Хемосинтез. Окислительно-восстановительные реакции в процессе хемосинтеза

Изучение темы «Хемосинтез» в курсе биологии
«Обмен веществ и энергии» и темы
«Окислительно-восстановительные реакции» в
курсе химии представляет определенную сложность
для учащихся. Содержание обоих разделов отличает
«сухой» и сложный для усвоения фактический
материал. Рассматривание процесса хемосинтеза
через составление окислительных реакций
помогает учащимся лучше понять сущность
хемосинтеза и одновременно показывает
незаменимость окислительных реакций в природе.
Тема «Хемосинтез» изучается непосредственно на
материале темы «Фотосинтез», поэтому в начале
урока выделяется время на актуализацию знаний по
данной теме.

Форма проведения

. Интгерированный урок с
применением компьютерной презентации.

Задачи урока:

  • Расширить и закрепить знания учащихся о
    химических реакциях происходящих в процессах
    фото- и хемосинтеза.
  • Сформировать у учащихся умения характеризовать
    и находить взаимосвязь между понятиями:
    автотрофы — фототрофы — хемотрофы -
    гетеротрофы;
  • фотосинтез — хемосинтез;
  • световая фаза — темновая фаза фитосинтеза;
  • АМФ — АДФ — АТФ.
  • Закреплять навыки составления и характеристики
    окислительно-восстановительных реакций.
  • Продолжить формирование познавательной
    активности учащихся, а также умения привлекать
    знания, полученные на предшествующих уроках
    химии и биологии.

Оборудование:

  • В течение всего урока используется
    компьютерная презентация;
  • Таблица с изображением процесса Фотосинтеза;
  • Раздаточный материал по теме «Фотосинтез»,
    «Хемосинтез».

Ход урока

I. Актуализация опорных знаний.

На прошлом занятии мы изучили удивительный
процесс, появившийся в природе около 2 млрд. лет
назад — фотосинтез.

Каковы экологические последствия
возникновения фотосинтеза?

(накопление
кислорода, биогенный синтез органического
вещества, появление круговорота веществ,
необратимые изменения условий существования,
образование озонового слоя).

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно
образуется 150 млрд.тонн органического вещества и
выделяется около 200 млрд.тонн свободного
кислорода. Фотосинтез создал и поддерживает
современный состав атмосферы, необходимый для
жизни на Земле. Он препятствует увеличению
концентрации СО2 в атмосфере, предотвращая
перегрев Земли (парниковый эффект). Созданная
фотосинтезом атмосфера защищает живое от
губительного коротковолнового УФ-излучения
(кислородно-озоновый экран атмосферы).

Первые клетки, способные использовать энергию
солнечного света, возникли, очевидно, около 3
млрд. лет назад. Это были одноклеточные зеленые
«водоросли». Окаменелые остатки таких клеток
были найдены в слоях сланцев, относящихся к тому
периоду в истории Земли, который называют
архейской эрой. Потребовалось еще более 1 млрд.
лет для насыщения атмосферы Земли кислородом и
возникновения аэробных клеток.

Очевидно, что планетарная роль растений и
других фотосинтезирующих организмов
исключительно велика:

они трансформируют энергию солнечного света в
энергию химических связей органических
соединений, которая используется всеми
остальными живыми

они насыщают атмосферу Земли кислородом,
который служит для окисления органических
веществ и извлечения таким способом запасенной в
них химической энергии аэробным клеткам;

наконец, определенные виды растений в симбиозе
с азотфиксирующими бактериями вводят
газообразный азот атмосферы в состав молекул
аммиака, его солей в органических
азотфиксирующих соединений.

Из всего перечисленного следует, что роль
зеленых растений в планетарной жизни трудно
переоценить. Сохранение и расширение зеленого
покрова Земли имеет решающее значение для всех
живых существ, населяющих нашу планету.

Процесс фотосинтеза происходит в хлоропластах,
которые содержатся только в эукариотических
клетках.

Проверка домашнего задания (устный опрос):

В чем заключается роль хлорофилла в процессе
фотосинтеза?

Перечислите основные этапы превращения
энергии в процессе фотосинтеза;

Сравните биологическое значение световой и
темновой фаз фотосинтеза;

Значение фотосинтеза.

II. Основная часть

В природе органическое вещество создают не
только зеленые растения, но и бактерии, не
содержащие хлорофилл. Этот автотрофный процесс
называется хемосинтезом. Хемосинтез открыл в
1889-1890 гг. знаменитый русский микробиолог
С.Н.Виноградский. Хемосинтез осуществляется
благодаря энергии, выделяющейся при химических
реакциях окисления различных неорганических
соединений: водорода, сероводорода, аммиака,
оксида железа (II) и других. Энергия,
образовавшаяся в реакциях окислении, запасается
в бактериальных клетках в форме АТФ.

1.

В водоемах, вода которых содержит сероводород,
живут бесцветные серобактерии. Колоссальное
количество серобактерий имеется в Черном
море, в котором глубже 200 м вода насыщена
сероводородом. Энергию, необходимую для синтеза
органических соединений эти бактерии получают,
окисляя сероводород:

Реакция окисления сероводорода относится к
окислительно-восстановительным реакциям. Путь
движения электронов от S к О показан
стрелками. Какие элементы выполняют роли
окислителя и восстановителя?



