у крокуса или тюльпана) закрываются ночью потому, что лепестки снизу растут быстрее (гипонастия), а открываются в результате того, что начинает быстрее расти верхняя часть лепестков (эпинастия). У многих растений, особенно у бобовых (например, у клевера), в листьях и листочках имеются особые структуры, называемые листовыми подушечками. Листовая подушечка – это особое вздутие у основания черешка или листочка, в котором находятся крупные паренхимные клетки. Быстрое изменение тургорного давления в таких клетках приводит к тому, что листовая подушечка начинает работать как шарнир, с помощью которого и происходит движение.

Ростовая реакция, вызывающая изгибание или искривление части растения в сторону внешнего стимула, определяющего направление движения, или от него, называется тропизмом. Если движение направлено к стимулу, говорят о положительном тропизме; если в обратную сторону – об отрицательном. Ростовая реакция верхушек побегов по направлению к свету называется фототропизмом. Это обусловлено действием ауксина, вызывающего растяжение клеток теневой стороны верхушки побега, что приводит к искривлению побега. Обеднение ауксином освещенной стороны побега приводит здесь к торможению роста, а обогащение ауксином затененной стороны – к стимуляции роста. На фото изображен рост побега томата в зависимости от его расположения относительно источника света.

Гелиотропизм. Листья и цветки многих растений в течение суток могут поворачиваться, ориентируясь перпендикулярно или параллельно солнечным лучам. В отличие от фототропизма стебля движение листа гелиотропного растения не является результатом ассиметричного роста. В большинстве случаев в движении участвуют подушечки у основания листьев. Корзинка подсолнечника поворачивается вслед за солнцем для равномерного освещения.

Туристам полезно знать пижму обыкновенную. Ее листья всегда располагаются в меридиональной плоскости, т.е. с севера на юг.

Фотопериодизм – это биологическая реакция на изменения освещенности, происходящие в 24-часовом суточном цикле, т.е. реакция на продолжительность дня.

Заметна связь всех физиологических явлений у растений с сезонным ходом температуры. Но хотя она влияет на скорость жизненных процессов, все же не служит главным регулятором сезонных явлений в природе. Биологические процессы подготовки к зиме начинаются еще летом, когда температура высока. Главным фактором регуляции сезонных циклов у большинства растений является изменение продолжительности дня.

Транспирация – испарение воды растением. В основном транспирация осуществляется через устьица.

У большинства видов устьица открываются на свету и закрываются в темноте. Такой режим работы устьиц связан с использованием углекислого газа в процессе фотосинтеза и транспирации. Однако свет оказывает и более прямое действие на устьица. Давно известно, что синий свет стимулирует открывание устьиц независимо от концентрации углекислого газа. Например, протопласты замыкающих клеток лука набухают в присутствии К+ при освещении синим светом. Пигмент, поглощающий (флавин) синий свет, стимулирует поглощение ионов калия замыкающими клетками.

Хотя устьица большинства растений открыты днем и закрыты ночью, это справедливо не для всех растений. Разнообразные суккуленты, в том числе и представители семейства толстянковых (например, очиток едкий), открывают устьица ночью, когда условия наименее благоприятны для транспирации.

- Все ли растения одинаково относятся к свету?

Светолюбивые растения (гелиофиты). К этому типу относятся растения открытых, постоянно и хорошо освещаемых местообитаний; в основном растения аридных областей. К светолюбивым растениям относятся травы эфемероидного типа (фото), успевающие пройти основные фазы развития в период до распускания листьев на деревьях и кустарниках. Все растения лугов и степей – гелиофиты.

Гелиофиты имеют листья обычно мелкие, побеги сильно ветвящиеся, нередко листья имеют восковой налет, в листьях в значительных количествах содержатся пигменты. Часто листья располагаются под углом (или ребром) к лучам солнца, некоторых растений листья обладают своеобразным движением в связи с защитой от чрезмерного освещения (суточный ритм движения).

Растения степей или других открытых мест часто имеют узкие листья с относительно малой листовой поверхностью. Они получают столько света, сколько могут использовать, но постоянно находятся под угрозой чрезмерной потери воды. Фотосинтезируют при достаточно сильном освещении. Осмотическое давление клеточного сока очень высокое.

В лесу гелиофиты – деревья верхнего яруса. Растения, произрастающие в тенистом лесу, где влажность обычно высока, щедро подставляют солнцу обширную листовую поверхность. Поскольку их основная проблема – получение достаточного количества света, а не недостаток воды.

Светолюбивые деревья, выросшие на открытом месте смолоду, никогда не бывают высокими. Крона таких деревьев очень широка и начинается почти от самой земли. Совершенно иначе выглядит, например, дуб, выросший в лесу. Он высокий, стройный, а его крона узкая, сжатая с боков и начинается на довольно большой высоте. Все это – следствие конкуренции за свет, которая имеет место между деревьями в лесу. Когда деревья стоят близко друг от друга, они сильно тянутся вверх.

Тенелюбивые растения (сциофиты). Самые темные леса – еловые. При остром дефиците света растения здесь не только нормально растут в глубокой тени, но даже цветут и плодоносят. Все эти растения хорошо переносят также сравнительную бедность почвы питательными веществами и ее повышенную кислотность. Тенелюбивые растения развиваются в условиях довольно слабого освещения. При ярком освещении, особенно в условиях конкуренции с другими видами, они жить не могут. К тенелюбивым растениям относятся виды, произрастающие в нижних ярусах фитоценозов. Особенно много тенелюбов в припочвенном слое темнохвойных и широколиственных лесов.

Листовые пластинки тенелюбивых растений обычно крупные, широкие, тонкие и мягкие. Окраска листьев более темная, чем у светолюбивых растений. Листья располагаются перпендикулярно к падающему свету, образуют листовую мозаику для полного улавливания света. Наибольшая интенсивность фотосинтеза – при умеренном освещении. Осмотическое давление клеточного сока сравнительно небольшое.

Листовая мозаика - явление, при котором листья так расположены в пространстве на побегах одного растения, что их пластинки не затеняют друг друга, что, в свою очередь, позволяет растению более рационально использовать падающий на него свет.

Практическая работа “Изучение особенностей анатомического строения листа светолюбивых и тенелюбивых растений”

Цель работы: выяснить различия в анатомическом строении листьев светолюбивых и тенелюбивых растений.

Ход работы

Изучите схему микроскопического строения листа.

Сравните микроскопическое строение листьев светолюбивого растения (Береза повислая) и тенелюбивого растения (Крушина ломкая)

Сравните размеры клеток эпидермиса, расположение клеток палисадной ткани относительно друг друга, количество и размеры хлоропластов губчатой ткани.

Фотосинтез

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ - пища) - организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος - иной + τροφή - пища) - организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις - смешение + τροφή - пища) - организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Типы питания живых организмов

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς - свет и σύνθεσις - синтез) - сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Фотосинтез

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός - зелёный и φύλλον - лист) - зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

Строение хлорофилла и гемоглобина

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: "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"

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Строение хлоропласта

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны - с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Световая фаза фотосинтеза - светозависимая фаза

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма - НАДФ + превращается в восстановленную - НАДФ∗H2.

  • Свободный кислород O2 - в результате фотолиза воды
  • АТФ - универсальный источник энергии
  • НАДФ∗H2 - форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью - вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.

Темновая фаза фотосинтеза - светонезависимая фаза

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии - сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Озоновый слой

  • Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
  • Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
  • Растения поддерживают определенный процент содержания O2 в атмосфере, очищают ее от избытка CO2
  • Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Дождевые леса Амазонии

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis - синтез)

Хемосинтез - автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

Хемосинтез у нитрифицирующих бактерий

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем - нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

  • Серобактерии - окисляют H2S --> S 0 --> (S +4 O3) 2- --> (S +6 O4) 2-
  • Железобактерии - окисляют Fe +2 -->Fe +3
  • Водородные бактерии - окисляют H2 --> H +1 2O
  • Карбоксидобактерии - окисляют CO до CO2
Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества - аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.

Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.

Клубеньковые бактерии

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также: