Toimub valgusenergia muundamine keemiliseks energiaks. Päikeseenergia elektriks muundamise põhimõte. Päikeseenergia praktiline kasutamine

"Bioloogia ühtsed riigieksami küsimused 2013" - organismi genotüüp. Sümbiootiline suhe. Valgu molekul. Põhilised vead. Tubakasuits. Sarnasused ja erinevused mutatsiooni ja kombinatsiooni varieeruvuse vahel. Nukleotiid. Kui palju rakke moodustub meioosi tagajärjel? Valgu molekulid. Veregrupp. Downi sündroom. Nukleotiidide kolmik. Energia metabolismi etapid. Bioloogia konsultatsioon. Trombotsüüdid. Kombinatiivne varieeruvus. Kemo-autotroofse toitumise võime.

"Erisüsteemi haigused" - tsüstiit. Uretriit. Diabeetiline nifropaatia. Nefrogeenne aneemia. Urolitiaas. Püelonefriit. Hüdronefroos. Polütsüstiline neeruhaigus. Neerukoolikud. Neerude amüloidoos. Eritussüsteemi ägedad haigused. Prostatiit.

"Paleogeeni periood" - kliima. Kliima oli isegi troopiline. Tsenosoikumi ajastu. Luine kala. Oligotseen. Paleogeeni algus. Loomade maailm. Diatrymes. Paleogeen. Lehvisabaga hambutu linnud. Ülem-eotseen. Paleogeenne periood.

“Bioloogia ühtsed riigieksami küsimused” – lindude klassi õitseng. Millist paljunemist peetakse aseksuaalseks? Milline kloroplasti struktuur sisaldab ensüüme. Loo vastavus tunnuse ja elundi vahel. Somaatilised mutatsioonid. Kudede välimus. Ärrituse tajumine. Selgroogsetel muutus kuulmisorgan evolutsiooni käigus. Ühtse riigieksami tulemuste analüüs bioloogias. Platsentatsioon. Kopsude tekkimine. Silma struktuur. Kui palju autosoome leidub somaatiliste rakkude tuumades?

"Tervisliku toitumise reeglid" - täisteenindusega sööklate korraldamine. Programmi rakendamine. Kana. Programmi rakendamise tulemused. Valk. Õige toitumine on elustiil. Tervislik toitumine. Õige toitumine. Toitumisteooriad. Toitlustus koolilastele. Klassikaline tasakaalustatud toitumise teooria. Koolitoitumise süsteemi terviklik ümberkorraldamine. Dieedid. Programmi eesmärgid ja eesmärgid. Koolitoitumise dieedi väljatöötamiseks on 2 võimalust.

"Piimatoodete tootmine" - Piima kvaliteedi uuring. Ehitus. Loomakasvatustööstus. Ekskursiooniaruanne. Süsivesikute määramine piimas. Staritski koorejaam. Pakkumine. Kriitikute ja analüütikute tööd. Toodetud piima. Suure teadlase panus. Dmitri Ivanovitš Mendelejevi panus piimatööstuse arengusse. Tõeline teadlane. Telli. Juustu valmistamise areng. Ideed. Rasvasisalduse määramine. Piimakomponentide omadused.

Täna räägime organismidest, kes kasutavad oma elus päikeseenergiat. Selleks peame puudutama sellist teadust nagu bioenergia. Ta uurib viise, kuidas elusorganismid energiat muundada ja seda eluprotsessis kasutada. Bioenergia põhineb termodünaamikal. See teadus kirjeldab erinevat tüüpi energiate üksteiseks muundamise mehhanisme. Sealhulgas päikeseenergia kasutamine ja muundamine erinevate organismide poolt. Termodünaamika abil on võimalik täielikult kirjeldada meie ümber toimuvate protsesside energiamehhanismi. Kuid termodünaamika abil on võimatu mõista konkreetse protsessi olemust. Selles artiklis püüame selgitada päikeseenergia kasutamise mehhanismi elusorganismide poolt.

Kirjeldamaks energia muundumist elusorganismides või muudes meie planeedi objektides, peaksime neid käsitlema termodünaamika seisukohast. See tähendab, süsteem, mis vahetab energiat keskkonna ja objektidega. Neid saab jagada järgmisteks süsteemideks:

• Suletud;
• Isoleeritud;
• Avatud.

Käesolevas artiklis käsitletavad elusorganismid on avatud süsteemid. Nad korraldavad pidevat energiavahetust OS-i ja ümbritsevate objektidega. Koos vee, õhu ja toiduga satuvad kehasse igasugused keemilised ained, mis erinevad sellest keemilise koostise poolest. Kehasse sattudes läbivad nad sügava töötlemise. Nad läbivad mitmeid muutusi ja muutuvad sarnaseks keha keemilise koostisega. Pärast seda muutuvad nad ajutiselt keha osaks.

Mõne aja pärast need ained hävivad ja annavad kehale energiat. Nende lagunemissaadused eemaldatakse kehast. Nende koha kehas täidavad teised molekulid. Sel juhul ei rikuta keha struktuuri terviklikkust. Selline energia assimilatsioon ja töötlemine organismis tagab organismi uuenemise. Energia metabolism on vajalik kõigi elusorganismide eksisteerimiseks. Kui energia muundamise protsessid kehas peatuvad, siis see sureb.

Päikesevalgus on Maa bioloogilise energia allikas. Päikesest saadav tuumaenergia toodab kiirgusenergiat. Meie tähe vesinikuaatomid muutuvad reaktsiooni tulemusena He-aatomiteks. Reaktsiooni käigus vabanev energia vabaneb gammakiirguse kujul. Reaktsioon ise näeb välja selline:

4H? He4 + 2e + hv, kus

v on gammakiirte lainepikkus;

h on Plancki konstant.

Seejärel vabaneb pärast gammakiirguse ja elektronide vastasmõju energiat footonite kujul. Seda valgusenergiat kiirgab taevakeha.

Kui päikeseenergia jõuab meie planeedi pinnale, püüavad taimed selle kinni ja muundavad. Nendes muundatakse päikeseenergia keemiliseks energiaks, mis salvestub keemiliste sidemete kujul. Need on sidemed, mis ühendavad aatomeid molekulides. Näiteks on glükoosi süntees taimedes. Selle energia muundamise esimene etapp on fotosüntees. Taimed varustavad seda klorofülliga. See pigment tagab kiirgusenergia muundamise keemiliseks energiaks. Süsivesikud sünteesitakse veest ja CO 2 -st. See tagab taimede kasvu ja energia ülekandmise järgmisse etappi.

Energia ülekande järgmine etapp toimub taimedelt loomadele või bakteritele. Selles etapis muudetakse taimedes sisalduv süsivesikute energia bioloogiliseks energiaks. See toimub taimemolekulide oksüdatsiooni käigus. Saadud energia hulk vastab kogusele, mis kulutati sünteesiks. Osa sellest energiast muundatakse soojuseks. Selle tulemusena salvestatakse energia kõrge energiasisaldusega adenosiintrifosfaadi sidemetesse. Seega ilmub päikeseenergia, mis läbib mitmeid transformatsioone, elusorganismides erineval kujul.

Siin tasub vastata korduma kippuvale küsimusele: "Milline organell kasutab päikesevalguse energiat?" Need on kloroplastid, mis osalevad fotosünteesi protsessis. Nad kasutavad seda orgaaniliste ainete sünteesimiseks anorgaanilistest ainetest.

Pidev energiavoog on kõigi elusolendite olemus. See liigub pidevalt rakkude ja organismide vahel. Rakutasandil on energia muundamiseks tõhusad mehhanismid. Energia muundamine toimub kahes peamises struktuuris:

• Kloroplastid;
• Mitokondrid.

Inimene, nagu ka teised planeedi elusorganismid, täiendab oma energiavarusid toiduga. Pealegi on osa tarbitavatest toodetest taimset päritolu (õunad, kartulid, kurgid, tomatid) ja osa loomset päritolu (liha, kala ja muud mereannid). Ka loomad, keda me sööme, saavad energiat taimedest. Seetõttu muundatakse kogu meie kehale saadav energia taimedest. Ja nende jaoks ilmneb see päikeseenergia muundamise tulemusena.

Energiatootmise tüübi järgi võib kõik organismid jagada kahte rühma:

• Fototroofid. ammutage energiat päikesevalgusest;
• Kemotroofid. Nad saavad energiat redoksreaktsiooni käigus.

See tähendab, et päikeseenergiat kasutavad taimed ja loomad saavad taimi süües energiat, mis on orgaanilistes molekulides.

Kuidas muundub energia elusorganismides?

Organismide poolt muundatavat energiat on 3 peamist tüüpi:

• Kiirgusenergia muundamine. Seda tüüpi energia kannab päikesevalgust. Taimedes püüab kiirgusenergiat pigment klorofüll. Fotosünteesi tulemusena muundatakse see keemiliseks energiaks. Seda kasutatakse omakorda hapniku sünteesi ja muude reaktsioonide protsessis. Päikesevalgus kannab kineetilist energiat ja taimedes muutub see potentsiaalseks energiaks. Saadud energiavaru salvestub toitainetes. Näiteks süsivesikutes;
• Keemilise energia muundamine. Süsivesikutest ja teistest molekulidest muundatakse see suure energiaga fosfaatsidemete energiaks. Need muutused toimuvad mitokondrites.
• Kõrge energiaga fosfaatsidemete energia muundamine. Seda tarbivad elusorganismi rakud erinevat tüüpi tööde tegemiseks (mehaaniline, elektriline, osmootne jne).

Nende transformatsioonide käigus kaob osa energiavarust ja see hajub soojuse kujul.

Organismide salvestatud energia kasutamine

Ainevahetuse käigus saab organism energiavaru, mis kulub bioloogilise töö tegemiseks. See võib olla kerge, mehaaniline, elektriline, keemiline töö. Ja keha kulutab väga suure osa oma energiast soojuse kujul.

Allpool kirjeldatakse lühidalt peamisi energiatüüpe kehas:

• Mehaaniline. Iseloomustab makrokehade liikumist, samuti nende liikumise mehaanilist tööd. Selle võib jagada kineetiliseks ja potentsiaalseks. Esimese määrab makrokehade liikumiskiirus, teise aga nende paiknemist üksteise suhtes;
• Keemiline. Määratakse molekulis olevate aatomite vastasmõju järgi. See on molekulide ja aatomite orbiitidel liikuvate elektronide energia;
• Elektriline. Just laetud osakeste vastastikmõju põhjustab nende liikumist elektriväljas;
• Osmootne. Tarbitakse ainemolekulide kontsentratsioonigradienti vastu liikudes;
• Reguleeriv energia.
• Termiline. Määratud aatomite ja molekulide kaootilise liikumise järgi. Selle liikumise peamine omadus on temperatuur. Seda tüüpi energia on kõigist ülalloetletutest kõige devalveeritud.

Temperatuuri ja aatomi kineetilise energia suhet saab kirjeldada järgmise valemiga:

E h = 3/2rT, kus

r on Boltzmanni konstant (1,380*10 -16 erg/deg).

Kuidas vabaneb toitainetest energia?

Toitainetest energia ammutamise protsessis on 3 tavapärast etappi;

• Ettevalmistav. See etapp on vajalik toidurakkudes olevate biopolümeeride muundamiseks monomeerideks. See vorm on parim energia ammutamiseks. See protsess (hüdrolüüs) toimub soolestikus või sisemiselt. Hüdrolüüs toimub lüsosoomide ja tsütoplasmaatiliste ensüümide osalusel. Selle etapi energiaväärtus on null. Selles etapis vabaneb 1 protsent substraatide energiaväärtusest ja see kõik läheb soojusena kaduma;
• Teises etapis lagunevad monomeerid osaliselt vaheproduktideks. Tekivad Krebsi tsükli happed ja atsetüül-CoA. Esialgsete substraatide arv selles etapis väheneb kolmele ja vabaneb kuni 20 protsenti substraatide energiavarust. Protsess toimub anaeroobselt, st ilma hapniku juurdepääsuta. Energia salvestub osaliselt ATP fosfaatsidemetes ja ülejäänu tarbitakse soojuse kujul. Monomeeride lagunemine toimub hüaloplasmas ja ülejäänud protsessid toimuvad mitokondrites;
• Viimases etapis lagunevad monomeerid hapnikuga seotud reaktsioonis H 2 O-ks ja CO 2 -ks. Bioloogiline oksüdatsioon toimub energiavarude täielikul vabanemisel. Kolmest eelmises etapis esinenud metaboliidist on alles vaid H2. See on universaalne kütus hingamisahelas. Selles etapis vabaneb ülejäänud 80 protsenti energiavarust. Osa energiast väljub soojusena ja ülejäänu salvestub fosfaatsidemetes. Kõik reaktsioonid selles etapis toimuvad mitokondrites.

Energia vabanemine elusrakkudes toimub järk-järgult. Kõigil eritumise etappidel võib see koguneda aine rakkudele sobival keemilisel kujul. Raku energiastruktuur sisaldab 3 erinevat funktsionaalset plokki, milles toimuvad erinevad protsessid:

• I-protsessid (oksüdatsioonisubstraatide moodustumine, mis vastavad rakkudes oksüdatiivsele ensüümile);
• Plokk S-H 2 (oksüdatsioonisubstraat);
• Vesiniku tootmise protsessid. Väljund on KH 2 (vesinik koensüümiga).

Need keerulised mitmeastmelised protsessid toimuvad päikeseenergia muundumisel taimedes ja elusorganismides.
Kui see artikkel oli teile kasulik, jagage selle linki sotsiaalvõrgustikes. See aitab saidi arendamisel kaasa. Hääletage allolevas küsitluses ja hinnake materjali! Artikli parandused ja täiendused palun jätke kommentaaridesse.

Õpik 10-11 klassile

III peatükk. Rakkude varustamine energiaga

Iga elusorganism, nagu ka üksikrakk, on avatud süsteem, st vahetab ainet ja energiat keskkonnaga. Kogu kehas toimuvate ensümaatiliste metaboolsete reaktsioonide kogumit nimetatakse ainevahetuseks (kreeka keelest "metabool" - transformatsioon). Ainevahetus koosneb omavahel seotud assimilatsioonireaktsioonidest - kõrgmolekulaarsete ühendite (valgud, nukleiinhapped, polüsahhariidid, lipiidid) sünteesist ja dissimilatsioonist - orgaaniliste ainete lagunemisest ja oksüdatsioonist, mis tekivad energia muundamisel. Assimilatsioon, mida nimetatakse ka plastiliseks vahetuseks, on võimatu ilma dissimilatsiooni (energiavahetuse) tulemusena vabaneva energiata. Dissimilatsioon ei toimu omakorda ilma plastilise ainevahetuse tulemusena tekkivate ensüümideta.

Igasugune elutegevuse ilming (vee ja selles lahustunud anorgaaniliste ühendite imendumine, orgaaniliste ainete süntees, polümeeride lõhustumine monomeerideks, soojuse teke, liikumine jne) nõuab energiakulu.

Kõigi meie planeedil elavate elusolendite peamine energiaallikas on päikesevalguse energia. Otseselt kasutavad seda aga ainult roheliste taimede rakud, üherakulised vetikad, rohe- ja lillabakterid. Need rakud on päikesevalguse energiat kasutades võimelised sünteesima orgaanilisi aineid – süsivesikuid, rasvu, valke, nukleiinhappeid. Valgusenergia kasutamisel tekkivat biosünteesi nimetatakse fotosünteesiks. Fotosünteesiks võimelisi organisme nimetatakse fotoautotroofseteks.

Fotosünteesi lähteaineteks on vesi, Maa atmosfääri süsinikdioksiid, samuti veekogudest ja pinnasest pärinevad lämmastiku-, fosfori- ja väävli anorgaanilised soolad. Lämmastiku allikaks on ka õhulämmastiku (N 2) molekulid, mida omastavad peamiselt liblikõieliste taimede pinnases ja juuresõlmedes elavad bakterid. Sel juhul muutub gaas lämmastik osaks ammoniaagi molekulist - NH 3, mida seejärel kasutatakse aminohapete, valkude, nukleiinhapete ja muude lämmastikku sisaldavate ühendite sünteesiks. Sõlmebakterid ja liblikõielised taimed vajavad üksteist. Erinevat tüüpi organismide ühist vastastikku kasulikku olemasolu nimetatakse sümbioosiks.

Lisaks fotoautotroofidele on mõned bakterid (vesinik-, nitrifitseerimis-, väävlibakterid jne) võimelised sünteesima anorgaanilistest orgaanilisi aineid. Nad teostavad seda sünteesi anorgaaniliste ainete oksüdatsiooni käigus vabaneva energia tõttu. Neid nimetatakse kemoautotroofideks. Kemosünteesi protsessi avastas 1887. aastal vene mikrobioloog S. N. Vinogradsky.

Kõiki meie planeedi elusolendeid, kes ei suuda sünteesida anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi aineid, nimetatakse heterotroofideks. Kõik loomad ja inimesed elavad taimede poolt talletatud Päikese energiast, mis muundatakse äsja sünteesitud orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks.

Tuleb märkida, et nii fotosünteetilised kui ka kemosünteetilised organismid on võimelised saama energiat ka orgaaniliste ainete oksüdatsiooni kaudu. Heterotroofid saavad need ained aga väljastpoolt valmis kujul, autotroofid aga sünteesivad neid anorgaanilistest ühenditest.

Fotosünteetilised rakud neelavad atmosfäärist süsihappegaasi ja eraldavad sinna hapnikku. Enne fotosünteetiliste rakkude ilmumist meie planeedile oli Maa atmosfäär hapnikupuudus. Fotosünteetiliste organismide tulekuga tõi atmosfääri järkjärguline hapnikuga täitumine kaasa uut tüüpi energiaaparaadiga rakkude tekkimise. Need olid rakud, mis tootsid energiat valmis orgaaniliste ühendite, peamiselt süsivesikute ja rasvade oksüdeerimisel, oksüdeeriva ainena kaasates õhuhapnikut. Orgaaniliste ühendite oksüdeerumisel vabaneb energia.

Atmosfääri hapnikuga küllastumise tulemusena tekkisid aeroobsed rakud, mis suutsid hapnikku kasutada energia tootmiseks.

§ 11. Fotosüntees. Valguse energia muundamine keemilise sideme energiaks

Esimesed rakud, mis on võimelised kasutama päikesevalguse energiat, ilmusid Maale umbes 4 miljardit aastat tagasi Arhea ajastul. Need olid tsüanobakterid (kreeka sõnast "tsüanoos" - sinine). Nende kivistunud jäänused on leitud põlevkivikihtidest, mis pärinevad sellest Maa ajaloo perioodist. Maa atmosfääri hapnikuga küllastumiseks ja aeroobsete rakkude tekkeks kulus veel 1,5 miljardit aastat.

On ilmselge, et taimede ja teiste fotosünteetiliste organismide roll meie planeedi elu arengus ja säilimises on äärmiselt suur: nad muudavad päikesevalguse energia orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energiaks, mida seejärel kasutavad kõik teised elusolendid. olendid; nad küllastavad Maa atmosfääri hapnikuga, mis oksüdeerib orgaanilisi aineid ja eraldab sel viisil aeroobsete rakkude poolt neisse salvestatud keemilise energia; lõpuks viivad teatud tüüpi taimed, kes on sümbioosis lämmastikku siduvate bakteritega, ammoniaagi, selle soolade ja orgaaniliste lämmastikku sisaldavate ühendite molekulide koostisesse atmosfääri lämmastikku.

Roheliste taimede rolli planeedi elus on raske üle hinnata. Maa rohelise katte säilitamine ja laiendamine on kriitilise tähtsusega kõigi meie planeedi elavate asjade jaoks.

Valgusenergia salvestamine bioloogilistesse "akudesse". Päikesevalguse voog kannab erineva pikkusega valguslaineid. Taimed kasutavad valguse "antenne" (peamiselt klorofülli molekule), et absorbeerida valguslaineid spektri punases ja sinises osas. Klorofüll laseb spektri rohelises osas valguslaineid läbi ilma neid blokeerimata, mistõttu on taimedel roheline värvus.

Valgusenergia abil viiakse klorofülli molekulis olev elektron kõrgemale energiatasemele. Järgmisena hüppab see suure energiaga elektron nagu sammud mööda elektronikandjate ahelat, kaotades energiat. Elektronide energia kulutatakse teatud tüüpi bioloogiliste "patareide" "laadimiseks". Süvenemata nende struktuuri keemilistesse omadustesse, oletame, et üks neist on adenosiintrifosforhape, mida nimetatakse ka adenosiintrifosfaadiks (lühendatult ATP). Nagu juba paragrahvis 6 mainitud, sisaldab ATP kolme omavahel seotud fosforhappejääki, mis on kinnitunud adenosiini külge. Skemaatiliselt saab ATP-d kirjeldada valemiga: adenosiin-P-P~P, kus P on fosforhappe jääk. Teise ja kolmanda terminaalse fosfaadi vaheline keemiline side salvestab energia, mille elektron loobub (seda erilist keemilist sidet kujutab laineline joon). See tekib seetõttu, et kui elektron kannab oma energia üle adenosiindifosfaadile (adenosiin-P-P, ADP), lisandub veel üks fosfaat: ADP+P+E → ATP, kus E on elektroni energia, mis on säilitatakse ATP-s. Kui ATP lagundatakse ensüümi adenosiintrifosfataas (ATPaas) toimel, siis terminaalne fosfaat eraldub ja energia vabaneb:

Taimerakus kasutatakse ATP energiat vee ja soolade transpordiks, rakkude jagunemiseks, kasvuks ja liikumiseks (pidage meeles, kuidas päevalille pea Päikese järel pöördub).

ATP energia on vajalik glükoosi, tärklise, tselluloosi ja teiste orgaaniliste ühendite molekulide sünteesiks taimedes. Orgaaniliste ainete sünteesiks taimedes on aga vaja teist bioloogilist “akut”, mis salvestab valgusenergiat. Sellel akul on hääldamatu pikk nimi: nikotiini amiid-adeniindinukleotiidfosfaat (lühendatult NADP, hääldatakse "nad-eff"). See ühend eksisteerib vähendatud kõrge energiasisaldusega kujul: NADP-H (hääldatakse nad-eh-ash).

Selle ühendi oksüdeeritud vorm, mis on kaotanud energiat, on NADP+ (hääldatakse nad-ef-plus). Kaotades ühe vesinikuaatomi ja ühe elektroni, muutub NADP-H NADP +-ks ja redutseerib süsinikdioksiidi (veemolekulide osalusel) glükoosiks C 6 H 12 0 6; puuduvad prootonid (H+) võetakse vesikeskkonnast. Lihtsustatud kujul saab selle protsessi kirjutada keemilise võrrandina:

Süsinikdioksiidi ja vee segamisel aga glükoosi ei teki. Selleks on vaja mitte ainult NADP-H redutseerimisvõimet, vaid ka ATP ja CO 2 siduva ühendi energiat, mida kasutatakse glükoosi sünteesi vaheetappides, samuti mitmeid ensüüme - selle protsessi bioloogilisi katalüsaatoreid. .

