Процессы фотосинтеза и хемосинтеза

Понятие о качестве энергии

Энергия характеризуется не только количеством, но и качеством. Известно много форм и видов энергии: солнечная, химическая, тепловая, механическая, электрическая, атомная и т.д. Причем различные формы отличаются по своему качеству, то есть своей способности производить полезную работу. Концентрированные формы энергии (например, энергия ископаемых видов топлива: угля, нефти, газа) обладают высоким качеством. По сравнению с ними качество энергии солнечного света, слабого ветра, прибоя значительно ниже. Еще ниже рабочий потенциал у рассеянной тепловой энергии.

Величиной, позволяющей оценить качество данного вида энергии, является эксергия − полезная доля участвующей в каком-либо процессе энергии. Чем выше эксергия какого-либо вида энергии, тем большую полезную работу можно совершить при тех же энергетических затратах. Но для создания энергии более высокого качества необходимо затратить энергию низкого качества. Так, солнечная энергия вовлекается в биосфере в цепь превращений, переходя в энергию органического вещества, а затем в энергию ископаемых видов топлива. Причем на каждом этапе уменьшается количество энергии (за счет рассеивания в окружающую среду), но повышается ее качество. Качество энергии в биосфере во многом определяется длиной пути, пройденной ею от Солнца. В табл. 1 приведено сравнение качества различных видов энергии. За единицу принято качество энергии ископаемых видов топлива (нефти, угля).

Таблица 1

Сравнение качества различных видов энергии

Вид энергии	Качество энергии
Тепловая энергия	0,0001
Солнечная энергия	0,0005
Энергия древесины	0,5
Энергия ископаемых видов топлива
Электроэнергия

Из таблицы 1 видно, что качество энергии ископаемых видов топлива в 2000 раз выше качества солнечной энергии, но в 4 раза ниже качества электроэнергии. Данные таблицы объясняют трудность использования солнечной энергии: для того, чтобы при помощи солнечного света получить энергию, эквивалентную выделяющейся при сгорании угля, его необходимо сконцентрировать в 2000 раз. В настоящее время недостаточно разработаны технологии концентрирования энергии. Но можно использовать энергию низкого качества для выполнения низкокачественных работ (например, обогрева зданий). Согласно принципам рационального природопользования, качество используемой энергии должно соответствовать качеству выполняемой работы.

Живые организмы способны создавать сложные органические вещества, увеличивая собственную упорядоченность. Первичное органическое вещество биосферы создается растениями и некоторыми микроорганизмами из простых неорганических соединений в процессе реакций фотосинтеза и хемосинтеза.

Фотосинтез − это процесс образования органического вещества и свободного кислорода из простых неорганических веществ под воздействием энергии Солнца. В ходе фотосинтеза солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей в органическом веществе.

Реакция фотосинтеза идет за счет солнечной энергии и хлорофилла − органического вещества зеленого света, содержащегося в клетках зеленых растений. Молекула хлорофилла под воздействием солнечного света способна высвобождать свободный электрон. Выделившиеся электроны приводят к двум процессам: образованию свободного кислорода, а также молекулы АТФ (аденозинтрифосфата) из АДФ (аденозиндифосфата). Оба этих процесса вместе составляют световую фазу фотосинтеза. Молекула АТФ обеспечивает сохранение энергии в живом веществе. При ее образовании энергия запасается, а при разложении − выделяется. Далее идет темновая фаза фотосинтеза, в ходе которой вода и углекислый газ под воздействием энергии АТФ превращаются в органическое вещество. АТФ отдает электрон и снова превращается в АДФ (рис. 9).

Итоговый процесс:

Солнечное излучение + 6Н₂О + 6СО₂ = С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

Образующаяся молекула углевода служит основой для построения всех органических веществ в клетке.

Организмы, способные к фотосинтезу, называются фотосинтетиками. Некоторые виды фотосинтетиков вместо воды используют другие неорганические вещества. Например, серные бактерии в процессе фотосинтеза переводят сероводород в свободную серу:

Солнечное излучение + CO₂ + H₂S = органическое вещество + H₂O + S.

Значение фотосинтеза для биосферы состоит в следующем:

− аккумуляция энергии (накопление энергии в органическом веществе, ее концентрирование и повышение качества);

− образование первичного органического вещества, служащего пищей другим живым организмам биосферы; часть образующегося вещества может откладываться в запас;

− насыщение воздуха свободным кислородом.

Именно благодаря деятельности первых фотосинтетиков изменился состав первичной атмосфер: из нее исчезли большая часть аммиака, метана, появились кислород и озон.

Кроме фотосинтеза, в биосфере существует еще дна реакция получения первичного органического вещества из неорганики. При этом в качестве источника энергии используется не солнечное излучение, а химическая энергия реакции окисления. Соответствующий процесс получил название хемосинтез, а использующего его организмы (бактерии) − хемосинтетики.

В ходе хемосинтеза происходит превращение химической энергии одних веществ в химическую энергию других веществ, входящих в состав живых организмов.

Примером хемосинтетиков могут быть нитрифицирующие бактерии (окисляющие аммиак до оксидов азота и нитратов), железобактерии (переводящие двухвалентное железо в трехвалентное). Хемосинтетиками были одни из первых живых организмов на Земле.

Механизмы фотосинтеза и хемосинтеза очень сложны, включают много промежуточных стадий и еще полностью нераскрыты. В настоящее время ведутся работы по созданию искусственного фотосинтеза.

Дата добавления: 2015-05-26