Выделяющаяся в результате свободная сера
накапливается в бактериальных клетках в виде
множества крупинок. При недостатке сероводорода
бесцветные серобактерии производят дальнейшее
окисление находящейся в них свободной серы до
серной кислоты:

Процесс окисления серы до серной кислоты можно
записать так:

Высчитайте, чему равен энергетический эффект
окисления сероводорода до серной кислоты? Обе
реакции сопровождаются выделением энергии -
экзотермические реакции. Количество энергии,
выделившееся в процессе окисления серводорода
до серной кислоты равно сумме энергий,
выделившейся в каждой реакции. Значит
энергетический эффект реакции окисления
сероводорода до серной кислоты равен 908 кДж.

2.

Чрезвычайно широко распространены в почве и в
различных водоемах нитрифицирующие бактерии.
Они добывают энергию путем окисления аммиака и
азотистой кислоты, поэтому играют очень важную
роль в круговороте азота в природе. Аммиак,
образующийся при гниении белков в почве или в
водоемах. Окисляется нитрифицирующими
бактериями (Nitrosomonas). Этот процесс отражает
уравнение:

Дальнейшее окисление образовавшейся азотистой
кислоты осуществляется другой группой
нитрифицирующих микроорганизмов — Nitrobacter -
нитробактером:

Энергетический эффект реакций окисления
аммиака до азотной кислоты равен 763 кДж.

Процесс нитрификации происходит в почве в
огромных масштабах и служит для растений
источником нитратов. Жизнедеятельность бактерий
представляет собой один из важнейших факторов
плодородия почв.

3.

В почве обитают бактерии, окисляющие водород:

Энергетический эффект реакций окисления
водорода равен 235 кДж.

Водородные бактерии окисляют водород,
постоянно образующийся при анаэробном
(бескислородном) разложении различных
органических остатков микроорганизмами почвы.

4.

Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие
соединения железа
и марганца, обитают как в
пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их
жизнедеятельности на дне болот и морей
образуется огромное количество отложенных руд
железа и марганца. Академик В.И.Вернадский -
основатель биогеохимии говорил о залежах
железных и марганцевых руд как о результате
жизнедеятельности этих бактерий в древние
геологические периоды.

Энергетический эффект реакций окисления
железа (II) в железо (III) равен 324 кДж.

III. Закрепление изученного материала

:

1. Фронтальный опрос:

Сходство автотрофного питания у фототрофов и
хемотрофов;

Различия энергетического обмена
фотосинтезирующих и хемосинтезирующих
организмов.

2. Составление кроссворда (на
заготовленных пустографках):

Учащиеся решают кроссворд, используя
полученные знания:

Серобактерии окисляют (1) и (4);

При гниении белков образуется (2);

Хемосинтез открыл русский микробиолог (3);

Этот элемент накапливается в клетках
серобактерий (4);

В процессе хемосинтеза происходят реакции (5)
неорганических соединений;

Хемосинтезирующие бактерии обладают активными
(6);

Энергия реакций окисления запасается в клетках
в форме (7);

Восстановителем в реакции окисления карбоната
железа являются ионы (8);

Нитрифицирующие бактерии играют важную роль
круговорота (9) в природе

По горизонтали прочитайте название
автотрофного процесса (хемосинтез)

IV. Заключение

Экологическая роль хемосинтеза

.

Благодаря хемосинтезу бактерии активно
участвуют в экологических процессах:

  • Нитрифицирующие бактерии участвуют в
    круговороте азота в биосфере;
  • Серобактерии, образуя серную кислоту
    способствуют постепенному разрушению и
    выветриванию горных пород, разрушению каменных и
    металлических сооружений; выщелачивают руды и
    серные месторождения;
  • Водородные бактерии участвуют в окислении
    водорода, накапливающегося в результате
    жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, в
    природных условиях

Значение хемосинтеза в жизнедеятельности
человека

:

  • Нитрифицирующие бактерии участвуют в
    почвообразовательном процессе, их
    жизнедеятельность способствует повышению
    урожайности с/х культур;
  • Серобактерии, окисляющие серу до сульфатов,
    участвуют в очищении промышленных сточных вод;
    • скопления выделяющегося в результате
      деятельности железобактерий Fe(OН)3, образуют
      болотную железную руду;
    • водородные бактерии используются для получения
      пищевого и кормового белка;
    • также для регенерации атмосферы в замкнутых
      системах жизнеобеспечения (например система
      «Оазис-2″, которая была испытана на космическом
      корабле «Союз-3″).

Презентация

Литература.

  1. Колесников С.И. Общая биология. Ростов на Дону,
    «Феникс», 2005.
  2. Общая биология, под ред. ак. Д.К. Беляева ,М.,
    «Просвещение», 2005.
  3. Пуговкин А.П., Пуговкина Н.А. Биология, М.,
    «Академия», 2007.
  4. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия, М.,
    «Просвещение», 2008.
  5. Хомченко И.Г. Общая химия. М., «Новая волна», 2007.



Следующий: