Дыхание ⭐️ растений: его схема, этапы, особенности и значение

Дыхание ⭐️ растений: его схема, этапы, особенности и значение Кислород

Биология дыхание растений

Тема: Дыхание растений

Ход урока

1. Организационный момент. Постановка целей урока

«Единственным критерием истины является опыт…»

Леонардо да Винчи

2. Актуализация знаний

Давайте вспомним, знания полученные на прошлом уроке, выполним следующий тест.

Выполнить тест:

1. Фотосинтез происходит …

А) в устьицах   Б) в межклетниках;  В) в хлоропластах,

2. В процессе фотосинтеза происходит …

А) поглощение кислорода и выделение углекислого газа

Б) поглощение углекислого газа и образование кислорода.

3. Крахмал, образующийся в листьях  в процессе фотосинтеза, нужен растению для …

А) выделения его во внешнюю среду;    

Б) снабжения им всех частей растения.

4. Хлорофилл в клетке находится …

А) в ядре;  Б) в пластидах;   В) в цитоплазме.

5. Крахмал, образующийся в листьях  в процессе фотосинтеза, является …

А) запасным питательным веществом;

Б) побочным продуктом обмена.

6. Какой ученый первым обнаружил способность растений выделять на свету кислород?

а) Джозеф Пристли  б) К. А. Тимирязев  в) ван Гельмонт

Ответы:

1-В, 2-Б,3-Б,4-,5-А,6-А

3. Изучение нового материала

          Вернёмся к опыту английского химика Джозефа Пристли, который в 1771 году провел следующий опыт: взял два стеклянных колпака, под каждым из них поместил мышь. Но под одним колпаком он поместил стаканчик с веткой растения ( там мышь осталась жива). Под другим колпаком растения не было, там мышь погибла.

— Как вы думаете, почему погибла мышь?

— О каком свойстве живого мы будем сегодня на уроке говорить?

— Почему мышь не погибла там, где было растение?

Предположительные ответы учащихся

И так тема нашего урока: «Дыхание растений»

Я Вам расскажу продолжение истории  опыта Джозефа Пристли.  «Я взял, — писал он, — некоторое количество воздуха, совершенно испорченного дыханием мыши, которая в нем погибла; разделил его на две части: одну часть воздуха перевел в сосуд, погруженный в воду, а в другую часть, также заключенную в сосуд с водою, посадил ветку мяты. Через восемь-девять дней я нашел, что мышь прекрасно могла жить в той части воздуха, в которой росла ветка мяты, но мышь моментально погибла в другой части его. В течение семи дней пребывания в сосуде с испорченным воздухом побег мяты вырос почти на 3 дюйма и, кроме того, образовал несколько новых».

Таким образом, растение как бы питалось испорченным воздухом, то есть углекислым газом. Оно росло, очищало воздух, поглощая углекислый газ и выделяя кислород.

Открытие Пристли произвело большое впечатление в учёном мире. Лондонское королевское общество ученых присудило Пристли большую золотую медаль и чествовало на торжественном собрании.

После опытов Пристли с колпаком и мышью всё высшее общество заговорило о способности растений очищать воздух. В моду вошло ставить побольше цветов в комнатах: ведь они “исправляют” т.е. «очищают» воздух.

Одна очень богатая дама решила проверить это научное наблюдение на себе. Она велела дворецкому поставить в комнату на ночь побольше растений. Наутро дама проснулась с сильной головной болью и в тот же вечер на приёме рассказала всем, что Пристли плут и обманщик.

Учёные взволновались, и Королевское общество попросило Пристли повторить опыт.

Был вечер. В большом зале сидели ученые в мантиях и белых париках. Горели свечи. Все в тишине сосредоточенно наблюдали за тем, что делал Пристли.

– Вот видите мышонок в сосуде с веткой мяты жив….

– Нет, он задыхается…. и умирает, — раздались голоса.

В конце урока вы попробуете дать ответы на вопросы: 

1. Почему мышонок при повторном эксперименте в Королевском обществе погиб?

2. Почему у богатой дамы разболелась голова?

Чтобы ответить на вопросы нам предстоит изучить процесс дыхания у растений.

 — Давайте вспомним, какие газы входят в состав воздуха?

Состав воздуха:

Азот – 78%;

Кислород – 21%;

Углекислый газ – 0,03%.

           Кислород и углекислый газ обладают разными свойствами.

Состав воздуха
У животных  и у человека во время пищеварения сложные органические вещества распадаются  на более простые, из которых они образовались, — Н2О и СО2!  при этом выделяется энергия. Окисление сложных веществ, происходит с участием кислорода.           Правильно, при горении органические вещества взаимодействуют с кислородом, происходит окисление органических веществ и выделяется энергия. Процесс окисления может происходить не только в пробирке, но и в живых организмах.

Дыхание – это процесс окисления сложных веществ  с участием кислорода.

Дыхание – это процессов поступления в организм кислорода, который участвует в реакциях окисления (разложения) сложных органических веществ на простые с освобождением энергии.

Сложные органические вещества кислород = углекислый газ вода Е (энергия)

По такой же схеме происходит процесс дыхания и у растений.

Каково значение кислорода ?

Как используют энергию растения, выделившеюся при окислении органических веществ?

Горение сходно с дыханием. Но горение протекает очень бурно и быстро, с выделением большого количества энергии. А при дыхании разложение органических веществ, происходит медленно, постепенно в несколько этапов, на каждом из этапов выделяется не большое количество энергии, которую растения используют на рост, размножение и другие процессы жизнедеятельности.

Какой газ образуются в результате дыхания?

Ответы учащихся

В результате дыхания образуются СО2.

Какими свойствами обладает углекислый газ?

Ответы учащихся

Углекислый газ не поддерживает дыхания и горения.  

Углекислый газ можно обнаружить с помощью известковой воды. В   присутствии углекислого газа известковая вода мутнеет.  Углекислый газ можно обнаружить с помощью зажженной лучины, которая гаснет в присутствии данного газа.

Проблемный вопрос: А все ли органы растения дышат? 

Опыт: Взяли три прозрачных банки, в первую поместили 30-40 набухших прорастающих семян фасоли, во вторую  — корнеплоды моркови, перед опытом поместили в воду на три дня, в третью – свежесрезанные стебли растения с листьями. Банки закрыли пробками и поставили в темное теплое место. На следующий день опустили в каждую банку зажженную свечу.

Опыт со свечами

Каким образом можно объяснить тот факт, что свечи гаснут?

Все органы растений о том  дышат. Поскольку при протекании процесса дыхания поглощается кислород и выделяется углекислый газ, который не поддерживает горения, а во всех банках свечи потухли, следовательно, все органы растения дышат.

Получается, что растения дышат только в темноте?

Растения – живые организмы и они, как и мы с вами дышат круглосуточно,  при любых условиях. При фотосинтезе выделяется кислород, а поглощается углекислый газ. В процессе дыхания поглощается кислород, а выделяется углекислый газ.

Получается, в организме растения на свету протекают два процесса – фотосинтез и дыхание, но кислорода выделяется гораздо больше, чем его поглощается, а в темноте в организме растения протекает только процесс дыхания.  

4. Физкультурная минутка
Чтоб головка не болела, 
Ей вращаем вправо-влево. (Вращение головой.) 
А теперь руками крутим — 
И для них разминка будет. (Вращение прямых рук вперёд и назад.) 
Тянем наши ручки к небу, 
В стороны разводим. (Потягивания — руки вверх и в стороны.) 
Повороты вправо-влево, 
Плавно производим. (Повороты туловища влево и вправо.) 
Наклоняемся легко, 
Достаём руками пол. (Наклоны вперёд.) 
Потянули плечи, спинки. 
А теперь конец разминке. (Дети садятся.) 

Есть ли у растений специальные органы для дыхания?

У растений нет специальных органов дыхания, но у них в кожице листа расположены устьица, через которые происходит газообмен. Устьица состоят из двух замыкающих клеток и устьичной щели, через которую кислород поступает в межклетники листа, а затем в клетки. В клетках происходит процесс окисления органических веществ (распад) образуется углекислый газ, который удаляется из клеток через устьичную щель.

Я хочу добавить, что дыхание у растений может происходить в корнях и в стеблях. Каждая клеточка растений дышит. В  корнях поглощение кислорода осуществляется с помощью корневых волосков, а в стеблях – через чечевички.   Поэтому после дождя и после полива комнатных растений необходимо рыхлить землю, чтобы увеличить доступ кислорода к корням.

Итак, мы с вами установили,  что растениям необходим кислород для дыхания. Но в растениях протекает противоположный процесс фотосинтез, в результате которого кислоро выделяется. Без кислорода  живые существа жить не могут.

