Решаем занимательную олимпиадную задачку по биологии или почему надо знать физику…

Решаем занимательную олимпиадную задачку по биологии

или почему надо знать физику…

Недавно мне предложили помочь разобраться в олимпиадной задачке по биологии, приведенной ниже и что из этого вышло….

Задача: Принцип устройства паровых машин довольно прост, но преобразование тепловой энергии в другие виды не встречается среди живых организмов. С какими причинами это связано? Предложите анатомо-физиологические механизмы, осуществляющие такое преобразование энергии. С какими трудностями столкнется обладающий ими организм? Как они могут быть преодолены?

«Ничто не может появиться из ничего» - говорит древняя мудрость, или, говоря языком физики «Энергия не появляется из ничего и не исчезает в никуда, она только переходит из одного ее вида в другой» - гласит «Закон сохранения энергии»

Действительно, принцип работы паровой машины прост, однако, чтобы «в натуре» появилось это «примитивно» устройство преобразующее тепловую энергию расширяющегося пара в энергию механического движения, потребовались тысячи лет эволюции человеческого общества, развитие в нем научной и технической мысли, ремесел, а после создания первой паровой машины еще полторы сотни лет ушло на её усовершенствования…

Напомним, паровая машина – первый созданный людьми двигатель внешнего сгорания, в котором химическая энергия ископаемого топлива, сгорающего в топке преобразуется в тепловую которая передается закрытому котлу с водой, в котором происходит ее закипание и парообразование.  Давление полученного пара открывает клапан – золотник, и пар под давлением через раздаточные паропроводы поступает в рабочий цилиндр где, расширяясь толкает поршень, создавая тем самым уже чисто механическую энергию. С помощью простых устройств, переключающих подачу пара то спереди, то сзади от поршня, создается его циклическое движение «туда-сюда», которое посредством кривошипного механизма преобразует во вращательное…

Впрочем, паровую машину не сложно подключить и к шагающему механизму…

Следует заметить, что химическая энергия используемого ископаемого топлива - торфа, сланцев, угля, нефти, газа, наконец дров – это преобразованная тепловая и световая энергия Солнца, накопленная за сотни миллионов лет эволюции биосферы бесчисленным количеством существовавших ранее живых существ (бактерий, водорослей, растений, различных морских и сухопутных организмов) биохимические останки которых через сложную череду химических и геофизических процессов перешли в законсервированную химическую энергию вышеперечисленных видов топлива.

Иначе говоря, тепловая и световая энергия Солнца, накопленная и преобразованная в процессе сотен миллионов лет развития Земли останками живых организмов, преобразуется в паровой машине в энергию механического движения.

Живая природа не может существовать без тепла и света. Солнечная радиация, достигающая поверхности Земли, является практически единственным источником энергии для поддержания теплового баланса планеты и создания органических веществ фототрофными организмами биосферы, что в итоге обеспечивает формирование среды, способной удовлетворить жизненные потребности всех живых существ на Земле.

Следует отметить, что тепловая и световая энергии, получаемые Землей от Солнца, имеют одну природу и являются электромагнитными колебаниями, разной длины волны от 290 до 3 000 нм, кванты которых обладают разной энергией.

Биологическое действие солнечного излучения зависит от его спектрального состава, продолжительности, интенсивности, суточной и сезонной периодичности.

В действии каждого из диапазонов солнечного излучения на живой организм есть существенные различия. Ультрафиолетовые лучи (УФЛ) короче 290 им, губительные для живых организмов, поглощаются слоем озона и до Земли не доходят.

Земли достигают главным образом инфракрасные – тепловые лучи (около 50% суммарной радиации) и видимые (45%) лучи спектра.

На долю УФЛ, имеющих длину волны 290—380 нм, приходится 5% лучистой энергии.

Ультрафиолетовые лучи действуют на живое вещество по тем же законам, что и видимый свет. Часть поглощаемой энергии превращается в тепло, но тепловое действие ультрафиолетовых лучей не оказывает на организм заметного влияния. Длинноволновые УФЛ, обладающие большой энергией фотонов, отличаются высокой химической активностью. В небольших дозах они оказывают мощное бактерицидное действие, способствуют синтезу у растений некоторых витаминов, пигментов, а у животных и человека — витамина D; кроме того, у человека они вызывают загар, который является защитной реакцией кожи.
     Фотохимические реакции под действием ультрафиолетовых лучей проходят наиболее интенсивно. Энергия фотонов ультрафиолетового света очень велика, поэтому при их поглощении молекула ионизируется и распадается на части. Иногда фотон выбивает электрон за пределы атома. Чаще всего происходит возбуждение атомов и молекул. При поглощении одного кванта света с длиной волны 254 нм энергия молекулы возрастает до уровня, соответствующего энергии теплового движения при температуре 38000°С. Подробнее: https://medsvet.kz/a34483-ultrafioletovoe-izluchenie-prirode.html

В действии УФЛ на живой организм наибольший интерес представляет их влияние на биополимеры - белки и нуклеиновые кислоты. Молекулы биополимеров содержат кольцевые группы молекул, содержащие углерод и азот, которые интенсивно поглощают излучение с длиной волны 260...280 нм. Поглощенная энергия может мигрировать по цепи атомов в пределах молекулы без существенной потери, пока не достигнет слабых связей между атомами и не разрушит связь. В течение такого процесса, называемого фотолизом, образуются осколки молекул, оказывающие сильное действие на организм. Так, например, из аминокислоты гистидина образуется гистамин - вещество, расширяющее кровеносные капилляры и увеличивающее их проницаемость. Кроме фотолиза под действием ультрафиолетовых лучей в биополимерах происходит денатурация. При облучении светом определенной длины волны электрический заряд молекул уменьшается, они слипаются и теряют свою активность - ферментную, гормональную, антигенную и пр.
     Процессы фотолиза и денатурации белков идут параллельно и независимо друг от друга. Они вызываются разными диапазонами излучения: лучи 280...302 нм вызывают главным образом фотолиз, а 250...265 нм - преимущественно денатурацию. Сочетание этих процессов определяет картину действия на клетку ультрафиолетовых лучей.
     Самая чувствительная к действию ультрафиолетовых лучей функция клетки - деление. Облучение в дозе 10(-19) дж/м2 вызывает остановку деления около 90% бактериальных клеток. Но рост и жизнедеятельность клеток при этом не прекращается. Со временем восстанавливается их деление. Чтобы вызвать гибель 90% клеток, подавление синтеза нуклеиновых кислот и белков, образование мутаций, необходимо довести дозу облучения до 10(-18) дж/м2. Ультрафиолетовые лучи вызывают в нуклеиновых кислотах изменения, которые влияют на рост, деление, наследственность клеток, т.е. на основные проявления жизнедеятельности.
     Значение механизма действия на нуклеиновую кислоту объясняется тем, что каждая молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) уникальна. ДНК - это наследственная память клетки. В ее структуре зашифрована информация о строении и свойствах всех клеточных белков. Если любой белок присутствует в живой клетке в виде десятков и сотен одинаковых молекул, то ДНК хранит информацию об устройстве клетки в целом, о характере и направлении процессов обмена веществ в ней. Поэтому нарушения в структуре ДНК могут оказаться непоправимыми или привести к серьезному нарушению жизнедеятельности. Подробнее: https://medsvet.kz/a34483-ultrafioletovoe-izluchenie-prirode.html

Ультрафиолетовое излучение поставляет энергию для фотохимических реакций в организме. В нормальных условиях солнечный свет вызывает образование небольшого количества активных продуктов фотолиза, которые оказывают на организм благотворное действие. Ультрафиолетовые лучи в дозах, вызывающих образование эритемы, усиливают работу кроветворных органов, ретикуло-эндотелиальную систему (Физиологическая система соединительной ткани, вырабатывающая антитела разрушающие чужеродные организму тела и микробы), барьерные свойства кожного покрова, устраняют аллергию.
     Под действием ультрафиолетового излучения в коже человека из стероидных веществ образуется жирорастворимый витамин D. В отличие от других витаминов он может поступать в организм не только с пищей, но и образовываться в нем из провитаминов. Под влиянием ультрафиолетовых лучей с длиной волны 280...313 нм провитамины, содержащиеся в кожной смазке выделяемой сальными железами, превращаются в витамин D и всасываются в организм.
     Физиологическая роль витамина D заключается в том, что он способствует усвоению кальция. Кальций входит в состав костей, участвует в свертывании крови, уплотняет клеточные и тканевые мембраны, регулирует активность ферментов. Болезнь, возникающая при недостатке витамина D у детей первых лет жизни, которых заботливые родители прячут от Солнца, называется рахитом.
    Солнечное голодание проявляется в раздражительности, бессоннице, быстрой утомляемости человека. В больших городах, где воздух загрязнен пылью, ультрафиолетовые лучи, вызывающие эритему, почти не достигают поверхности Земли. Длительная работа в шахтах, машинных отделениях и закрытых заводских цехах, труд ночью, а сон в дневные часы приводят к световому голоданию. Световому голоданию способствует оконное стекло, которое поглощает 90...95% ультрафиолетовых лучей и не пропускает лучи в диапазоне 310...340 нм. Окраска стен также имеет существенное значение. Например, желтая окраска полностью поглощает ультрафиолетовые лучи.

Недостаток света, особенно ультрафиолетового излучения, ощущают люди, домашние животные, птицы и комнатные растения в осенний, зимний и весенний периоды.
     Восполнить недостаток ультрафиолетовых лучей позволяют лампы, которые наряду с видимым светом излучают ультрафиолетовые лучи в диапазоне длин волн 300...340 нм. Следует иметь в виду, что ошибки при назначении дозы облучения, невнимание к таким вопросам, как спектральный состав ультрафиолетовых ламп, направление излучения и высота размещения ламп, длительность горения ламп, могут вместо пользы принести вред. Подробнее: https://medsvet.kz/a34483-ultrafioletovoe-izluchenie-prirode.html

Инфракрасные лучи длиной волны более 710 нм оказывают тепловое действие. Короткие ИК-волны (от 760 до 1000 нм) проходят вглубь тканей тела до 5 см. Тепло ускоряет биохимические процессы, нормализует вегетативные реакции... Оптимальный тепловой режим - обогрев и хорошая освещенность способствуют хорошему развитию растений.

В тепле нуждаются все развивающиеся животные организмы – в том числе в утробе матери, в кладке яиц или икринок.

Как недостаток, так и избыток теплового излучения неблагоприятно сказывается на живых организмах. При недостатке органическая жизнь не всегда погибает, может наступить состояние анабиоза с замедлением всех реакций и функций.

В экологическом отношении наибольшую значимость представляет видимая область спектра (390—710 нм), или фото синтетически активная радиация (ФАР), которая поглощается пигментами хлоропластов и тем самым имеет решающее значение в жизни растений.

Видимый свет нужен зеленым растениям для образования хлорофилла, формирования структуры хлоропластов; он регулирует работу устьичного аппарата, влияет на газообмен и транспирацию, стимулирует биосинтез белков и нуклеиновых кислот, повышает активность ряда светочувствительных ферментов. Свет влияет также на деление и растяжение клеток, ростовые процессы и на развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения, оказывает формообразующее воздействие.

Слово фотосинтез состоит из двух частей: фото — «свет» и синтез — «соединение», «создание». Если подходить к определению упрощенно, то фотосинтез — это превращение энергии света в энергию сложных химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов.

У зеленых растений фотосинтез происходит в хлоропластах. Схема фотосинтеза, на первый взгляд, проста: Вода + квант света + углекислый газ → кислород + углевод или (на языке формул): 6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2.

Если копнуть поглубже и посмотреть на лист в электронный микроскоп, выяснится удивительная вещь: вода и углекислый газ ни в одной из структурных частей листа непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

К фотосинтезу способны не только растения, но и многие одноклеточные животные благодаря специальным органоидам, которые называются хлоропласты.

Хлоропласты — это пластиды зеленого цвета фотосинтезирующих эукариот. В состав хлоропластов входят: две мембраны; стопки гранов; диски тилакоидов; строма — внутреннее вещество хлоропласта; люмен — внутреннее вещество тилакоида. Сложный процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой. Как понятно из названия, световая (светозависимая) фаза происходит с участием квантов света. Название темновая фаза вовсе не означает, что процесс происходит в темноте. Более точное определение — светонезависимая. Т.е. для реакций, происходящих в этой этой фазе, свет не нужен, а протекает она одновременно со световой, только в других отделах хлоропласта. Многие делают ошибку, говоря, что в процессе фотосинтеза происходит производство растениями такого необходимого человечеству кислорода. На самом деле фотосинтез — это синтез углеводов (например, глюкозы), а кислород — лишь побочный продукт реакции.
 

Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах тилакоидов. Фотон света, попадая на хлорофилл, возбуждает его и происходит выделение электронов и скопление отрицательно заряженных электронов на мембране. После того, как хлорофилл потерял все свои электроны, квант света продолжает воздействовать на воду, вызывая фотолиз Н2О. Н2О → Н+ + ОН- Положительно заряженные протоны водорода накапливаются на внутренней мембране тилакоида. Получается такой бутерброд: с одной стороны, отрицательно заряженные электроны хлорофилла, с другой – положительно заряженные протоны водорода, а между ними – внутренняя мембрана тилакоида. Гидроксильные ионы идут на производство кислорода: 4ОН → О2 + 2Н2О Когда количество протонов водорода и электронов достигает максимума, запускается специальный переносчик — АТФ-синтаза. АТФ-синтаза выталкивает протоны водорода в строму, где их подхватывает специальный переносчик никотинамиддинуклеотидфосфат или сокращенно НАДФ. НАДФ — специфический переносчик протонов водорода в реакциях углеводов. Прохождение протонов водорода через АТФ-синтазу сопровождается синтезом молекул АТФ из АДФ и фосфата или фотофосфорилированием, в отличие от окислительного фосфорилирования. На этом световая фаза фотосинтеза заканчивается, а НАДФН+ и АТФ переходят в темновую фазу.

Повторим ключевые процессы световой фазы фотосинтеза: Фотон попадает на хлорофилл с выделением электронов. Фотолиз воды. Выделение кислорода. Накопление НАДФН+. Накопление АТФ. У некоторых растений фотосинтез идет по упрощенному варианту, который называется «циклическое фосфорилирование» и разбирается этот процесс в учебнике «Биология 10-11 классы» под редакцией А. А. Каменского на портале LECTA.

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/fotosintez/?utm_source=google.com&utm_medium=organic&utm_campaign=google.com&utm_referrer=google.com

Таким образом постановка задачи, в части утверждения что «преобразование тепловой энергии в другие виды не встречается среди живых организмов». и «С какими причинами это связано?» не имеет под собой основания, ибо живые организмы на микроуровне успешно преобразуют тепловую и световую энергию Солнца в различные виды, используя для этого различных биохимические реакции, в том числе преобразуя ее не только в механическое движение живых организмов, но и в потенциальную энергию химических соединений, в биолюминесценцию и даже в выработку электрического заряда …

Далее по задаче:

Предложите анатомо-физиологические механизмы, осуществляющие такое преобразование энергии. С какими трудностями столкнется обладающий ими организм? Как они могут быть преодолены?

Все что мы имеем на сегодняшний день в плане существования живых организмов создано гениальным конструктором и изобретателем, имя которому Природа. Вместо того, чтобы придумывать «биопаровоз» или «биоэлектостанцию» она создала анатомо-физиологический механизм в лице человека придумавшего паровую машину, двигатели внутреннего сгорания, электрогенераторы и прочие устройства, осуществляющие преобразование тепловой энергии в другие.

Однако создавший их анатомо-физиологический механизм (человек) столкнулся с многочисленными трудностями, связанными с добычей полезных ископаемых, их переработкой и утилизацией отходов в процессе выработки различных видов энергии, поскольку все эти процессы ведут к активному разрушению самой биосферы, в которую входит и среда обитания этого анатомо-физиологического феномена.

            В настоящее время анатомо-физиологический феномен активно развивает генную инженерию, и возможно, что в чьих-то головах зреет мысль сотворить живой организм в виде смеси животного и растения, сочетающего в себе достоинства и того и другого, компенсирующие их индивидуальные «несовершенства».

Впрочем, в результате этих опытов может получиться ситуация, описанная в научно-фантастическом романе Джона Уиндема, «День триффидов» (англ. The Day of the Triffids) — вышедший в 1951 году. Русскоязычному читателю стал известен благодаря переводу писателя-фантаста Аркадия Стругацкого.

Краткая аннотация этого произведения - «На Землю обрушивается небывалый метеоритный дождь, имеющий два последствия: все, кто его наблюдали, слепнут, а среди растений появляются плотоядные особи — ходячие растения триффиды, начинающие охотиться за людьми. Беспомощное человечество постепенно гибнет, а триффиды захватывают планету».

https://knijky.ru/books/den-triffidov

Вывод или краткий ответ на задачу: Живые организмы с самого своего момента появления активно на микроуровне преобразуют электромагнитную энергию Солнца (тепловую и световую) в другие ее виды руководствуясь фундаментальным «Законом сохранения энергии» физики.

К тем же выводам мы придем с позиции законов Термодинамики и Теории развития систем с которые мы рекомендуем самостоятельно ознакомится любознательному читателю.

ã Действительный член

Русского Географического общества

С.В. Голубев