Значение и роль фотосинтеза Основной источник энергии
Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под действием света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганического сырья. Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют ее для синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию, поедая растения или других животных, питающихся растениями. Итак, в конечном счете источником энергии для всех метаболических процессов на нашей планете, служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для поддержания всех форм жизни на Земле.
Мы пользуемся ископаемым топливом — углем, природным газом, нефтью и т. д. Все эти виды топлива — не что иное, как продукты разложения наземных и морских растений или животных, и запасенная в них энергия была миллионы лет назад получена из солнечного света. Ветер и дождь тоже обязаны своим возникновением солнечной энергии, а следовательно, энергия ветряных мельниц и гидроэлектростанций в конечном счете также обусловлена солнечным излучением.
Важнейший путь химических реакций при фотосинтезе — это превращение углекислоты и воды в углероды и кислород. Суммарную реакцию можно описать уравнением СО2+Н20? [СН20]+02
Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СО2 и Н20. Таким образом, за счет энергии Солнца энергетические вещества (СО2 и Н20) превращаются в богатые энергией продукты — углеводы и кислород. Энергетические уровни различных реакций, описанных суммарным уравнением, можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения потенциалов показывают, сколько энергии запасается или растрачивается в каждой реакции. Итак, фотосинтез можно рассматривать как процесс образования лучистой энергии Солнца в химическую энергию растительных тканей.
Содержание СО2 в атмосфере остается почти полным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и животные дышат. В процессе дыхания в митохондриях кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями, используется для окисления углеводов и других компонентов тканей с образованием в конечном счете двуокиси углерода и воды и с сопутствующим выделением энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в высокоэнергетические соединения — аденозинтрифосфат (АТФ), который и используется организмом для выполнения всех жизненных функций. Таким образом дыхание приводит к расходованию органических веществ и кислорода и увеличивает содержание СО2 на н планете. На процессы дыхания во всех живых организмах и на сжигание всех видов топлива, содержащих углерод, в совокупности расходуется в масштабах Земли в среднем около 10000 тонн 02 в секунду. При такой скорости.потребления весь кислород в атмосфере должен бы иссякнуть примерно, через 3000 лет. К счастью для нас, расход органических веществ и атомного кислорода уравновешивается созданием углеводов и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных условиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в тех же тканях, таким образом, фотосинтез служит важным фактором, регулирующим содержание 02 на Земле. История открытия фотосинтеза
В начале XVII в. фламандский врач Ван Гельмонт вырастил в кадке с землей дерево, которое он поливал только дождевой водой. Он заметил, что спустя пять лет, дерево выросло до больших размеров, хотя количество земли в кадке практически не уменьшилось. Ван Гельмонт, естественно, сделал вывод, что материал, из которого образовалось дерево произошел из воды, использованной для полива. В 1777 английский ботаник Стивен Хейлс опубликовал книгу, в которой сообщалось, что в качестве питательного вещества, необходимого для роста, растения используют главным образом воздух. В тот же период знаменитый английский химик Джозеф Пристли (он был одним из первооткрывателей кислорода) провел серию опытов по горению и дыханию и пришел к выводу о том, что зелёные растения способны совершать все те дыхательные процессы, которые были обнаружены в тканях животных. Пристли сжигал свечу в замкнутом объеме воздуха, и обнаруживал, что получавшийся при этом воздух уже не может поддерживать горение. Мышь, помещенная в такой сосуд, умирала. Однако веточка мяты продолжала жить в воздухе неделями. В заключение Пристли обнаружил, что в воздухе, восстановленном веточкой мяты, вновь стала гореть свеча, могла дышать мышь. Теперь мы знаем, что свеча, сгорая, потребляла кислород из замкнутого объема воздуха, но затем воздух снова насыщался кислородом благодаря фотосинтезу, происходившему в оставленной веточке мяты. Спустя несколько лет голландский врач Ингенхауз обнаружил, что растения окисляют кислород лишь на солнечном свету и что только их зеленые части обеспечивают выделение кислорода. Жан Сенебье, занимавший пост министра, подтвердил данные Ингенхауза и продолжил исследование, показав, что в качестве питательного вещества растения используют двуокись углерода, растворенную в воде. В начале XIX века другой швейцарский исследователь де Соседи изучал количественные взаимосвязи между поглощенной растением углекислотой, с одной стороны, и синтезированными органическими веществами и кислородом — с другой. В результате своих опытов он пришел к выводу, что вода также потребляется растением при ассимиляции СО2. В 1817 г. два французских химика, Пельтье и Каванту, выделили из листьев зеленое вещество и назвали его хлорофиллом. Следующей важной вехой в истории изучения фотосинтеза было сделанное в 1845 г. немецким физиком Робертом Майером утверждение о том, что зеленые растения преобразуют энергию, солнечного света в химическую энергию. Представления о фотосинтезе, сложившиеся к середине прошлого века, можно выразить следующим соотношением:
Зеленое растение
СО2+ Н2 О + Свет? О2 + орг. вещества +химическая энергия
Отношение количества С02, поглощенного при фотосинтезе, к количеству выделенного 02, точно измерил французский физиолог растений Бусэнго. В 1864 г. он обнаружил, что фотосинтетическое отношение, т.е. отношение объема выделенного 02 к объему поглощенного С02, почти равно единице. В том же году немецкий ботаник Закс (открывший также у растений дыхание) продемонстрировал образование зерен крахмала при фотосинтезе. Закс помещал зеленые листья на несколько часов в темноту для того, чтобы они израсходовали накопленный в них крахмал. Затем он выносил листья на свет, но при этом освещал лишь половину каждого листа, оставляя другую половину листа в темноте. Спустя некоторое время весь лист целиком обрабатывали парами йода. В результате освещенная часть листа становилась темно-фиолетовой, что свидетельствовало об образовании комплекса крахмала с йодом, тогда как цвет другой половины листа не изменялся. Прямую связь между выделением кислорода и хлоропластами в зеленых листьях, а также соответствие спектра действия фотосинтеза спектру поглощеных хлоропластами установил в 1880 г. Энгельман. Он поместил нитевидную зеленую водоросль имеющую спирально извитые хлоропласты, на предметное стекло, освещая его узким и широким пучком белого света. Вместе с водорослью на предметное стекло наносилась суспензия клеток подвижных бактерий, чувствительных к концентрации кислорода. Предметное стекло помещали в камеру без воздуха и освещали. В этих условиях подвижные бактерии должны были перемещаться в ту часть, где концентрация 02 была выше. После прошествия некоторого времени образец рассматривали под микроскопом и подсчитывали распределение бактериопопуляции. Оказалось, что бактерии концентрировались вокруг зеленых полосок в нитевидной водоросли. В другой серии опытов Энгельман освещал водоросли лучами разного спектрального состава, установив призму между источником света и предметным столиком микроскопа. Наибольшее число бактерий в этом случае скапливалось вокруг тех участков водоросли, которые освещались синим и красным областями спектра. Находящиеся в водорослях хлорофиллы поглощали синий и красный свет. Поскольку к тому времени было уже известно, что для фотосинтеза необходимо поглощение света, Энгельман заключил, что хлорофиллы участвуют в синтезе в качестве пигментов, являющихся активными фоторецепторами. Уровень знаний о фотосинтезе в начале нашего века можно представить следующим образом.
