Aine-
ja energiaringe loodusesAine
ja energia moodustavad terviku kuna iga aine sisaldab energiat.
Energiat on vaja kõikide protsesside toimumiseks. Energiat saame me
kõikjalt mida tarbime, peamiselt toidust. See, et inimesel on
energiat tuleb sellest, et ta sööb toitu, mis on saanud energiat
päikeselt footonitega (
footon
– valguse
elementaarosake ). Energiat kulub väga erinevalt, näiteks
keha temperatuuri hoidmiseks. Kuna Lõunapoolsematel
rahvastel kulub
kehatemperatuuri säilitamiseks vähem energiat, jääb neil rohkem
energiat üle ja nad on “energilisemad”.
Energia ja aine liikumine looduses.
Looduse
eluta ja elusad osad on tihedalt seotud ega saa teineteiseta hakkama.
- Taimed valmistavad toitaineid looduses leiduvatest elututest ainetest: süsihappegaasist, veest ja mineraalainetest.
- Toitainete valmistamiseks kasutavad taimed valgusenergiat .
- Taimede poolt valmistatud toitained on valgud , rasvad ja süsivesikud.
- Taimede poolt valmistatud toitained sisaldavad keemilist energiat.
- Loomad ei suuda ise toitaineid valmistada. Seepärast kasutavad nad taimede poolt valmistatud toitaineid.
- Osad loomad toituvad taimedest . Nende kehas muudetakse taimsed toitained loomseteks toitaineteks. Taimedest toituvad loomad suudavad töödelda ümber taimerakkudes leiduvat keerulise ehitusega süsivesikut - tselluloosi.
- Teine osa loomadest ei suuda omastada taimset toitu, seepärast söövad nad teisi loomi.
- Paljud loomad, näiteks inimene, karu jt. on aga võimelised ümber töötlema nii taimseid kui ka loomseid toitaineid. Need on segatoidulised loomad.
Nii
loomad kui taimed tarvitavad toitaineid sellekse, et saada energiat
kasvamiseks, uute kudede ehitamiseks, liikumiseks, soojuse hoidmiseks
jt. elutegevusprotsessideks.
Loomad
ei tarvita ära kogu taimede poolt toodetud toidukogust. Suurem osa
sellest sureb ja hakkab kõdunema.
- Kõdunemisel osalevad mullas elavad seened ja bakterid . Nad tarvitavad eluks surnud taimedes ja loomades leiduvaid toitaineid.
- Suur osa kõdunemisest toimub hapnikuvaeses keskkonnas. Nii saavad kõdunemisel osalevad bakterid energiat ka käärimise teel.
- Surnud elusorganismide jäänustest moodustub mulla toitaineterikas kiht huumus .
Inimesed
on õppinud kasutama ka teist osa taimede poolt salvestatud
energiast. Kunagi ammu taimedes salvestatud energia on teinud aja
jooksul läbi mitmeid muundumisi kuumuse ja maapõuerõhu mõjul. taimsest materjalist on tekkinud kütused. Kütustes on osa taimedes
sisaldunud veest eraldunud ja nii on nende energiasisaldus tõusnud.
Selleks,
et saada erinevaid energialiike kasutame me taimedest tekkinud
kütuseid - naftat ( vetikatest ), sütt (sõnajalapuudest), põlevkivi
( vetikatest jt. elusorganismidest).
Nii
hangivad elusorganismid väliskeskkonnast energiat, muudavad selle
endale kasutamiskõlblikuks ning tarvitavad saadud energiat
eluprotsessideks ja uue elusaine loomiseks.
Energia
liikumisel ühelt elusolendilt teisele tarvitatakse ära vaid osa (40
% )energiast. Ülejäänud energia vabaneb ja hajub soojusena. Seega
läheb alati osa energiat kaotsi.
Seal,
kus on olemas elu, on alati vaja energia juurdevoolu. Seega ei saa eluslooduses kunagi olla kinnist energiaringet, kus üks kindel
energiahulk muudkui ringleks mööda elusorganisme. Universumis
üleüldiselt valitseb aga energeetiline tasakaal.
