Хемосинтеза. Редокс реакции в процеса на хемосинтеза

Изследването на темата "Хемосинтеза" в курса по биология "Метаболизъм и енергия" и темата "Окислително-възстановителни реакции" в курса по химия представлява известна трудност за учениците. Съдържанието на двата раздела се отличава със "сух" и трудно усвоим фактически материал. Разглеждането на процеса на хемосинтеза чрез съставяне на окислителни реакции помага на учениците да разберат по-добре същността на хемосинтезата и в същото време показва незаменимостта на окислителните реакции в природата. Темата "Хемосинтеза" се изучава директно върху материала на темата "Фотосинтеза", следователно в началото на урока се отделя време за актуализиране на знанията по тази тема.

Форма за поведение. Интегриран урок с компютърна презентация.

Цели на урока:

Да разшири и затвърди знанията на учениците за химичните реакции, протичащи в процесите на фото- и хемосинтеза.
Да се формира у учениците способността да характеризират и намират връзката между понятията: автотрофи - фототрофи - хемотрофи - хетеротрофи;
фотосинтеза - хемосинтеза;
светла фаза - тъмна фаза на фитосинтезата;
AMP - ADP - ATP.
Да се консолидират уменията за съставяне и характеризиране на редокс реакции.
Да продължи формирането на познавателната активност на учениците, както и способността за привличане на знания, придобити в предишни уроци по химия и биология.

Оборудване:

През цялото време на урока се използва компютърна презентация;
Таблица, изобразяваща процеса на фотосинтеза;
Раздавателен материал по темата "Фотосинтеза", "Хемосинтеза".

I. Актуализиране на опорни знания.

В последния урок изучавахме удивителен процес, появил се в природата преди около 2 милиарда години - фотосинтеза.

Какви са екологичните последици отфотосинтеза? (натрупване на кислород, биогенен синтез на органична материя, възникване на кръговрата на веществата, необратими промени в условията на съществуване, образуване на озоновия слой).

В резултат на фотосинтезата на Земята годишно се образуват 150 милиарда тона органична материя и се отделят около 200 милиарда тона свободен кислород. Фотосинтезата създаде и поддържа модерния състав на атмосферата, необходим за живота на Земята. Предотвратява увеличаването на концентрацията на CO2 в атмосферата, предотвратявайки прегряването на Земята (парников ефект). Атмосферата, създадена от фотосинтезата, предпазва живите същества от вредното късовълново UV лъчение (кислородно-озонов екран на атмосферата).

Първите клетки, способни да използват енергията на слънчевата светлина, са се появили преди около 3 милиарда години. Те бяха едноклетъчни зелени „водорасли“. Вкаменени останки от такива клетки са открити в шистови слоеве, датиращи от този период в историята на Земята, който се нарича архейска ера. Отне повече от 1 милиард години за насищане на земната атмосфера с кислород и появата на аеробни клетки.

Очевидно е, че планетарната роля на растенията и другите фотосинтезиращи организми е изключително голяма:

те трансформират енергията на слънчевата светлина в енергията на химичните връзки на органичните съединения, която се използва от всички други живи същества

те насищат земната атмосфера с кислород, който служи за окисляване на органичните вещества и по този начин извлича натрупаната в тях химическа енергия към аеробните клетки;

И накрая, някои растителни видове в симбиоза с азотфиксиращи бактерии въвеждат газообразен атмосферен азот в състава на амонячните молекули, неговите соли в органични азотфиксиращи съединения.

От всичко казано по-горе следва, че ролята на зелените растения в планетарнатаживотът е трудно да се надцени. Запазването и разширяването на зелената покривка на Земята е от изключително значение за всички живи същества, населяващи нашата планета.

Фотосинтезата се извършва в хлоропласти, които се срещат само в еукариотните клетки.

Проверка на домашното(устен въпрос):

Каква е ролята на хлорофила във фотосинтезата?

Избройте основните етапи на преобразуване на енергията в процеса на фотосинтезата;

Сравнете биологичното значение на светлата и тъмната фаза на фотосинтезата;

II. Главна част

В природата органичната материя се създава не само от зелени растения, но и отбактерии, които не съдържат хлорофил. Този автотрофен процес се нарича хемосинтеза.Хемосинтезатаоткрита през 1889-1890 г. известният български микробиолог С. Н. Виноградски. Хемосинтезата се осъществява благодарение на енергията, освободена по време на химичните реакции на окисление на различни неорганични съединения: водород, сероводород, амоняк, железен оксид (II) и др. Енергията, генерирана в реакциите на окисление, се съхранява в бактериалните клетки под формата на АТФ.

В резервоари, чиято вода съдържа сероводород, живеят безцветни серни бактерии. В Черно море има колосално количествосерни бактерии, в което водата е наситена със сероводород на дълбочина над 200 m. Тези бактерии получават енергията, необходима за синтеза на органични съединения чрез окисляване на сероводород:

Реакцията на окисление на сероводорода се отнася до редокс реакциите. Пътят на движение на електрона отSдоОе показан със стрелки. Какви елементи действат като окислители и редуктори?

Получената свободна сяра се натрупва в бактериалните клетки под формата на множество зърна. С липсасероводород безцветни серни бактерии произвеждат допълнително окисление на свободната сяра в тях до сярна киселина:

Процесът на окисляване на сярата до сярна киселина може да бъде написан по следния начин:

Изчислете какъв е енергийният ефект от окисляването на сероводорода до сярна киселина? И двете реакции са съпроводени с отделяне на енергия - екзотермични реакции. Количеството енергия, освободено по време на окисляването на сероводород до сярна киселина, е равно на сумата от енергиите, освободени при всяка реакция. Това означава, че енергийният ефект от реакцията на окисляване на сероводород до сярна киселина е 908 kJ.

Изключително широко разпространени в почвата и в различни водоеминитрифициращи бактерии. Те извличат енергия чрез окисляване на амоняк и азотиста киселина, поради което играят много важна роля в цикъла на азота в природата. Амоняк, образуван при гниене на протеини в почвата или във водни тела. Окислява се от нитрифициращи бактерии (Nitrosomonas). Този процес отразява уравнението:

По-нататъшното окисляване на получената азотиста киселина се извършва от друга група нитрифициращи микроорганизми - Nitrobacter - nitrobacter:

Енергийният ефект на реакциите на окисляване на амоняк до азотна киселина е 763 kJ.

Процесът на нитрификация протича в почвата в огромен мащаб и служи като източник на нитрати за растенията. Жизнената активност на бактериите е един от най-важните фактори за почвеното плодородие.

Бактерии, които окисляват водородаживеят в почвата:

Енергийният ефект на реакциите на окисление на водорода е 235 kJ.

Водородните бактерии окисляват водорода, който постоянно се образува по време на анаеробното (безкислородно) разлагане на различни органични остатъци от почвените микроорганизми.

Хемосинтетичнитебактерии, които окисляват желязои манганови съединения, живеят както в пресни, така и в морски води. Благодарение на тяхната жизнена дейност на дъното на блатата и моретата се образува огромно количество отложени руди от желязо и манган. Академик В. И. Вернадски, основателят на биогеохимията, говори за находищата на железни и манганови руди в резултат на жизнената дейност на тези бактерии в древни геоложки периоди.

Енергийният ефект от реакциите на окисление на желязо (II) до желязо (III) е 324 kJ.

III. Консолидиране на изучения материал:

1. Фронтално проучване:

Сходството на автотрофното хранене при фототрофите и хемотрофите;

Разлики в енергийния метаболизъм на фотосинтезиращи и хемосинтезиращи организми.

2. Съставяне на кръстословица (на подготвени празни диаграми):

Учениците решават кръстословица, използвайки получените знания:

Серните бактерии окисляват (1) и (4);

По време на разпадането на протеините се образува (2);

Хемосинтезата е открита от български микробиолог (3);

Този елемент се натрупва в клетките на серни бактерии (4);

В процеса на хемосинтеза протичат реакции (5) на неорганични съединения;

Хемосинтетичните бактерии имат активен (6);

Енергията на окислителните реакции се съхранява в клетките под формата (7);

Редуциращият агент в реакцията на окисление на железен карбонат са йони (8);

Нитрифициращите бактерии играят важна роля в цикъла (9) в природата

Хоризонтално прочетете името на автотрофния процес(хемосинтеза)

Екологична роля на хемосинтезата.

Благодарение на хемосинтезата, бактериите участват активно в процесите на околната среда:

Нитрифициращите бактерии участват вкръговрат на азота в биосферата;
Серните бактерии, образуващи сярна киселина, допринасят за постепенното разрушаване и изветряне на скалите, разрушаването на каменни и метални конструкции; отлагания на руди и сяра;
Водородните бактерии участват в окисляването на водорода, натрупан в резултат на жизнената дейност на определени микроорганизми, в естествени условия.

Стойността на хемосинтезата в човешкия живот:

Нитрифициращите бактерии участват в процеса на образуване на почвата, тяхната жизнена дейност допринася за увеличаване на добива на селскостопански култури;
Серни бактерии, които окисляват сярата до сулфати, участват в пречистването на промишлени отпадъчни води;

натрупвания на Fe (OH) 3,, освободени в резултат на дейността на железни бактерии, образуват блатна желязна руда;
водородните бактерии се използват за получаване на хранителни и фуражни протеини;
също и за възстановяване на атмосферата в затворени системи за поддържане на живота (например системата Оазис-2, която беше тествана на космическия кораб Союз-3).

Литература.

Колесников S.I. Обща биология. Ростов на Дон, "Феникс", 2005 г.
Обща биология, изд. ак. Д.К. Беляева, М., "Просвещение", 2005 г.
Пуговкин А.П., Пуговкина Н.А. Биология, М., "Академия", 2007 г.
Рудзитис Г.Е., Фелдман Ф.Г. Химия, М., "Просвещение", 2008 г.
Хомченко И.Г. Обща химия. М., "Нова вълна", 2007 г.