Как вы ответите на проблемные вопросы, поставленные в начале урока?

Ответы учащихся.

5. Закрепление знаний

Проверим наши знания.

Тест: Для процесса дыхания выберите соответствующие характеристики.

1. Сущность процесса.

а. Испарение избытка воды и охлаждение растения.

б. Поглощение воды и неорганических веществ из почвы.

в. Поглощение углекислого газа, выделение кислорода и образование органических веществ.

г. Поглощение кислорода и выделение углекислого газа.

2. Клетки, осуществляющие процесс.

а. Процесс осуществляется зелеными клетками листа.

б. Процесс осуществляется всеми клетками листа .

в. Процесс осуществляется всеми клетками растения.

3. Орган, участвующий в осуществлении процесса.

а. В процессе участвуют листья.

б. В процессе участвует корень.

в. В процессе участвуют все органы растения.

4. Время суток.

а. Процесс протекает в течение суток.

б. Процесс происходит днём на свету.

Ответы: 1- г, 2-в, 3- в, 4- а.

6. Рефлексия

 Закончить фразу:

·        Я не знал …, а теперь я знаю…

·        У меня не получалось…, а теперь получается…

·        Я не понимал…, а теперь понимаю…

7. Подведение итогов

«Я дышу, а значит, я живу!»

Все тесты

  • Тест на темуАнализ стихотворения «Не с теми я, кто бросил землю» А. Ахматовой5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Перемена» Б. Пастернака5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Стихи о Петербурге» А. Ахматовой5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Стихи к Блоку» М. Цветаевой5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Клеветникам России» А. Пушкина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Завещание» Н. Заболоцкого5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Стихи о Москве» М. Цветаевой5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Молитва» М. Цветаевой5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «И. И. Пущину!» А. Пушкина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «День и ночь» Ф. Тютчева5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Весна в лесу» Б. Пастернака5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Журавли» Р. Гамзатова5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Люблю» В. Маяковского5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Когда на меня навалилась беда» К. Кулиева5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Гамлет» Б. Пастернака5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Русь» А. Блока5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Ночь» В. Маяковского5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения К. Симонова «Ты помнишь, Алёша, дороги Смоленщины…»5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения Жуковского «Приход весны»5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения Анны Ахматовой «Сероглазый король»5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Июль – макушка лета…»5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Мелколесье. Степь и дали…» С. Есенина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Не позволяй душе лениться» Н. Заболоцкого5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «На дне моей жизни» А. Твардовского5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Нивы сжаты, рощи голы…» С. Есенина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Бабушкины сказки» С. Есенина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Снежок» Н. Некрасова1 вопрос
  • Тест на темуАнализ стихотворения «По вечерам» Н. Рубцова5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Вчерашний день, часу в шестом…» Н. Некрасова5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Цветы последние милей…» А. Пушкина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Я знаю, никакой моей вины…» А. Твардовского5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Я не ищу гармонии в природе»Н. Заболоцкого5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Разбуди меня завтра рано» С. Есенина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Снега потемнеют синие» А. Твардовского5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Осень» Н. Карамзина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Молитва» А. Ахматовой5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Вечер» А. Фета5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Не жалею, не зову, не плачу» С. Есенина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Тучи» М. Лермонтова5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Книга» Г. Тукая5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Необычайное приключение, бывшее с Владимиром Маяковским летом на даче» В. Маяковского5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Деревня» А. Пушкина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Летний вечер» А. Блока5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Я убит подо Ржевом» А. Твардовского5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Элегия» А. Пушкина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Зимнее утро» А. Пушкина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Троица» И. Бунина5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Бабушке» М. Цветаевой5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «О весна без конца и краю» А. Блока5 вопросов
  • Тест на темуАнализ стихотворения «Море» В. Жуковского5 вопросов

Геномы новооткрытых цианобактерий свидетельствуют о позднем появлении кислородного фотосинтеза • новости науки

Считается, что атмосфера Земли стала кислородной 2,4–2,3 миллиарда лет назад благодаря цианобактериям, освоившим окcигенный фотосинтез. При этом датировки таких важнейших эволюционных событий, как появление цианобактерий, оксигенного фотосинтеза и кислородного дыхания остаются спорными. Современные методы метагеномного анализа, открывшие окно в мир некультивируемых микробов, позволили обнаружить два новых класса нефотосинтезирующих цианобактерий, Melainabacteria и Sericytochromatia, вдобавок к давно известным фотосинтезирующим цианобактериям (Oxyphotobacteria). Сравнительный анализ геномов показал, что первые цианобактерии не имели ни фотосинтеза, ни кислородного дыхания. Белки, необходимые для фотосинтеза, появились у предков Oxyphotobacteria после их отделения от Melainabacteria, которое произошло 2,6–2,5 миллиардов лет назад. Затем представители всех трех классов независимо приобрели белковые комплексы, необходимые для кислородного дыхания. Горизонтальный перенос генов играл в этих событиях важнейшую роль.

Появление оксигенного фотосинтеза преобразило земную биосферу и создало предпосылки для эволюции высших форм жизни. Единственными организмами, способными к оксигенному фотосинтезу, являются цианобактерии и их прямые потомки — хлоропласты фотосинтезирующих эукариот. Поэтому для понимания эволюции земной жизни необходимо как можно точнее датировать появление цианобактерий и кислородного фотосинтеза. Несмотря на повышенный интерес к данной проблеме, она до сих пор окончательно не решена (см. ссылки в конце новости). Трудности связаны в частности с тем, что геологическая летопись дает в основном лишь косвенные и трудно интерпретируемые данные об эволюции докембрийских прокариот.

К счастью, геологическая летопись — не единственный источник сведений о давних эволюционных событиях. Не менее важным источником сегодня стала сравнительная геномика, позволяющая реконструировать не только хронологический порядок событий, но и детали молекулярного устройства давно вымерших микробов путем сравнения ДНК их современных родичей.

В последние годы благодаря развитию метагеномики в поле зрения ученых попало множество микробов, не желающих расти на искусственных средах в лаборатории, что не позволяло их изучить (а подчас и обнаружить) классическими методами микробиологии. Среди новооткрытых микробов нашлись переходные формы, пролившие неожиданно яркий свет на величайшую загадку эволюционной биологии — происхождение эукариот (см.: Описан новый надтип архей, к которому относятся предки эукариот, «Элементы», 16.01.2022).

Статья австралийских и американских биологов, опубликованная 31 марта в журнале Science, сообщает об аналогичном прорыве в изучении другого важнейшего эволюционного события, или, точнее, комплекса событий — появления цианобактерий, кислородного фотосинтеза и аэробного дыхания.

Ранее уже было показано, что к типу цианобактерий, помимо давно известных фотосинтезирующих форм (рис. 1), относится ряд микробов, не способных к фотосинтезу. Часть их была выделена в класс Melainabacteria. Эти микроорганизмы встречаются в озерах, подземных и сточных водах, а также в человеческом кишечнике. Мелаинабактерии образуют монофилетическую группу с фотосинтезирующими цианобактериями. Иными словами, мелаинабактерии и фотосинтезирующие цианобактерии являются единственными современными потомками своего последнего общего предка. Фотосинтезирующие цианобактерии вместе с произошедшими от них хлоропластами тоже образуют монофилетическую группу, сестринскую по отношению к мелаинабактериям, которая получила название Oxyphotobacteria (R. M. Soo et al., 2022. An Expanded Genomic Representation of the Phylum Cyanobacteria). Кроме того, анализ генов 16S рРНК из различных сред выявил третью, самую базальную ветвь цианобактерий (сестринскую по отношению к Melainabacteria  Oxyphotobacteria). Полные геномы представителей этой третьей группы до сих пор не были известны, и поэтому она фигурировала в литературе под невразумительным названием «клада ML635J-21».

В своей новой статье Рошель Соо (Rochelle M. Soo) и ее коллеги из Квинслендского университета в Брисбене (Австралия) и Калифорнийского технологического института (Пасадена, США) сообщили о сборке черновых геномов трех представителей клады ML635J-21, которую они переименовали в класс Sericytochromatia (от лат. sero — «поздно» и «цитохром», что указывает на позднее приобретение этой группой цитохромов, необходимых для аэробного дыхания, см. ниже). Представители нового класса Sericytochromatia обнаружены как в освещенных местообитаниях (водорослевые биопленки), так и в темноте (подземные воды, угольные пласты). Кроме того, авторы собрали 28 новых черновых геномов Melainabacteria и переопределили 10 ранее собранных геномов, которые были ошибочно отнесены к другим группам, а на самом деле относятся к мелаинабактериям.

В итоге в распоряжении исследователей оказался большой массив геномных данных, достаточный для содержательного анализа ранних этапов эволюции цианобактерий.

Получившееся эволюционное дерево показано на рис. 2. Новые данные подтвердили деление цианобактерий на три класса и базальное положение Sericytochromatia. Судя по распределению на этом дереве белков, необходимых для фотосинтеза (фотосистемыI и II, ферменты цикла Кальвина), первые цианобактерии не были способны ни к фотосинтезу, ни к фиксации CO2. По-видимому, они были гетеротрофами (потребителями готовой органики). Между прочим, среди мелаинабактерий есть даже хищники, что является большой редкостью в мире бактерий (см.: Vampirovibrio chlorellavorus).

Ничего похожего на белки фотосистем и цикла Кальвина нет ни у одного из представителей Melainabacteria и Sericytochromatia. По-видимому, эти белки (точнее, их гены) были позаимствованы путем горизонтального переноса у каких-то других бактерий и собрались в систему оксигенного фотосинтеза у предков Oxyphotobacteria уже после их отделения от предков Melainabacteria. Судя по молекулярным часам, эти группы разошлись в самом конце архейского эона, 2,6–2,5 миллиардов лет назад (P. M. Shih et al., 2022. Crown group Oxyphotobacteria postdate the rise of oxygen). Получается, что кислородный фотосинтез появился незадолго до периода быстрого роста концентрации кислорода в атмосфере, который имел место 2,4–2,3 млрд лет назад.

Новые данные позволили также уточнить имеющиеся представления об эволюции аэробного дыхания у цианобактерий. Для начала заметим, что оксигенный фотосинтез и аэробное дыхание — процессы, связанные не только по своему результату (первый производит органику и кислород из CO2 и воды, второй превращает органику и кислород обратно в CO2 и воду), но и по происхождению. Ключевую роль в обоих процессах играют электронно-транспортные цепи (ЭТЦ; см. Electron transport chain), состоящие из нескольких вмонтированных в мембрану белковых комплексов. Детальные схемы этих цепей можно посмотреть на сайте KEGG (ЭТЦ оксигенного фотосинтеза, ЭТЦ аэробного дыхания).

Некоторые компоненты фотосинтетической и дыхательной ЭТЦ явно имеют общее происхождение. В первую очередь это относится к так называемому комплексу III (Complex III), который использует энергию передаваемого от белка к белку возбужденного электрона для перекачки протонов с одной стороны мембраны на другую. Получившийся электрохимический градиент затем используется для синтеза АТФ при помощи АТФ-синтазы: этот процесс одинаков при фотосинтезе и дыхании.

Родство молекулярных систем оксигенного фотосинтеза и аэробного дыхания особенно наглядно проявляется у фотосинтезирующих цианобактерий, у которых ряд компонентов ЭТЦ, включая комлекс III, задействован одновременно в обоих процессах (рис. 3).

Если бы первые цианобактерии имели кислородный фотосинтез или дыхание, то у них должны были быть соответствующие белки, включая цитохромы комплекса III, которые затем переходили бы по наследству к их потомкам. В таком случае эволюционные деревья, построенные по отдельности для этих цитохромов и других «дыхательных» белков, совпадали бы с деревом, построенным на основе всего генома и отражающим родственные связи классов цианобактерий.

Ничего подобного, однако, не наблюдается. Дыхательные белки цианобактерий демонстрируют сходство с соответствующими белками самых разных групп бактерий (деревья, построенные для отдельных белков, приведены в дополнительных материалах к обсуждаемой статье). Из этого следует, что, как показано на рис. 2, разные группы цианобактерий приобретали белки дыхательной ЭТЦ независимо друг от друга, в разное время и от разных доноров. Никакой эволюционной преемственности в этом отношении между классами цианобактерий нет. Системы кислородного дыхания явно формировались за счет горизонтального переноса генов от других (причем разных) групп бактерий. При этом одни цианобактерии обзавелись белками, подходящими для дыхания при низких концентрациях кислорода, другие — при высоких.

Таким образом, у первых цианобактерий не было не только оксигенного фотосинтеза, но и кислородного дыхания. В небольших количествах свободный кислород мог производиться и за счет абиотических процессов, таких как фотолиз водяного пара, но этого, очевидно, было недостаточно, чтобы стимулировать эволюцию кислородного дыхания до появления оксигенного фотосинтеза. После этого события многим микробам пришлось срочно приспосабливаться к присутствию кислорода, токсичного для неадаптированных к нему организмов. В ходе этой адаптации горизонтальный перенос генов играл ключевую роль, а дыхательные ЭТЦ развивались как модификации сложившихся ранее фотосинтетических ЭТЦ.