Elusloodus Maal on seega võimalik vaid seetõttu, et on olemas biosfääriväline
energiaallikas. Maa jaoks on selleks Päikese valguskiirgus.
Energiavahetus
on protsess, mille käigus organismid hangivad väliskeskkonnast
energiat, muudavad selle keemiliselt kasutamiskõlblikuks ning
tarvitavad siis eluprotsesside säilitamiseks ja uue elusaine
loomiseks. Taimed ja osad bakterid valmistavad elututest ainetest
toitained, muundades päikeseenergia keemiliseks energiaks.
Selleks on vajalik hapnik.
KÄÄRIMINE
Toimub ilma hapnikuta.
PÕLEMINE
Selleks on vajalik hapnik.
Enamik baktereid, seened loomad ja ka taimed valguse puudusel
saavad energiat valmis toitainetest ja muundavad energiat soojuseks, kasutavad liikumiseks ja mitmesugusteks elutegevusprotsessideks ning kasvamiseks.
Osad bakterid ja pärmseened saavad energiat valmis toitainetest ja muundavad energiat soojuseks, kasutavad liikumiseks ja mitmesugusteks elutegevusprotsessideks ning kasvamiseks.
Taimedest moodustunud kütused
annavad energiat, mida saab muuta teisteks energialiikideks.
Kas
energia võiks ka otsa lõppeda? Milline võiks olla tulevikuenergia?
Praegu,
kui kütused hakkavad otsa lõppema, püüavad inimesed leida neid
energialiike, mille varud on suuremad.
Näiteks valgusenergia , mis tuleb Päikeselt saab kesta seni, kuni päike
lõpuks kustub.
Vee voolamise ja tuuleenergia saavad kesta seni, kuni toimub vee ringkäik
looduses ja kuni tekivad tuuled.
Energiat
võib saada ka hoovuste liikumisest ja lainetest.
Seal,
kus Maa on vulkaaniliselt aktiivne, saab kasutada geotermilist
energiat. Näiteks Islandil kasutatakse termaalvett linna kütmiseks
ja aedviljade kasvatamiseks kasvuhoonetes.
Aatomienergia
on lootustandev seetõttu, et kasutatakse aine osakeste lõhustamisel
tekkivat energiat. Kuid aatomienergia saastab loodust ja on ohtlik,
sest tekivad radioaktiivsed ained.
Võibolla
õpivad inimesed kunagi tegema selliseid päikesepatareisid, nagu on
elusates taimedes. Teatavasti saavad taimed teha toitaineid (energia)
valgusenergiat kasutades.
LÄMMASTIKURINGE
Lämmastikuringe
kujutab endast protsesside ahelat , mille käigus molekulaarne
õhulämmastik N2
(vaba lämmastik) muudetakse lämmastikuühenditeks (seotud
lämmastik) ja nendest moodustub taas vaba N2
N2
(ÕHUS) N-ühendid VALKAINED N2
(ÕHKU)
1.
õhulämmastik seotakse mullabakterite ja sinivetikate poolt
ammoniaagiks ja ammooniumsooladeks.
bakter
N2 NH3,
NH4+
Vetikas
mullas elavate nitrifitseerivate bakterite pool muudetakse ammoniaak ja amooniumisoolad nitraatioonideks ( nitraadid , lämmastikhape). Nitraatioone satub pinnasesse ka õhust sademetga.
NITRIFIKATSIOON:
NH3 NO3־
või
NH4־ NO3־,
HNO3־
välk õhus vihmavesi
Või: N2
+ O2 NO NO2 HNO3,
NO3
NO
ja NO2
satuvad õhku ka heitgaasidest, tehastest jne.
Taimed sünteesivad N-ühenditest valke. Taimseid valke söövad ja omastavad loomad.
taimed loomad
N-ühend TAIMNE
VALK LOOMNE VALK
N2
(õhku) see
on DENITRIFIKATSIOON
Denitrifikatsioon
võib toimuda meres, bakterite abil.
Surnud taim- ja loomorganismide, samuti ka ekskrementide lagunemisel toimub: ammonifikatsioon. Selle käigus surnud organismi valkudest eraldub ammoniaak.
lagunemine
AMMONIFIKATSIOON: VALGUD NH3
SÜSINIKURINGE
CO2
(õhus)
Vesi:
taimed Maa: taimed tööstus
transport
Loomad loomad vulkaanid
CO2
+ H2O
= H2CO3 bakterid,
seened
(mullas)
CaCO3 setted mineraalainete nafta
tekkimine
e mineralisatsioon kivisüsi
põlevkivi
- Põlemisel, hingamisel ja kõdunemisel moodustunud CO2 läheb õhku. Sealt seovad seda rohelised taimed, mis FS-l muundub CO2 orgaanilisteks ühenditeks (suhkrud, tselluloos , tärklis) ning eraldavad seejuures õhku O2.
- Taimedest toituvad inimesed ja loomad. Nii satuvad nende organismi orgaanilisi aineid, mida kasutatakse organismi ülesehituseks ja energiaallikana.
- Taimede ja loomade hukkumise järel jäänused kõdunevad ja lagunevad maapõues ilma õhu juurdepääsuta. Miljonite aastate vältel on sellest kujunenud pruun- ja kivisüsi. Põletamisel tekib taas CO2, mis läheb õhu koostisesse.
- Vees tekivad aja jooksul looduslikud karbonaatsed mineraalid ja kivimid ( lubjakivi jt) ning maismaal kriit, dolomiit jt
DÜNAAMILINE
BIOKEEMIA RAKU TASANDIL
Süsivesikute metabolism.
Looduskeskne
süsivesik on glükoos, seetõttu käsitletakse just glükoosi
metabolismi. Ka teised süsivesikud muunduvad varem või hiljem
glükoosiks.
SÜSIVESIKUTE
METABOLISM
Katabolism Anabolism
Anaeroobne
glükolüüs glükoneogenees Aeroobne glükolüüs glükogeeni süntees
Pentoosfosfaaditsükkel
Anaeroobne
glükolüüs
…..
on
glükoosi osaline lõhustamine, mis toimub ilma hapnikuta ja mille
tagajärjeks on erinevad käärimisproduktid:
mikroorganismides
– etanool, butanool ja võihape
seentes – etanool
taimedes
– etanool
loomades
– püruvaat ( laktaat )
Glükoosimolekuliga
toimub väga väike muutus: 6 C 2 (3 C). Kuna muutus on väike, siis
on ka energia muutus väike. Saagis on 2 ATP.
Inimesele on anaeroobne glükolüüs oluline, ta
võimaldab hapniku defitsiidis täita organitel eluliselt vajalikke
funktsioone. Võimaldab energiat kasutada neil rakkudel, kus mitokondrid puuduvad (nt erütrotsüüdid).
Aeroobne
glükolüüs
Algsed reaktsioonid kuni püruvaadi
tekkeni on kattuvad anaeroobse lõhustumisega. Siis lisandub veel 3 etappi :
Pürovaadi oksüdeeriv dekarboksüülimine (eraldub CO2 ja 3 C 2 C ühend)
2 C ühend on Ac – CoA, mis difundeerub mitokondrisse.
Krepsi tsükli (tsitraaditsükli ) ja hingamisahela koostöös viiakse glükoosi lagundamine lõpuni. Selle tulemusena tekib CO2 ja H2O.
Nende
3 etapi tulemusena saadakse 38 ATP-d
Vt.
joonis
Glükoneogenees
….
glükoosi
sünteesimine laktaadist.
Toimub peamiselt maksas ja südamelihaskoes.
Lihastes
tekib glükolüüsi tulemusena laktaat (treenimata inimesel veidi
kestvama pingutuse korral, sest lihas jääb O2
vaegusesse. Osa laktaati jääb lihasesse ja põhjustab lokaalse
mürgituse). Enamus laktaadist kantakse verega maksa, kus toimub
glükoneogenees.
2.
FOTOSÜNTEES,
SELLE OLEMUS JA TÄHTSUS
Fotosüntees
on taime rohelistes osades toimuv toitainete sünteesimise protsess.
Fotosüntees toimub taimeraku
sisemuses olevas kobedas põhikoes. Selle rakkudes on rohkesti kloroplaste . Kloroplastid sisaldavad valgustundlikku pigmenti -
klorofülli. Kloroplastides valmistatakse elututest ainetest -
süsihappegaasist ja veest - valgusenergiat kasutades elusainet
glükoosi. Toitainete valmistamine lehes on mitmeastmeline:
Kõigepealt
on vaja valgust, mis esimesel etapil neeldub klorofülli molekulides,
neid ergastades. Klorofüll asub kloroplastides, kus väga suur hulk
klorofüllimolekule koos valgusmolekulidega paiknevad keerukalt
sopistunud sisemembraanidel – tülakoididel. Valgusmolekuli poolt
ergastatud klorofüllimolekulid võivad oma energia üle kanda
ergastamata klorofüllimolekulidele. Nii kogutav energia suunatakse
reaktsioonitsentrisse, kus selle energia abil lagundatakse
veemolekule. Vee lagunemisel vabaneb hapnik, energia kantakse edasi
vesinikuaatomi kaudu. Seda energiat kasutatakse ATP sünteesiks.
Samuti sünteesitakse veemolekulist pärit vesinikuaatomi liitmisel
NADP molekuliga NADPH . Sellega on valgusenergia muundatud keemiliseks
energiaks.
Nii
töötavad kloroplastid nagu päikesepatareid. Sama protsessi käigus
vabaneb
veest hapnik
ja jääb
järele vesinik .
Selle tulemusel satub õhku hapnik, mida me hingame.
Nüüd,
kui energia on olemas, võib hakata seda kasutama toitainete
valmistamiseks. Selleks pole enam valgus vajalik.
Teisel
etapil,
kasutades
keemilist energiat (energiarikas
ATP), tehakse
lehes süsihappegaasist ja vesinikust glükoosi.
CO2 liitmise järel toimuvais reaktsioonides liidetakse vesinik, mis
saadakse NADPH molekulidest. Tulemusena moodustub glükoos. See on
paljuetapiline protsess, mille reaktsioonide ahel moodustab Calvini tsükli.
Glükoos on üks
energiarikastest suhkrutest , millest taim saab teha teisi eluks
vajalikke toitaineid - valke ja rasvu. Selleks kasutatakse
taimejuurte poolt toodud mineraale . Glükoosist toodetakse ka
taimseid varuaineid - tärklist ja teisi suhkruid ning taimerakkude
ehitusmaterjali , tselluloosi.
Mõlemad FS etapid
toimuvad taimerakkudes üheaegselt. Kuna I etapp vajab valgust, teine
aga mitte, siis nimetatakse esimest etappi FS valgusfaasiks ning
teist pimefaasiks.
Taimed
kasutavad saadud toitaineid uute lehtede, õite ja viljade
moodustamiseks. Muidugi ei suuda taimed alati kogu valmistehtud
toitainete hulka ära tarvitada. Seepärast varuvad taimed toitaineid
erilistesse kudedesse, et neid vajaduse korral tarvitada.
Energiapuudusel saavad taimed juba valmistehtud toitainetest
kasvamiseks vajalikku energiat.
Taimedesse
kogunenud energiat saab kasutada ka energia tootmisel kütusena.
Kõige lihtsam kütus on küttepuud, mille põletamisel vabaneb
energia. Kuid on ka palju energiarikkamaid kütuseid, mis kõik on
tekkinud taimedest - süsi, põlevkivi jt.
Kokkuvõtteks:
- Fotosünteesil kasutatakse valgusenergiat st FS toimub valguse käes; Toimumiseks on vajalik päikeseenergia.
- FS toimub taime rohelistes osades, st rakkudes, mis sisaldavad klorofülli; (kloroplaste pole kõigis taimerakkudes, vaid ainult taime rohelistes osades - lehtedes ja vartes. Taimelehe kattekudedes on kloroplaste vaid õhulõhede ümber).