СО2 + Н2О + Свет –О2 + Крахмал + Химическая энергия
Итак, к началу нашего века суммарная реакция фотосинтеза была уже известна. Однако биохимия находилась не на таком высоком уровне, чтобы полно раскрыть механизмы восстановления двуокиси углерода до углеводов. К сожалению, следует признать, что и теперь еще некоторые аспекты фотосинтеза изучены довольно плохо. Издавна делались попытки исследовать влияние интенсивности света, температуры, концентрации углекислоты и т… п. на общий выход фотосинтеза. И хотя в этих работах исследовались растения самых разных видов, большинство измерений было выполнено на одноклеточных зеленых водорослях и на одноклеточной жгутиковой водоросли Эвглена. Одноклеточные организмы удобнее для качественного исследования, поскольку их можно выращивать во всех лабораториях при вполне стандартных условиях. Они могут быть равномерно суспензированы, т. е. взвешены в водных буферных растворах, и нужный объем такой суспензии, или взвеси, можно брать такой дозировки, точно так же, как при работе с обычными растениями. Хлоропласты для опытов лучше всего выделять из листьев высших растений. Чаще всего используют шпинат, потому что его легко выращивать и свежие листья удобны для проведения исследований; иногда используются листья гороха и салата-латука.
Поскольку СО2 хорошо растворяется в воде, а О2 относительно нерастворим в воде, то при фотосинтезе в замкнутой системе давление газа в этой системе может изменяться. Поэтому влияние света на фотосинтетические системы часто исследуют с помощью респиратора Варбурга, позволяющего регистрировать пороговые изменения объема 02 в системе. Впервые респиратор Варбурга был использован применительно к фотосинтезу в 1920г. Для измерения потребления или выделения кислорода в ходе реакции удобнее пользоваться другим прибором — кислородным электродом. В основе этого устройства лежит использование полярографического метода. Кислородный электрод обладает достаточной чувствительностью для того, чтобы обнаружить в таких низких концентрациях как 0,01 ммоль в 1 л. Прибор состоит из катода достаточно тонкой платиновой проволоки, герметично впрессованной в пластину анода, представляющего собой кольцо из серебряной проволоки, погруженной в насыщенный раствор. Электроды отделены от смеси, в которой протекает реакция, мембраной, проницаемой для 02. Реакционная система находится в пластмассовом или стеклянном сосуде и постоянно перемешивается вращающимся стержневым магнитом. Когда к электродам приложено напряжение, платиновый электрод становится отрицательным по отношению к стандартному электроду, кислород в растворе электролитически восстанавливается. При напряжении от 0,5 до 0,8 В величина электрического тока линейно зависит от парциального давления кислорода в растворе. Обычно с кислородным электродом работают при напряжении около 0,6 В. Электрический ток измеряют, присоединив электрод к подходящей регистрирующей системе. Электрод вместе с реакционной смесью орошают потоком воды от термостата. С помощью кислородного электрода измеряют действие света и различных химических веществ на фотосинтез. Преимущество кислородного электрода перед аппаратом Варбурга состоит в том, что кислородный электрод позволяет быстро и непрерывно регистрировать изменения содержания О2 в системе. С другой стороны, в приборе Варбурга можно одновременно исследовать до 20 образцов с различными реакционными смесями, тогда как при работе с кислородным электродом образцы приходится анализировать поочередно.
Примерно до начала 1930-х годов многие исследователи в этой области полагали, что первичная реакция фотосинтеза заключается в расщеплении двуокиси углерода под действием света на углерод и кислород с последующим восстановлением углерода до углеводов с участием воды в ходе нескольких последовательных реакций. Точка зрения изменилась в 1930-х годах в результате двух важных открытий. Во-первых, были описаны разновидности бактерий, способных ассимилировать и синтезировать углеводы, не используя для этого энергию света. Затем, голландский микробиолог Ван Нил сравнил процессы фотосинтеза у бактерий и показал, что некоторые бактерии могут ассимилировать С02 на свету, не выделяя при этом кислорода. Такие бактерии способны к фотосинтезу лишь при наличии подходящего субстрата-донора водорода. Ван Нил предполагал, что фотосинтез зеленых растений и водорослей является частным случаем, когда кислород в фотосинтезе происходит из воды, а не из углекислоты.
Второе важное открытие сделал в 1937 г. Р. Хил в Кембриджском университете. С помощью дифференциального центрифугирования гомогената тканей листа он отделил фотосинтезирующие частицы (хлоропласты) от дыхательных частиц. Полученные Xиллом хлоропласты при освещении сами по себе не выделяли кислорода (возможно, из-за того, что они были повреждены при разделении). Однако они начинали выделять кислород на свету, если в суспензию вносили подходящие акцепторы электрона (окислители), например ферриоксалат калия или феррицианид калия. При выделении одной молекулы 02 фотохимически восстанавливались четыре эквивалента окислителя. Позднее было обнаружено, что многие хиноны и красители восстанавливаются хлоропластами на свету. Однако хлоропласты не могли восстановить СО2, природный акцептор электронов при фотосинтезе. Это явление, известное теперь как реакция Хилла, представляет собой индуцируемый светом перенос электронов от воды к нефизиологическим окислителям (реагентам Хилла) против градиента химического потенциала. Значение реакции Хилла состоит в том, что она продемонстрировала возможность разделения двух процессов — фотохимического выделения кислорода и восстановления углекислоты при фотосинтезе.
Разложение воды, приводящее к выделению свободного кислорода при фотосинтезе, было установлено Рубеном и Каменом, в Калифорнии в 1941 г. Они поместили фотосинтезирующие клетки в воду, обогащенную изотопом кислорода, имеющим массу 18 атомных единиц 180. Изотопный состав кислорода, выделенного клетками, соответствовал составу воды, но не С02. Кроме того, Камен и Рубен открыли радиоактивный изотоп 18О, который впоследствии успешно использовали Бассэт, Бенсон Вин, изучавшие путь превращения углекислоты при фотосинтезе. Кальвин и его сотрудник установили, что восстановление углекислоты до сахаров происходит в результате темновых ферментативных процессов, причем для восстановления одной молекулы углекислоты требуются две молекулы восстановленного АДФ и три молекулы АТФ. К тому времени роль АТФ и пиридиннуклеотидов в дыхании тканей была установлена. Возможность фотосинтетического восстановления АДФ до АТФ выделенными хлорофиллами была доказана в 1951 г. в трех разных лабораториях. В 1954 г. Арнон, Аллен продемонстрировали фотосинтез — они наблюдали ассимиляцию С02 и 02 выделенными хлоропластами шпината. В течение следующего десятилетия из хлоропластов удалось выделить белки, участвующие в переносе электронов в синтезе -ферредоксин, пластоцианин, ферроАТФ-редуктазу, цитохромы и т. д.
Таким образом, в здоровых зеленых листьях, под действием света образуются АДФ и АТФ и энергия гидросвязей используются для восстановления С02 до углеводов в присутствии ферментов, причем активность ферментов регулируется светом. Лимитирующие факторы
Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в растении зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, скорость накопления продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых концентраций необходимых неорганических веществ. Внешние параметры — это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.
Скорость фотосинтеза возрастает линейно, или прямо пропорционально увеличению интенсивности света. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, прекращается, когда освещенность достигает определенного уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза. Область стабильной скорости фотосинтеза называется областью светонасыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для насыщения их фотосинтетической активности (энергия квантов, соответствующих крайним участкам видимого диапазона – фиолетового и красного, различается всего лишь в два раза, и все фотоны этого диапазона в принципе способны осуществить запуск фотосинтеза).
В случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15 и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при таких интенсивностях света, которые соответствуют области лимитирования света, подобно истинным фотохимическим реакциям, не чувствительны к температурам. Однако при более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия — это температура около 25°С.
