معلومة

3.1: الطاقة تدخل النظم البيئية من خلال التمثيل الضوئي - علم الأحياء


تعمل الخلايا على الطاقة الكيميائية الموجودة أساسًا في جزيئات الكربوهيدرات ، ويتم إنتاج غالبية هذه الجزيئات بعملية واحدة: التمثيل الضوئي. من خلال عملية التمثيل الضوئي ، تقوم كائنات معينة بتحويل الطاقة الشمسية (ضوء الشمس) إلى طاقة كيميائية ، والتي تُستخدم بعد ذلك لبناء جزيئات الكربوهيدرات. يتم إطلاق الطاقة المخزنة في الروابط لتثبيت هذه الجزيئات معًا عندما يقوم الكائن الحي بتكسير الطعام. ثم تستخدم الخلايا هذه الطاقة لأداء العمل ، مثل الحركة. تدخل الطاقة التي يتم تسخيرها من عملية التمثيل الضوئي النظم البيئية لكوكبنا بشكل مستمر ويتم نقلها من كائن حي إلى آخر. لذلك ، بشكل مباشر أو غير مباشر ، توفر عملية التمثيل الضوئي معظم الطاقة التي تتطلبها الكائنات الحية على الأرض. ينتج عن التمثيل الضوئي أيضًا إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. باختصار ، يعتمد تناول الطعام والتنفس لدى البشر بشكل كامل تقريبًا على الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

الاعتماد على الطاقة الشمسية وإنتاج الغذاء

يمكن لبعض الكائنات الحية إجراء عملية التمثيل الضوئي ، بينما لا يستطيع البعض الآخر. ان تلقائية التغذية هو كائن يمكن أن ينتج طعامه. الجذور اليونانية لكلمة autotroph تعني "self" (auto) "feeder" (troph). تعتبر النباتات من أشهر الكائنات ذاتية التغذية ، ولكن يوجد البعض الآخر ، بما في ذلك أنواع معينة من البكتيريا والطحالب (الشكل ( PageIndex {1} )). تساهم الطحالب المحيطية بكميات هائلة من الغذاء والأكسجين في سلاسل الغذاء العالمية. بشكل أكثر تحديدًا ، النباتات فوتوتروفس، نوع من autotroph يستخدم ضوء الشمس والكربون من ثاني أكسيد الكربون لتخليق الطاقة الكيميائية على شكل كربوهيدرات. تتطلب جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ضوء الشمس.

مغاير التغذية هي كائنات غير قادرة على التمثيل الضوئي التي يجب أن تحصل بالتالي على الطاقة والكربون من الغذاء عن طريق استهلاك الكائنات الحية الأخرى. الجذور اليونانية للكلمة غيرية التغذية تعني "أخرى" (مغاير) "وحدة التغذية" (الكأس) ، مما يعني أن طعامهم يأتي من كائنات أخرى. حتى لو كان الكائن الحي الذي يتم استهلاكه حيوانًا آخر ، فإنه يتتبع طاقته المخزنة مرة أخرى إلى ذاتية التغذية وعملية التمثيل الضوئي. البشر كائنات غيرية التغذية ، مثلها مثل جميع الحيوانات والفطريات. تعتمد الكائنات غيرية التغذية على التغذية الذاتية ، إما بشكل مباشر أو غير مباشر. على سبيل المثال ، يحصل الغزلان على الطاقة عن طريق تناول النباتات. يحصل الذئب الذي يأكل غزالًا على الطاقة التي جاءت في الأصل من النباتات التي أكلها ذلك الغزال (الشكل ( PageIndex {2} )). باستخدام هذا المنطق ، يمكن إرجاع جميع الأطعمة التي يتناولها الإنسان إلى التغذية الذاتية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

ملخص التمثيل الضوئي

البناء الضوئي يتطلب ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء كمواد تفاعلية (الشكل ( PageIndex {3} )). بعد اكتمال العملية ، يطلق التمثيل الضوئي الأكسجين وينتج جزيئات الكربوهيدرات ، وغالبًا ما يكون الجلوكوز. تحتوي جزيئات السكر هذه على الطاقة التي تحتاجها الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة. يمكن تلخيص التفاعلات المعقدة لعملية التمثيل الضوئي بالمعادلة الكيميائية الموضحة في الشكل ( PageIndex {4} ) أدناه.

على الرغم من أن المعادلة تبدو بسيطة ، إلا أن العديد من الخطوات التي تحدث أثناء عملية التمثيل الضوئي معقدة للغاية في الواقع. يحدث التمثيل الضوئي في النباتات بشكل أساسي في البلاستيدات الخضراء للأوراق. تحتوي البلاستيدات الخضراء على غشاء مزدوج (داخلي وخارجي). يوجد داخل البلاستيدات الخضراء غشاء ثالث يشكل هياكل مكدسة على شكل قرص تسمى ثايلاكويدات. جزء لا يتجزأ من غشاء الثايلاكويد جزيئات الكلوروفيل، صبغة (جزيء يمتص الضوء) تبدأ من خلاله عملية التمثيل الضوئي بأكملها.

جزئين من التمثيل الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء ودورة كالفين. في ال ردود الفعل التي تعتمد على الضوء يمتص الكلوروفيل الطاقة من ضوء الشمس ثم يحولها إلى طاقة كيميائية بمساعدة الماء. تطلق التفاعلات المعتمدة على الضوء الأكسجين كمنتج ثانوي من انقسام الماء. في ال دورة كالفين، فإن الطاقة الكيميائية المشتقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء تدفع كلاً من التقاط الكربون في نشبع الجزيئات والتجميع اللاحق لجزيئات السكر.

الأهمية العالمية لعملية التمثيل الضوئي

تعتبر عملية التمثيل الضوئي مهمة للغاية للمحيط الحيوي للأسباب التالية:

  1. يخلق O2، وهو أمر مهم لسببين. تم إنشاء الأكسجين الجزيئي في الغلاف الجوي للأرض بواسطة الكائنات الحية الضوئية. بدون عملية التمثيل الضوئي لن يكون هناك O2 لدعم التنفس الخلوي (انظر الفصل 3.2) الذي تحتاجه الحياة المعقدة متعددة الخلايا. من المحتمل أن تكون بكتيريا التمثيل الضوئي هي أول الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ، والتي يعود تاريخها إلى ما قبل 2-3 مليار سنة. بفضل نشاطها ، وتنوع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي في الوقت الحاضر ، يبلغ الغلاف الجوي للأرض حاليًا حوالي 21٪ O2. أيضا ، هذا O2 أمر حيوي لتكوين طبقة الأوزون (انظر الفصل 10.2) ، والتي تحمي الحياة من الأشعة فوق البنفسجية الضارة المنبعثة من الشمس. الأوزون (O3) تم إنشاؤه من انهيار وإعادة تجميع O2.
  2. يوفر الطاقة لجميع النظم البيئية تقريبًا. من خلال تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية ، يوفر التمثيل الضوئي الطاقة التي تستخدمها الكائنات الحية ، سواء كانت تلك الكائنات نباتات ، أو جراد ، أو ذئاب ، أو فطريات. توجد الاستثناءات الوحيدة في النظم البيئية النادرة جدًا والمعزولة ، مثل الفتحات الحرارية المائية القريبة من أعماق البحار حيث تحصل الكائنات الحية على الطاقة التي جاءت في الأصل من المعادن ، وليس من الشمس.
  3. يوفر الكربون اللازم للجزيئات العضوية. تتكون الكائنات الحية بشكل أساسي من شيئين: الماء والجزيئات العضوية ، وهذا الأخير هو الكربون. من خلال عملية تثبيت الكربون، يأخذ التمثيل الضوئي الكربون من ثاني أكسيد الكربون2 ويحولها إلى سكريات (عضوية). يمكن إعادة استخدام الكربون الموجود في هذه السكريات لإنشاء أنواع أخرى من الجزيئات العضوية التي تحتاجها الكائنات الحية ، مثل الدهون والبروتينات والأحماض النووية. على سبيل المثال ، كان الكربون المستخدم في صنع الحمض النووي الخاص بك مرة واحدة CO2 المستخدمة من قبل الكائنات الحية الضوئية (انظر القسم 3.1 لمزيد من المعلومات حول شبكات الغذاء).

أ. الطاقة الضوئية هي مصدر الطاقة الأولي (لجميع) الكائنات الحية

ب. المنتجون / الأوتوتروفيس يغيرون الضوء / الطاقة المشعة إلى طاقة كيميائية
أو
المنتجون / autotrophs يحولون / يحبسون الضوء / الطاقة المشعة عن طريق التمثيل الضوئي

د. مركبات الكربون / العضوية المستخدمة للطاقة / النمو / الإصلاح / التخزين

ه. المركبات / الطاقة تمر كغذاء على طول سلاسل الغذاء / المستويات الغذائية WTTE

F. يطلق التنفس الخلوي الطاقة مثل ATP من الطعام

ز. فقدان الطاقة كحرارة (أثناء التنفس الخلوي)

ح. فقدان الطاقة في كل مستوى غذائي
أو
يتم تمرير ما يقرب من 10٪ فقط من الطاقة إلى المستوى الغذائي التالي / يتم فقد 90٪ في كل مستوى غذائي

أنا. فقدان الطاقة في العظام / الشعر عند موتهم / عدم تناولهم بالكامل بالمستوى الغذائي التالي

ي. فقدان الطاقة في البراز / البول

ك. محللات / saprotrophs تزيل الطاقة من النفايات / الأجسام

أ. عن طريق التمثيل الضوئي / استخدام الطاقة من الضوء

ب. تعلق بمركبات الكربون

ج. الفوسفات المستخدم في صنع الدهون الفوسفورية / النيوكليوتيدات / الأحماض النووية / DNA / RNA / ATP

تعتبر نواتج الأيض الأخرى المحتوية على الفوسفور مقبولة إذا تم التحقق منها.

د. تستخدم النترات لصنع الأحماض الأمينية / البروتينات / النيوكليوتيدات / الأحماض النووية / DNA / RNA / ATP

نواتج الأيض الأخرى المحتوية على النيتروجين مقبولة إذا تم التحقق منها.

ه. المنقولة من الجذور إلى الأوراق (في نسيج الخشب)

أ. مرسومة بخطوات بدلاً من مثلث

ب. مرسومة بمقياس (يجب أن تكون على الأقل 1/5 من المربع الموجود تحتها)
أو
مشروحة بقيم رقمية مناسبة

لا تمنح أي علامات إذا لم يتم عمل رسم.

& ldquo يجب أن تشير القيم الرقمية المناسبة & rdquo إلى المقياس ، لذا اقبل النسبة المئوية أو الأرقام.


أ. النباتات / المنتجون / ذاتية التغذية تحول الضوء إلى طاقة كيميائية عن طريق التمثيل الضوئي

ب. تمتص أصباغ الكلوروفيل / التمثيل الضوئي الضوء

ج. يتم إثارة / رفع الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى

د. تمر الإلكترونات المثارة على طول سلسلة من ناقلات الإلكترون

ه. الطاقة من الإلكترونات المستخدمة لضخ البروتونات عبر غشاء الثايلاكويد / في الفضاء الثايلاكويد

F. التدرج الكيميائي / التدرج البروتوني المستخدم في صنع ATP

ز. سينسيز ATP يولد ATP

ح. أصباغ مرتبة في أنظمة ضوئية

أنا. تتدفق الإلكترونات من نظام الصور الثاني عبر سلسلة الإلكترون إلى نظام الصور الأول

ي. يتم استخدام الإلكترونات من نظام الصور الأول لتقليل NADP

ك. ATP و NADP المخفض المستخدم في تفاعلات الضوء المستقلة / دورة كالفين

ل. يتم إنتاج الكربوهيدرات / الجلوكوز / مركبات الكربون المحتوية على الطاقة

منح نقاط الوسم لأي نقطة يتم توضيحها على مخطط توضيحي واضح.

أ. المنتجون / النباتات / ذاتية التغذية يحصلون على الطاقة من الضوء / الشمس / المصادر غير العضوية

ب. يحتوي الطعام على الطاقة / الطاقة التي يتم تمريرها في شكل مواد غذائية / مركبات الكربون (على طول سلاسل الغذاء / بين المستويات الغذائية)

ج. يحصل المستهلكون على الطاقة من الكائنات الحية الأخرى / من المستوى الغذائي السابق

تميز نقطة العلامة هذه المستهلكين عن المنتجين.

د. الطاقة المنبعثة (في الكائنات الحية) عن طريق التنفس (الخلوي)

رفض الطاقة المستخدمة في التنفس.

F. الطاقة / ATP المستخدمة في التخليق الحيوي / الحركة / النقل النشط / استخدام صالح آخر لـ ATP


النظم البيئية | الدرس 3 - دورات المادة وتدفقات الطاقة في النظم البيئية

في الدرس الثاني ، حدد الطلاب نمط هرم المادة العضوية في نظام بيئي مرج. في الدرس 3 ، يشرحون سبب وجود هذا النمط من خلال تتبع المادة والطاقة وربط المقاييس: (أ) تدوير المادة وتدفق الطاقة بين تجمعات الكربون على مقياس النظام البيئي ، (ب) النمو ووظائف الحياة وموت الكائنات على المستوى العياني المقياس ، و (ج) عمليات تحويل الكربون (التمثيل الضوئي ، التخليق الحيوي ، الهضم ، التنفس الخلوي) على النطاق الجزيئي الذري.

سؤال إرشادي

كيف تتحرك ذرات الكربون والطاقة من خلال نظام بيئي؟

الأنشطة في هذا الدرس

  • النشاط 3.1: أربعة أسئلة على نطاق واسع (20 دقيقة)
  • النشاط 3.2: لعبة نرد الكربون (30 دقيقة)
  • النشاط 3.3: تتبع الكربون من خلال النظم البيئية (30 دقيقة)
  • (اختياري) النشاط 3.4: ماذا يحدث لكربون التربة؟ (30 دقيقة)
  • النشاط 3.5: تتبع الطاقة من خلال نظام بيئي (30 دقيقة)
  • النشاط 3.6: شرح الأنماط في النظم البيئية (30 دقيقة)

خريطة الوحدة

الهدف أداء الطالب

أداء الهدف

الدرس 3 - دورات المادة وتدفقات الطاقة في النظم البيئية (الطلاب كمفسرين)

النشاط 3.1: أربعة أسئلة واسعة النطاق

يحدد الطلاب تجمعات الكربون في النظم البيئية والعمليات التي تنقل ذرات الكربون من تجمع إلى آخر.

النشاط 3.2: لعبة نرد الكربون

يقوم الطلاب بتسجيل ومشاركة البيانات حول حركتهم إلى تجمعات كربون مختلفة عندما يلعبون دور ذرات الكربون في نظام بيئي (لعبة نرد الكربون).

النشاط 3.3: تتبع الكربون من خلال نظام بيئي

يسمي الطلاب تجمعات الكربون والعمليات التي تنقل ذرات الكربون بين البرك في النظم البيئية الأرضية.

(اختياري) النشاط 3.4: ماذا يحدث لكربون التربة؟

يشرح الطلاب دور سلاسل الغذاء القائمة على المخلفات والفضلات في النظم البيئية.

النشاط 3.5: تتبع الطاقة من خلال نظام بيئي

يتتبع الطلاب التغيرات في تدفق الطاقة والطاقة من خلال تجمعات الكربون في النظم البيئية.

النشاط 3.6: شرح الأنماط في النظم البيئية

يشرح الطلاب دورة المواد وتدفق الطاقة في النظم البيئية ، والإجابة على سؤال مجمعات الكربون ، وسؤال دورة الكربون ، وسؤال تدفق الطاقة.


البناء الضوئي

· تستخدم فقط أطوال موجية معينة من الضوء لعملية التمثيل الضوئي.

· درجات الحرارة العالية لها تأثير على:

o الثغور - تغلق في درجات حرارة عالية لتجنب فقدان الكثير من الماء. يؤدي هذا إلى إبطاء عملية التمثيل الضوئي لأن كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون تدخل الورقة عند إغلاق الثغور.

o قد تتلف أغشية الثايلاكويد & # 8211 ، مما يقلل من معدل المرحلة المعتمدة على الضوء عن طريق تقليل عدد المواقع المتاحة لنقل الإلكترون.

o البلاستيدات الخضراء - يمكن أن تتلف الأغشية المحيطة بها ، مما قد يتسبب في إطلاق إنزيمات مهمة في الدورة في الخلية. هذا من شأنه أن يقلل من معدل المرحلة المستقلة عن الضوء.

• كمية أقل من ثاني أكسيد الكربون ستدخل المصراع لدورة كالفين

نقطة التشبع = حيث أن زيادة العامل بعد هذه النقطة لا تحدث فرقًا لأن شيئًا آخر أصبح العامل المحدد. مستويات الرسم البياني خارج هنا.

تؤثر شدة الضوء ودرجة الحرارة وتركيز ثاني أكسيد الكربون على معدل التمثيل الضوئي ، لذلك تؤثر جميعها على مستويات GP و RuBP و TP في دورة Calvin.


KS5 Biology: الطاقة وإعادة التدوير في النظم البيئية

يستخدم التلاميذ مهاراتهم العلمية والرياضية لنمذجة سلاسل الغذاء وحساب كفاءة نقل الطاقة داخل نظام بيئي.

ما هي تأثيرات الأسمدة وإدارة الأراضي على دورة المغذيات والبيئات المحيطة؟ لماذا هذا مهم؟

يسمح إجراء دراسات التربة في المناطق المتناقضة للتلاميذ بتطبيق مهاراتهم العملية على سيناريوهات الحياة الواقعية.

نتائج التعلم

  • وصف والتعرف على المستويات الغذائية المختلفة في شبكة الغذاء.
  • فهم كيفية حساب كفاءة نقل الطاقة في شبكة الغذاء ووصف كيفية فقدان الطاقة واكتسابها.
  • تقدير أهمية الكائنات الحية الدقيقة في دورات النيتروجين والكربون.
  • اشرح العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدل التحلل.

سوف نضمن أن نتائج التعلم ملائمة لتلاميذك وسنركز على لوحة الاختبار التي اخترتها.

روابط المناهج

AQA - علم الأحياء

3.5.3 الطاقة والنظم البيئية
3.5.4 دورات المغذيات

Edexcel A - علم الأحياء

الموضوع 5: على الجانب البري 5.11.2
الموضوع 6: المناعة والعدوى والطب الشرعي 6.2

Edexcel B - علم الأحياء

10.1: طبيعة النظم البيئية i. ثانيا. ثالثا.

OCR A - علم الأحياء

OCR B - علم الأحياء

4.3.1: التمثيل الضوئي وإنتاج الغذاء وإدارة البيئة ح (1) ، ط

البكالوريا الدولية - علم الأحياء

4.1: الأنواع والمجتمعات والنظم الإيكولوجية

BTEC - علم الأحياء

الوحدة 17: علم الأحياء الدقيقة والتقنيات الميكروبيولوجية
A3: الكائنات الحية الدقيقة في الطب والصناعة

مهارات

أ) التفكير المستقل

ب) استخدام وتطبيق الأساليب والممارسات العلمية

  • استخدم مجموعة من المعدات والمواد العملية بأمان وبشكل صحيح.
  • اتبع التعليمات المكتوبة.
  • قم بعمل وتسجيل الملاحظات.
  • احتفظ بسجلات مناسبة للأنشطة التجريبية.

د) الآلات والمعدات

  • استخدام مجموعة واسعة من الأدوات والمعدات والتقنيات التجريبية والعملية المناسبة للمعرفة والفهم المتضمن في المواصفات.

تقنيات عملية

1. استخدم الجهاز المناسب لتسجيل مجموعة من القياسات الكمية (لتشمل الكتلة والوقت والحجم ودرجة الحرارة والطول ودرجة الحموضة).

المهارات الرياضية

  • أ / 1 / يتعرف على الوحدات المناسبة ويستخدمها في العمليات الحسابية
  • أ / 3 / استخدام النسب والكسور والنسب المئوية
  • أ / 1/5 فهم مبادئ أخذ العينات كما هو مطبق على البيانات العلمية

جلسات المرحلة الخامسة الرئيسية

تستهدف دوراتنا الرئيسية 5 والدورات ما بعد الإلزامية التلاميذ الذين يدرسون علم الأحياء والجغرافيا على مستوى A و AS ، ودورات IB و BTEC.


شاهد الفيديو: تدفق الطاقة والمادة خلال النظم البيئية. الأحياء. علم البيئة (كانون الثاني 2022).