Vee fotolüüs. Kuidas tekib fotosünteesi käigus hapnik? Fakt on see, et valgusenergiat kulutatakse ka veemolekulide lõhestamiseks – fotolüüsiks. Sel juhul moodustuvad prootonid (H +), elektronid (O ja vaba hapnik):

Fotolüüsi käigus tekkivad elektronid täiendavad oma kadusid klorofülliga (nagu öeldakse, täidavad nad klorofüllis tekkiva "augu". Mõned elektronid taandavad prootonite osalusel NADP + NADP-H-ks. Hapnik on selle reaktsiooni kõrvalprodukt (joonis 19). Nagu glükoosi sünteesi üldvõrrandist näha, eraldub hapnik.

Kui taimed kasutavad päikesevalgusest saadavat energiat, ei vaja nad hapnikku. Päikesevalguse puudumisel muutuvad taimed aga aeroobideks. Ööpimeduses tarbivad nad hapnikku ja oksüdeerivad sarnaselt loomadega päeval talletatud glükoosi, fruktoosi, tärklist ja muid ühendeid.

Fotosünteesi heledad ja tumedad faasid. Fotosünteesi protsessis eristuvad heledad ja tumedad faasid. Taimede valgustamisel muundatakse valgusenergia ATP ja NADP-H keemiliste sidemete energiaks. Nende ühendite energia vabaneb kergesti ja kasutatakse taimeraku sees erinevatel eesmärkidel, eelkõige glükoosi ja teiste orgaaniliste ühendite sünteesiks. Seetõttu nimetatakse seda fotosünteesi algfaasi valgusfaasiks. Ilma päikesevalguse või kunstliku valguseta, mille spekter sisaldab punaseid ja siniseid kiiri, ei toimu taimerakus ATP ja NADP-H süntees. Kui aga ATP ja NADP-H molekulid on taimerakku juba kogunenud, võib glükoosi süntees toimuda pimedas, ilma valguse osaluseta. Need biokeemilised reaktsioonid ei vaja valgustamist, kuna need on juba varustatud valgusenergiaga, mis on salvestatud bioloogilistesse "akudesse". Seda fotosünteesi etappi nimetatakse tempofaasiks.

Riis. 19. Fotosünteesi skeem

Kõik fotosünteesireaktsioonid toimuvad kloroplastides - paksenenud ovaalsetes või ümarates moodustistes, mis paiknevad taimeraku tsütoplasmas (kloroplastidest oli lühidalt juttu juba § 9). Iga rakk sisaldab 40-50 kloroplasti. Kloroplastid on väljast piiratud topeltmembraaniga ja sees asuvad õhukesed lamedad kotid - tülakoidid, mis on samuti piiratud membraanidega. Tülakoidid sisaldavad klorofülli, elektronide kandjaid ja kõiki fotosünteesi valgusfaasis osalevaid ensüüme, samuti ADP, ATP, NADP + ja NADP-H. Kümned tülakoidid on tihedalt pakitud virnadesse, mida nimetatakse granaks. Grana vahelises siseruumis - kloroplastide stroomas - on ensüümid, mis osalevad CO 2 redutseerimisel glükoosiks, kasutades fotosünteesi valgusfaasi produktide - ATP ja NADP-H - energiat. Järelikult toimuvad stroomas fotosünteesi tumeda faasi reaktsioonid, mis on tihedalt seotud tülakoidides lahti rulluva valgusfaasiga. Fotosünteesi heledad ja tumedad faasid on skemaatiliselt näidatud joonisel 19.

Kloroplastidel on oma geneetiline aparaat – DNA molekulid ja nad paljunevad autonoomselt rakkude sees. Arvatakse, et rohkem kui 1,5 miljardit aastat tagasi olid need vabad mikroorganismid, mis said taimerakkude sümbiontideks.

1. Selgitage, miks me ütleme, et Maal eluks vajalikku energiat annab algselt Päike.
2. Selgitage, miks kasutatakse fotosünteesi protsessis süsihappegaasi ja vett, ning näidake, mis on fotosünteesi kõrvalsaaduse, hapniku allikas.
3. Kuidas on seotud fotosünteesi ja maailma elanikkonna toiduga varustamise probleemid?
4. Miks muutub fotosünteesi käigus lehele langeva päikesevalguse energia orgaanilistes ühendites salvestunud energiaks, mille efektiivsus on vaid umbes 1%? Milline on ülejäänud energia saatus?
5. Täitke tabel.

See elektrienergia tootmise meetod põhineb päikesevalgus, õpikutes nimetatud nimega – Footonid. Meie jaoks on see huvitav, sest nii nagu liikuval õhuvoolul, on ka valgusvoolul energiat! Ühe astronoomilise ühiku (149 597 870,66 km) kaugusel Päikesest, kus asub meie Maa, on päikesekiirguse voo tihedus 1360 W/m2. Ja läbinud maa atmosfääri, kaotab vool peegelduse ja neeldumise tõttu oma intensiivsuse ning maapinnal on see juba ~ 1000 W/m2. Siit algab meie töö: kasutada valgusvoo energiat ja muuta see igapäevaelus vajalikuks energiaks – elektriliseks.

Selle teisenduse mõistatus leiab aset väikesel kaldnurkadega pseudoruudul, mis on lõigatud 125 mm läbimõõduga ränisilindrist (joonis 2) ja selle nimi on . Kuidas?

Sellele küsimusele said vastuse füüsikud, kes avastasid sellise nähtuse nagu fotoelektriline efekt. Fotoelektriline efekt on nähtus, kus elektronid paiskuvad valguse mõjul aine aatomitest välja.

Aastal 1900 Saksa füüsik Max Planck pakkus välja hüpoteesi: valgus kiirgab ja neeldub eraldi portsjonitena - kvantid(või footonid). Iga footoni energia määratakse järgmise valemiga: E =h∙ ν (tuhaakt) kus h- Plancki konstant on võrdne 6,626 × 10 -34 J∙s, ν - footoni sagedus. Plancki hüpotees selgitas fotoelektrilise efekti fenomeni, mille avastas 1887. aastal saksa teadlane Heinrich Hertz ja uuris eksperimentaalselt vene teadlane Aleksandr Grigorjevitš Stoletov, kes saavutas saadud tulemuste kokkuvõttel järgmise kolm fotoelektrilise efekti seadust:

1. Valguse konstantse spektraalse koostise korral on küllastusvoolu tugevus otseselt võrdeline katoodile langeva valgusvooga.
2. Valguse poolt väljutatavate elektronide esialgne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sageduse suurenedes ega sõltu selle intensiivsusest.
3. Fotoelektrilist efekti ei teki, kui valguse sagedus on väiksem kui igale ainele iseloomulik teatud väärtus, mida nimetatakse punaseks piiriks.

Fotoelektrilise efekti teooria, mis selgitab FEP-is valitsevat mõistatust, töötas välja Saksa teadlane Albert Einstein 1905. aastal, selgitades seadusi. fotoelektriline efekt, kasutades valguse kvantteooriat. Tuginedes energia jäävuse ja muundamise seadusele, pani Einstein üles fotoelektrilise efekti käigus tekkiva energiabilansi võrrandi:

Kus: h∙ ν - footoni energia, A– tööfunktsioon – minimaalne töö, mis tuleb teha, et aine aatomist elektron lahkuks. Seega selgub, et valguse osake – footon – neeldub elektroni, mis omandab täiendava kineetilise energia ½m∙v 2 ja teostab aatomist lahkumise tööd, mis annab võimaluse vabalt liikuda. Ja elektrilaengute suunatud liikumine on elektrivool, õigemini öeldes, aines tekib elektromotoorjõud - E.M.F.

Einstein pälvis 1921. aastal Nobeli preemia fotoelektrilise efekti võrrandi eest.

Naastes minevikust tänapäeva, näeme, et päikesepatarei "süda" on FEP (pooljuhtfotoelement), milles realiseerub hämmastav looduse ime - Valve PhotoEffect (VPE). See seisneb elektromotoorjõu ilmnemises p-n-siirdes valguse mõjul. VFE või fotoelektriline efekt tõkkekihis, - nähtus, mille korral elektronid lahkuvad kehast, minnes läbi liidese teise tahkesse kehasse (pooljuht).

Pooljuhid- need on materjalid, mis oma erijuhtivuse poolest asuvad vahepealsel positsioonil juhtide ja dielektrikute vahel ning erinevad juhtidest erijuhtivuse tugeva sõltuvuse poolest lisandite kontsentratsioonist, temperatuurist ja erinevat tüüpi kiirgusest. Pooljuhid on ained, mille ribavahemik on mitme elektronvoldi suurusjärgus [eV]. Ribavahe on elektronide energiate erinevus pooljuhtkristallides juhtivusriba alumise tasandi ja pooljuhi valentsriba ülemise tasandi vahel.

Pooljuhtide hulka kuulub palju keemilisi elemente: germaanium, räni, seleen, telluur, arseen jt, tohutul hulgal sulameid ja keemilisi ühendeid (galliumarseniid jne) Looduses levinuim pooljuht on räni, moodustab umbes 30% maakoorest.

Ränist pidi saama materjal selle laialdase looduses esinemise, kerguse ja sobiva 1,12 eV ribalaiuse tõttu päikesevalgusest energia neelamiseks. Tänapäeval on kaubanduslike maapealsete süsteemide turul kõige olulisemad kristalliline räni (umbes 90% maailmaturust) ja õhukese kilega päikesepatareid (umbes 10% turust).