Один из главных выводов работы состоит в том, что цианобактерии начали производить кислород лишь 2,6–2,5 млрд лет назад или даже позже. Этот вывод противоречит распространенной точке зрения о раннем (около 3 млрд лет назад) начале кислородного фотосинтеза (см.: «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2022). Малый временной интервал между изобретением оксигенного фотосинтеза и ростом уровня кислорода в атмосфере подчеркивает ключевую роль данного эволюционного события в оксигенизации атмосферы (в противовес идеям о ведущей роли абиотических процессов, таких как подъем материков и изменение характера вулканизма (см.: Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород, «Элементы», 17.10.2022).

Вывод о позднем появлении кислородного фотосинтеза согласуется с геохимическими данными, свидетельствующими о существовании 2,415 млрд лет назад фотосинтезирующих организмов, окислявших марганец (J. E. Johnson et al., 2022. Manganese-oxidizing photosynthesis before the rise of cyanobacteria). Марганцевый фотосинтез считается непосредственным эволюционным предшественником оксигенного. Напоминанием об этом этапе эволюции является водоокисляющий марганцевый кластер фотосистемы II (см. главу 16 книги Михаила Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки»). Возможно, марганцевым фотосинтезом занимались базальные Oxyphotobacteria.

Источник: Rochelle M. Soo, James Hemp, Donovan H. Parks, Woodward W. Fischer, Philip Hugenholtz. On the origins of oxygenic photosynthesis and aerobic respiration in Cyanobacteria // Science. 2022. V. 355. P. 1436–1440.

См. также о появлении кислородного фотосинтеза и оксигенизации атмосферы:
1) Новая модель связала образование земной коры, вулканы и кислород, «Элементы», 17.10.2022.
2) «Великое кислородное событие» на рубеже архея и протерозоя не было ни великим, ни событием, «Элементы», 02.03.2022.
3) Михаил Никитин. Происхождение жизни. От туманности до клетки (Глава 16).

Александр Марков

Химические свойства

При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.

1. Кислород проявляет свойства окислителя(с большинством химических элементов) и свойства восстановителя(только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами, и с неметаллами. Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

O2   2F2  →  2OF2

С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.

1.2. Кислород реагирует с серой и кремниемс образованием оксидов:

S O2 → SO2

  Si O2 → SiO2

1.3.Фосфоргорит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

4P      3O2  →   2P2O3

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

4P      5O2  →   2P2O5

1.4.С азотомкислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000оС), образуя оксид азота (II):

    N2  O2→  2NO

1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием  и алюминием кислород  также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:

2Ca       O2 → 2CaO

Однако при горении натрияв кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

    2Na O2→  Na2O2

А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:

    K O2→  KO2

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn O2→  2ZnO

Железо, в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:

2Fe O2→  2FeO

https://www.youtube.com/watch?v=hI5ZELS5qsw

4Fe 3O2→  2Fe2O3

3Fe 2O2→  Fe3O4

1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит, образуя оксид углерода (IV):

C     O2  →  CO2

 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C     O2  →  2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды. При этом образуются оксиды:

4FeS 7O2→  2Fe2O3 4SO2

Al4C3 6O2→  2Al2O3 3CO2

Ca3P2 4O2→  3CaO P2O5

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

  • летучие водородные соединения (сероводород, аммиак, метан, силан гидриды. При этом также образуются оксиды: 

2H2S 3O2→  2H2O 2SO2

Аммиакгорит с образованием простого вещества, азота:

4NH3 3O2→  2N2 6H2O

Аммиакокисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):

https://www.youtube.com/watch?v=_hlY8uxODlI

4NH3 5O2→  4NO 6H2O

  • прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора (сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS2 3O2→  CO2 2SO2

  • некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления (оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO O2→  2CO2

2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.

Например, кислород окисляет гидроксид железа (II):

4Fe(OH)2 O2 2H2O → 4Fe(OH)3

Кислород окисляет азотистую кислоту:

2HNO2 O2 → 2HNO3

2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:

CH4 2O2→  CO2 2H2O

2CH4 3O2→  2CO 4H2O

CH4 O2→  C  2H2O

Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)

https://www.youtube.com/watch?v=7vlUxqHh5-c

2CH2=CH2 O2 → 2CH3-CH=O

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий