Informație

Plantele pot descompune celuloza pentru energie?


Știu că oamenii și alte animale încep să își folosească propriile proteine ​​ca hrană atunci când mor de foame. Acest lucru m-a făcut să mă întreb dacă o plantă care este lipsită de lumina soarelui, după ce a consumat rezervele de zahăr și alte carbohidrați, ar putea descompune părți din propria structură lemnoasă pentru a se hrăni cu restul ei înșiși.

Google nu a dat rezultate utile, ceea ce mă face să cred că răspunsul este nu. Nu am auzit niciodată de plante care posedă celulază, ci doar anumite animale.

În plus, mi-aș imagina că celuloza nu este ușor de transportat, deci ar trebui să fie descompusă de regiunea țesutului care o înconjoară - care, evident, nu ar putea dura mult înainte ca acea regiune să moară din cauza canibalizării.


Plantele nu produc celulază suplimentară pentru a descompune celuloza pentru o creștere a energiei atunci când sunt cultivate în condiții întunecate (despre care știu eu). Dar amintiți-vă, pereții celulari sunt structurile care mențin presiunea turgorului în celule, astfel încât descompunerea lor ar fi foarte costisitoare pentru supraviețuirea plantelor. Câteva note: pereții celulari ai plantelor au mai multe componente decât simpla celuloză și sunt dinamici. În condiții de creștere întunecată, plantele se alungesc (etiolare), timp în care enzimele (expansiunile) descompun legăturile peretelui celular pentru a permite celulelor să alungească tulpinile plantelor. Alungirea este un avantaj evolutiv pentru a găsi lumină atunci când lucrurile devin umbroase.

Pentru a citi mai multe despre ce este format peretele celular și funcția pe care acesta o asigură celulei, încercați să vizionați videoclipul Khan Acadamy despre pereții celulari. Semnalizarea luminii este un domeniu întreg în Biologia Plantelor (exemplu). Citiți mai multe, dacă sunteți interesat de modul în care plantele imobile se ocupă de umbrirea de la alte plante sau perioadele de întuneric. Plantele descompun proteinele pentru reutilizare! Citiți mai multe despre vacuolele din plante dacă sunteți interesat de modul în care acestea reciclează și descompun unele molecule și proteine ​​atunci când este necesar (legate de paralela întrebării dvs. cu celulele animale; deși, nu defalcarea celulozei pentru a înlocui producția de zahăr fotosintetică).


Plantele nu descompun celuloza pentru energie, deși stochează energie. Plantele își stochează energia sub formă de amidon, care este împărțit în glucoză pentru ca planta să o folosească pentru energie. Majoritatea plantelor nu supraviețuiesc odată ce amidonul este utilizat (dar nu descompun celuloza).

Deoarece moleculele de celuloză se leagă puternic între ele, descompunerea celulozei este relativ dificilă în comparație cu descompunerea amidonului. Este necesară o temperatură ridicată pentru descompunerea celulozei, pe care plantele nu o pot descompune.


Descompunerea celulozei

Biocombustibilul este considerat una dintre sursele alternative de energie în viitorul apropiat, când petrolul și cărbunele au dispărut. În prezent, materia primă majoră a biocombustibilului este zahărul din amidon, în timp ce puțin provine din biomasa lignocelulozică din cauza costului. Cu toate acestea, majoritatea glucidelor totale din biomasă sunt prezentate în forme de lignoceluloză, cum ar fi celuloza, hemiceluloză sau lignină. [1] O mulțime de biomasă nu poate fi utilizată dacă nu există o modalitate ieftină de a descompune celuloza. În acest articol, ne vom concentra pe structura celulozei, tehnicile de hidroliză a celulozei, cercetarea actuală a hidrolizei enzimatice și costul hidrolizei enzimatice.


Descompunerea celulozei încăpățânate în interval de timp

Componenta vegetală celuloză este un polimer extrem de rezistent, insolubil în apă, care este greu de descompus. Acest lucru îngreunează utilizarea eficientă și durabilă a biomasei vegetale în biorefinării. „Doar când vor exista abordări durabile și eficiente din punct de vedere al costurilor pentru degradarea celulozei vom începe să producem combustibili, substanțe chimice și materiale pe scară largă din biomasă vegetală”, explică Bernd Nidetzky, biotehnolog și șef al Institutului de Biotehnologie și Inginerie Biochimică la TU Graz.

Degradarea celulozei în natură

În natură, descompunerea biologică a celulozei are loc fie prin celulaze, fie prin celulozomi. Celulazele sunt enzime care diferă prin specificitatea și modul de acțiune și sunt implicate sinergic în degradarea celulozei din plantele lemnoase, cum ar fi copacii sau arbuștii. Deși celulazele individuale pot fi situate în imediata apropiere una de cealaltă, ele sunt unități individuale, fizic independente. Un celulozom, pe de altă parte, este un complex proteic, o colecție ordonată și interconectată fizic de enzime necesare degradării celulozei.

Bernd Nidetzky și echipa sa și-au pus sarcina de a înțelege mai bine și de a vizualiza celulozomii ca fiind, în esență, nanomachine biologice care degradează celuloza. Cercetătorii au făcut acum un pas decisiv către acest obiectiv într-un proiect susținut de Fondul științific austriac (FWF). Ei au fost capabili să vizualizeze un celulozom la nivelul unei singure molecule în timpul degradării celulozei prin intermediul microscopiei cu forță atomică în interval de timp și astfel să obțină informații despre modul său de funcționare. Rezultatele au fost publicate în jurnal ACS Central Science.

Nanomachine la locul de muncă

În termeni concreți, cercetătorii documentează degradarea celulozei folosind un celulozom din bacteria Clostridium thermocellum. Se arată că celulozomul se adaptează dinamic la diferitele condiții de suprafață ale celulozei. "Când se leagă de celuloză, celulozomul trece la forme alungite, chiar asemănătoare firelor și le transformă dinamic pe o scară de timp mai mică de un minut, în conformitate cu cerințele suprafeței de celuloză atacată. Comparativ cu celulazele, care detașează materialul atunci când alunecă de-a lungul suprafețele de celuloză cristalină, celulozomii rămân legați local timp de câteva minute și îndepărtează materialul subiacent. Degroșarea consecventă a suprafeței duce la degradarea eficientă a nanocristalelor de celuloză ", explică Bernd Nidetzky.

Perspectivă pentru biorefinării

"Analizele noastre demonstrează că celulozomii sunt extrem de eficienți în descompunerea celulozei. Prin urmare, ar putea juca un rol central în dezvoltarea de noi abordări pentru biorefinării", a subliniat Nidetzky. Prin exploatarea diferitelor mecanisme de acțiune ale complexelor enzimatice sub formă de celulozom și enzime libere, degradarea celulozei poate fi efectuată mai rapid, mai complet și cu mai puține cerințe enzimatice. Sinergiile dintre mecanismele de degradare ale celulazei și celulozomilor ar putea ajuta astfel la proiectarea sistemelor hibride de celulază și ar oferi noi perspective pentru aplicații în biorefinării.


În spatele scenei: modul în care ciupercile pun nutrienții la dispoziția lumii

Pentru a preveni această soartă cumplită, au dezvoltat pereți celulari extrem de duri în urmă cu aproximativ 400 de milioane de ani. Timp de milioane de ani, nimic nu a putut distruge lignina, cea mai puternică substanță din acei pereți celulari. Când un copac a murit, el sa scufundat în mlaștina unde a crescut. Când înregistrările fosile au început să arate copacii care se prăbușeau în urmă cu aproximativ 300 de milioane de ani, majoritatea oamenilor de știință au presupus că acest lucru se datorează faptului că mlaștinile omniprezente ale vremii se uscau.

Dar biologul David Hibbett de la Universitatea Clark a bănuit că nu aceasta este întreaga poveste. O teorie alternativă a cercetătorului Jennifer Robinson l-a intrigat. Ea a teoretizat că, în loc de schimbarea ecosistemului, altceva a jucat un rol major - ceva care evoluează abilitatea de a descompune lignina. Prin cercetările de biologie evoluționistă susținute de Biroul de Științe al Departamentului de Energie (DOE), Hibbett și echipa sa au confirmat teoria ei. Au descoperit că, așa cum a prezis ea, un grup de ciuperci cunoscute sub numele de „ciuperci de putregai alb” au dezvoltat capacitatea de a descompune lignina aproximativ în același timp în care formarea de cărbune a scăzut drastic. Cercetările sale au ilustrat cât de esențiale au fost ciupercile de putregai alb pentru evoluția Pământului.

Ciupercile sunt încă indispensabile. Bucătarii de scurtă durată din lumea naturală, au o slujbă neprevăzută, făcând nutrienții accesibili restului dintre noi. La fel cum fierberea spanacului facilitează digerarea, unele ciuperci pot descompune pereții celulelor plantelor, inclusiv lignina. Acest lucru face mai ușor pentru alte organisme utilizarea carbonului care se află în acei pereți celulari.

„Trăim cu toții în tractul digestiv al ciupercilor”, a spus Scott Baker, biolog la Laboratorul Național Pacific Northwest al DOE. Dacă nu am fi înconjurați de ciuperci care degradează materialul vegetal mort, ar fi mult mai greu pentru plante să obțină nutrienții de care au nevoie.

Pentru a înțelege rolul ciupercilor în ecosistem și a sprijini cercetarea biocombustibililor, oamenii de știință susținuți de Oficiul de Științe al DOE studiază modul în care ciupercile au evoluat pentru a descompune lemnul și alte plante.

Abilitățile speciale ale ciupercilor

Ciupercile se confruntă cu o sarcină grea. Pereții celulari ai copacilor conțin lignină, care susține copacii și îi ajută să reziste putrezirii. Fără lignină, rășinoasele din California și capoșii amazonieni nu ar fi în măsură să urce sute de picioare în aer. Pereții celulari ai copacilor includ, de asemenea, celuloză, un compus similar care este mai ușor de digerat, dar încă dificil de descompus în zaharuri simple.

Co-evoluând cu copacii, ciupercile au reușit să ocolească acele apărări. Ciupercile sunt singurul organism major care poate descompune sau modifica semnificativ lignina. De asemenea, sunt mult mai buni la descompunerea celulozei decât majoritatea celorlalte organisme.

De fapt, ciupercile sunt chiar mai bune decât oamenii și mașinile pe care le-am dezvoltat. Industria bioenergetică nu poate încă să descompună lignina în mod eficient și accesibil, care este necesar pentru a transforma plantele nealimentare precum plopii în biocombustibili. Majoritatea proceselor industriale actuale ard lignina sau o tratează cu substanțe chimice scumpe și ineficiente. Învățarea modului în care ciupercile descompun lignina și celuloza ar putea face aceste procese mai accesibile și mai durabile.

Urmărirea arborelui genealogic fungic

În timp ce ciupercile trăiesc aproape peste tot pe Pământ, progresele în analiza genetică și a proteinelor ne permit acum să vedem cum funcționează acești bucătari de ordin scurt în bucătăria lor. Oamenii de știință pot preleva o ciupercă în sălbăticie și pot analiza structura genetică a acesteia în laborator.

Prin compararea genelor din diferite tipuri de ciuperci și a modului în care acele ciuperci sunt legate evolutiv între ele, oamenii de știință pot urmări care gene ciuperci au câștigat sau pierdut în timp. De asemenea, pot examina ce gene a activat sau dezactivat o ciupercă individuală în orice moment.