Kristallilise räni fotogalvaaniliste muundurite (PVC) disaini põhielement on p-n-siirde. Lihtsustatud kujul võib päikesepatarei kujutada "võileivana": see koosneb ränikihtidest, mis on legeeritud p-n-siirde moodustamiseks.

Pn-siirde üks peamisi omadusi on selle võime olla voolukandjatele energiabarjääriks, st võimaldada neil läbida ainult ühes suunas. Sellel mõjul põhineb elektrivoolu genereerimine päikesepatareides. Elemendi pinnale langev kiirgus tekitab pooljuhi mahus erineva märgiga laengukandjaid - elektrone (n) ja auke (p). Tänu oma omadustele pn-siirde "eraldab" need, võimaldades igal tüübil läbida ainult oma "oma" poole ning elemendi mahus kaootiliselt liikuvad laengukandjad satuvad tõkke vastaskülgedele, misjärel nad saab üle kanda välisesse vooluringi, et tekitada päikesepatareiga ühendatud suletud ahelas pinge ja elektrivool.

On laialt teada tõsiasi, et Päike on taevakeha (täht) ja päikeseenergia on sisuliselt tema elulise tegevuse tulemus. Sellel toimuvad protsessid eraldavad tohutul hulgal energiat, paiskades selle uskumatu kiirusega meie planeedi poole. Päikeseenergia kasutamine juhtub inimestega nii teadlikult kui ka alateadlikult. Päikesekiirtes supeldes ei mõtle me sellele, et selle tähe energia käivitab meie kehas mitmeid olulisi protsesse (näiteks D-vitamiini toodetakse meie nahas); tänu sellele toimub taimedes fotosüntees; Veeringe looduses on ka "tema töö". Me võtame seda iseenesestmõistetavana. Kuid see on vaid osa päikeseenergia rollist meie elus.

Päikeseenergia praktiline kasutamine

Kõige lihtsam ja kõigile tuttavam päikeseenergia kasutusviisid- selle kasutamine kaasaegsetes kalkulaatorites (väga kompaktsetel päikesepaneelidel) ja majapidamisvajaduste jaoks (kuivatatud puuviljad, vee soojendamine maal asuva väliduši paagis). Päikese soojusest soojendatud õhu liikumine tagab ventilatsioonisüsteemi ja korstnate töö. Päikesekiiri kasutatakse merevee magestamise aurustajana. Päike on üks peamisi energiaallikaid satelliitide pikaajaliseks tööks, samuti kosmoseuuringuteks kasutatavate seadmete jaoks. Meie ellu tuuakse üha enam elektrienergial töötavaid autosid.

Päikeseenergia vastuvõtmine ja muundamine

Päikeseenergia tabab meie planeeti kolme tüüpi kiirguslainetena: ultraviolett-, valgus- ja infrapunalainetena.

Päikeseenergia kasutamine peamiselt soojuse või elektri tootmiseks. Infrapunalained, mis langevad teadlaste välja töötatud spetsiaalsele pinnale, muutuvad selleks, mida me vajame.

Seega kasutatakse soojuse eraldamiseks kollektorit, mis neelab infrapunalaineid, salvestusseadet, mis seda akumuleerib, ja soojusvahetit, milles toimub kuumutamine.

Elektrienergia tootmisel kasutatakse spetsiaalseid fotoelemente. Need neelavad valguskiiri ja vastavad paigaldised muudavad need kiired elektriks.

Päikeseenergia kasutamise viisid saab jagada sõltuvalt elektrijaama tüübist selle töötlemiseks. Kokku on neid kuus.

Esimesed kolm: torn (disain musta torni kujul, mille sees on vesi ja ümber peeglid), paraboolne (meenuvad sees peeglitega satelliiditaldrikud), taldrikukujuline (näeb välja nagu peeglitest lehtedega metallpuu). Neid saab kombineerida, kuna neil on sama tööpõhimõte: nad püüavad kinni teatud koguse valgust, suunavad selle vedelikumahutisse, mis kuumeneb ja vabastab auru, mida omakorda kasutatakse elektri tootmiseks.

Neljandaks- fotosilmadega varustus. Kõige kuulsam tüüp, kuna selle mõõtmed võivad sõltuvalt vajadusest erineda. Väikeseid päikesepaneele kasutatakse eramajapidamiste vajadusteks, suuremaid tööstuslikeks vajadusteks. Toimimispõhimõte seisneb selles, et fotoelemendis neelduvatest päikesekiirtest toodetakse elektrit selle sees oleva potentsiaalide erinevuse tõttu.

Viiendaks- vaakum. Struktuurselt on tegemist ümmarguse klaaskatusega kaetud maatükiga, mille sees on turbiinidega torn jaluses. Tööpõhimõte on selle katuse all maapinna soojendamine ja õhutõmbe tekitamine temperatuuride erinevuse tõttu. Turbiini labad pöörlevad ja toodavad energiat.