Хемосинтез. Окисно-відновні реакції у процесі хемосинтезу

Вивчення теми "Хемосинтез" у курсі біології "Обмін речовин та енергії" та теми "Окислювально-відновлювальні реакції" в курсі хімії представляє певну складність для учнів. Зміст обох розділів відрізняє " сухий " і складний засвоєння фактичний матеріал. Розгляд процесу хемосинтезу через складання окисних реакцій допомагає учням краще зрозуміти сутність хемосинтезу і водночас показує незамінність окисних реакцій у природі. Тема "Хемосинтез" вивчається безпосередньо на матеріалі теми "Фотосинтез", тому на початку уроку виділяється час на актуалізацію знань на цю тему.

Форма проведення. Інтгерований урок із застосуванням комп'ютерної презентації.

Завдання уроку:

  • Розширити та закріпити знання учнів про хімічні реакції, що відбуваються у процесах фото- та хемосинтезу.
  • Сформувати в учнів уміння характеризувати та знаходити взаємозв'язок між поняттями: автотрофи – фототрофи – хемотрофи – гетеротрофи;
  • фотосинтез – хемосинтез;
  • світлова фаза – темнова фаза фітосинтезу;
  • АМФ – АДФ – АТФ.
  • Закріплювати навички складання та характеристики окисно-відновних реакцій.
  • Продовжити формування пізнавальної активності учнів, а також уміння залучати знання, отримані на попередніх уроках хімії та біології.

Обладнання:

  • Протягом уроку використовується комп'ютерна презентація;
  • Таблиця із зображенням процесу Фотосинтезу;
  • Роздатковий матеріал на тему "Фотосинтез", "Хемосинтез".

I. Актуалізація опорних знань.

На минулому занятті ми вивчили дивовижний процес, що з'явився в природі близько 2 млрд років тому – фотосинтез.

Які екологічні наслідки виникненняфотосинтезу? (Накопичення кисню, біогенний синтез органічної речовини, поява круговороту речовин, незворотні зміни умов існування, утворення озонового шару).

В результаті фотосинтезу на Землі щорічно утворюється 150 млрд. тонн органічної речовини і виділяється близько 200 млрд. тонн вільного кисню. Фотосинтез створив та підтримує сучасний склад атмосфери, необхідний для життя на Землі. Він перешкоджає збільшенню концентрації СО2 в атмосфері, запобігаючи перегріву Землі (парниковий ефект). Створена фотосинтезом атмосфера захищає живе від згубного короткохвильового ультрафіолетового випромінювання (киснево-озоновий екран атмосфери).

Перші клітини, здатні використати енергію сонячного світла, виникли, очевидно, близько 3 млрд років тому. Це були одноклітинні зелені "водорості". Скам'янілі залишки таких клітин були знайдені в шарах сланців, що належать до періоду в історії Землі, який називають архейською ерою. Знадобилося ще понад 1 млрд. років для насичення атмосфери Землі киснем та виникнення аеробних клітин.

Очевидно, що планетарна роль рослин та інших фотосинтезуючих організмів винятково велика:

вони трансформують енергію сонячного світла в енергію хімічних зв'язків органічних сполук, яка використовується всіма іншими живими

вони насичують атмосферу Землі киснем, який служить для окислення органічних речовин і вилучення таким способом запасеної в них хімічної енергії аеробних клітин;

нарешті, певні види рослин у симбіозі з азотфіксуючими бактеріями вводять газоподібний азот атмосфери до складу молекул аміаку, його солей в органічних азотфіксуючих сполук.

З усього перерахованого випливає, що роль зелених рослин у планетарнійжиття важко переоцінити. Збереження та розширення зеленого покриву Землі має вирішальне значення для всіх живих істот, що населяють нашу планету.

Процес фотосинтезу відбувається у хлоропластах, які містяться лише у еукаріотичних клітинах.

Перевірка домашнього завдання(усне опитування):

У чому полягає роль хлорофілу у процесі фотосинтезу?

Перерахуйте основні етапи перетворення енергії у процесі фотосинтезу;

Порівняйте біологічне значення світлової та темнової фаз фотосинтезу;

ІІ. Основна частина

У природі органічну речовину створюють не тільки зелені рослини, а й бактерії, що не містять хлорофіл. Цей автотрофний процес називається хемосинтезом.Хемосинтезвідкрив у 1889-1890 pp. відомий український мікробіолог С.М.Виноградський. Хемосинтез здійснюється завдяки енергії, що виділяється при хімічних реакціях окислення різних неорганічних сполук: водню, сірководню, аміаку, оксиду заліза (II) та інших. Енергія, що утворилася в реакціях окислення, запасається у бактеріальних клітинах у формі АТФ.

1.

У водоймах, вода яких містить сірководень, живуть безбарвні сіркобактерії. Колосальна кількістьсіробактерійє в Чорному морі, в якому глибше 200 м вода насичена сірководнем. Енергію, необхідну для синтезу органічних сполук ці бактерії одержують, окислюючи сірководень:

Реакція окислення сірководню відноситься до окислювально-відновних реакцій. Шлях руху електронів відSдоОпоказаний стрілками. Які елементи виконують ролі окислювача та відновника?

Вільна сірка, що виділяється в результаті, накопичується в бактеріальних клітинах у вигляді безлічі крупинок. При нестачісірководню безбарвні серобактерії виробляють подальше окислення вільної сірки, що знаходиться в них, до сірчаної кислоти:

Процес окислення сірки до сірчаної кислоти можна записати так:

Вирахуйте, чому дорівнює енергетичний ефект окислення сірководню до сірчаної кислоти? Обидві реакції супроводжуються виділенням енергії – екзотермічні реакції. Кількість енергії, що виділилося в процесі окислення серводню до сірчаної кислоти, дорівнює сумі енергій, що виділилася в кожній реакції. Значить енергетичний ефект реакції окислення сірководню до сірчаної кислоти дорівнює 908 кДж.

2.

Надзвичайно широко поширені у ґрунті та в різних водоймахнітрифікуючі бактерії. Вони видобувають енергію шляхом окислення аміаку та азотистої кислоти, тому відіграють дуже важливу роль у кругообігу азоту в природі. Аміак, що утворюється при гниття білків у ґрунті або у водоймах. Окислюється нітрифікуючими бактеріями (Nіtrosomonas). Цей процес відображає рівняння:

Подальше окислення азотистої кислоти, що утворилася, здійснюється іншою групою нітрифікуючих мікроорганізмів - Nitrobacter - нітробактером:

Енергетичний ефект реакцій окиснення аміаку до азотної кислоти дорівнює 763 кДж.

Процес нітрифікації відбувається у ґрунті у великих масштабах і служить для рослин джерелом нітратів. Життєдіяльність бактерій є одним із найважливіших факторів родючості грунтів.

3.

У грунті живуть бактерії, що окислюють водень:

Енергетичний ефект реакцій окиснення водню дорівнює 235 кДж.

Водневі бактерії окислюють водень, що постійно утворюється при анаеробному (безкисневому) розкладанні різних органічних залишків мікроорганізмами ґрунту.

4.

Хемосинтезуючі бактерії, що окислюють сполуки заліза і марганцю, мешкають як у прісних, так і в морських водоймах. Завдяки їхній життєдіяльності на дні боліт та морів утворюється величезна кількість відкладених руд заліза та марганцю. Академік В.І.Вернадський - засновник біогеохімії говорив про поклади залізних та марганцевих руд як про результат життєдіяльності цих бактерій у давні геологічні періоди.

Енергетичний ефект реакцій окислення заліза (II) до заліза (III) дорівнює 324 кДж.

ІІІ. Закріплення вивченого матеріалу:

1. Фронтальне опитування:

Подібність автотрофного харчування у фототрофів та хемотрофів;

Відмінності енергетичного обміну фотосинтезуючих та хемосинтезуючих організмів.

2. Складання кросворду (на заготовлених пустографках):

Учні вирішують кросворд, використовуючи отримані знання:

Серобактерії окислюють (1) та (4);

При гниття білків утворюється (2);

Хемосинтез відкрив український мікробіолог (3);

Цей елемент накопичується в клітинах сіркобактерій (4);

У процесі хемосинтезу відбуваються реакції (5) неорганічних сполук;

Хемосинтезуючі бактерії мають активні (6);

Енергія реакцій окислення запасається у клітинах у формі (7);

Відновником реакції окислення карбонату заліза є іони (8);

Нітрифікуючі бактерії відіграють важливу роль круговороту (9) у природі

хемосинтезу

По горизонталі прочитайте назву автотрофного процесу(хемосинтез)

Екологічна роль хемосинтезу.

Завдяки хемосинтезу бактерії беруть активну участь в екологічних процесах:

  • Нітрифікуючі бактерії беруть участь укругообіг азоту в біосфері;
  • Серобактерії, утворюючи сірчану кислоту сприяють поступовому руйнуванню та вивітрюванню гірських порід, руйнуванню кам'яних та металевих споруд; вилуговують руди та сірчані родовища;
  • Водневі бактерії беруть участь в окисленні водню, що накопичується в результаті життєдіяльності деяких мікроорганізмів, у природних умовах

Значення хемосинтезу у життєдіяльності людини:

  • Нітрифікуючі бактерії беруть участь у ґрунтоутворювальному процесі, їх життєдіяльність сприяє підвищенню врожайності с/г культур;
  • Серобактерії, що окислюють сірку до сульфатів, беруть участь у очищенні стічних вод промислових;
  • скупчення виділяється в результаті діяльності залізобактерій Fe(ON)3,утворюють болотну залізну руду;
  • водневі бактерії використовуються для отримання харчового та кормового білка;
  • також для регенерації атмосфери в замкнутих системах життєзабезпечення (наприклад, система "Оазис-2", яка була випробувана на космічному кораблі "Союз-3").

Література.

  1. Колесников С.І. Загальна біологія. Ростов на Дону, "Фенікс", 2005.
  2. Загальна біологія, за ред. ак. Д.К. Бєляєва, М., "Освіта", 2005.
  3. Пуговкін А.П., Пуговкіна Н.А. Біологія, М., "Академія", 2007.
  4. Рудзітіс Г.Є., Фельдман Ф.Г. Хімія, М., "Освіта", 2008.
  5. Хомченко І.Г. Загальна хімія. М., "Нова хвиля", 2007.