Identificând genele unei ciuperci și proteinele pe care le produce, oamenii de știință pot identifica ce gene codifică pentru ce proteine. O serie de proiecte care doresc să facă acest lucru ating resursele Joint Genome Institute (JGI) și ale Laboratorului de Științe Moleculare de Mediu (EMSL), ambele facilități pentru utilizatorii Office of Science.

Înțelegerea putrezirii

La fel cum diferiți bucătari folosesc tehnici diferite, ciupercile au o varietate de moduri de a descompune lignina, celuloza și alte părți ale pereților celulari ai lemnului.

Deși ciupercile au apărut cu milioane de ani mai devreme, grupul de ciuperci cunoscut sub numele de putregai alb a fost primul tip care a descompus lignina. Grupul respectiv este încă un jucător major, lăsând lemnul fulgios și cu aspect alb în pădure.

„Putregaiul alb este uimitor”, a spus Hibbett.

Pentru a descompune lignina, ciupercile de putregai alb folosesc enzime puternice, proteine ​​care accelerează reacțiile chimice. Aceste enzime împart multe dintre legăturile chimice ale ligninei, transformându-l în zaharuri simple și eliberând dioxid de carbon în aer. Putregaiul alb este încă mai bun la sfâșierea ligninei decât orice alt tip de ciupercă.

În comparație cu efectele puternice ale putregaiului alb, comunitatea științifică a crezut mult timp că grupul cunoscut sub numele de ciuperci de putregai brun este slab. Asta pentru că ciupercile de putregai brun nu pot descompune pe deplin lignina.

Amintindu-și cursurile de facultate din anii 1980, Barry Goodell, profesor la Universitatea din Massachusetts Amherst, a spus: „Profesorii din acea perioadă îi considerau aceste lucruri mici și sărace care erau primitive”.

Nu subestimați niciodată o ciupercă. Chiar dacă ciupercile de putregai maro reprezintă doar 6% din speciile care descompun lemnul, ele descompun 80% din pinul din lume și alte conifere. După cum au descoperit oamenii de știință care lucrează cu JGI în 2009, putregaiul maro nu era primitiv în comparație cu putregaiul alb. De fapt, putregaiul maro a evoluat de fapt din ciupercile timpurii de putregai alb. Pe măsură ce speciile de putregai brun au evoluat, au pierdut de fapt gene care codifică enzimele care distrug lignina.

La fel ca bucătarii buni care se adaptează la o bucătărie nouă, evoluția a condus ciupercile de putregai maro să găsească o cale mai bună. În loc să dezlănțuie forța brută a enzimelor cu consum intensiv de energie, ele au completat acea acțiune enzimatică cu procesul mai eficient de „reacție Fenton mediată prin chelator” (CMF). Acest proces descompune pereții celulelor din lemn, producând peroxid de hidrogen și alte substanțe chimice. Aceste substanțe chimice reacționează cu fierul natural în mediu pentru a sparge lemnul. În loc să descompună complet lignina, acest proces îl modifică suficient pentru ca ciuperca să ajungă la celelalte substanțe chimice din peretele celular.

A fost o singură problemă cu această descoperire. În teorie, reacția chimică CMF este atât de puternică încât ar trebui să descompună atât ciuperca, cât și enzimele pe care se bazează. „Ar sfârși prin a se distruge singur”, a declarat Jonathan Schilling, profesor asociat la Universitatea din Minnesota.

Principala teorie a oamenilor de știință a fost că ciuperca a creat o barieră fizică între reacție și enzime. Pentru a testa această idee, Schilling și echipa sa au cultivat o ciupercă de putregai maro pe bucăți de lemn foarte subțiri. În timp ce priveau ciupercile care își croiau drum prin pădure, au văzut că ciuperca rupea procesul nu în spațiu, ci în timp. În primul rând, a exprimat gene pentru a produce reacția corozivă. Două zile mai târziu, a exprimat gene pentru a crea enzime. Având în vedere că ciupercile pot dura ani sau chiar decenii pentru a sparge un buștean, 48 de ore sunt o clipă în timp.

Oamenii de știință încă încearcă să-și dea seama cât de mult joacă rolul procesului CMF. Cercetătorii Schilling și cei care au aceeași părere cred că enzimele sunt încă o parte majoră a procesului, în timp ce cercetările lui Goodell sugerează că reacțiile CMF fac cea mai mare parte a lucrării. Echipa Goodell a raportat că reacțiile CMF ar putea lichefia până la 75% dintr-o bucată de lemn de pin.

Oricum ar fi, procesul CMF oferă un mare potențial pentru biorefinării. Folosirea pretratamentului ciupercilor maronii ar putea permite industriei să utilizeze mai puține enzime scumpe, consumatoare de energie.

O colaborare strânsă

Nu toate ciupercile stau singure. Multe tipuri trăiesc în simbioză cu animalele, deoarece ciuperca și animalul se bazează reciproc pentru servicii esențiale.

Vacile și alte animale care mănâncă iarbă depind de ciuperci intestinale și alte microorganisme pentru a ajuta la descompunerea ligninei, celulozei și a altor materiale din pereții celulari ai lemnului. În timp ce ciupercile reprezintă doar 8% din microbii intestinali, aceștia descompun 50% din biomasă.

Pentru a afla ce enzime produc ciupercile intestinale, Michelle O'Malley și echipa ei de la Universitatea din California, Santa Barbara au cultivat mai multe specii de ciuperci intestinale pe lignoceluloză. Le-au hrănit apoi zaharuri simple. Pe măsură ce ciupercile „mâncau” zaharurile simple, au oprit munca grea de a sparge pereții celulelor, cum ar fi optarea pentru mâncare mai degrabă decât gătitul acasă.

În funcție de sursa de hrană, ciupercile au „oprit” anumite gene și au schimbat ce enzime produceau. Oamenii de știință au descoperit că aceste ciuperci produc sute mai multe enzime decât pot produce ciupercile utilizate în industrie. De asemenea, au descoperit că enzimele au funcționat împreună pentru a fi chiar mai eficiente decât sunt în prezent procesele industriale.

„Aceasta a fost o imensă diversitate de enzime pe care nu am văzut-o niciodată”, a spus O'Malley.

Cercetările recente ale lui O'Malley arată că industria poate produce biocombustibili și mai eficient conectând grupuri de enzime precum cele produse de ciuperci intestinale.

Termitele ca fermieri de ciuperci

Unele ciuperci funcționează în afara curajelor animalelor, cum ar fi cele care se asociază cu termite. Termitele tropicale sunt mult mai eficiente în spargerea lemnului decât animalele care mănâncă iarbă sau frunze, ambele fiind mult mai ușor de digerat. Termitele tinere amestecă mai întâi sporii de ciuperci cu lemnul în stomacul lor, apoi îl coboară într-o cameră protejată. După 45 de zile de descompunere fungică, termitele mai vechi mănâncă acest amestec. Până la final, lemnul este aproape complet digerat.

„Cultivarea ciupercilor pentru hrană [de către termite] este una dintre cele mai remarcabile forme de simbioză de pe planetă”, a declarat Cameron Currie, profesor la Universitatea din Wisconsin, Madison și cercetător la Centrul de Cercetare Bioenergetică al Marilor Lacuri al DOE..

Oamenii de știință au presupus că majoritatea descompunerii au avut loc în afara intestinului, ignorând munca termitelor mai tinere. Dar Hongjie Li, biolog la Universitatea din Wisconsin, Madison, s-a întrebat dacă insectele mai tinere merită mai mult credit. El a descoperit că tupele tinerilor muncitori distrug o mare parte din lignină. În plus, ciupercile implicate nu folosesc niciunul dintre enzimele tipice care produc ciuperci de putregai alb sau maro. Deoarece ciupercile și microbiota intestinală asociate cu termitele au evoluat mai recent, această descoperire ar putea deschide ușa către noi inovații.

De la laborator la fabrica

De la podeaua pădurii până la movilele de termite, descompunerea fungică ar putea oferi noi instrumente pentru producerea de biocombustibili. O cale este ca industria să producă direct enzimele fungice și asociate ale microbiotei și alte substanțe chimice. Când au analizat sistemele termite-ciuperci, oamenii de știință au găsit sute de enzime unice.

"Încercăm să săpăm în gene pentru a descoperi unele super enzime pentru a trece la nivelul industriei", a spus Li.

O cale mai promițătoare ar putea fi ca companiile să transfere genele care codifică aceste enzime în organisme pe care le pot cultiva deja, cum ar fi drojdia sau E. coli. O cale chiar mai radicală, dar potențial fructuoasă, este ca industria să imite comunitățile fungice naturale.

De milioane de ani, ciupercile s-au ostenit ca bucătari de scurtă durată pentru a sparge lemnul și alte plante. Cu o nouă înțelegere a abilităților lor, oamenii de știință ne ajută să înțelegem cât de esențiali sunt pentru trecutul și viitorul Pământului.


Proiect AAAS 2061 Evaluări manuale

Biologie: Vizualizarea vieții. Holt, Rinehart și Winston, 1998

Transformări ale materiei și energiei: analiza conținutului

Harta: Ce au găsit recenzorii

Această hartă afișează rezultatele analizei de conținut pentru acest manual în formă grafică, arătând ceea ce au găsit recenzorii în ceea ce privește alinierea și coerența conținutului cărții și rsquos pentru setul de idei cheie despre transformarea materiei și a energiei. S-ar putea să vă fie de ajutor să imprimați această hartă și să o consultați în timp ce citiți restul Analizei de conținut:

De asemenea, sunt utile pentru referință hărțile subiectului Transformări ale materiei și energiei, care contrastează setul coerent de idei cheie pe care le-au căutat recenzorii cu un compozit al tratamentului găsit efectiv în toate cele nouă manuale evaluate:

Aliniere

Subiectul transformărilor materiei și energiei reunește o serie de idei cheie atât din științele biologice, cât și din cele fizice.Biologie: Vizualizarea vieții tratează majoritatea acestor idei și le distribuie pe mai multe capitole: Capitolul 2: Descoperirea vieții, Capitolul 5: Energie și viață, Capitolul 14: Ecosisteme și Capitolul 22: Plantele din viețile noastre. Ideile apar mai ales ca afirmații în text, deși ocazional ilustrații și întrebări de revizuire a capitolelor tratează ideile. Materia și energia sunt de obicei discutate împreună. Se acordă puțină atenție ciclului materiei. Materialul nu abordează ideea importantă de conservare a materiei și energiei: & # 8220 Cu toate acestea, complexează funcționarea organismelor vii, ele împărtășesc cu toate celelalte sisteme naturale aceleași principii fizice ale conservării și transformării materiei și energiei. & # 8221 (Ideea e). Următoarea analiză oferă detalii despre modul în care manualul tratează fiecare dintre ideile cheie specifice.

Materia se transformă în sisteme vii.

Ideea a1: Plantele produc molecule de zahăr din dioxid de carbon (în aer) și apă.

Există o potrivire de conținut cu această idee, care este tratată numai în text. Nicio discuție sau investigație nu se concentrează pe această idee. Materialul prezintă această idee în mai multe locuri. Ideea este introdusă în contextul descrierii organelor celulare:

Celulele vegetale conțin cloroplaste, organite care au capacitatea uimitoare de a produce energie chimică sub formă de zaharuri, folosind aerul, apa și energia din lumina soarelui. Acest proces se numește fotosinteză.

p. Anii 52

Aproape la începutul capitolului 5: Energie și viață, textul abordează prima parte a acestei idei afirmând: & # 8220 În celulele vegetale, reacțiile chimice care absorb energia fac glucoza și alte molecule organice pe care plantele le folosesc pentru energie și creștere & # 8221 ( p. 77s). Câteva pagini mai târziu, în discuția fotosintezei, textul afirmă: „În timpul celei de-a treia etape, ATP și NADPH sunt utilizate pentru a produce producția de carbohidrați cu conținut ridicat de energie folosind CO2 din aer & # 8221 (p. 85s). În aceeași secțiune, textul continuă să spună: & # 8220 În etapa finală a fotosintezei, atomii de carbon sunt capturați din dioxidul de carbon din aer și folosiți pentru a produce molecule organice, care stochează energie & # 8221 (p. 89s). Pe aceeași pagină, reacția generală pentru fotosinteză este dată sub formă de simboluri și cuvinte, arătând că atât dioxidul de carbon cât și apa sunt necesare pentru acest proces. Prezentările Ideii a1 în capitolul 5 sunt stabilite printre detalii biochimice care depășesc cu mult ideea cheie. Întrebările relevante de revizuire a capitolului (p. 96, întrebările 12, 13 și 14) se concentrează, de asemenea, pe detalii biochimice, mai degrabă decât pe ideea a1.

Ideea b1: Plantele descompun moleculele de zahăr pe care le-au sintetizat în dioxid de carbon și apă, le folosesc ca materiale de construcție sau le depozitează pentru o utilizare ulterioară.

Există o potrivire de conținut cu părți ale acestei idei, dar ideea completă nu este prezentată niciodată. Următoarea reprezentare a Ideii b1 arată ce părți ale ideii sunt tratate (cu caractere aldine) în Biologie: Vizualizarea vieții: Plantele descompune moleculele de zahăr pe care le-au sintetizat în dioxid de carbon și apă, folosiți-le ca materiale de construcție sau depozitați-le pentru utilizare ulterioară.

În contextul descrierii moleculelor organice, plantelor & # 8217 se notează sinteza și utilizarea moleculelor de celuloză în scopuri structurale și de depozitare, dar textul nu este explicit despre plantele care produc celuloză din moleculele de zahăr pe care le-au sintetizat:

Multe organisme folosesc polizaharide ca molecule structurale, precum și pentru stocarea energiei. Plantele fabrică o polizaharidă numită celuloză. Celuloza formează cea mai mare parte a pereților celulari ai plantelor.

p. Anii 30

După descrierea ciclului atomilor de carbon în ciclul Calvin (p. 89s), textul oferă un exemplu frumos pentru a ilustra soarta glucozei realizată în fotosinteză:

Plantele folosesc moleculele organice pe care le produc în timpul fotosintezei pentru procesele lor de viață. De exemplu, zahărul obținut în frunzele unei plante de cartof poate fi utilizat pentru a produce celuloză pentru construirea de noi pereți celulari. O parte din zahăr se păstrează ca amidon în tuberculul de cartofi. Ulterior, planta poate descompune amidonul pentru a produce ATP necesar pentru energie, așa cum veți vedea în secțiunea 5-4.

p. Anii 89

Cu toate acestea, nu se menționează faptul că plantele și carbohidrații # 8217 sunt descompuși în dioxid de carbon și apă. În timp ce textul menționează că & # 8220Toate viețile folosesc un proces numit respirație celulară& # 8221 (p. 84s), oferă ecuația descompunerii glucozei în dioxid de carbon și apă (p. 92s) și solicită profesorilor să & # 8220 Reamintească elevilor că mitocondriile sunt organele din celulele eucariote cu funcția specială de a elibera energia stocată în alimente & # 8221 (p. 92t), materialul nu menționează că plantele descompun moleculele de zahăr în dioxid de carbon și apă.

Ideea că plantele stochează zaharuri este prezentată din nou, mult mai târziu, în contextul descrierii funcțiilor specializate ale rădăcinilor: & # 8220 Rădăcinile stochează adesea substanțe nutritive. De exemplu, morcovii și cartofii dulci au rădăcini care stochează cantități mari de carbohidrați & # 8221 (p. 391s). Cu toate acestea, nu se menționează faptul că carbohidrații depozitați sunt cei inițial realizați în timpul fotosintezei.

Ideea c1: Alte organisme descompun zaharurile stocate sau structurile corpului plantelor pe care le mănâncă (sau ale animalelor pe care le mănâncă) în substanțe mai simple, le reasamblează în propriile structuri ale corpului, inclusiv în unele depozite de energie.

Există o potrivire incompletă a conținutului cu această idee. Părți ale ideii sunt menționate pe pagini separate, dar ideea completă nu este niciodată menționată. Următoarea reprezentare a Ideii c1 arată ce părți ale ideii sunt tratate (cu caractere aldine) și ce vocabular alternativ este utilizat (între paranteze) în Biologie: Vizualizarea vieții: Alte organisme descompune zaharuri depozitate sau structurile corpului plantelor [mâncare] mănâncă (sau animale pe care le mănâncă) în substanțe mai simple, reasamblați-le în propriile structuri ale corpului, inclusiv ceva energie magazins [ca glicogen].

În introducerea sistemului digestiv uman, textul menționează că & # 8220 Orice mâncăm trebuie procesat în bucăți mai mici înainte ca acesta să poată fi folosit de organism. Alimentele suferă această transformare în sistemul digestiv. & # 8221 (p. 706s). În descrierea rolului ficatului, textul notează rolul său în stocarea excesului de glucoză: & # 8220. când mâncați o masă, ficatul elimină excesul de glucoză din sânge și îl stochează ca glicogen. Când nivelul de glucoză din sânge scade, glucagonul determină ficatul să elibereze o parte din această glucoză înapoi în sânge & # 8221 (p. 709s).

Cu mult mai devreme în text, în contextul descrierii reacțiilor chimice la ființele vii, textul menționează că atomii sunt rearanjați: & # 8220 În celulele dvs., reacțiile chimice rearanjează atomii din moleculele de glucoză, producând noi produse și eliberând energie & # 8221 (p 77s). Textul nu menționează structurile corpului plantelor. O legendă indică faptul că & # 8220 Când mâncați un cartof, reacțiile chimice din gură transformă amidonul în glucoză & # 8221 și textul însoțitor afirmă că un cartof & # 8220 este un aliment excelent, deoarece este înghesuit cu amidon (lanțuri lungi de molecule de glucoză ) & # 8221 (p. 77s).

În contextul descrierii ciclului carbonului în ecosisteme, textul menționează că alte organisme descompun moleculele care conțin carbon în dioxid de carbon, dar accentul se pune pe ciclul carbonului mai degrabă decât pe consumatorii și utilizarea # 8217 a moleculelor vegetale:

Consumatorii obțin molecule bogate în energie care conțin carbon consumând plante sau alte animale. Pe măsură ce aceste molecule sunt descompuse, dioxidul de carbon este produs și eliberat în atmosfera Pământului și a lui # 8217.

p. 262s

Ideea că zaharurile sunt reasamblate în structurile corpului nu este prezentată.

Ideea d1: Elementele chimice care alcătuiesc moleculele ființelor vii trec în mod repetat prin rețelele alimentare și prin mediu și sunt combinate și recombinate în moduri diferite.

Există o potrivire de conținut incompletă cu această idee. Următoarea reprezentare a Ideii d1 arată ce părți ale ideii sunt tratate (cu caractere aldine) și ce vocabular alternativ este utilizat (între paranteze) în Biologie: Vizualizarea vieții: elementele chimice [Azot și carbon] care alcătuiesc moleculele ființelor vii trec repetat prin pânze alimentare și mediu, și sunt combinate și recombinate în moduri diferite.

Textul descrie ciclul azotului (p. 260s) și ciclul carbonului (p. 262s), dar nu precizează generalizarea repetat trecerea prin rețele alimentare de toate elemente care alcătuiesc moleculele ființelor vii sau care în acest ciclu aceste elemente sunt combinate și recombinate în moduri diferite. Dintre întrebările de revizuire a capitolului, doar una se referă deloc la această idee cheie, dar și ea se concentrează pe un exemplu mai degrabă decât pe generalizare și nu ajunge la ideea pasajului repetat:

Întrebare: Imaginați-vă un atom de azot care se află într-o proteină din frunza unei plante. Urmăriți pașii ciclului azotului prin care trebuie să treacă acest atom pentru a ajunge la atmosferă.

Răspuns sugerat: frunza cade și se descompune prin acțiune bacteriană, iar azotul din frunză devine amoniac. Amoniacul este apoi descompus de alte bacterii pentru a produce azot.

p. 270, întrebarea 10

Diagrama ciclului azotului (p. 260s) arată azotul în două combinații diferite, în timp ce diagrama ciclului carbonului (p. 262s) arată carbonul într-o singură combinație. Textul presupune că elevii își vor aminti sensul expresiei „# 8220molecule organice”, și # 8221 care a fost definită mult mai devreme: & # 8220 Moleculele cu legături carbon-carbon sunt numite molecule organice& # 8221 (p. 29s).

Energia se transformă în sistemele vii.

Ideea a2: Plantele transferă energia din lumină în molecule de zahăr & # 8220 bogate în energie & # 8221.

Există o potrivire de conținut cu această idee, care este tratată numai în text. În contextul descrierii părților și funcțiilor celulei, textul enunță ideea:

Celulele vegetale conțin cloroplaste, organite care au capacitatea uimitoare de a produce energie chimică sub formă de zaharuri, folosind aerul, apa și energia din lumina soarelui. Acest proces se numește fotosinteză.

p. Anii 52

Ideea este prezentată din nou în contextul descrierii fluxului de energie în lanțurile alimentare:

Plantele, algele și unele bacterii captează energia direct din lumina soarelui și o folosesc pentru a produce ATP, carbohidrați de stocare a energiei și alte tipuri de molecule organice.

p. 84s

Introducând detalii despre reacțiile de lumină și întuneric, textul afirmă din nou ideea, de data aceasta menționând niște intermediari chimici:

În prima etapă a fotosintezei, energia este captată din lumină. În a doua etapă, energia este utilizată pentru a produce ATP și un compus purtător de energie numit NADPH. În cea de-a treia etapă, ATP și NADPH sunt utilizate pentru a produce producția de carbohidrați cu conținut ridicat de energie folosind CO2 din aer.

p. Anii 85

Una dintre întrebările de revizuire a capitolului se referă la ideea cheie:

Întrebare: Descrieți rolul clorofilei în fotosinteză.

Răspuns sugerat: Clorofila absoarbe energia luminii care va fi convertită în energie chimică.

p. 96, întrebarea 11

Ideea este prezentată încă o dată în contextul descrierii fluxului de energie în ecosisteme: & # 8220 Aproape toți producătorii sunt fotosintetici, captează soarele și energia # 8217 pentru a sintetiza carbohidrații. Plantele, unele bacterii și algele sunt producători & # 8221 (p. 256s).

Ideea b2: Plantele obțin energie pentru a crește și funcționa prin oxidarea moleculelor de zahăr. O parte din energie este eliberată sub formă de căldură.

Există o potrivire de conținut cu această idee. Cu toate acestea, cele două părți ale ideii sunt tratate separat. În contextul descrierii modului în care energia este implicată în reacțiile chimice, textul notează că plantele folosesc glucoza pe care au produs-o pentru energie și creștere: & # 8220 În celulele vegetale, reacțiile chimice care absorb energie fac glucoza și alte molecule organice pe care plantele le folosesc pentru energie și creștere & # 8221 (p. 77s). Mai târziu în același capitol, textul afirmă în mod explicit că & # 8220 Atât plantele, cât și animalele folosesc procesul de respirație celulară pentru a elibera energia stocată în moleculele organice & # 8221 (pag. Anii 90) și apoi notează că & # 8220 Glicoliza descompune glucoza în molecule mai mici & # 8221 (p. 91s), menționând astfel în mod explicit descompunerea (deși nu oxidarea) moleculelor de zahăr. Sunt furnizate întrebări de examinare pentru a verifica cunoștințele elevilor despre această idee (pp. 96s și 95 & # 821196t, întrebările 3, 4 și 15).

A doua parte a acestei idei, că o parte din energie este eliberată sub formă de căldură, este prezentată nouă capitole mai târziu, când este descris fluxul de energie în ecosisteme:

O plantă absoarbe energia din soare și o folosește pentru a produce carbohidrați. Cu toate acestea, doar aproximativ jumătate din energia captată de o plantă devine parte a corpului plantei. O parte din energia rămasă este stocată în ATP realizat în timpul respirației celulare. Majoritatea energiei rămase scapă sub formă de căldură.

p. 258s

Ideea c2: Alte organisme descompun structurile corpului consumate în zaharuri și obțin energie pentru a crește și funcționa prin oxidarea alimentelor lor, eliberând o parte din energie sub formă de căldură.

Există o potrivire de conținut cu această idee. În contextul descrierii rolului energiei în viețuitoare, textul notează că oamenii descompun (mai degrabă decât oxidează) glucoza și eliberează energie din ea: & # 8220 În celulele dvs., reacțiile chimice rearanjează atomii din moleculele de glucoză, producând noi produse și eliberarea de energie & # 8221 (p. 77s). Textul subliniază apoi că o parte din energie este utilizată pentru a face treabă (& # 8220 Alte reacții descompun glucoza și eliberează energie pe care corpul tău o folosește pentru a face treabă & # 8221 [p. 77s]), dar că unele sunt eliberate ca căldură (& # 8220Când celulele vii descompun moleculele, o parte din energia eliberată din molecule este sub formă de căldură & # 8221 [p. 83s]).

Două figuri și subtitrări însoțitoare extind ideea la alte organisme decât oamenii:

  • Figura 5-10 prezintă o serie de organisme dintr-un lanț alimentar. Într-o imagine, un căprioar mănâncă plante. Legenda cifrei indică „Energia luminii”. este transformat în carbohidrați de către plante. Când un animal mănâncă plante, el primește energie din carbohidrații din plante. & # 8221 (p. 84s).
  • Figura 5-16 arată o vacă care mănâncă iarbă. Legenda indică „# 8220”. Atât plantele, cât și animalele folosesc procesul de respirație celulară pentru a elibera energia stocată în moleculele organice & # 8221 (p. Anii 90).

Reacția prin care energia este eliberată din amidon este contrastată cu arderea, dar nu este caracterizată ca fiind o oxidare:

Când arde buștenii, energia stocată în lemn este eliberată într-o singură reacție sub formă de căldură și lumină. Dar nu asta se întâmplă în celule. În schimb, energia stocată în moleculele alimentare este eliberată la fiecare etapă într-o serie de reacții chimice catalizate de enzime, așa cum se arată în Figura 5-8.

p. Anii 82

Textul se referă ulterior la proces ca „# 8220 respirație oxidativă” și „8221”, dar nu indică faptul că zaharurile sunt oxidate în proces:

La majoritatea ființelor vii, o a doua etapă a respirației celulare, numită respirație oxidativă, urmează glicolizei. Respirația oxidativă, care necesită oxigen, are loc în mitocondrie. Este mult mai eficient decât glicoliza la recuperarea energiei din moleculele organice. Respirația oxidativă este metoda prin care majoritatea celulelor vii își obțin majoritatea energiei.

p. Anii '90

Întrebările din capitolul 1c, 3 și 4 se referă la idee (p. 96st).

Ideea d2: La fiecare legătură dintr-o rețea alimentară, o cantitate de energie este stocată în structuri nou realizate, dar o mare parte este disipată în mediu sub formă de căldură. Intrarea continuă de energie din lumina soarelui menține procesul în desfășurare.

Există o potrivire incompletă a conținutului cu această idee. Următoarea reprezentare a Ideii d2 arată ce parte a ideii este tratată (cu caractere aldine) în Biologie: Vizualizarea vieții: La fiecare legătură dintr-o rețea alimentară, o cantitate de energie este stocată în structuri nou create, dar o cantitate mare este disipată în mediu sub formă de căldură. Intrarea continuă de energie din lumina soarelui menține procesul în desfășurare.

În secțiunea privind fluxul de energie în ecosisteme, textul menționează prima parte a ideii & # 8212 că energia se pierde la fiecare legătură dintr-o rețea alimentară & # 8212 și descrie concluziile ecologului Howard Odum & # 8217s că pierderea se ridică la aproximativ 90%:

O plantă absoarbe energia din soare și o folosește pentru a produce carbohidrați. Cu toate acestea, doar aproximativ jumătate din energia captată de o plantă devine parte a corpului plantei. O parte din energia rămasă este stocată în ATP realizat în timpul respirației celulare. Majoritatea energiei rămase scapă sub formă de căldură. Pierderi similare de energie apar la fiecare nivel trofic al unui ecosistem.

. Odum a descoperit că, atunci când un erbivor mănâncă o plantă, doar aproximativ 10% din energia prezentă în moleculele plantei și ale plantelor # 8217 ajunge în moleculele erbivore și # 8217. Celelalte 90 la sută din energie sunt & # 8220 pierdute, & # 8221 unele ca costul lucrării (respirație, mișcare, mestecare) și mult mai mult ca căldură. La fel, atunci când un carnivor mănâncă ierbivor, doar 10 la sută din energia din ierbivor se îndreaptă spre producerea moleculelor de carnivor. La fiecare nivel trofic, energia stocată în organisme este de aproximativ o zecime din cea de sub nivelul său.

p. 258s

Cu toate acestea, textul nu prezintă a doua parte a ideii conform căreia aportul continuu de energie din lumina soarelui menține procesul în desfășurare. Ideea că organismele vii solicita un aport constant de energie este prezentat la începutul textului, în contextul descrierii celor șase teme care unifică biologia:

Organismele folosesc energia pentru a crește și a-și desfășura activitățile. Fără ea, viața se oprește curând. Aproape toată energia care conduce viața pe Pământ este obținută din soare. Plantele captează energia luminii solare și o folosesc pentru a produce molecule complexe într-un proces numit fotosinteză. Aceste molecule servesc apoi ca sursă de combustibil pentru animalele care le mănâncă. Menținerea complexității organismelor vii necesită un aport constant de energie. Disponibilitatea energiei este un factor major în limitarea dimensiunii și complexității comunităților biologice.

p. 18 ani

Și în contextul descrierii fluxului de energie în lanțurile alimentare vii, textul menționează că soarele este sursa supremă de energie și că strălucește continuu: & # 8220 Aproape toată energia necesară vieții provine în cele din urmă de la soare, care strălucește continuu pe Pământ & # 8221 (p. 84s). Cu toate acestea, niciunul dintre aceste două exemple nu leagă a doua parte a ideii cheie de prima parte.

Cantitatea totală de materie și energie rămâne aceeași.

Ideea e: Oricât de complexă este funcționarea organismelor vii, ele împărtășesc cu toate celelalte sisteme naturale aceleași principii fizice ale conservării și transformării materiei și energiei. Pe perioade lungi de timp, materia și energia se transformă între viețuitoare și între ele și mediul fizic. În aceste cicluri pe scară largă, cantitatea totală de materie și energie rămâne constantă, chiar dacă forma și locația lor suferă schimbări continue.

Nu există o potrivire de conținut cu această idee.

Construirea unui caz

Materialul afirmă ideile cheie că nu dezvoltă un argument bazat pe dovezi care să le susțină. Singurul fenomen care ar putea susține o idee cheie (demonstrația că saliva transformă amidonul dintr-un cracker în zahăr [p. 77t]) nu este folosit pentru a face acest lucru. Și niciun alt fenomen nu este furnizat sau explicat de ideile cheie care să le susțină.

Conexiuni

Setul de idei cheie privind transformarea materiei și a energiei este extrem de complex, acoperind patru niveluri de organizare biologică (moleculară, celulară, organismă și ecosistemă) și depinde în mare măsură de cunoștințele din știința fizică (de exemplu, formele și transformările energetice între ele și recombinarea de atomi în reacții chimice).

Biologie: Vizualizarea vieții tratează majoritatea ideilor cheie și le prezintă pe cele mai multe în întregime. Cu toate acestea, în unele cazuri, ideile cheie sunt prezentate în bucăți, iar piesele nu sunt legate între ele. De exemplu, cele două părți ale Ideii d2& # 8212 că energia se pierde ca căldură la fiecare nivel trofic și că aportul continuu de energie menține procesul în desfășurare & # 8212 sunt tratate la mai mult de 150 de pagini și nu sunt legate între ele. În mod similar, ideea cheie că & # 8220 Plantele descompun moleculele de zahăr pe care le-au sintetizat în dioxid de carbon și apă, le folosesc ca materiale de construcție sau le depozitează pentru utilizare ulterioară & # 8221 (Ideea b1) este prezentat în părți separate care nu sunt legate între ele: plantele & # 8217 utilizarea zaharurilor sintetizate ca material de construcție sau stocarea unor astfel de zaharuri este prezentată în contextul descrierii ciclului Calvin (p. 89s) și descompunerea zahărului în dioxid de carbon iar apa este prezentată în contextul descrierii respirației oxidative, dar nu este legată de plante (p. 92s). Nici ideile nu sunt puse laolaltă în capitolul 21: Forma și funcția plantei, care menționează depozitarea carbohidraților în rădăcini (p. 391s), dar nu o leagă de fotosinteza din frunze (p. 393s). Și, deși același capitol descrie distincția dintre monocotioane și dicotioane (p. 395s), nu subliniază faptul că cotiledoanele stochează alimentele făcute în timpul fotosintezei în planta mamă pentru descendenții săi.

Biologie: Vizualizarea vieții se concentrează în principal pe partea energetică a poveștii, care este mai abstractă decât partea materiei. Ideile energetice sunt introduse la nivel celular (p. 52s), apoi prezentate în contextul chimiei fotosintezei (pp. 85 și # 821189s) și a respirației (pp. 90 & # 821194s), apoi în ceea ce privește fluxul de energie și nutrienții cicluri în ecosisteme (pp. 256 & # 8211262s) și, în cele din urmă, în ceea ce privește nutriția și digestia umană (pp. 700 & # 8211709s). Profesorii nu sunt alertați cu privire la aceste locuri diferite în care sunt tratate ideile despre transformările energetice și nici nu este transmisă o rațiune pentru această secvență. Având în vedere că elevii sunt mai predispuși să fie familiarizați cu fenomenele energetice la nivelul organismului uman, secvența urmată în text nu are prea mult sens. Dacă se urmează secvența implicită, un curs s-ar putea încheia fără a trata vreodată ideile energetice din organismele umane, relaționând necesitățile energetice umane cu procesele care au loc la nivel molecular și celular sau folosind procesele de transformare a energiei într-un organism individual pentru a face lumină secvența asemenea transformări în ecosisteme.

Energie. Conexiuni între ideile cheie. Textul face mai multe conexiuni între ideile cheie despre transformările energetice. De exemplu, textul relatează ideea că & # 8220 [Oamenii] se descompun. zaharurile [să] obțină energie pentru a crește și a funcționa & # 8221 (parte din Ideea c2) la ideea că & # 8220 Plantele obțin energie pentru a crește și funcționa prin [descompunerea] moleculelor de zahăr & # 8221 (parte din Ideea b2) și se referă atât la ideea că & # 8220 Plantele transferă energia din lumină în molecule de zahăr & # 8216 bogate în energie & # 8217 & # 8221 (Ideea a2) în contextul descrierii rolului organelor celulare:

Energia care conduce activitățile unei celule și este convertită în organele numite mitocondrii (myt uh KAHN dree uh). Aceste organite sunt specializate pentru a converti energia stocată în alimente. Numărul mitocondriilor din majoritatea celulelor variază. O celulă musculară din inima ta, care poate pompa de peste 70 de ori pe minut, poate conține mii de mitocondrii. O celulă roșie matură nu are.

Diferențele semnificative dintre tine și plante reprezintă sursa alimentelor procesate de mitocondrii pentru energia ta. Cum furnizează plantele mitocondriile lor cu molecule alimentare? Celulele vegetale conțin cloroplaste, organite care au capacitatea uimitoare de a produce energie chimică sub formă de zaharuri, folosind aerul, apa și energia din lumina soarelui.

p. Anii 52

În plus, textul relatează din nou ideea că & # 8220 [Oamenii] se descompun. zaharurile [să] obțină energie pentru a crește și a funcționa & # 8221 (parte din Ideea c2) la ideea că & # 8220 Plantele transferă energia din lumină în & # 8216 bogate în energie & # 8217 molecule de zahăr & # 8221 (Ideea a2) în contextul introducerii transformărilor energetice în fotosinteză și respirație:

Ai mâncat vreodată enchiladas de vită? Carnea de vită provenea de la o vacă care mânca iarbă. Alte părți ale enchiladelor provin direct din plante. Cu puține excepții, ajungeți la plante (sau la un alt organism fotosintetic) dacă vă urmăriți alimentele înapoi la origine. În mod clar, depindeți de plante pentru hrană, la fel ca toți cei care mănâncă plante și organismele care mănâncă mâncătoare de plante. Energia din acea mâncare provenea din lumina soarelui.

p. Anii 85

Textul relatează, de asemenea, transformările energetice (inclusiv căldura și pierderea # 8220) în organismele individuale (Ideile a2, b2și c2) la pierderea de energie la fiecare nivel trofic dintr-un ecosistem (Ideea d2):

O plantă absoarbe energia din soare și o folosește pentru a produce carbohidrați. Cu toate acestea, doar aproximativ jumătate din energia captată de o plantă devine parte a corpului plantei. O parte din energia rămasă este stocată în ATP realizat în timpul respirației celulare. Majoritatea energiei rămase scapă sub formă de căldură. Pierderi similare de energie apar la fiecare nivel trofic al unui ecosistem.

. Odum a descoperit că, atunci când un erbivor mănâncă o plantă, doar aproximativ 10% din energia prezentă în moleculele plantei și ale plantelor # 8217 ajunge în moleculele erbivore și # 8217. Celelalte 90 la sută din energie sunt & # 8220 pierdute, & # 8221 unele ca costul lucrării (respirație, mișcare, mestecare) și mult mai mult ca căldură. La fel, atunci când un carnivor mănâncă ierbivor, doar 10 la sută din energia din ierbivor se îndreaptă spre producerea moleculelor de carnivor. La fiecare nivel trofic, energia stocată în organisme este de aproximativ o zecime din cea de sub nivelul său.

p. 258s

Conexiuni între ideile cheie și condițiile prealabile ale acestora. Biologie: Vizualizarea vieții face o singură conexiune între o idee cheie și condiția prealabilă a acesteia și această conexiune este slabă. În contextul descrierii digestiei umane, textul leagă oarecum ideea că oamenii descompun alimentele pe care le consumă în substanțe mai simple (parte din ideea c1) cu condiția ca alimentele să furnizeze moleculele care servesc drept materiale de construcție pentru toate organismele: & # 8220 Furnizările de energie și materialele de construcție pentru corp există doar în forme potențiale în alimente. Orice mâncăm trebuie să fie procesat în bucăți mai mici înainte ca acesta să poată fi folosit de către organism & # 8221 (p. 706s). Cu toate acestea, termenul "# 8220bucuri mai mici" # 8221 nu indică în mod adecvat faptul că alimentele le oferă molecular blocuri de construcție, care sunt necesare pentru ca elevii să aprecieze că aceste molecule pot fi asamblate, restructurate sau descompuse în timpul respirației.

Materialul nu face alte legături între ideile cheie și condițiile prealabile. De exemplu, textul nu prezintă ideea premisă că & # 8220. Unele [reacții] necesită un aport de energie, în timp ce altele eliberează energie & # 8221 sau condiția prealabilă pentru conservarea energiei. Și nu le folosește pentru a explica asta de cand energia se pierde ca căldură la fiecare nivel trofic (prima parte a Ideii d2), energia trebuie furnizată din altă parte. Astfel pierde ocazia de a relata prima parte a Ideii d2 la a doua parte & # 8212 că & # 8220 Intrarea continuă de energie din lumina soarelui menține procesul în desfășurare. & # 8221 Textul nu tratează ideea prealabilă că & # 8220 Un tip de reacție deosebit de important între substanțe implică combinarea oxigenului cu altceva & # 8212as în caz de arsură sau rugină & # 8221 sau o raportează la oxidarea glucozei, chiar dacă se referă la proces ca & # 8220 respirație oxidativă & # 8221 (p. 92s). Mai mult, chiar dacă textul intră în detaliu despre lumină & # 8220excit [ing] un electron & # 8221 în clorofilă (pp. 87 și # 821188s) și prezintă diagrame energetice ale reacțiilor exoterme și endotermice (pp. 77 și # 821178s) și ale rolului de enzime în reducerea energiei de activare (p. 79s), nu reușește să sublinieze sau să folosească ideea prealabilă că & # 8220 Aranjamentele atomilor au energie chimică & # 8221 sau că & # 8220 Cantități diferite de energie sunt asociate cu diferite configurații de atomi & # 8221 pentru a da sens transformărilor energetice în fotosinteză și respirație.

Conexiuni între ideile cheie și ideile conexe. Textul prezintă ideea conexă că & # 8220 În cadrul celulelor sunt părți specializate pentru captarea și eliberarea de energie & # 8221 și face o conexiune cu eliberarea de energie în alte organisme (Ideea c2) și ideea că plantele transferă energia din lumină în molecule de zahăr & # 8220 bogate în energie și # 8221 & # 8221 (Ideea a2). În primul rând, titlul secțiunii & # 8220Organelles: A Cell & # 8217s Laborers & # 8221 surprinde ideea că celulele au părți specializate care fac munca celulei, iar paragraful introductiv afirmă că & # 8220 celulele îndeplinesc funcțiile de bază ale vieții. & # 8221 (p. 52s). Apoi, un titlu de paragraf atrage atenția asupra activității de captare și eliberare a energiei: & # 8220 Celulele produc și eliberează energie & # 8221 (p. 52s). În cele din urmă, textul prezintă părți ale ambelor idei cheie și le conectează la ideea conexă:

Celulele produc și eliberează energie
Până acum sunteți conștienți de faptul că viața unei celule nu este una odihnitoare. Celulele dvs. sunt întotdeauna la lucru. De unde obțin energia pentru a îndeplini toate sarcinile vieții și ale lui # 8217? Energia care conduce activitățile unei celule și este convertită în organele numite mitocondrii (myt uh KAHN dree uh). Aceste organite sunt specializate pentru a converti energia stocată în alimente. Numărul mitocondriilor din majoritatea celulelor variază. O celulă musculară din inima ta, care poate pompa de peste 70 de ori pe minut, poate conține mii de mitocondrii. O celulă roșie matură nu are.

Diferențele semnificative [sic] între tine și plante este sursa alimentelor procesate de mitocondrii pentru energia ta. Cum furnizează plantele mitocondriile lor cu molecule alimentare? Celulele vegetale conțin cloroplaste, organite care au capacitatea uimitoare de a produce energie chimică sub formă de zaharuri, folosind aerul, apa și energia din lumina soarelui.

p. Anii 52

Materie. Biologie: Vizualizarea vieții face o treabă mult mai puțin completă de a prezenta partea materiei a poveștii. După cum sa menționat în discuția de aliniere, ideile cheie b1 și c1 sunt prezentate fiecare ca părți separate care nu sunt legate împreună și cheie Ideea d1 este prezentat numai prin exemple care nu sunt legate de ideea generală despre ciclul repetat al elementelor prin combinarea și recombinarea lor în diferite molecule și organisme. Ideea că atomii care alcătuiesc moleculele se combină și se recombină este explicită pentru azot, dar nu și pentru carbon.

Conexiuni între ideile cheie. Textul face o singură legătură între ideile cheie despre transformarea materiei. Textul relatează ideea că & # 8220 Plantele produc molecule de zahăr din dioxid de carbon (în aer) și apă & # 8221 (Ideea a1) la ideea că & # 8220Plants. folosiți [zaharurile] ca materiale de construcție sau depozitați-le. & # 8221 (parte din Ideea b1) și la ideea că & # 8220 Plantele obțin energie pentru a crește și funcționa prin [descompunerea] moleculelor de zahăr & # 8221 (parte din Ideea b2) printr-un exemplu de plantă de cartofi. După descrierea modului în care plantele produc molecule organice din dioxid de carbon și apă, textul descrie soarta acestor molecule:

Plantele folosesc moleculele organice pe care le produc în timpul fotosintezei pentru procesele lor de viață. De exemplu, zahărul obținut în frunzele unei plante de cartof poate fi utilizat pentru a produce celuloză pentru construirea de noi pereți celulari. O parte din zahăr se păstrează ca amidon în tuberculul de cartofi. Ulterior, planta poate descompune amidonul pentru a produce ATP necesar pentru energie, așa cum veți vedea în secțiunea 5-4.

p. Anii 89

Textul face doar legături slabe între combinația și recombinarea atomilor în fotosinteză (Ideea a1) și respirație (Idei b1 și c1) și combinația și recombinarea repetată a atomilor din ecosisteme (Ideea d1). De exemplu, descrierea textului ciclului carbonului nu transmite ideea că atomii de carbon se combină și se recombină pe măsură ce se mișcă prin organismele din ecosisteme și sunt eliberați în mediu. Nici nu indică faptul că combinația și recombinarea repetată rezultă din apariția repetată a fotosintezei și respirației sau a fotosintezei și a utilizării produselor din zahăr pentru a construi alte molecule:

La fel ca apa, carbonul circulă și între mediul non-viu și organisme. Pământul și atmosfera # 8217 conțin carbon sub formă de dioxid de carbon. Plantele folosesc dioxid de carbon pentru a construi molecule organice în timpul fotosintezei. Consumatorii obțin molecule bogate în energie care conțin carbon consumând plante sau alte animale. Pe măsură ce aceste molecule sunt descompuse, dioxidul de carbon este produs și eliberat în atmosfera Pământului și a lui # 8217. Respirația celulară de către descompunători și organisme fotosintetice returnează, de asemenea, dioxidul de carbon în atmosferă. Figura 14-11 arată modul în care ciclul carbonului într-un ecosistem.

p. 262s

Conexiuni între ideile cheie și condițiile prealabile ale acestora. Chiar dacă textul prezintă două idei prealabile, el face o singură legătură slabă între ele și ideile cheie. Textul încearcă să conecteze ideea prealabilă a faptului că & # 8220Food furnizează moleculele care servesc drept combustibil și materiale de construcție pentru [oameni] & # 8221 (dar nu pentru & # 8220 toate organismele & # 8221) și ideea că oamenii descompun alimentele într-o formă mai simplă substanțe (parte din ideea c1) în introducerea sistemului digestiv uman:

Aprovizionarea cu energie și materiale de construcție pentru corp există doar în forme potențiale în alimente. Orice mâncăm trebuie să fie procesat în bucăți mai mici înainte ca acesta să poată fi folosit de către organism. Alimentele suferă această transformare în sistemul digestiv.

p. Anii 706

Cu toate acestea, conexiunea nu se face la nivel molecular.

Și, în timp ce textul prezintă ideea prealabilă că & # 8220Carbonul și hidrogenul sunt elemente comune ale materiei vii & # 8221 (pp. 26s și 29 & # 821130s) și prezintă exemple ale ideii conexe că & # 8220Atomii de carbon. se leagă de alți câțiva atomi de carbon din lanțuri și inele pentru a forma molecule mari și complexe & # 8221 (pp. 29 și # 821131s), nu se fac legături între aceste idei și ideea cheie că & # 8220 Plantele produc molecule de zahăr din dioxid de carbon (în aer) și apă & # 8221 (Ideea a1).

Mai mult, ideea că materia este conservată nu este nici prezentată, nici legată de ciclurile de materie dintre ecosisteme și mediul fizic.

Conexiuni între ideile cheie și ideile conexe. În timp ce textul prezintă două idei care sunt relevante pentru ideile cheie despre transformarea materiei, nu face legăturile dintre ele explicite. De exemplu, textul prezintă ideea aferentă că & # 8220 Elementele principale care alcătuiesc moleculele ființelor vii sunt carbonul, oxigenul, hidrogenul, azotul. & # 8221 (p. 26s), dar nu o raportează la combinarea și recombinarea acestor elemente în ecosisteme. Când se prezintă ciclul azotului, textul notează doar că & # 8220 Organismele trebuie să aibă azot pentru a produce proteine ​​și acizi nucleici & # 8221 (p. 260s). Nu reafirmă ideea că azotul este unul dintre elementele care alcătuiesc moleculele ființelor vii sau explică clar că azotul este încorporat în moleculele ființelor vii.

Materie și energie. Materialul face o scurtă legătură între două idei cheie despre materie și transformarea energiei. În descrierea chimiei ființelor vii, textul face legătura dintre materie și transformarea energiei la oameni (parte a Ideilor c1 și c2) observând că & # 8220 În celulele dvs., reacțiile chimice rearanjează atomii din moleculele de glucoză, producând noi produse și eliberând energie & # 8221 (p. 77s). Textul încearcă să conecteze ideile cheie despre transformarea materiei și a energiei în ecosisteme, dar conexiunea nu leagă combinația și recombinarea atomilor de energia și pierderea și # 8221 la fiecare nivel trofic (și, prin urmare, raportează idei mai puțin sofisticate despre materie și energie în ecosisteme). După descrierea modului în care energia se pierde (sub formă de căldură) la fiecare nivel trofic, textul introduce subiectul ciclului nutrienților notând: & # 8220 Spre deosebire de energia care curge printr-un ecosistem, substanțe nutritive precum calciu și azot circulă în interiorul unui ecosistem & # 8221 ( p. 259s).

Materialul nu prezintă ideea cheie că & # 8220 Cu toate acestea, complexează funcționarea organismelor vii, ele împărtășesc cu toate celelalte sisteme naturale aceleași principii fizice ale conservării și transformării materiei și energiei. & # 8221 (parte din Ideea e). Nu există legături între ideile despre transformările materiei și cele despre transformările energetice din organismele individuale.

Dincolo de alfabetizare

În prezentarea ideilor cheie despre transformarea materiei și a energiei, textul include adesea materiale mai sofisticate care întrerup povestea centrală. De exemplu, prezentând ideea că celulele descompun zaharurile în dioxid de carbon și apă, eliberând energie în proces, textul include detalii despre enzime, energie de activare și situri active (pp. 78 și # 821180s), structura, sinteza, și descompunerea ATP (p. 83s), detalii despre structura cloroplastului și pași în captarea luminii și pomparea protonilor pe membrana tilacoidă (pp. 87 și # 821188s) și detalii despre respirația celulară (pp. 90 și # 821193s) care contribuie puțin la dezvoltând ideea cheie. Acest detaliu excesiv este ilustrat în următorul text, care descrie rolul moleculelor de apă în fotosinteză:

Înainte ca electronii excitați să-și poată părăsi moleculele de clorofilă, electronii trebuie înlocuiți cu alți electroni. Apa alimentează acești electroni. Plantele obțin electroni din apă prin divizarea moleculelor de apă, H2O. Pe măsură ce moleculele de apă se despart, clorofila preia electronii din atomii de hidrogen, lăsând protoni. Restul atomilor de oxigen se combină pentru a forma oxigen gazos.

p. Anii 87

Sofisticarea acestor idei depășește cu mult criteriile de referință și întrerupe povestea centrală povestită.

Copyright 2005 de către Asociația Americană pentru Avansarea Științei. Toate drepturile rezervate.


Poate într-adevăr energia regenerabilă să înlocuiască combustibilii fosili?

Un om de știință al Universității Purdue studiază rolul plantelor în sursele regenerabile de energie. Maureen McCann, profesor de științe biologice, studiază o gamă largă de plante, de la plopi la zinnias.Laboratorul ei a caracterizat sute de gene vegetale și produsele lor într-un efort de a înțelege cum interacționează toate și cum ar putea fi manipulate în moduri avantajoase. (Fotografia Universității Purdue / Rebecca McElhoe) Descarcă imaginea

Oamenii de știință se îndreaptă spre zinnia, buruienile de pe drum, alte plante pentru a crea biocombustibili eficienți

WEST LAFAYETTE, Ind. & # 8212 Pe măsură ce temperaturile globale și cererea de energie cresc simultan, căutarea unor surse de combustibil durabile este mai urgentă ca niciodată. Dar cum se poate extinde energia regenerabilă pentru a înlocui cantitățile mari de petrol și gaze pe care le consumăm?

Puterea plantelor este o parte semnificativă a răspunsului, spune omul de știință Purdue, Maureen McCann.

& # 8220 Plantele stau la baza viitoarei bioeconomii & # 8221 spune ea. & # 8220 În mintea mea, construirea unei economii durabile înseamnă că nu mai scoatem carbon din pământ și începem să folosim anual un miliard și jumătate de tone de biomasă disponibilă în SUA. Aceasta este rezerva strategică de carbon pe care trebuie să o exploatăm pentru a deplasa petrolul. & # 8221

McCann este profesor de științe biologice, fost director al Centrului Energetic de la Purdue & # 8217s Discovery Park și președinte ales al Societății Americane de Biologi ai Plantelor. Și-a petrecut cariera academică uitându-se la pereții celulelor vegetale, care conțin unele dintre cele mai complicate molecule din natură. Studiind o gamă largă de plante & # 8212 de la plopi la zinnias și # 8212 & # 173 laboratorul ei a caracterizat sute de gene vegetale și produsele lor într-un efort de a înțelege cum interacționează toate și cum ar putea fi manipulate în moduri avantajoase.

Industria etanolului folosește enzime pentru a descompune boabele de porumb amidon în molecule de glucoză, care, la rândul lor, sunt fermentate de microorganisme pentru a produce combustibil utilizabil. Mulți cercetători au lucrat la posibilitatea de a obține mai multă glucoză prin descompunerea celulozei și # 8212 componenta fibroasă primară a tuturor pereților celulari ai plantelor & # 8212, care este mult mai abundentă decât amidonul. Cu toate acestea, McCann spune că metodele lor ar putea ignora o resursă valoroasă.

Pe lângă celuloză, pereții celulari conțin numeroase molecule complexe, poli-aromatice numite lignine. Acești compuși pot împiedica enzimele și catalizatorii care încearcă să acceseze celuloza și să o descompună în glucoză utilă. Ca rezultat, multe laboratoare au încercat anterior să creeze plante care au mai multă celuloză și mai puține lignine în pereții lor celulari.

Dar se pare că ligninele sunt importante pentru dezvoltarea plantelor și pot fi o sursă valoroasă de substanțe chimice. În calitate de director al Centrului Purdue & # 8217s pentru conversia catalitică directă a biomasei în biocombustibili (C3Bio), McCann a colaborat cu chimiști și ingineri chimici la maximizarea utilizării biomasei disponibile, inclusiv ligninele. O subvenție de nouă ani acordată de Departamentul de Energie al SUA, cercetători C3Bio, finanțați și # 8217 lucrează la utilizarea catalizatorilor chimici pentru a transforma atât celuloza, cât și ligninele în hidrocarburi lichide, care sunt mai dense în energie decât etanolul și sunt pe deplin compatibile cu motoarele și cu infrastructura de combustibil existentă.

Având în vedere utilitatea ligninelor și # 8217, McCann și colegii săi sunt interesați de strategii alternative de optimizare a biocombustibililor care nu implică reducerea conținutului de plante și de lignină # 8217. De exemplu, dacă cercetătorii pot modula rezistența adezivului & # 8220 & # 8221 între celulele vegetale, pot facilita accesul enzimelor la celuloză și, de asemenea, pot reduce cantitatea de energie necesară pentru mărunțirea materialului vegetal. O altă abordare implică ingineria genetică a plantelor vii, în creștere, pentru a încorpora catalizatori chimici în pereții lor celulari, ceea ce va ajuta la eventuala descompunere să fie mai rapidă și mai completă.

& # 8220 În ambele cazuri, această lucrare este o reflectare a gândirii de biologie sintetică, & # 8221 spune McCann. & # 8220 Nu luăm pur și simplu ceea ce ne oferă natura, ne gândim la modalități de a îmbunătăți performanța biomasei utilizând întregul set de instrumente de genetică. & # 8221

McCann îi încurajează pe alții să se gândească la & # 8220 căile de carbon. & # 8221

& # 8220 Dacă ne gândim la modul în care plantele cresc, sunt chimisti minunați. Ei iau dioxid de carbon din atmosferă și apă prin rădăcini și transformă acele molecule simple în structuri de perete celular extrem de complexe & # 8221 spune ea. & # 8220 Când ne gândim la utilizarea materialului vegetal într-o biorefinare, un obiectiv cheie este să ne asigurăm că fiecare atom de carbon pe care plantele îl prind atât de atent ca parte a corpului lor ajunge într-o moleculă țintă utilă. hidrocarbură lichidă sau o componentă a unui material cu proprietăți avansate. & # 8221

În calitate de biologi sintetici, McCann și membrii ei de laborator se gândesc holistic la optimizarea culturilor pentru producerea de alimente, biocombustibili și materiale utile, cum ar fi substanțele chimice specializate. Indiferent de scopul final, spune ea, ține cont de trei dimensiuni atunci când se gândește la optimizare: creșterea randamentului pe acru, creșterea calității și valorii fiecărei plante și creșterea suprafeței de teren pe care culturile pot fi cultivate profitabil. Abordarea holistică este deosebit de importantă pentru a se asigura că oamenii de știință și producătorii agricoli ating aceste obiective fără a compromite mediul global sau ecosistemele locale.

& # 8220 Pe măsură ce apare o nouă bioeconomie alimentată de științele vieții, plantele sunt la baza ei în atât de multe moduri & # 8212 atât în ​​ceea ce privește energia pe care o pot furniza, cât și tipurile de molecule pe care le pot produce, & # 8221 Spune McCann.

Deocamdată, ea recunoaște că încetarea dependenței economice de combustibilii fosili este o lucrare în curs. Tranziția către o economie de energie regenerabilă va necesita multiple niveluri de schimbare în timp. De exemplu, chiar dacă am trece în întregime la mașini electrice, probabil că am avea nevoie de combustibili de hidrocarburi pentru a extrage litiu pentru baterii și pentru a folosi mașini cu o durată de viață mai lungă decât mașinile, cum ar fi avioanele și navele oceanice. Cu toate acestea, ea menține o perspectivă pozitivă.

& # 8220Ceva care îmi oferă un mare optimism este că trecem printr-o revoluție în capacitatea noastră de a face noi descoperiri care să conducă la tehnologii care să permită accelerarea ritmului de descoperire. & # 8221 spune ea. & # 8220 Vom găsi noi modalități de a converti energia de la o formă la alta pe care nu le-am imaginat. Capacitatea de a face această schimbare substanțială de la o economie bazată pe fosile la o economie bazată pe surse regenerabile de energie va fi acolo. Trebuie doar să-l ducem mai departe. & # 8221

Despre Universitatea Purdue

Universitatea Purdue este o instituție publică de top de cercetare care dezvoltă soluții practice la cele mai dificile provocări de astăzi și ale celor # 8217. Clasată pe locul 6 cu cea mai inovatoare universitate din Statele Unite de către U.S. News & amp World Report, Purdue oferă cercetări în schimbare mondială și descoperire în afara lumii. Angajat în învățarea practică și online, din lumea reală, Purdue oferă tuturor o educație transformatoare. Angajat pentru accesibilitate și accesibilitate, Purdue a înghețat școlarizarea și majoritatea taxelor la nivelurile 2012-13, permițând mai multor studenți ca niciodată să absolvească fără datorii. Vedeți cum Purdue nu se oprește niciodată în urmărirea persistentă a următorului salt uriaș la & # 160purdue.edu.

Scriitor: Grace Niewijk

Contact media: Amy Patterson Neubert, 765-412-0864, ​​[email protected]

Sursă: Maureen McCann, [email protected]

Notă pentru jurnaliști: O fotografie a lui Maureen McCann este disponibilă jurnaliștilor pentru a o utiliza printr-un folder Google Drive.


Algele pot extrage energie din alte plante

Florile au nevoie de apă și lumină pentru a crește. Chiar și copiii învață că plantele folosesc lumina soarelui pentru a aduna energie de pe pământ și apă. Membrii echipei de cercetare biologică a profesorului Dr. Olaf Kruse de la Universitatea Bielefeld au făcut o descoperire revoluționară că o plantă are un alt mod de a face acest lucru. Au confirmat pentru prima dată că o plantă, alga verde Chlamydomonas reinhardtii, nu numai că se angajează în fotosinteză, dar are și o sursă alternativă de energie: o poate extrage din alte plante. Această constatare ar putea avea, de asemenea, un impact major asupra viitorului bioenergiei. Rezultatele cercetării au fost publicate marți, 20 noiembrie, în revista online Nature Communications publicată de renumita revistă Nature.

Până acum, se credea că numai viermii, bacteriile și ciupercile pot digera celuloza vegetală și o pot folosi ca sursă de carbon pentru creșterea și supraviețuirea lor. Plantele, în schimb, se angajează în fotosinteza dioxidului de carbon, a apei și a luminii. Într-o serie de experimente, profesorul Dr. Olaf Kruse și echipa sa au cultivat speciile de alge verzi microscopice Chlamydomonas reinhardtii într-un mediu cu dioxid de carbon redus și au observat că, atunci când se confruntă cu o astfel de lipsă, aceste plante cu o singură celulă pot extrage energie din legumele vecine. celuloză în schimb. Alga secretă enzime (așa-numitele enzime ale celulozei) care ‘digeră’ celuloza, descompunându-se în componente de zahăr mai mici. Acestea sunt apoi transportate în celule și transformate într-o sursă de energie: alga poate continua să crească. „Este pentru prima dată când un astfel de comportament este confirmat într-un organism vegetal”, spune profesorul Kruse. ‘Că algele pot digera celuloza contrazice fiecare manual anterior. Într-o anumită măsură, ceea ce vedem este că plantele mănâncă plante ”. În prezent, oamenii de știință studiază dacă acest mecanism poate fi găsit și în alte tipuri de alge. Constatările preliminare indică faptul că acesta este cazul.

În viitor, această „nouă” proprietate a algelor ar putea fi, de asemenea, de interes pentru producerea bioenergiei. Descompunerea biologică a celulozei vegetale este una dintre cele mai importante sarcini în acest domeniu. Deși cantități mari de deșeuri care conțin celuloză sunt disponibile, de exemplu, din culturi de câmp, acestea nu pot fi transformate în biocombustibili sub această formă. Enzimele celulozice trebuie mai întâi să descompună materialul și să-l proceseze. În prezent, enzimele celuloza necesare sunt extrase din ciuperci care, la rândul lor, necesită material organic pentru a crește. Dacă, în viitor, enzimele celulozei pot fi obținute din alge, nu ar mai fi nevoie ca materialul organic să hrănească ciupercile. Apoi, chiar și atunci când se confirmă că algele pot folosi substanțe nutritive alternative, apa și lumina sunt suficiente pentru a crește în condiții normale.


Cum descompun enzimele fungice pereții celulari ai plantelor

Imagine oferită de Laboratorul de Științe Moleculare de Mediu (EMSL).

Știința

În vaci, capre și alți rumegătoare, enzimele fungice descompun materia vegetală și extrag substanțele nutritive. Aceste enzime depășesc, în esență, un blocaj major în producția de biocombustibili: descompunerea lignocelulozei - elementul principal de construcție al pereților celulelor vegetale. Părțile, asamblarea și rolurile diverse ale complexelor enzimatice fungice, numite celulozomi, nu au fost clar definite. Pana acum. Acest studiu oferă informații despre structura și funcția celulozomilor fungici. Procedând astfel, arată că celulozomii sunt chimere evolutive care au cooptat părți ale enzimelor de la bacterii care se găsesc și în intestin.

Impactul

Descoperirile evidențiază puterea enzimelor fungice în descompunerea lignocelulozei. Aceste enzime ar putea fi valorificate pentru a dezvolta noi strategii pentru producerea eficientă de biocombustibili.

Rezumat

Microbii intestinali joacă un rol major în a ajuta rumegătoarele precum vacile, caprele și oile să descompună materiile vegetale bogate în lignoceluloză în dieta lor. Bacteriile și ciupercile anaerobe care locuiesc în intestinul rumegătorului au dezvoltat o suită de enzime care degradează lignoceluloză, a căror activitate susține metabolismul microbian în timp ce furnizează substanțe nutritive rumegătoarelor. Aceste enzime se adună adesea în complexe mari, multi-proteice numite celulozomi, care sporesc capacitatea microbilor intestinali de a degrada lignoceluloză prin limitarea tuturor enzimelor într-un singur loc. Deși celulozomii bacterieni servesc acum ca model standard pentru conversia biomasei și a aplicațiilor de biologie sintetică, celulozomii fungici nu au fost bine caracterizați din cauza lipsei de date genomice și proteomice, în ciuda valorii lor potențiale pentru producția de biocombustibili și bio-chimice. Pentru a aborda acest decalaj de cunoștințe, cercetătorii au combinat secvențierea generației următoare cu proteomică funcțională pentru a descrie setul cuprinzător de proteine ​​care joacă un rol în asamblarea fungică a celulozomului. Echipa de colaborare a fost de la Universitatea din California, Santa Barbara, Laboratorul de Științe Moleculare de Mediu (EMSL), Departamentul de Energie, Institutul Comun al Genomului (DOE JGI), Centrul de Laborator Național al Pacificului de Nord-Vest. Universitatea King Abdulaziz și Universitatea din California, Berkeley. Această cercetare a fost realizată în cadrul inițiativei Facilități care integrează colaborări pentru știința utilizatorilor (FICUS). Echipa a folosit resurse la JGI și EMSL, care sunt facilitățile utilizatorilor DOE Office of Science. Această analiză a relevat o nouă familie de gene care probabil servesc drept proteine ​​de schelă critice pentru ansamblurile celulozomice din diverse specii de ciuperci intestinale anaerobe. Spre deosebire de celulozomii bacterieni, care au o specificitate mare a speciilor, celulozomii fungici sunt probabil un compozit de enzime din mai multe specii de ciuperci intestinale. Deși multe enzime bacteriene și fungice care degradează biomasa plantelor au similitudini comune, celulosomii fungici s-au dovedit a conține enzime suplimentare de degradare a lignocelulozei care nu se găsesc în celulosomii bacterieni. Aceste enzime suplimentare pot conferi nu numai un avantaj selectiv al ciupercilor față de bacteriile din intestinul rumegătorului, ci și conferă celulozomi fungici cu potențial mare de conversie a biomasei. Luate împreună, descoperirile evidențiază diferențele cheie în celulozomii bacterieni și fungici și sugerează că conexiunile enzimatice (cunoscute sub denumirea de tethering) joacă un rol important în degradarea peretelui celular al plantelor.

A lua legatura

Manager de program BER
Paul Bayer, SC-23.1
Departamentul Energiei din SUA
301-903-5324

Investigator principal
Michelle A. O'Malley
Universitatea din California, Santa Barbara
[email protected]

EMSL
Sam Purvine
Laboratorul de Științe Moleculare de Mediu
[email protected]

Finanțarea

Această lucrare a fost susținută de Biroul de Științe al Departamentului Energiei din SUA (DOE), Biroul de Cercetări Biologice și de Mediu, inclusiv sprijinul Laboratorului de Științe Moleculare de Mediu (EMSL) și al Institutului Comun al Genomului DOE (JGI), utilizator al DOE Office of Science facilități Departamentul Agriculturii SUA Fundația Națională pentru Științe Universitatea Armatei SUA din California, Santa Barbara și Berkeley și Institutul NanoSystems din California.

Publicații

C.H. Haitjema, S.P. Gilmore, J.K. Henske, K.V. Solomon, R. de Groot, A. Kuo, S.J. Mondo, A.A. Salamov, K. LaButti, Z. Zhao, J. Chiniquy, K. Barry, H.M. Brewer, S.O. Purvine, A.T. Wright, M. Hainaut, B. Boxma, T. van Alen, J.H.P. Hackstein, B. Henrissat, S.E. Baker, I.V. Grigoriev și M.A. O'Malley, „O listă de piese pentru celulozomii fungici dezvăluită de genomica comparativă." Microbiologia naturii 2, 17087 (2017). [DOI: 10.1038 / nmicrobiol.2017.87]

Link-uri conexe

Evidențierea științei laboratorului în domeniul științelor moleculare: deblocarea potențialului enzimelor fungice de a sparge pereții celulari ai plantelor

Științe științifice ale laboratorului de științe moleculare ale mediului: defalcarea biocombustibililor


Plantele pot descompune celuloza pentru energie? - Biologie

DESPRE LECȚIA DE FOTOSINTEZĂ

Această lecție este potrivită pentru copiii cu vârsta de peste 11 ani. Elevii modelează reacția de fotosinteză prin construirea produselor (glucoză și oxigen) din reactanți (dioxid de carbon și apă). Elevii pot modela respirația celulară și pot construi amidon și celuloză pentru a arăta cum plantele folosesc glucoza.

Tema fotosintezei este un concept fundamental în biologie, chimie și știința pământului. Studiile educaționale au constatat că, în ciuda prezentărilor la clasă, majoritatea studenților își păstrează ideea naivă că masa unei plante este derivată în mare parte din sol și nu din aer. Pentru a atrage atenția elevilor asupra acestei concepții greșite, la începutul acestei lecții vom oferi un rezultat experimental surprinzător, astfel încât elevii să se confrunte cu greșeala lor mentală.

Apoi, îi vom ajuta pe studenți să vizualizeze mai bine fotosinteza, modelând de unde provin atomii în acest important proces care produce hrană pentru planetă. Folosind modele, elevii vor folosi atomii din dioxid de carbon și apă pentru a construi glucoză și oxigen.

În plus, elevii pot modela respirația celulară și pot construi atât celuloză, cât și amidon din aceleași molecule de glucoză pentru a demonstra modul în care glucoza se încorporează în rădăcini, lăstari și lemn - structurile plantelor pe care le vedem în jurul nostru!

PREDAREA LECȚIEI DE FOTOSINTEZĂ

Acest videoclip interactiv poate fi folosit pentru a preda lecția împreună cu dr. Kathleen Vandiver (inventatorul acestei lecții). Alternativ, profesorii pot urmări integral lecția în avans. BLOSSOMS (Blended Learning Open Source Science sau Math Studies) este o inițiativă colaborativă care încearcă să înceapă să dezvolte un depozit mare și gratuit de module video pentru cursurile de matematică și știință din liceu în mai multe limbi.

Ghiduri și resurse originale pentru profesori:

Videoclipuri MIT Edgerton Center Molecule pe canalul nostru de YouTube:

Vă puteți crea propriile seturi de molecule vizitând pagina noastră web: Informații pentru seturile de molecule Edgerton Center. Din păcate, nu mai putem vinde seturi de molecule.

Următoarele cărămizi LEGO sunt minim necesar (per kit / 2 studenți) pentru Lecția de fotosinteză:

Photosynthesis Lesson Mats (per trusă / 2 studenți):

16. Recunoașteți că producătorii (plantele care conțin clorofilă) folosesc energia din lumina soarelui pentru a produce zaharuri din dioxid de carbon și apă printr-un proces numit fotosinteză. Acest aliment poate fi utilizat imediat, depozitat pentru utilizare ulterioară sau utilizat de alte organisme.

Repere AAAS:

4c, clasele 9-12, Procese care modelează Pământul: Plantele modifică atmosfera pământului prin îndepărtarea dioxidului de carbon din acesta, folosind carbonul pentru a produce zaharuri și eliberând oxigen. Acest proces este responsabil pentru conținutul de oxigen din aer.

5E, clasele 6-8, fluxul de materie și energie: Alimentele asigură combustibilul și materialul de construcție pentru toate organismele. Plantele folosesc energia din lumină pentru a produce zaharuri din dioxid de carbon și apă. Acest aliment poate fi utilizat imediat sau depozitat pentru utilizare ulterioară. Organismele care mănâncă plante descompun structurile plantelor pentru a produce materialele și energia de care au nevoie pentru a supraviețui. Energia se poate schimba de la o formă la alta în ființele vii. Animalele obțin energie din oxidarea hranei lor, eliberând o parte din energia sa sub formă de căldură. Aproape toată energia alimentară provine inițial din lumina soarelui.

Standardul de conținut al Fundației Naționale a Științei:

Conținut Standard C, clasele 5-8: Pentru ecosisteme, sursa principală de energie este lumina soarelui. Energia care intră în ecosisteme ca lumina soarelui este transferată de producători în energie chimică prin fotosinteză. Această energie trece apoi de la organism la organism în rețelele alimentare.

LEGO®, sigla LEGO și configurațiile de cărămidă și buton sunt mărci comerciale ale grupului LEGO, utilizate aici cu permisiunea.© Grupul LEGO și MIT. Toate drepturile rezervate.


Defalcarea și sinteza zaharozei, amidonului și celulozei

Zaharoza este descompusă sau hidrolizată pentru a produce glucoză și fructoză în prezența enzimei invertază sau zaharază. Reacția este ireversibilă.

Sinteza zaharozei:

Sinteza zaharozei în plante poate avea loc prin 3 moduri diferite:

(1) Din glucoză-1-fosfat și fructoză în prezența enzimei zaharoză fosforilază, de exemplu, în bacterii.

(2) Din UDPG (Uridină Di-Fosfat Glucoză) și Fructoză în prezența en & shyzyme sucrose synthetase, de exemplu, la plantele superioare.

(3) Din UDPG și fructoză-6-fosfat în prezența enzimei zaharoză fosfat și shyphate sintetaza, de exemplu, la plantele superioare.

Zaharoza-fosfatul astfel produs este hidrolizat în prezența enzimei fosfatază pentru a produce zaharoză.

Defalcarea amidonului:

Defalcarea sau hidroliza amidonului pentru a produce unitățile sale constitutive de a-D-glucoză poate avea loc în două moduri:

(1) Prin enzimă diastază:

De fapt, diastaza nu este o singură enzimă, ci un complex de multe enzime care sunt după cum urmează:

α-amilaza și β-amilaza atacă legăturile 1: 4 ale amilozei și amilopectinei (care constituie amidonul) în timp ce enzima R atacă legăturile 1: 6 ale amilopectinei, astfel încât amidonul este hidrolizat pentru a produce unități dizaharidice, adică maltoză. În cele din urmă, enzima maltază transformă maltoza în molecule de glucoză.

(2) Prin enzima amidon fosforilază.

Glucoza-1-fosfatul poate fi transformată în glucoză de enzima fosfatază.

Sinteza amidonului:

Sinteza amidonului implică sinteza simultană a amilozei (cu legături α- (1: 4) glico & shididice) și amilopectină (cu legături glicozidice α- (1: 6)), cele două componente importante și timidele amidonului.

(A) Sinteza amilozei (sau legături glicozidice α- (1: 4)):

Sinteza amilozei poate avea loc prin oricare dintre următoarele moduri: -

(1) Conform lui Hanes (1940), amiloza poate fi sintetizată în prezența fosforilazei amidon en & shyzyme din glucoză-1-fosfat și a unei molecule acceptoare formate din aproximativ 3 până la 20 de unități de glucoză unite între ele prin α- (1: 4) glicozidică legături.

(2) Formarea legăturilor glicozidice α- (1: 4) poate avea loc, de asemenea, în prezența enzimei UDPG-transglicozilază (amiloză sintetază) prin transferul de glucoză din UDPG (Uridină Di fosfat glucoză) la o moleculă acceptantă formată din 2 până la 4 sau mai multe unități de glucoză unite între ele prin legături glicozidice α- (1: 4) sau chiar o moleculă de amidon.

Structura UDPG este dată mai jos:

UDPG (Uridină difosfat glucoză)

(3) Conform Akazawa și colab. (1964) molecula de glucoză obținută ca urmare a hidrolizei zaharozei în prezența enzimei zaharază este transferată la molecula UDP (Uridine Di Phos & shyphate) pentru a forma UDPG. Formați UDPG, molecula de glucoză este transferată în amidon (Fig. 13.2)

(4) Formarea legăturilor glicozidice α- (1: 4) conducând la sinteza amiloza poate avea loc, de asemenea, în prezența enzimei D prin transferul a două sau mai multe unități de glucoză din maltodextrine (constând din mai mult de două unități de glucoză) la o varietate de acceptori, cum ar fi maltotroise, molecule de maltotetrose.

(B) Sinteza amilopectinei (sau legături glicozidice α- (1: 6)):

Are loc în prezența enzimei Q prin transferul unor lanțuri mici de unități de glucoză unite între ele prin legături glicozidice α- (1: 4) la o moleculă acceptoare formată din cel puțin patru unități de glucoză legate α (1: 4). Legătura glicozidică α- (1: 6) se stabilește între C-1 a unității terminale de glucoză a moleculei donatoare și C-6 a uneia dintre unitățile de glucoză a moleculei acceptoare (Fig. 13.3).

Defalcarea celulozei:

Celuloza este o moleculă de carbohidrat polimeric cu lanț drept (un glucan), compusă dintr-un număr mare de unități D-glucopiranoză unite între ele prin legături glicozidice β (1 → 4). În natură, celuloza este descompusă prin hidroliza enzimatică prin enzimele numite celuloze. Aceste enzime care sunt adesea grupate sub denumirea generică de celulază, atacă în mod aleator legăturile glicozidice β (1 → 4) ale lanțului de celuloză formând mai întâi celulextrine și apoi dizaharide numite celobioză. Celobioză este apoi hidrolizată în glucoză de către enzima celobioză.

Enzimele degradante ale celulozei nu se găsesc la plante sau la oameni. Acestea se găsesc numai în anumite organisme, cum ar fi rumegătoarele, termitele, unele bacterii și anumite protozoare.

(Divizia Ruminantia ungulatelor degetelor uniforme, cum ar fi un cerb, antilopă, oaie, capră sau vacă).

Sinteza celulozei:

Lanțuri lungi de ramuri de celuloză ne-ramificate (formate din resturi de glucoză legate β (1 → 4)) sunt sintetizate în plante de către enzimele numite sintaze de celuloză. Enzima celuloză sintază este un complex multi-supus care este situat pe membrana plasmatică și transferă un reziduu de glucoză de la un donator de nucleotide de zahăr numit uridină difosfat glucoză (UDPG) la o moleculă acceptoare care formează β (1 → 4) acceptor glucozilic.

UDPG + Acceptor → UDP + β (1 → 4) glucozil-acceptor

Se crede că sterol-glicozidele (adică steroli uniți la un lanț de una sau mai multe unități de glucoză), cum ar fi glucozidul β-sitosterol (Fig. 13.4), acționează probabil ca acceptori inițiali care încep alungirea lanțului de celuloză. Procesul continuă și după ce lanțul de celuloză a atins lungimea dorită, sterolul este tăiat din glucan (lanțul de celuloză) de către enzima endoglucanază prezentă în membrana plasmatică. Lanțurile de celuloză separate sunt apoi extrudate pe partea exterioară a membranei plasmatice (Fig. 13.5).

Există dovezi care sugerează că glucoza din UDPG provine din zaharoză, prin acțiunea enzimei reversibile zaharoză sintetază (Fig. 13.5). Alternativ, glucoza UDP poate fi obținută direct din citoplasmă.


Priveste filmarea: Super-planta cu care fermierii români au dat lovitura. Profituri tot mai mari (Ianuarie 2022).