- Fotosünteesil toodetakse elututest ainetest (vesi, süsihappegaas) elusainet (glükoos) st taimed vajavad CO2 ja H2O ja FS põhiülesandeks on glükoosi (orgaanilise aine) saamine;
- FS käigus tekib ka hapnik (peaaegu kogu atmosfääri hapnik on tekkinud niimoodi );
- CO2 + H2O = C6H12O6 + O2
HINGAMINE
Toitainete
valmistamine fotosünteesi käigus toimub päevavalgel. Kuid taimede
elutegevus toimub ka öösiti. Kuidas toituvad taimed öösel?
Fotosüntees
- see on tegelikult taimede toitumine. Kuid nii nagu loomadeski on ka
taimedel olemas hingamine. Taimed
hingavad õhuhapnikku ja eritavad süsihappegaasi.
Fotosünteesil
toodab taim toitaineid - süsivesikuid, valke ja rasvu. Paljud
valmistatud toitained töödeldakse taimes ümber ka varuaineteks -
tärkliseks jt. ühenditeks. Kõigis neis toitainetes sisaldub
salvestunud kujul päikeseenergiast saadud energia.
Toitained
sisaldavad keemilist energiat.
Selleks,
et keemilist energiat toitainetest vabastada ja hakata kasutama, peab
toimuma fotosünteesile vastupidine protsess. On
vaja hapnikku, et vabastada toitainest energiat. Hingamisel
tarvitavad taimed hapnikku, et vabastada toitainetest energiat.
Hingamisel tekib süsihappegaas, mida taimed eritavad õhku.
Vabanenud
energiat kasutatakse paljudes rakkudes toimuvates eluprotsessides.
Nii muutub osa energiat mehaaniliseks energiaks, mille varal surutakse juured läbi mulla., teine osa energiast kasutatakse ära
erinevate kudede ülesehitamiseks.
Hingamisel
vabanevat energiat ei saa rakk kasutada vahetult. Kõigepealt
muudetakse see taimeraku mitokondrite
poolt energiarikkaks ühendiks, mida saab kasutada siis, kui energia
järele tekib nõudmine.
Taimede
hingamine toimub põhiliselt pimedas , kui rakud vajavad rohkem
energiat. Taimed võtavad väliskeskkonnast hapnikku lehtede abil.
Kuigi lehe pinda katab tihe kattekude, leidub seal erilisi
õhulõhesid, mille kaudu saab toimuda lehe gaasivahetus . Õhulõhede
rakud saavad vajadusel sulguda ja avaneda, sest neis leidub
kloroplaste. Õhulõhesid on enamikul taimedel rohkem lehe alumisel
küljel.
Kuna
hingamisel toodavad taimed süsihappegaasi, pole kasulik magada toas,
kus on palju toalilli.
Mitokondreis
on energia allikaks üksnes orgaanilised ained. Seega, kui FS-l
keemiline energia lisandub, siis hingamisel kandub see üksnes ühelt
molekulilt teisele. Hingamine aksutab suhkruid ja hapnikku ning
lõpp- produktideks on CO2
ja H2O.
Seega on ta vastandprotsess FS-le. Ka hingamisel on 2 etappi –
tsitraaditsükkel koos glükolüüsiga ja hingamisahel. Ka hingamisel
moodustub ATP.
Taimelehtedes
sisaldavad rakud nii kloroplaste kui mitokondreid. Seega toimub neid
nii fotosüntees kui hingamine. Nende protsesside vahekord sõltub
valguse intensiivsusest. Pimedas eraldub lehest CO2
ja neeldub O2,
valguse käes neeldub CO2
ja eraldub O2.
4. Käärimine
Mõned
elusorganismid (bakterid ja pärmseened) võivad hingata ka ilma
hapniku juuresoluta, kuid energiat vabaneb sellisel hingamisel palju
vähem.
Seda
hingamisviisi nimetatakse käärimiseks.
Käärimine on
toitainetest energia vabastamine ilma hapniku juuresoluta.
Käärimise tulemusel
tekib alkohol
Kõik kommentaarid