ОБЩИЕ ВОПРОСЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

Источники энергии для живых организмов

Первоначальным источником энергии для живых организмов служит энергия солнечного света. Фототрофы — растения и фотосинтезирующие микроорганизмы — непосредственно используют световую энергию для синтеза сложных органических веществ (жиров, белков, углеводов и др.), являющихся вторичными источниками энергии. Гетеротрофы, к которым относятся животные, используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении органических веществ, синтезированных растениями.

Биоэнергетические процессы можно разделить на процессы производства и аккумуляции энергии и процессы, в которых за счет запасенной энергии выполняется полезная работа (рис. 1.1). Фотосинтез — основной биоэнергетический процесс на Земле. Это сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется в химическую или электрохимическую формы энергии. В первом случае это энергия, заключенная в сложных органических молекулах, а во втором — энергия градиента протонов на мембранах, которая также преобразуется в химическую форму. В фотосинтезирующих организмах кванты солнечного света поглощаются молекулами хлорофилла и переводят их электроны в возбужденное состояние с повышенной энергией. Именно за счет энергии возбужденных электронов в молекулах хлорофилла фотосинтетическая система фототрофов из простых молекул углекислого газа и воды синтезирует глюкозу и другие органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и т. д.), из которых впоследствии в организме строят ся углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Продуктом этих реакций также является молекулярный кислород.

Суммарное уравнение основных реакций фотосинтеза:

hv .

6 СО2 + 6 Н2О 7 С6Н12О6 (глюкоза) + 6 О2,

где hv — энергия фотонов.

Глобальная роль фотосинтеза исключительно велика. Мощность солнечного излучения составляет порядка 1026 Вт. Из нее до поверхности Земли доходит около 21017 Вт, а из этой величины примерно 41013Вт используется фотосинтезирующими организмами для синтеза органических веществ (Самойлов, 2004). Эта энергия поддерживает жизнь на Земле. За счет нее синтезируется около

  • 7.5- 1О10 тонн биомассы в год (в расчете на углерод). При этом порядка 41О10 тонн углерода фиксируется фитопланктоном в океане и
  • 3.5- 1010 тонн — растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами на суше.

Человечество потребляет продукты фотосинтеза в виде пищи, съедая органические вещества, первично произведенные растениями или вторично произведенные животными, поедающими растения, и в виде топлива, в качестве которого на 90 % используются ранее запасенные продукты фотосинтеза — нефть и уголь (остальную энергию дают атомные и гидроэлектростанции).

Извлечение энергии, накопленной фототрофными организмами, и ее последующее использование осуществляется в процессах питания и дыхания. При прохождении по пищеварительному тракту пища размельчается, клетки разрушаются и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы) расщепляются на низкомолекулярные мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и сахара), которые в кишечнике всасываются в кровь и транспортируются по всему организму. Из них клетки извлекают атомы водорода, несущие высокоэнергетические электроны, энергию которых удается частично запасать в виде молекул аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP). ATP — универсальный источник энергии, используемый как батарейка, там и тогда, где и когда необходимо выполнить полезную работу.

Общая схема биоэнергетических процессов представлена на рисунке 1.1.

Фотосинтез:

Г 'V с°2 + Н2° е -L хлорофилл

глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты

Белки, жиры, углеводы

Пищеварение:

I ЛЮКОЗа, /KVIpboic КИСЛОТЫ, амИНОКИСЛОТЫ

Окисгштепьное

фосфорилирование

Полезная работа

Химическая работа (биосинтезы)

Электрохимическая hoFqtq (генерация биОПО-ТбН[1] |ИЭЛОВ^

Осмотическая .работа___________

(перенос веществ через., мембраны)

Механическая .работа----------

(мышечное сокращений; внутриклеточный транспорт.)-.

Рис. 1.1. Общая схема преобразования энергии в биосистемах.

Pi— неорганический фосфат, НРО42-; е* — возбужденный электрон

  • [1] _______________________________________________________________________________________'
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >