Контрольная работа по "Биологии"

8.Осмотическое явление  в клетке, их значение в жизни   растений. Тургор, его потеря при  плазмолизе и завядании.       

Жизнедеятельность клетки характеризуется  непрерывно протекающими в ней процессами обмена веществ, причем цитоплазма избирательно реагирует на воздействие разных факторов внешней среды. В поглощении и выделении веществ большую роль играют процессы диффузии и осмоса. Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют пограничные слои цитоплазмы: плазмалемма и тонопласт. 

Плазмалемма - наружная мембрана цитоплазмы, прилегающая к клеточной оболочке. Тонопласт - внутренняя мембрана цитоплазмы, окружающая вакуоль. Вакуоли представляют собой полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком - водным раствором углеводов, органических кислот, солей, белков с низким молекулярным весом, пигментов.   Концентрация веществ в клеточном соке и во внешней среде в почве, водоемах обычно не одинаковы. Если внутриклеточная концентрация веществ выше, чем во внешней среде, вода из среды будет диффундировать в клетку, точнее в вакуоль, с большей скоростью, чем в обратном направлении, то есть из клетки в среду. Чем больше концентрация содержащихся в клеточном соке веществ, тем сильнее сосущая сила - сила, с которой клетка всасывает воду. При увеличении объема клеточного сока, вследствие поступления в клетку воды, увеличивается его давление на цитоплазму, плотно прилегающую к оболочке. При полном насыщении клетки водой она имеет максимальный объем. Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку, носит название Тургора. Тургор обеспечивает сохранение органами формы например, листьями, неодревесневшими стеблями и положения в пространстве, а также сопротивление их действию механических факторов. С потерей воды связано уменьшение тургора и увядание.

Если клетка находится в гипертоническом растворе, концентрация которого больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки - происходит плазмолиз.

В ходе плазмолиза форма плазмолизированного  протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым (рис. 1, Б). Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называют вогнутым (рис.1, В).

Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности  и принимает округлую форму. Такой  плазмолиз носит название выпуклого (рис. 1, Г ).      

 Если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Протопласт остается связанным с оболочкой многочисленными нитями Гехта. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 1, Д).                             

 При длительном нахождении клеток в растворе нитрата калия (15 мин. и более) цитоплазма набухает в удлиненных клетках, там, где протопласт не касается клеточных стенок, образуются так называемые колпачки цитоплазмы. Такой плазмолиз носит название колпачкового (рис. 1, Е).  

Рис. 1. Плазмолиз растительной клетки:

А - клетка в состоянии тургора; Б - уголковый; В - вогнутый; Г - выпуклый; Д - судорожный; Е - колпачковый.

1 - оболочка, 2 - вакуоль, 3 - цитоплазма, 4 - ядро, 5 – нити Гехта                                                               

Тургор тканей - напряжённое состояние оболочек живых клеток.                                              Тургор обуславливается тремя факторами: внутренним осмотическим давлением клетки, которое вызывает напряжение клеточной оболочки, внешним осмотическим давлением, а также упругостью клеточной оболочки.                                                                                                Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Однако плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью, легко пропускают воду и менее проницаемы,  а в некоторых случаях непроницаемы для растворенных веществ. В этом можно убедиться, рассмотрев явления плазмолиза и тургора.                          Если поместить клетку в раствор более высокой концентрации, чем в клетке, то под микроскопом видно, что цитоплазма отстает от клеточной оболочки. Это особенно хорошо проявляется на клетке с окрашенным клеточным соком. Клеточный сок остается внутри вакуоли, а между цитоплазмой и оболочкой образуется пространство, заполненное внешним раствором.

Явление отставания цитоплазмы от клеточной  оболочки получило название плазмолиза. Плазмолиз происходит в результате того, что под влиянием более концентрированного внешнего раствора вода выходит из клетки (от своего большего химического потенциала к меньшему), тогда как растворенные вещества остаются в клетке. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор вода поступает в клетку. Количество воды в клетке увеличивается, объем вакуоли возрастает, клеточный сок давит на цитоплазму и прижимает ее к клеточной оболочке. Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка растягивается, в результате клетка переходит в напряженное состояние - тургор.                                                                                                                    Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют изучить многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и цитоплазма сохранила полупроницаемость. В мертвых клетках мембрана не обладает полупроницаемостью, не контролирует потоки веществ, и осмотический выход воды не происходит. По скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости цитоплазмы. Наконец, явление плазмолиза позволяет определить величину осмотического потенциала в клетке .

18.Влияние различных  факторов на фотосинтез. Фотодыхание. 

Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в  растении  зависит от ряда внутренних и  внешних  факторов.  Из  внутренних  факторов  наиболее важное значение  имеют  структура  листа  и  содержание  в  нем  хлорофилла, скорость  накопления  продуктов   фотосинтеза    в   хлоропластах,   влияние ферментов, а также наличие  малых  концентраций  необходимых  неорганических веществ. Внешние параметры - это количество и  качество  света,  попадающего на  листья,  температура  окружающей  среды,  концентрация   углекислоты   и кислорода в атмосфере вблизи растения. Скорость фотосинтеза возрастает линейно,  или  прямо  пропорционально увеличению   интенсивности   света.   По   мере    дальнейшего    увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза  становится  все  менее  и  менее выраженным,  и,  наконец,   прекращается,   когда   освещенность   достигает определенного  уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности  света уже  не  влияет  на  скорость  фотосинтеза.  Область   стабильной   скорости фотосинтеза  называется  областью  светонасыщения.  Если   нужно   увеличить скорость фотосинтеза в  этой  области,  следует  изменять  не  интенсивность света,  а  какие-либо  другие  факторы.  Интенсивность   солнечного   света,

попадающего в ясный  летний день  на  поверхность  земли,  во  многих  местах нашей планеты составляет примерно 100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением  тех,  которые  растут  в густых  лесах и в тени, падающего солнечного  света  бывает  достаточно  для  насыщения  их  фотосинтетической активности  (энергия  квантов,  соответствующих  крайним  участкам  видимого диапазона – фиолетового и красного, различается всего лишь  в  два  раза,  и все  фотоны   этого  диапазона  в  принципе  способны   осуществить   запуск фотосинтеза).

В случае низких интенсивностей света  скорость фотосинтеза  при  15  и 25°С  одинакова.  Реакции,  протекающие при таких интенсивностях   света, которые соответствуют области  лимитирования   света,   подобно   истинным фотохимическим реакциям, не чувствительны к температурам. Однако  при  более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше,  чем  при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень   фотосинтеза зависит  не  только  от  поглощения  фотонов,  но  и  от  других   факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо  функционируют  в  интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия -  это  температура около 25°С.

В области лимитирования  светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации СО2 . Отсюда можно сделать вывод, что С02  участвует непосредственно в фотохимической реакции. В то же время при более высоких интенсивностях  освещения,  лежащих  за  пределами  области   лимитирования, фотосинтез  существенно  возрастает  при  увеличении  концентрации  СО2.   У некоторых зерновых  культур  фотосинтез  линейно  возрастал  при  увеличении концентрации  СО2  до  0,5%.  (эти  измерения  проводили  в  кратковременных опытах,  поскольку   длительное   воздействие   высоких   концентраций   СО2 повреждает листы).  Высоких  значений  скорость  фотосинтеза  достигает  при содержании С02 около 0,1%.  Средняя концентрация  углекислоты в атмосфере составляет от 0,03%. Поэтому в обычных условиях  растениям  не  хватает  СО2 для того, чтобы с максимальной  эффективностью  использовать  попадающий  на них солнечный свет. Если помещенное  в  замкнутый  объем  растение  освещать светом насыщающей интенсивности,  то  концентрация  СО2   в  объеме  воздуха будет постепенно уменьшаться и достигнет постоянного уровня, известного  под названием «С02 компенсационного пункта». В  этой  точке  появление  СО2 при фотосинтезе уравновешивается выделением О2  в результате дыхания  (темнового и светового). У растений  разных  видов  положения  компенсационных  пунктов различны.                                                                   

 Фотодыхание - это световое дыхание, совокупность процессов, происходящих в растит, клетках под действием света, в результате которых поглощается кислород и выделяется СО2. Механизм Фотодыхание и участвующие в нём ферменты изучены недостаточно. Полагают, что при Фотодыхание восстановленные вещества, которые образуются при переносе электронов в процессе фотосинтеза, могут окисляться в реакциях взаимопревращений гликолевой и глиоксиловой кислот. У некоторых растений Фотодыхание идёт весьма интенсивно — на него расходуется до 50% образуемого при фотосинтезе НАДФ- Н; у ряда тропических растений Фотодыхание вообще не наблюдается. Полагают, что избирать подавление Фотодыхания. с помощью специфических ингибиторов могло бы увеличить продуктивность ряда сельскохозяйственных растений.                                          

Фотодыхание представляет собой процесс разложения рибулезодифосфата - ключевого вещества цикла Кальвина - на фосфоглицериновую кислоту и  фосфогликолевую кислоту (С5 = С3 + С2). Этот процесс происходит в условиях наличия большого количества кислорода и осуществляется основным ферментом цикла Кальвина РДФ-карбоксилазой, который в обычных условиях осуществляет собственно акцепцию углекислого газа и образование двух молекул фосфоглицериновой кислоты.                                                Анатомическая особенность состоит в том, что в процессе фотодыхания в отличие от обычного дыхания, происходящего в митохондриях, задействованы три типа органоидов - хлоропласты, пероксисомы и митохондрии.                                                                          Суть химизма процесса состоит в том, что образовавшаяся фосфоглицериновая кислота (С3) поступает в цикл Кальвина, а фосфогликолевая кислота (С2) подвергается дефосфорилированию с образованием гликолата.                                                                     Гликолат из хлоропласта поступает в пероксисому, где окисляется до глиоксилата, который затем превращается в аминокислоту глицин. Таким образом, фотодыхание позволяет связать в общем метаболизме синтез углеводов с метаболизмом аминокислот.     Глицин поступает затем в митохондрию, где превращается в серин, освобождая углекислый газ, а серин используется в циклах синтеза аминокислот.                                           На первый взгляд процесс фотодыхания ничего, кроме потерь не приносит. И, действительно, часть накопленных в процессе фотосинтеза углеводов теряется. Однако все попытки искусственно ингибировать фотодыхание приводили к общему снижению интенсивности фотосинтеза.                                                                                                                На современном этапе развития физиологии растений принято считать, что основное значение фотодыхания заключается в его защитной роли. Сбрасывая, таким образом ,избыточную энергию, растение избегает разрушения фотосистем, обеспечивает сбалансированность световой и темновой фаз фотосинтеза.                                         Фотодыхание выполняет роль отводного канала в общем русле энергообеспечения растения.

28.Использование энергии  дыхания. Роль АТФ.

Дыхание - один из центральных  процессов обмена веществ растительного  организма. Выделяющаяся при дыхании  энергия тратится как на процессы роста, так и нa поддержание в  активном состоянии уже закончивших  рост органов растения. Вместе с тем значение дыхания не ограничивается тем, что это процесс, поставляющий энергию. Дыхание, подобно фотосинтезу, сложный окислительно ^_ восстановительный процесс , идущий через ряд этапов. На его промежуточных стадиях образуются органические соединения, которые затем используются в различных метаболических реакциях. К промежуточным соединениям относят органические кислоты и пентозы образующиеся при разных путях дыхательного распада. Таким образом, процесс дыхания - источник многих метаболитов. Несмотря на то, что процесс дыхания в суммарном виде противоположен фотосинтезу, в некоторых случаях они могут дополнять друг друга. Оба процесса являются поставщиками как энергетических эквивалентов (АТФ, НАДФ-Н), так и метаболитов. Как видно из суммарного уравнения, в процессе дыхания образуется также вода. Эта вода в крайних условиях обезвоживания может быть использована растением и предохранить его от гибели. В некоторых случаях, когда энергия дыхания выделяется в виде тепла, дыхание ведет к бесполезной потере сухого вещества. В этой связи при рассмотрении процесса дыхания надо помнить, что не всегда усиление процесса дыхания является полезным для растительного организма.

Роль АТФ. Процессы обмена вещества включают в  себя реакции, идущие с потреблением энергии, и реакции с выделением энергии. В некоторых случаях эти реакции сопряжены. Однако часто реакции, в которых энергия выделяется, отделены в пространстве и во времени от реакций, в которых она потребляется. В процессе эволюции у растительных и животных организмов выработалась возможность хранения энергии в форме соединений, обладающих богатыми энергией связями. Среди них центральное место занимает аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ представляет собой нуклеотидфосфат, состоящий из азотистого основания (аденина), пентозы (рибозы) и трех молекул фосфорной кислоты. Две концевые молекулы фосфорной кислоты образуют макроэргические, богатые энергией связи. В клетке АТФ содержится главным образом в виде комплекса с ионами магния.

Рис.2. Структура АТФ

Аденозинтрифосфат в процессе дыхания образуется из аденозиндифосфата и остатка неорганической фосфорной кислоты (Ф_н) с использованием энергии, освобождающейся при окислении различных органических веществ: АДФ + Ф_Н￫ АТФ + Н₂О. При этом энергия окисления органических соединений превращается в энергию фосфорной связи.