МУ СРСП. Срсп 1 Новые направления цитологии, гистологии и физиологии растений Цель
 Скачать 1.01 Mb.
|
|
Тема: «Возможности биотехнологии для использования энергии Солнца» Цель: Изучить возможности биотехнологии для использования энергии Солнца. Основным и практически неиссякаемым источником энергии на поверхности Земли является энергия солнечного излучения, постоянным потоком поступающая из космоса благодаря протеканию термоядерных реакций на ближайшем к нам светиле - Солнце. Значительная часть этой энергии приходится на область видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,3 - 1,0 мкм) - фотосинтетически активную радиацию, эффективно поглощаемую пигментами, участвующими в фотосинтезе растений и фотосинтезирующих бактерий. Какая бы часть спектра этого излучения ни поглощалась на Земле, это в конечном счете приводит главным образом к нагреванию поверхности планеты и ее атмосферы, или же энергия вновь испускается в космическое пространство. Как известно, фотосинтез растений заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии, в результате которого из простых веществ - углекислоты и воды - синтезируются углеводы и выделяется молекулярный кислород. Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле, пожалуй, нет более удивительного процесса, который смог бы в такой степени преобразовать нашу планету. На каждый ассимилированный в процессе фотосинтеза моль углекислоты запасается 114 ккал энергии. В результате фотосинтеза энергия поглощенного кванта света (или, лучше сказать, часть этой энергии) запасается надолго: от минут и часов до сотен и даже миллионов лет. Запасание солнечной энергии происходит в очень удобной для биологического использования форме - молекулярной, в виде богатых энергией связей, в основном в сахарах и их производных, а также в аминокислотах, белках, жирах, которые в любой необходимый момент могут быть использованы растениями или "съевшими" их нефотосинтезирующими (гетеротрофными) организмами для покрытия своих энергетических потребностей, для биосинтеза собственных высокомолекулярных соединений. Масштабы фотосинтетического преобразования и запасания солнечной энергии огромны: каждый год за счет фотосинтеза на Земле образуется около 200 млрд. тонн биомассы, что эквивалентно энергии, равной 3 " 1021 Дж или 7,2 " 1020 кал. При этом необходимо иметь в виду, что фотосинтез - единственный биологический процесс, протекающий с запасанием (с увеличением) свободной энергии. Все остальные процессы, как в растениях, так и в животных, проходят за счет химической энергии, накапливаемой в фотосинтезирующих организмах в результате преобразования поглощенного солнечного света. Следовательно, практически вся живая материя на Земле представляет собой прямой или отдаленный результат фотосинтетической деятельности растений, которые являются посредниками между неиссякаемым источником энергии - Солнцем и всем живым миром нашей планеты. Население Земли ежегодно потребляет около 1 млрд. тонн продуктов питания, что соответствует 15 " 1018 Дж, если считать численность населения равной 5 млрд. человек. Следовательно, человечество потребляет в виде органических веществ лишь около 0,5% всей энергии, запасаемой в результате фотосинтеза. Общее потребление энергии в мировом масштабе составляет 3 - 4 " 1020 Дж в год, то есть около 10% всей энергии, запасаемой за год благодаря фотосинтезу. Разведанные запасы ископаемого топлива (нефти, газа, угля, торфа) по запасенной в них энергии соответствуют продукции фотосинтетической деятельности на Земле приблизительно за 100 лет, что эквивалентно также энергии, которая содержится во всей биомассе, находящейся в настоящее время на нашей планете. Процесс фотосинтеза, происходящий в растениях, составляет основу всей жизни на Земле. Благодаря ему растения, используя энергию Солнца, вырабатывают из неорганических соединений органические, которые служат пищей всем другим живым организмам; благодаря ему образовалась и поддерживается кислородная атмосфера планеты — сам воздух, которым мы дышим; наконец, почти вся энергия, производимая мировой энергетикой, это энергия ископаемого топлива, то есть продуктов фотосинтеза когда-то живших на Земле растений. Этот запас, накапливавшийся на протяжении миллионов лет, мы используем быстрыми и все возрастающими темпами. Поэтому особую актуальность приобретает проблема наилучшего использования той солнечной энергии, которая падает на поверхность Земли сегодня. Перспективы здесь очень велики. Сейчас все растения планеты потребляют на нужды фотосинтеза всего лишь около 0,1% падающей на ее поверхность энергии; расчеты же показывают, что они могут использовать до 30% поглощенного солнечного излучения. Но чтобы реализовать эти огромные потенциальные возможности, мы должны детально изучить как устройство фотосинтезирующего аппарата растений, так и сам механизм фотосинтеза. Такие исследования широко и интенсивно ведутся сейчас во многих крупных лабораториях мира. В том числе и в нашем институте. Дальнейшее их развитие, как можно надеяться, позволит, с одной стороны, управлять процессом фотосинтеза, происходящим в растениях, повышать его эффективность, а с другой используя те принципы, на которых основана работа природных фотосинтезирующих систем, создавать системы искусственные, способные в перспективе использовать энергию Солнца для получения химического и энергетического сырья. Проблема фотосинтеза – одна из самых важных проблем естествознания. И вряд ли будет преувеличением сказать, что от ее решения зависит само будущее человечества. Повышение эффективности фотосинтеза С4-растения характеризуются высокими темпами роста и скоростью фотосинтеза, у них практически отсутствует видимое фотодыхание. У большинства сельскохозяйственных культур, относящихся к С3-растениям, высокая интенсивность фотодыхания. Фотосинтез и фотодыхание — тесно связанные процессы, в основе которых лежит бифункциональная активность одного и того же ключевого фермента — рибулозобисфосфат-карбоксилазы (РуБФК). РуБФ-карбоксилаза может присоединять не только С02, но и 02, то есть осуществляет реакции карбоксилирования и оксигенирования. При оксигенировании РуБФ образуется фосфогликолат, который служит основным субстратом фотодыхания — процесса выброса С02 на свету, в результате чего теряется часть фотосинтетических продуктов. Низкое фотодыхание у С4-растений объясняется не отсутствием ферментов гликолатного пути, а ограничением оксигеназной реакции, а также реассимиляцией С02 фотодыхания. Одной из задач, стоящих перед генетической инженерией, является исследование возможности создания РуБФК с преобладающей карбоксилазной активностью. В искусственных условиях выращивания интенсивность фотосинтеза культур можно регулировать при помощи красной и синей частей спектра излучения растениеводческих ламп. В количественном отношении различают истинный (брутто) и видимый (нетто) фотосинтез. Под первым подразумевают количество органических веществ (ассимилятов), выработанных растением в целом для построения всех своих органов и покрытия их расходов на дыхание. Второй – это разность между количеством углекислого газа, поглощенным листьями и выделенным ими в процессе дыхания. Только в одном случае угнетение фотосинтеза полезно для растениеводства. Это бывает тогда, когда сорняки лишают света. Чем сильнее затенение почвы каждой культурой открытого грунта и чем раньше оно наступает, тем труднее сорнякам доходить до цветения и осеменения. Трансгенные растения — это те растения, которым пересажены гены. Картофель устойчивый к колорадскому жуку, был создан путём введения гена выделенного из ДНК клетки почвенной тюрингской бациллы, вырабатывающий белок, ядовитый для колорадского жука (в желудке жука вырабатывается яд, а в человеке нет). Использовали посредника — клетки кишечной палочки. Листья картофеля стали вырабатывать белок, ядовитый для жуков. Использует продукты из трансгенной сои, кукурузы, картофеля и подсолнечника. В Америке решили вырастить помидор устойчивый к заморозкам. Взяли ген камбалы, отвечающий за терморегуляцию, и пересадили в клетки томата. Но помидор эту информацию понял по-своему, он не перестал бояться заморозков, а перестал портиться при хранении. Он может полгода лежать в комнате и не гнить Повышение производительности процесса фотосинтеза, кроме очевидных эффектов увеличения сельскохозяйственного производства и сокращения посевных площадей, принесёт и дополнительную экологическую пользу. Ускорятся процессы поглощения растениями избытка атмосферной углекислоты техногенного происхождения, угрожающей Земле «парниковым эффектом». Можно будет даже приступить к подземной термической газификации запасов связанного углерода, 99,5% которого сейчас законсервировано природой в громадных залежах карбонатных пород. Выделяющуюся при термическом разложении карбонатов углекислоту можно перевести ускоренным фотосинтезом в органические соединения растительной биомассы, возобновляемое производство которой станет реальной альтернативой экологически грязным технологиям добычи ископаемого топлива – нефти, газа, угля (0,02% мировых запасов связанного углерода). Контрольные вопросы: Значение фотосинтеза. Какова роль фотосинтеза, фотосинтезирующих организмов в улавливании энергии? Почему утверждают, что фотосинтез - это энергетическая основа биологических процессов, энергетический двигатель развития биосферы? Как можно повысить эффективность фотосинтеза? Что вы знаете о трансгенных растениях? Задания для СРС: Предложите свои способы повышения продуктивности фотосинтеза; Проанализируйте возможности биотехнологии для использования энергии Солнца. СРСП 5 Тема: «Зависимость интенсивности дыхания от факторов внешней среды» Цель: Изучить зависимость интенсивности дыхания от факторов внешней среды. Интенсивность дыхания зависит от температуры, количества содержания углекислоты в воздухе др. Температура. При повышении температуры на 100С скорость дыхания удваивается. Это ускорение реакции называется температурным коэффициентом. Нижний температурный предел дыхания растения лежит значительно ниже 00С. Почки лиственных растений и иглы хвойных деревьев дышат, по данным Н.А.Максимова, при 20-250С мороза. Интенсивность дыхания быстро возрастает при повышении температуры до 400С, при дальнейшем ее повышении уменьшается, а после 500С дыхание резко падает и растение погибает. Дыхание усиливается с повышением температуры (на каждые 10°С — примерно в 2—3 раза), прекращаясь при 45—50°С. В тканях зимующих органов растений (почки лиственных деревьев, иглы хвойных) Дыхание продолжается (с резко сниженной интенсивностью) и при значительных морозах. Дыхание стимулируют механические и химические раздражения (поранения, некоторые яды, наркотики и т.п.). Содержание воды. Заметное дыхание наблюдается лишь в достаточно обводненных клетках. Однако прямой зависимости между интенсивностью дыхания и количеством воды нет. Так, незначительное снижение влажности листьев усиливает дыхание, при большем обезвоживании дыхание ослабляется; семена в воздушно-сухом состоянии имеют ничтожное дыхание, но с увеличением влажности семян дыхание усиливается. При созревании семян по мере уменьшения их влажности интенсивность дыхания уменьшается. Свет. Влияние света на интенсивность дыхания оказывается вследствие повышения температуры при нагревании растений солнечными лучами. Отсюда следует, что влияние света на дыхание является косвенным. Кроме того, освещение влияет на интенсивность дыхания через накопление ассимилятов, служащих дыхательным субстратом. Интенсивность дыхания меняется в ходе развития растения. Сухие покоящиеся семена дышат слабо. При набухании и последующем прорастании семян интенсивность дыхания усиливается. Самой высокой интенсивностью дыхания отличаются быстро растущие органы и ткани. С окончанием периода активного роста растений дыхание их тканей ослабевает, что связано с процессами старения протопласта. При созревании семян, плодов интенсивность дыхания уменьшается. Контрольные вопросы: Зависимость интенсивности дыхания от температуры; Зависимость интенсивности дыхания от содержания воды; Зависимость интенсивности дыхания от света; Зависимость интенсивности дыхания от онтогенеза. Задания для СРС: Составьте глоссарий по десятой, одиннадцатой и двенадцатой лекциям (не менее 25 глосс); Проанализируйте зависимость интенсивности дыхания от факторов внешней среды. СРСП 6 Тема: «Химизм дыхания» Цель: Изучить химизм дыхания. Согласно теории советского биохимика А. Н. Баха, процесс дыхания, т.е. окисление углеводов, жиров, белков, осуществляется при помощи окислительной системы клетки в два этапа: 1) активирование O2 воздуха путём его присоединения к содержащимся в живой клетке ненасыщенным, способным самопроизвольно окисляться соединениям (оксигеназам) с образованием перекисей; 2) активирование последних с освобождением атомарного кислорода, способного окислять трудно окисляемые органические вещества. По теории дегидрирования русского ботаника В. И. Палладина, важнейшее звено дыхания — активация водорода субстрата, осуществляемая дегидрогеназами. Обязательный участник сложной цепи процессов дыхания — вода, водород которой вместе с водородом субстрата используется для восстановления самоокисляющихся соединений — так называемых дыхательных пигментов. CO2, выделяющийся при дыхании, образуется без участия кислорода воздуха, т. е. анаэробно. Кислород воздуха идёт на окисление дыхательных хромогенов, превращающихся при этом в дыхательные пигменты. Дальнейшее развитие теория дыхания получила в исследованиях советского ботаника С. П. Костычева, согласно которым первые этапы аэробного дыхания аналогичны процессам, свойственным анаэробам. Превращения образующегося при этом промежуточного продукта могут идти с участием кислорода, что свойственно аэробам. У анаэробов же эти превращения идут без участия молекулярного кислорода. По современным представлениям, процесс окисления, который составляет химическую основу дыхания, заключается в потере веществом электрона. Способность присоединять или отдавать электроны зависит от величины окислительного потенциала соединения. Кислород обладает самым высоким окислительным потенциалом и, следовательно, максимальной способностью присоединять электроны. Однако потенциал кислорода сильно отличается от потенциала дыхательного субстрата. Поэтому роль промежуточных переносчиков электронов от дыхательного субстрата к кислороду выполняют специфические соединения. Попеременно окисляясь и восстанавливаясь, они образуют систему переноса электронов. Присоединив к себе электрон от менее окисленного компонента, такой переносчик восстанавливается и, отдавая его следующему компоненту с более высоким потенциалом, окисляется. Так электрон передаётся от одного звена дыхательной цепи к другому и, в конце концов, кислороду. Таков заключительный этап дыхания. Все эти процессы (активация кислорода, водорода, перенос электрона по цепи на кислород) осуществляются главным образом в митохондриях благодаря разветвлённой системе окислительно-восстановительных ферментов (см. Цитохромы). По пути следования к кислороду электроны, мобилизуемые первоначально от молекулы органического вещества, постепенно отдают заключённую в них энергию, которую клетка запасает в форме химических соединений, главным образом АТФ. Благодаря совершенным механизмам запасания и использования энергии процессы энергообмена в клетке идут с очень высоким КПД, пока недостижимым в технике. Биологическая роль дыхания не исчерпывается использованием энергии, заключённой в окисляемой органической молекуле. В ходе окислительных превращений органических веществ образуются активные промежуточные соединения — метаболиты, которые живая клетка использует для синтеза специфических составных частей своей протоплазмы, образования ферментов и др. Всем этим определяется центральное место, занимаемое дыханием в комплексе процессов обмена веществ живой клетки. В дыхании скрещиваются и увязываются процессы обмена белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и др. компонентов протоплазмы. Контрольные вопросы: Сколько этапов включает в себя процесс дыхания? Перечислить; Сущность теории дегидрирования В. И. Палладина; Сущность исследований С. П. Костычева; Где осуществляется дыхание в клетке? Какие ферменты принимают в этом участие? Биологическая роль дыхания? Задания для СРС: Составьте схему дыхания в растительной клетке; Проанализируйте химические реакции дыхания. СРСП 7 Тема: «Поглощение корнем минеральных веществ» Цель: Изучить механизм поглощения корнем минеральных веществ. В поступлении элементов минерального питания в растении основную роль играет процесс дыхания, освобождающий необходимую для этого энергию и обеспечивающий образование необходимого фонда ионов для обмена. Первым этапом поглощения ионов является адсорбция, носящая обменный характер, т.е. растение, адсорбирующее из внешней среды ион, выделяет наружу другой ион. Основные обменные ионы – это ионы Н+ и НСО3-, образующиеся в процессе дыхания. При этом катионы Н+ обмениваются на катионы внешнего раствора и анионы НСО3- – соответственно на анионы. Обменными ионами могут служить также ионы К+, Са2+, Мg2+ и др., выделяемые корнями растения. Из плазмалеммы ионы Н+ и НСО3-, вытесняются ионами наружного раствора. Вследствие этого ионные компоненты плазмалеммы находятся в постоянном движении во встречных направлениях, что указывает на динамическую устойчивость живой плазмолеммы. Поступление минеральных элементов идет на основе совсем других физических процессов, чем поступление воды, поэтому между количеством поглощенной воды и минеральных элементов нет прямой зависимости. Опытным путем доказано, что при уменьшении интенсивности транспирации не наблюдается снижения в поступлении минеральных элементов. В жизни растения минеральные элементы играют огромную роль. Вязкость, гидрофильность, степень дисперсности коллоидов, т.е. коллоидно-химические свойства протоплазмы, зависят от отношения одно- и двухвалентных катионов, главным образом калия и кальция. Многие минеральные элементы (азот, фосфор и сера) входят в состав простых и сложных белков и других органических соединений, синтезируемых в корнях. Кроме того, некоторые элементы участвуют в построении ферментов и некоторых биологически активных веществ. Например, магний входит в состав хлорофилла, железо и медь – в окислительные ферменты. Велика роль катионов калия, кальция, магния, анионов фосфорной и серной кислот в регулировке осмотического давления в клетках растения. Немаловажную роль играют минеральные вещества в поддержании определенной рН в различных частях клетки. Некоторые из элементов, например одно- и двухзамещенные фосфаты и катионы калия и кальция обладают буферными свойствами и могут препятствовать сдвигу рН. Микроэлементы, необходимые растению в очень малых количествах играют важную роль в его жизнедеятельности. Они влияют на физико-химическое состояние коллоидов протоплазмы, на обмен углеводов и белков, способствуют синтезу хлорофилла, входят в состав некоторых ферментов и активизируют их. Микроэлементы могут образовывать в растениях органоминеральные комплексы, имеющие большое значение в жизни растений. Элементы минерального питания могут находиться не только в почвенном растворе, но и в трудно растворимых минеральных соединениях и в почвенном поглощающем комплексе. Микроорганизмы, образующие кислоты в процессе своей жизнедеятельности, а также корневые выделения растений, увеличивающие кислотность почвы, способствуют переводу нерастворимых почвенных соединений в раствор. Поглощающая деятельность корня нарушает равновесие между почвенным раствором и поглощаемым комплексом почвы. В результате происходи обменная адсорбция обменная адсорбция между ионами почвенного раствора и почвенного поглощающего комплекса, ионы из поглощающего комплекса могут поступать в растение через почвенный раствор. Е.И.Ритнер показал, что растения могут усваивать элементы минерального питания не только из почвенного раствора, но и непосредственно из почвенного поглощающего комплекса. Это становится возможным при тесном контакте между поглощающей частью корневой системы и почвой. Поглощение ионов идет путем контактной адсорбции, при которой происходит обмен ионов между поглощающим почвенным комплексом и корневым волоском. При этом ионы не выделяются в почвенный раствор, обмен ионов протекает в водных сферах коллоидов корневого волоска и коллоидов почвенного поглощающего комплекса. Адсорбирующая способность почвы зависит от величины почвенных частиц: чем они меньше, тем больше их адсорбирующая поверхность. Не все ионы адсорбируются с одинаковой силой; особенно сильно адсорбируются ионы NО3- и Сl-, которые поэтому легко вымываются из почвы. Поглощение почвой ионов имеет большое значение для ее плодородия: запасы минеральных элементов вымывались бы из почвы. Контрольные вопросы: Что такое совокупность процессов поглощения из почвы, передвижения и усвоения химических биогенных элементов. Какие элементы относятся к макроэлементам? Какие элементы относятся к микроэлементам? Что происходит при недостатке N /S/? Что происходит при недостатке соединений фосфора? Что происходит при недостатке K, Mg, Ca? Что происходит при недостатке Ca? Что происходит при недостатке Mg? Первым этапом поглощения ионов корнем? Задания для СРС: Напишите реферат на одну из тем: Азот. Значение азота. Источники азота для растений. Восстановление нитратов. Пути ассимиляции аммиака в растении; Фосфор. Значение разных типов фосфорсодержащих соединений в клетке. Поступление фосфора в клетку, пути включения фосфора в метаболизм; Сера. Основные серосодержащие соединения, их роль в метаболизме. Источники серы. Восстановление сульфатов. Ассимиляция серы в растении; Значение калия, кальция, магния, железа в обмене веществ. Поступление их в растения и включение в метаболизм; Микроэлементы. Современные представления о роли микроэлементов в метаболизме растений. Физиолого-биохимическая роль меди, марганца, молибдена, цинка, бора. 2. Проанализируйте механизм поглощения корнем минеральных веществ. СРСП 8 |