В области лимитирования светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации СО2. Отсюда можно сделать вывод, что С02 участвует непосредственно в фотохимической реакции. В то же время при более высоких интенсивностях освещения, лежащих за пределами области лимитирования, фотосинтез существенно возрастает при увеличении концентрации СО2. У некоторых зерновых культур фотосинтез линейно возрастал при увеличении концентрации СО2 до 0,5%. (эти измерения проводили в кратковременных опытах, поскольку длительное воздействие высоких концентраций СО2 повреждает листы). Высоких значений скорость фотосинтеза достигает при содержании С02 около 0,1%. Средняя концентрация углекислоты в атмосфере составляет от 0,03%. Поэтому в обычных условиях растениям не хватает СО2 для того, чтобы с максимальной эффективностью использовать попадающий на них солнечный свет. Если помещенное в замкнутый объем растение освещать светом насыщающей интенсивности, то концентрация СО2 в объеме воздуха будет постепенно уменьшаться и достигнет постоянного уровня, известного под названием «С02 компенсационного пункта». В этой точке появление СО2 при фотосинтезе уравновешивается выделением О2 в результате дыхания (темнового и светового). У растений разных видов положения компенсационных пунктов различны.
–PAGE_BREAK–Световые и темновые реакции.
Еще в 1905 г. английский физиолог растений Ф. Ф. Блекмэн, интерпретируя форму кривой светового насыщения фотосинтеза, высказал предположение, что фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимическую, т.е. светочувствительную реакцию и нефотохимическую, т. е. темновую, реакцию. Темновая реакция, будучи ферментативной, протекает медленнее, чем световая реакция, и поэтому при высоких интенсивностях света скорость фотосинтеза полностью определяется скоростью темновой реакции. Световая реакция либо вообще не зависит от температуры, либо зависимость эта выражена очень слабо, тогда темновая реакция, как и все ферментативные процессы, зависит от температуры в довольно значительно и степени. Следует ясно представлять себе, что реакция, называемая темновой, может протекать как в темноте, так и на свету. Световую и темновую реакции можно разделить, используя вспышки света, длящиеся краткие доли секунды. Вспышки света длительностью меньше одной миллисекунды (10-3 с) можно получить либо с помощью механического приспособления, поставив на пути пучка постоянного света вращающийся диск со щелью, либо электрически, заряжая конденсатор и разряжая его через вакуумную или газоразрядную лампу. В качестве источников света пользуются также рубиновыми лазерами с длиной волны излучения 694 нм. В 1932 г. Эмерсон и Арнольд освещали суспензию клеток вспышками света от газоразрядной лампы с длительностью около 10-3с. Они измеряли скорость выделения кислорода в зависимости от энергии вспышек, длительности темнового промежутка между вспышками и температуры суспензии клеток. При увеличении интенсивности вспышек насыщение фотосинтеза в нормальных клетках наступало, когда выделялась одна молекула 02 на 2500 молекул хлорофилла. Эмерсон и Арнольд сделали вывод, что максимальный выход фотосинтеза определяется не числом молекул хлорофилла, поглощающих свет, а числом молекул фермента, катализирующего темновую реакцию. Они также обнаружили, что при увеличении темновых интервалов между последовательными вспышками за пределы 0,06 с выход кислорода в расчете на одну вспышку уже не зависел от длительности темнового интервала, тогда как при более коротких промежутках он возрастал с увеличением длительности темнового интервала (от 0 до 0,06 с). Таким образом, темновая реакция, которая определяет уровень насыщения фотосинтеза, завершается примерно за 0,06 с. На основе этих данных было рассчитано, что среднее время, характеризующее скорость реакции, составило около 0,02 с при 25°С. Структурная и биохимическая организация аппарата фотосинтеза
Современные представления о структурной и функциональной организации фотосинтетического аппарата включают широкий круг вопросов, связанных с характеристикой химического состава пластид, спецификой их структурной организации, физиолого-генетическими закономерностями биогенеза этих органоидов и их взаимоотношениями с другими функциональными структурами клетки. У наземных растений специальным органом фотосинтетической деятельности служит лист, где локализованы специализированные структуры клетки — хлоропласты, содержащие пигменты и другие компоненты, необходимые для процессов поглощения и преобразования энергии света в химический потенциал. Кроме листа функционально активные хлоропласты присутствуют в стеблях растений, черешках, остях и чешуях колоса и даже в освещаемых корнях ряда растений. Однако именно лист был сформирован в ходе длительной эволюции как специальный орган для выполнения основной функции зеленого растения – фотосинтеза, поэтому анатомия листа, расположение хлорофиллсодержащих клеток и тканей, их соотношение с другими элементами морфемной структуры листа подчинены наиболее эффективному течению процесса фотосинтеза, и они в наибольшей степени подвергаются интенсивным изменениям в условиях экологического стресса.
В связи с этим проблему структурно — функциональной организации фотосинтетического аппарата целесообразно рассмотреть в двух основных уровнях — на уровне листа как органа фотосинтеза и хлоропластов, где целиком сосредоточен весь механизм фотосинтеза.
Организация фотосинтетического аппарата на уровне листа может быть рассмотрена на основе анализа его мезострктуры. Понятие «мезоструктура» было предложено в 1975 году. По представлениям о структурной и функциональной особенностях фотоситнетического аппарата с характеристикой химического состава, структурной организации, физиолого-генетическими особенностями биогенеза этих органоидов и их взаимоотношениями с другими функциональными структурами специальным органом фотосинтетического процесса является лист, где локализованы специализированные образования — хлоропласты, содержащие пигменты, необходимые для процессов поглощения и преобразования света в химический потенциал. Кроме того, активные хлоропласты присутствуют в стеблях, остях и чешуях колоса и даже в освещенных частях корней некоторых растений. Однако именно лист был сформирован всем ходом эволюции как специальный орган для выполнения основной функции зеленого растения — фотосинтеза.
Мезоструктура включает систему морфофизиологических характеристик фотосинтетического аппарата листа, хлоренхимы и клезофилла. Основные показатели мезоструктуры фотосинте-
тического аппарата (по А. Т. Мокроносову) включают: площадь, число клеток, хлорофилл, белок, объем клетки, количество хлоропластов в клетке, объем хлоропласта, площадь сечения хлоропласта и его поверхность. Анализ мезоструктуры и функциональной активности фотосинтетического аппарата у многих видов растений помогают определить наиболее часто встречающиеся значения исследуемых показателей и пределы варьирования отдельных характеристик. Согласно этим данным, основные показатели мезоструктуры фотосинтетического аппарата (Мокроносов, 19В1):
I — площадь листа;
II — число клеток на 1 см2,
III — хлорофилл на 1 дм2, ключевые ферменты на 1 дм2, объем клетки, тыс. мкм2, число хлоропластов в клетке;
IV — объем хлоропластов, площадь проекции хлоропласта, мкм2, поверхность хлоропласта, мкм2.
Среднее число хлоропластов у закончившего рост листа обычно достигает 10-30, у некоторых видов оно превышает 400. Это соответствует млн хлоропластов в расчете на 1 см2площади листа. Хлоропласты сосредоточены в клетках различных тканей в количестве 15 – 80 штук на клетку. Средний объем хлоропласта — один мкм2. У большинства растений суммарный объем всех хлоропластов составляет 10-20%, у древесных растений — до 35% объема клетки. Отношение общей поверхности хлоропластов к площади листа находится в пределах 3-8. В одном хлоропласте содержится разное количество молекул хлорофилла, у тенелюбивых видов их число возрастает. Приведенные выше показатели могут значительно варьировать в зависимости от физиологического состояния и экологических условий роста растений. По данным А. Т. Мокроносова, в молодом листе активизация фотосинтеза при удалении 50-80% листа обеспечивается увеличением числа хлоропластов в клетке без изменения их индивидуальной активности, в то время как в листе, окончившем рост, усиление фотосинтеза после дефолиации происходит за счет повышения активности каждого хлоропласта без изменения их числа. Анализ мезоструктуры показал, что адаптация к условиям освещения вызывает перестройку, которая оптимизирует светопоглошающие свойства листа.
Хлоропласты имеют наиболее высокую степень организации внутренних мембранных структур по сравнению с другими органоидами клетки. По степени упорядоченности структур хлоропласты можно сравнить только с рецепторными клетками сетчатки глаза, также выполняющими функцию преобразования световой энергии. Высокая степень организации внутренней структуры хлоропласта определяется рядом моментов:
1) необходимостью пространственного разделения восстановленных и окисленных фотопродуктов, возникающих в результате первичных актов разделения заряда в реакционном центре;
2) необходимостью строгой упорядоченности компонентов реакционного центра, где сопряжёны быстропротекающие фотофизиологические и более медленные энзиматические реакции: преобразование энергии фотовозбужденной молекулы пигмента требует ее определенной ориентации по отношению к химическому акцептору энергии, что предполагает наличие определенных структур, где пигмент и акцептор жестко ориентированы друг относительно друга;
3) пространственная организация электронно-транспортной цепи требует последовательной и строго ориентированной организации переносчиков в мембране, обеспечивающей возможность быстрого и регулируемого транспорта электронов и протонов;
4) для сопряжения транспорта электронов и синтеза АТФ требуется определенным образом организованная система хлоропластов.
Липопротеидные мембраны как структурная основа энергетических процессов возникают на самых ранних этапах эволюции, предполагают, что основные липидные компоненты мембран — фосфолипиды — образовались в определенных биологических условиях. Формирование липидных комплексов обусловило возможность включения в них различных соединений, что по-видимому, явилось основой первичных каталитических функций данных структур.
Проведенные в последние годы электронномикроскопические исследования обнаружили организованные мембранные структуры у организмов, стоящих на самой низкой ступени эволюции. У некоторых бактерий мембранные фотесинтезирующие структуры клеток тесно упакованных органелл расположены по периферии клетки и связаны с цитоплазматическими мембранами; кроме того, в клетках зеленых водорослей процесс фотосинтеза связан с системой двойных замкнутых мембран — тилакоидов, локализованных в периферической части клетки. У данной группы фотосинтетических организмов впервые появляется хлорофилл, а образование специализированных органелл – хлоропластов встречается у криптофитовых водорослей. В них находятся по два хлоропласта, содержащих от одного до нескольких тилакоидов. Сходное строение фотосинтетического аппарата имеет место и у других групп водорослей: красных, бурых, и др. В процессе эволюции мембранная структура фотосинтетического процесса усложняется.
Микроскопические исследования хлоропласта, техника криоскопии позволили сформулировать пространственную модель объемной организация хлоропластов. Наиболее известна гранулярно-решетчатая модель Дж. Хеслоп-Харрисона (1964).
Таким образом, фотосинтез – это сложный процесс преобразования световой энергии в энергию химических связей органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих фотосинтезирующих организмов, так и других организмов, не способных к самостоятельному синтезу органических веществ.
Изучение проблем фотосинтеза, помимо общебиологических, имеет и прикладное значение. В частности, проблемы питания, создания систем жизнеобеспечения при космических исследованиях, использования фотосинтезирующих организмов для создания различных биотехнических устройств непосредственно связаны с фотосинтезом. Список литературы
1. Д.Халл, К.Рао «Фотосинтез». М.,1983
2. Мокроносов А.Г. «Фотосинтетическая реакция и целостность растительного организма». М.,1983
3. Мокроносов А.Г., Гавриленко В.Ф. «Фотосинтез: физиолого – экологические и биохимические аспекты» М.,1992
4. «Физиология фотосинтеза» под ред. Ничипоровича А.А., М.,1982
5. Вечер А.С. «Пластиды растнеий»
6. Виноградов А.П. «Изотопы кислорода и фотосинтез»
7. Годнев Т.Н. «Хлорофилл и его строение».
8. Гуринович Г.П., Севченко А.Н., Соловьев К.Н. «Спектроскопия хлорофилла»
9. Красновский А.А. «Преобразование энергии света при фотосинтезе»
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ronl.ru/
Краткое объяснение фотосинтеза
В процессе фотосинтеза участвуют:
1) хлоропласты,
2) свет,
3) углекислый газ,
4) вода,
5) температура.
У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах – пластидах (полуавтономные органеллы) овальной формы, содержащих пигмент хлорофилл, благодаря зеленому цвету которого части растения также имеют зеленый цвет.
У водорослей хлорофилл содержится в хроматофорах (пигментсодержащие и светоотражающие клетки). У бурых и красных водорослей, обитающих на значительной глубине, куда плохо доходит солнечный свет, имеются другие пигменты.
Если посмотреть на пищевую пирамиду всех живых существ, фотосинтезирующие организмы находятся в самом ее низу, в составе автотроф (организмов, синтезирующих органические вещества из неорганических). Поэтому они являются источником пищи для всего живого на планете.
При фотосинтезе кислород выделяется в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из него образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, благодаря чему жизнь смогла выйти из моря на сушу.
Кислород необходим для дыхания растений и животных. При окислении глюкозы с участием кислорода в митохондриях запасается почти в 20 раз больше энергии, чем без него. Это делает использование пищи гораздо более эффективным, что привело к высокому уровню обмена веществ у птиц и млекопитающих. Более подробное описание процесса фотосинтеза растений
Ход фотосинтеза:
Процесс фотосинтеза начинается с попадания света на хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зеленый пигмент. Под действием света хлоропласты начинают потреблять воду из почвы, расщепляя ее на водород и кислород.
Часть кислорода выделяется в атмосферу, другая часть идет на окислительные процессы в растении.
Содержащийся в пиреноидах (белковых гранулах, окруженных крахмалом) углекислый газ смешивается с водородом, образуя молекулы сахара. В результате этой реакции также выделяется кислород.
Сахар соединяется с поступающими из почвы азотом, серой и фосфором, таким путем зеленые растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.
Лучше всего фотосинтез идет под воздействием солнечного света, однако некоторые растения могут довольствоваться и искусственным освещением. Сложное описание механизмов фотосинтеза для продвинутого читателя
До 60-ых годов 20 века ученым был известен только один механизм фиксации углекислого газа – по С3-пентозофосфатному пути. Однако недавно группа австралийских ученых смогла доказать, что у некоторых растений восстановление углекислого газа происходит по циклу C4-дикарбоновых кислот.
У растений с реакцией С3 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях умеренной температуры и освещенности, в основном, в лесах и в темных местах. К таким растениям относятся почти все культурные растения и большая часть овощей. Они составляют основу рациона человека.
У растений с реакцией С4 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях высоких температура и освещенности. К таким растениям относятся, например, кукуруза, сорго и сахарный тростник, которые произрастают в теплом и тропическом климате.
Сам метаболизм растений был обнаружен совсем недавно, когда удалось выяснить, что у некоторых растений, имеющих специальные ткани для запаса воды, углекислый газ накапливается в форме органических кислот и фиксируется в углеводах лишь спустя сутки. Такой механизм помогает растениям экономить запасы воды. Как происходит процесс фотосинтеза
Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях или плодах. Особенно большое их количество в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, получить намного больше энергии для процесса фотосинтеза.
После поглощения хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно, тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза.
Эти органические вещества используют сами растения для питания разных его частей, а также для поддержания нормальной жизнедеятельности. Кроме того, эти вещества также получают и животные, питаясь растениями. Люди тоже получают эти вещества, употребляя в пищу продукты животного и растительного происхождения. Условия для фотосинтеза
Фотосинтез может происходить как под действием искусственного света, так и солнечного. Как правило, на природе растения интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда необходимого солнечного света много. Осенью света меньше, день укорачивается, листья сначала желтеют, а потом опадают. Но стоит появиться весеннему теплому солнцу, как зеленая листва вновь появляется и зеленые «фабрики» снова возобновят свою работу, чтобы давать кислород, такой необходимый для жизни, а также множество других питательных веществ. Альтернативное определение фотосинтеза
Фотоси?нтез (от др.-греч. фот— свет и синтез — соединение, складывание, связывание, синтез) — процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. Фазы фотосинтеза
Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внури хлоропластов на особых маленьких органах – тилакодиах. В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода. Возникает вопрос, что это за непонятные загадочные вещества: АТФ и НАДН?
АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой. Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме. Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ – углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа. Cветовая фаза фотосинтеза
В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного. Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II – P680, а в фотосистеме I – P700. Они поглощают свет именно такой длины волны(680 и 700 нм).
По схеме более понятно, как все выглядит и происходит во время световой фазы фотосинтеза.
На рисунке мы видим две фотосистемы с хлорофиллами Р680 и Р700. Также на рисунке показаны переносчики, по которым происходит транспорт электронов.
Итак: обе молекулы хлорофилла двух фотосистем поглощают квант света и возбуждаются. Электрон е- (на рисунке красный) у них переходит на более высокий энергетический уровень.
Возбужденные электроны обладает очень высокой энергией, они отрываются и поступают в особую цепь переносчиков, которая находится в мембранах тилакоидов – внутренних структур хлоропластов. По рисунку видно, что из фотосистемы II от хлорофилла Р680 электрон переходит к пластохинону, а из фотосистемы I от хлорофилла Р700 – к ферредоксину. В самих молекулах хлорофилла на месте электронов после их отрыва образуются синие дырки с положительным зарядом. Что делать?
Чтобы восполнить недостачу электрона молекула хлорофилла Р680 фотосистемы II принимает электроны от воды, при этом образуются ионы водорода. Кроме того, именно за счет распада воды образуется выделяющийся в атмосферу кислород. А молекула хлорофилла Р700, как видно из рисунка, восполняет недостачу электронов через систему переносчиков от фотосистемы II.
В общем, как бы ни было сложно, именно так протекает световая фаза фотосинтеза, ее главная суть заключается в переносе электронов. Также по рисунку можно заметить, что параллельно транспорту электронов происходит перемещение ионов водорода Н+ через мембрану, и они накапливаются внутри тилакоида. Так как их там становится очень много, они перемещаются наружу с помощью особого сопрягающего фактора, который на рисунке оранжевого цвета, изображен справа и похож на гриб.
В завершении мы видим конечный этап транспорта электрона, результатом которого является образование вышеупомянутого соединения НАДН. А за счет переноса ионов Н+ синтезируется энергетическая валюта – АТФ (на рисунке видно справа).
Итак, световая фаза фотосинтеза завершена, в атмосферу выделился кислород, образовались АТФ и НАДН. А что же дальше? Где обещанная органика? А дальше наступает темновая стадия, которая заключается, главным образом, в химических процессах. Темновая фаза фотосинтеза
Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.
В ходе световой фазы у большинства растений СО2 связывается с пятиуглеродным органическим соединением (которое представляет собой цепочку из пяти молекул углерода), в результате чего образуются две молекулы трехуглеродного соединения (3-фосфоглицериновая кислота). Т.к. первичным результатом являются именно эти трехуглеродные соединения, растения с таким типом фотосинтеза получили название С3-растений.
Дальнейший синтез в хлоропластах происходит довольно сложно. В его конечном итоге образуется шестиуглеродное соединение, из которого в дальнейшем могут синтезироваться глюкоза, сахароза или крахмал. В виде этих органических веществ растение накапливает энергию. При этом в листе остается только небольшая их часть, которая используется для его нужд, в то время как остальные углеводы путешествуют по всему растению, поступая туда, где больше всего нужна энергия – например, в точки роста.
Цели и задачи урока:
1. Образовательная цель: Раскрыть сущность
процесса фотосинтеза и его значения для жизни на
Земле
Задачи:
Познакомиться с историей открытия фотосинтеза.
Изучить результаты экспериментов по выявлению
условий, необходимых для процесса фотосинтеза.
Составить общее уравнение фотосинтеза.
Выявить приспособления растений к фотосинтезу.
2. Развивающая цель: развивать логическое
мышление, навыки самостоятельной работы, умение
делать выводы из анализа результатов
эксперимента и предъявлять результаты своей
деятельности.
Задачи:
развивать умение выделять главное и
устанавливать причинно-следственные связи;
развивать умение использовать ранее
приобретенные знания для получения новых знаний;
развивать навыки самостоятельной работы с
новым материалом, умение делать выводы и
обобщения;
развивать умение работать в группе, предъявлять
результаты своей деятельности, умение слушать и
слышать своего товарища.
развивать навыки устной монологической речи.
3. Воспитательная цель: Воспитывать бережное
отношение к зеленым растениям, исходя из знаний
об их роли в жизни человека и всех живых
организмов на Земле.
Тип урока: изучение нового
материала с элементами лабораторной работы.
Методы обучения: репродуктивные
(вступительные слова учителя),
частично-поисковые (самостоятельная работа в
группах с познавательными материалами),
проблемный метод (при решении проблемных
заданий).
Формы работы: вступительное слово
учителя, групповая работа по решению
познавательных заданий, выступления
представителей групп с результатами своей
познавательной деятельности, заполнение
таблицы, общее обсуждение проблемных заданий,
проверка усвоения новых знаний с помощью теста.
Оборудование: карточки с
познавательными материалами и заданиями,
раствор йода, предварительно обесцвеченные в
спиртовом растворе листья герани окаймленной,
кинофрагмент “Фотосинтез”, таблица “Клеточное
строение листа”, тестовый раздаточный материал.
План урока
История изучения питания растений.
Результаты экспериментов по выявлению условий,
необходимых для фотосинтеза.
Приспособления растений к фотосинтезу.
Значение фотосинтеза в природе и жизни
человека.
I. Организационный момент.
Знакомство учеников с темой, целью
урока, формами работы.
Ученикам предлагаются проблемные
вопросы урока:
Как растения получают органическое
вещество для питания?
Какие органы растения участвуют в этом
процессе?
Каково значение фотосинтеза в природе
и жизни человека?
Учитель поясняет, что для ответа на эти
вопросы учащимся нужно будет заполнить таблицу (записана
на доске). Каждая группа получит карточку с
заданиями, которые позволят ей разобраться в
одном из пунктов плана и заполнить две строки
таблицы. После выступления представителя от
каждой группы и заполнения таблицы ребята смогут
ответить на первый вопрос урока. Затем учащимся
будут предложены задания для ответа на второй и
третий вопрос урока, после чего каждый получит
возможность проверить полученные на уроке
знания, выполнив небольшой тест.
II. Изучение нового материала.
Изучение нового материала происходит
в форме групповой работы. После вступительного
слова учителя класс разбивается на 3 группы,
каждая из которых получает карточку с материалом
для анализа и вопросами.
Задание каждой группе: выполнив
задания, указанные в карточке, рассказать о своих
выводах классу. Время на работу с карточкой – 5-10
минут. Затем выступления представителей групп.
Перед выступлением представителей
групп учитель рассказывает предысторию вопроса.
Уже в Древней Греции ученые пытались
ответить на вопрос: как питаются растения? Они
видели, что человек и животные существуют за счет
потребляемой пищи. Но какую пищу поглощает
растение и как оно это делает?
Было совершенно ясно, что растение не
может жить без почвы. Поэтому сначала
предполагали, что именно из почвы растение
получает все необходимое. Богатая фантазия
помогала представить на кончиках корней
маленькие ротики, которые поедают почвенные
частицы.
В XVII веке голландский врач Ян Баптист
ван Гельмонт доказал, что почва для растения не
самое главное.
Выступление групп
Во время выступления представителей
групп остальные ребята заполняют таблицу в
тетради.
Урок по теме «Фотосинтез» 6 класс.
Цель урока: Сформировать представление о процессе «фотосинтез».
Задачи:
1.Выявить особенности протекания фотосинтеза, как одного из наиболее важных процессов в жизни растений.
2. Способствовать формированию общих представлений о значении данного процесса в жизни живых организмов.
3. Способствовать формированию бережного отношения к ресурсам Земли.
Тип урока: изучение нового материала.
Методы: проблемный, частично-поисковый, личностно-деятельностый, развивающий.
Оборудование для проведения эксперимента: Вытяжка спиртовая пигментов клеток листа растения (традесканция), раствор щелочи, бензин, пробирки, штатив для пробирок, пипетка, пробка резиновая для пробирок.
Оборудование для проведения лабораторной работы « Пластиды» (для группы с репродуктивным типом мышления): Микроскоп, готовый микропрепарат «Хлоропласты в клетках листа элодеи».
Оборудование для проведения лабораторной работы «Пластиды» (для группы с продуктивным типом мышления»): Микроскоп, мякоть томата или арбуза, набор препаровальных инструментов, салфетки, предметное стекло, чашка Петри, вода.
Предварительная подготовка к уроку: за неделю до урока группа учащихся по инструктивным карточкам закладывает два опыта: 1.«проба Сакса» 2. выделение кислорода процессе фотосинтеза. Ученики, осуществляющие лабораторные исследования во время урока, проходят инструктаж по технике безопасности.
Планируемые результаты обучения:
Ученик должен знать:
– что фотосинтез – воздушное питание;
– что способность к фотосинтезу – важнейшее свойство зеленых растений;
– условия необходимые для протекания фотосинтеза;
– что в результате фотосинтеза в растениях образуются органические вещества;
– что атмосферный кислород – побочный продукт фотосинтеза.
Ход урока.
1. Изучение нового материала.
Учитель в начале урока знакомит учащихся с историческим фактом (создание проблемной ситуации): Более четырехсот лет назад бельгийский естествоиспытатель Ян Ван – Гельмонт поставил опыт – поместил в горшок 80 килограмм земли и посадил в него ветку ивы, предварительно взвесив ее. Растущему в горшке растению в течении пяти лет не давали ни какого питания, а только поливали дождевой водой, не содержащей минеральных солей. Взвесив иву, через пять лет, ученый обнаружил, что ее вес увеличился на 65 килограмм, а вес земли в горшке уменьшился всего на 50 граммов. Откуда растение добыло 64 кг 950 гр питательных веществ для Ван – Гельмонта осталось загадкой.
Учитель предлагает ученикам ответить на вопрос, на который в свое время не смог ответить известный ученый. (выслушиваются варианты ответов учеников)
В ходе обсуждения определяем, что листья растений – это своеобразные лаборатории, в которых на свету образуются органические вещества. Этот процесс является едва ли не самым замечательным биологическим явлением, происходящем на нашей планете. Благодаря нему существует все живое на Земле. Сегодня на уроке нам предстоит раскрыть механизмы этого биологического процесса. Как вы догадались, речь пойдет о фотосинтезе.
Учитель: Ребята, а что вы знаете об этом процессе? (выслушиваются варианты ответов учеников. Фотосинтез – процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды при участии энергии солнечного света. ( от греч. «фото» – свет, «синтез» – образование)
Почему наши растения, в большинстве случаев, зеленые? – это цвет химического вещества хлорофилла (от греч. «хлорос» – зеленый, «филос»- лист), который находится в пластидах клетки в хлоропластах. Это вещество играет в фотосинтезе главную роль. Процесс фотосинтеза многоступенчатый. Он запускается, когда на молекулу хлорофилла попадает частица света (фотон). В процессе фотосинтеза выделяют две фазы. Световая фаза идет только на свету и более длительная, темновая, в свете не нуждается. В световой фазе выделяется кислород, образуется энергия, в темновой фазе синтезируется углевод (глюкоза)
История открытия фотосинтеза.
1600г. Бельгийский естествоиспытатель Ян Ван – Гельмонт
Поставил первый физиологический эксперимент, связанный с изучением питания растений.
1771г. Английский химик Джозеф Пристли
Проделал опыт: посадил мышь под стеклянный колпак, и через пять часов животное погибло. При введении же под колпак веточки мяты, мышь осталась живой. Ученый пришел к выводу, что зеленые растения способны осуществлять реакции противоположные дыхательным процессам.
1779г. Голландский врач Ян Ингенхауз
В ходе эксперимента обнаружил, что растения способны выделять кислород лишь в присутствии солнечного света, и что только их зеленые части способны обеспечивать выделение кислорода.
1782г. Швейцарский ученый Жан Сенебье
Экспериментально доказал, что органические вещества в растениях образуются из углекислого газа, который под влиянием солнечного света разлагается в зеленых органоидах растений.
1804г. Французский физиолог растений Жак Буссенго
В ходе лабораторных работ пришел к выводу, что вода так же потребляется растениями при синтезе органических веществ.
1864г. Немецкий ботаник Юлиус Сакс
Доказал, что соотношение объемов поглощаемого углекислого газа и выделяемого кислорода равно 1:1. продемонстрировал образование зерен крахмала при фотосинтезе.
Демонстрация результатов опыта «Роль света для образования крахмала»
В качестве доказательства существования процесса фотосинтеза группа учащихся рассказывают, о том какой опыт они заложили и выдвигают гипотезы, каковы будут результаты эксперимента. Затем один ученик под руководством учителя демонстрируется опыт, подтверждающий образование крахмала в листьях на свету. (К уроку закладывался опыт – «проба Сакса» – отчет первой группы). Другой ученик комментирует и фиксирует промежуточные и итоговые результаты опыта.
Для опыта используются растения – примула, герань или традесканция. Одно растение обильно поливают и для оттока крахмала помещают в темное место на двое суток. Другое растение оставляют на свету. Затем первое растение извлекают из шкафа, и на его листья прикрепляют фигурки, вырезанные из плотной черной бумаги. Оба растения выдерживают на свету в течении трех, четырех дней, осуществляя полив. Затем с каждого растения срезают по листу, выдерживают их две, три минуты в кипящей воде и помещают в стакан с горячим спиртом для получения вытяжки хлорофилла. Обесцвеченные листья обрабатывают раствором йода. На листе растения, которое побывало в шкафу, проявится конфигурация фигурки, которая была прикреплена к нему. Лист, который был всегда на свету, равномерно окрасится в синий цвет.
Учитель задает вопрос классу: Какое вещество при обработке раствором йода окрасится в синий цвет?
Учащиеся отвечают: крахмал при взаимодействии с йодом дает синий окрас.
При обсуждении результатов опыта учащиеся приходят к выводу, что в листьях на свету образуется крахмал, а в темноте крахмал не образуется.
Учитель ставит перед учениками проблему: Как доказать, что в процессе фотосинтеза выделяется кислород? (учащиеся выдвигают гипотезы)
Одна из них: кислород – это газ, который поддерживает горение, а углекислый газ образуется при горении. Ребята вспоминают, что растения – это живые существа, обладающие свойствами живого, одним из которых является процесс дыхания, в ходе которого они потребляют кислород, и выделяют углекислый газ. Ребята приходят к выводу, что необходимо создать условия для двух растений, одно из которых на свету будет осуществлять процессы фотосинтеза и дыхания, а другое в темноте будет только дышать.
Демонстрация результатов опыта, демонстрирующего условия необходимые для протекания фотосинтеза.
Учитель просит вторую группу учащихся рассказать, о том какой опыт они заложили, и продемонстрировать его результаты.
Для опыта берут две банки из светлого стекла. В каждую помещают по 2-3 веточки растения, чтобы растения не завяли, в банки налить немного воды. Сечи, укрепленные на проволоке, зажигают и опускают в банки, закрыв их пробками. Свечи гаснут, что указывает на отсутствие кислорода и наличие углекислого газа, образующегося при горении. Свечи вынимают. Банки с растениями закрывают крышками, одну ставят в темное место, а другую – на свет. На следующий день банки открывают и опять опускают зажженные свечи. В банке, стоящей на свету, свеча горит, а в банке, находившейся в темноте, – гаснет.
Растения ежегодно образуют более 100 млрд. тонн органических веществ, выделяют в атмосферу около 145 млрд. тонн кислорода. 80% кислорода выделяется морскими водорослями и только 20% – наземными растениями. Поэтому мировой океан иногда называют «легкими планеты». Затраты кислорода на дыхание человека, животных, и растений компенсируются фотосинтезом. Содержание кислорода в атмосфере поддерживается в пределах 21%.
Учитель задает ученикам вопрос: Как можно увеличить интенсивность фотосинтеза? (учащиеся выдвигают гипотезы)
Учащиеся предлагают, что если улучшить условия необходимые для фотосинтеза, то скорость его протекания увеличится.
Учитель: Где и как можно создать такие условия?
Ученики: В теплицах и парниках человек создает определенные условия – освещенность, температурный режим, минеральное питание растений, концентрация углекислого газа. Все эти условия увеличивают скорость фотосинтеза.
Учитель: Для чего человек создает такие условия?
Ученики: Для более быстрого роста и развития растений, образования плодов и семян.
Фотосинтез- это процесс образование органического вещества.
причина
Необходимость растений в питательных веществах.
Повод
Наличие в листьях воды и углекислого газа, поглощение солнечного света.
Сопутствующие события
Образование и выделение кислорода.
Аналоги и сравнения
«Живая фабрика в листьях»
Последствия
Рост и развитие растений, накопление органического вещества.
Фотосинтез идет на свету круглый год.
И он людям дает пищу и кислород.
Очень важный процесс – фотосинтез, друзья,
Без него на Земле обойтись нам нельзя.
Фрукты, овощи, хлеб, уголь, сено, дрова –
Фотосинтез всему этому голова.
Воздух чист будет, свеж, как легко им дышать!
И озоновый слой будет нас защищать.
Учитель: А как сказывается загрязненность воздуха пылью и газами на интенсивности процесса фотосинтеза? (выслушиваются варианты ответов учеников)
2.Закрепление изученного материала.
Вопросы:
Что такое фотосинтез?
Что образуется в листьях при фотосинтезе?
Какие условия необходимы для фотосинтеза?
Какова космическая роль зеленых растений?
Тестовые задания
Фотосинтез происходит …
А) в устьицах;
Б) в межклетниках;
В) в хлоропластах,
2. В процессе фотосинтеза происходит …
А) поглощение кислорода и выделение углекислого газа
Б) поглощение углекислого газа и образование кислорода.
3. Крахмал, образующийся в листьях в процессе фотосинтеза, нужен растению для …
А) выделения его во внешнюю среду;
Б) снабжения им всех частей растения.
4. Хлорофилл в клетке находится …
А) в ядре;
Б) в пластидах;
В) в цитоплазме.
5. Крахмал, образующийся в листьях в процессе фотосинтеза, является …
А) запасным питательным веществом;
Б) побочным продуктом обмена.
Познавательные задачи:
1. Известно, что 50 м2 зеленого леса поглощает за 1 ч углекислого газа столько же, сколько его выделяет при дыхании за 1 ч один человек, т.е. 40 г. Сколько углекислого газа поглощает 1 га зеленого леса за 1 ч? Сколько человек смогут выдыхать этот углекислый газ за тот же час? (ответ: 8 кг углекислого газа. 200 человек)
2. Корневая масса небольшого дерева 5 кг. Один кг корневой массы потребляет в сутки 1 г кислорода. Какую массу кислорода потребляют корни дерева за месяц и год? (ответ: за 30 дней – 150 г; за 365 дней – 1825 г)
3. Какое растение осаждает больше пыли на поверхности листьев: вяз или тополь? Почему? (ответ: у вяза лист шероховатый, он будет в 6 раз больше осаждать пыль, чем гладкой поверхностью листа тополь)
4. Существует ли взаимосвязь между сбором листовых овощей (укроп, шпинат, салат, и т.д.) и временем суток? Почему? (ответ: вечером т.к. в это время накапливается максимум органических веществ, образованных днем в процессе фотосинтеза, а ночью происходит отток этих веществ в другие органы.)
5. Хозяйка на дачном участке оборвала зеленые листья капусты на корм кроликам. Правильно ли она поступила? Почему? (ответ: нет, неправильно. Органические вещества, образованные в зеленых листьях в процессе фотосинтеза, оттекают в белые листья кочана, где и накапливаются)
6. В сутки человек потребляет 430 г кислорода. Один гектар леса вырабатывает за час столько кислорода, сколько нужно для дыхания двухсот человек. Какую массу кислорода выделяет гектар леса за один час? (ответ: 3580 г)
7. В процессе фотосинтеза огурцы, выращиваемые в теплицах, поглощают 1 кг углекислого газа при образовании 7 кг плодов. Сколько кг углекислого гала потребуется, чтобы получить 300 кг огурцов? Как можно увеличить содержание углекислого газа в воздухе теплиц? (ответ: 42,85 кг; внесение в почву навоза, торфа обогащает надземный слой воздуха углекислым газом, который выделяется из почвы при разложении микроорганизмами органических веществ)
8. К.А. Тимирязев писал: «В сущности, что бы ни производил сельский хозяин, – он прежде всего производит хлорофилл и уже посредством хлорофилла получает зерно, волокно, древесину и т.д.». какие агротехнические приемы способствуют накоплению хлорофилла и усилению процессов фотосинтеза в мякоти листа? (ответ: внесение в почву органических удобрений, соблюдение правил при посадке растений, хорошая освещенность, соблюдение правил полива растений и т.п.)
Данные задачи можно предложить отдельным учащимся в качестве домашней работы.
Домашнее задание.
Сравнить процессы фотосинтеза и дыхания и ответить на вопросы:
В какое время суток происходит?
Какой газ поглощается?
Какой газ выделяется?
Поглощается или выделяется тепло?
В каких клетках происходит?
Увеличивается или уменьшается масса?
Образуется или разрушается органическое вещество?
Подумать: Во всех ли клетках листа образуются органические вещества? Привести доказательства своих выводов?
Составить рассказ об особенностях строения листа, связанных с осуществлением процесса фотосинтеза.
Придумать способы борьбы с загрязнением воздуха.
Выписать термины по теме «Фотосинтез» и дать им определение.
Зарисовать и объяснить результаты опытов Д. Пристли.
Занимательные факты.
История фотосинтеза.
Открытие фотосинтеза — многоступенчатый процесс. Первая фамилия, которую нужно упомянуть, швейцарский библиотекарь Сенебье. Жил он в Женеве и посвятил много лет постановке различных физических и химических опытов, Сенебье хорошо подготовился к изучению газообмена у растений и освоил для этого всю необходимую ему современную технику, результаты работ опубликовал в «Физико-химических заметках» «Физиологии растений», «Об искусстве наблюдать и ставить опыты» и «Исследованиях о влиянии солнечного света на превращение связанного воздуха в чистый».
Сенебье повторял и варьировал свои опыты в различных направлениях и пришел к заключению, что с увеличением содержания в воде углекислоты увеличивается и количество выделяемых листьями пузырьков «чистого воздуха», т е кислорода. Он показал далее, что пузырьки выходят не с поверхности листьев, а как бы из глубины зеленой мякоти. Стало ясно, что листья перерабатывают, превращают один газ в другой. Но в чем состоит превращение? Исследования Лавуазье открывали путь к разрешению этой загадки.
Из работ Лавуазье стало известно, что углекислый газ образуется при горении и тлении за счет соединения горючего вещества с кислородом воздуха. Отсюда легко сделать вывод, что при обратном процессе, когда углекислота деятельностью растения превращается опять в кислород, горючее начало должно оставаться и отлагаться в растении. Но это горючее вещество ведь и есть то самое вещество, из которого состоит растение, следовательно, процесс этот должен быть и процессом питания растения.
Сам Сенебье рассуждал таким образом: «Вещество растения должно происходить из окружающей его среды, но из какой части этой среды из земли, из воды или из воздуха? Что оно берется не из почвы, это доказывали еще классические опыты Ван Гельмонта, выяснившие полную возможность воспитания растения в воде. Что не из воды — это доказывалось ничтожностью того твердого вещества, которое растворено в воде, а также фактом о кактусах, которые вообще могут долго существовать без воды. Значит, остается только воздух и его углекислота. Так, становится понятной возможность существовать растительности на бесплодной каменистой почве. Также если одно растение вырастить в почве, а другое в воде, то по своему внутреннему составу они не будут отличаться друг от друга.
В дальнейшем последователь Сенебье, Теодор Соссюр, продолжил исследовать процесс с помощью специального прибора для измерения объема газа — эвдиометра. Он показал, что:
Поглощение растениями углекислоты из воздуха и ее разложение с выделением кислорода не только имеет место, но и сопровождается увеличением сухого веса растений.
Увеличение веса растений после опыта происходит благодаря отложению углерода, удерживаемого растением при разложении углекислоты воздуха.
Привес сухой массы растений всегда превышает привес углерода, из чего Соссюр сделал вывод, что отложение углерода в растении всегда сопровождается присоединением элементов воды в процессе образования органического вещества.
После Соссюра вопросом фотосинтеза, спустя 30 лет в 1840 году, занялся Жан-Батист Буссенго. Он поставил следующий опыт.
В большой стеклянный шар с тремя отверстиями через нижнее отверстие он положил молодой побег виноградной лозы с зелеными листьями. При помощи особого засасывающего прибора через стеклянный шар медленно прокачивался атмосферный воздух. Буссенго измерял, сколько было пропущено воздуха через шар в течение всего опыта.
Зная, сколько воздуха было пропущено через шар с растением и сколько этот воздух содержал углекислоты до входа в шар и после, исследователь легко определил, сколько углекислоты было поглощено и разложено растением.. Оказалось. Что при благоприятных условиях освещения из шара выходил воздух, почти лишенный углекислоты. Ничтожного содержания в атмосферном воздухе углекислоты вполне достаточно для питания растений.
В 1845 году Х.Моль подтвердил присутствие крахмала в зернах хлорофилла. А далее Сакс установил связь между исчезновением крахмала у растения в темноте и его появлением на свету. Дальнейшей задачей науки стало раскрытие сложной цепочки превращения простых неорганических веществ в сложные органические. Наиболее близко к ней подошли в 19в. Французские химики Пельтье и Каванту. Они впервые получили из растертых с песком листьев спиртовую вытяжку изумрудно-зеленого цвета с сильной кроваво-красной флюорисценсией. Они и назвали зеленый пигмент хлорофиллом.
Фотосинтез
6 класс Фотосинтез – это процесс образования органических веществ (крахмала) из неорганических (углекислого газа и воды) в зелёных листьях с использованием солнечного света. Фотосинтез – это процесс образования органических веществ (крахмала) из неорганических (углекислого газа и воды) в зелёных листьях с использованием солнечного света.
Фотосинтез
Используя энергию Солнца растения путем сложных химических превращений из простых неорганических веществ образуют необходимые им органические вещества. Этот процесс называется
фотосинтезом.
Фотосинтез- синтез органических соединений из неорганических, идущий с использованием энергии света в зеленых растениях
Воздушное питание
Где происходит фотосинтез
Фотосинтез происходит в клетках, содержащих зелёный пигмент – хлорофилл. Это вещество способно поглощать и трансформировать солнечную энергию. У растений хлорофилл содержится в специальных органеллах – хлоропластах.
? – расщепление воды до водорода и кислорода.
II – водород соединяется с углекислым газом и образуется сахар.
Опыт №1 доказывающий ,что органические вещества не образуются в зелёных растениях при отсутствии света.
Опыт №2. доказывающий, что органические вещества в зелёных листьях образуются на свету.
Возьмем двух мышек и накроем их колпаками, с одной мышкой поставим растение.
– Докажем, что растение на свету выделяет кислород.
Одна из мышек может погибнуть
Почему погибла мышка?
Мышь задыхается под герметичным колпаком, но остаётся жива, если под ним находится зелёное растение.
Опыт Джозефа Пристли
Мышь задыхается под герметичным колпаком, но остаётся жива, если под ним находится зелёное растение.
Значение фотосинтеза
Образуется органическое вещество.
Атмосфера обогащается кислородом.
Поглощается углекислый газ.
Фотосинтез идёт
Фотосинтез идёт
На свету круглый год
Из простых минеральных веществ.
Солнце свет свой прольёт,
Луч на лист упадёт,
Чтобы всем подарить кислород.
И никак не поймёт наш упрямый народ
Что он дышит, ест и живёт,
Потому что с утра, лишь приходит пора,
Сладкий сок производит листва. Человек должен быть мудрым и жить в добром содружестве с природой. Каждый может стать другом природе. Человек должен быть мудрым и жить в добром содружестве с природой. Каждый может стать другом природе.
Дайте ответ на вопрос:
Что такое фотосинтез?
Где в растениях образуются органические вещества?
Какие условия необходимы для образования крахмала в листьях?
Какой газ в процессе фотосинтеза поглощается зелёными растениями?
Какой газ растения выделяют в процессе фотосинтеза?
Какое значение имеет процесс фотосинтеза в природе и жизни человека?
Найдите биологическую ошибку
Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из неорганических в хлоропластах листа на свету. Для протекания фотосинтеза необходимы следующие условия: наличие кислорода и воды, зеленых листьев и солнечного света.
В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество – крахмал. Побочным продуктом фотосинтеза является углекислый газ и вода.
Используя схему, расскажите о процессе фотосинтеза
Значение и роль фотосинтеза
Основной источник энергии
Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под действием света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганического сырья. Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют ее для синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию, поедая растения или других животных, питающихся растениями. Итак, в конечном счете источником энергии для всех метаболических процессов на нашей планете, служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для поддержания всех форм жизни на Земле.
Мы пользуемся ископаемым топливом — углем, природным газом, нефтью и т. д. Все эти виды топлива — не что иное, как продукты разложения наземных и морских растений или животных, и запасенная в них энергия была миллионы лет назад получена из солнечного света. Ветер и дождь тоже обязаны своим возникновением солнечной энергии, а следовательно, энергия ветряных мельниц и гидроэлектростанций в конечном счете также обусловлена солнечным излучением.
Важнейший путь химических реакций при фотосинтезе — это превращение углекислоты и воды в углероды и кислород. Суммарную реакцию можно описать уравнением СО2+Н20? [СН20]+02
Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СО2 и Н20. Таким образом, за счет энергии Солнца энергетические вещества (СО2 и Н20) превращаются в богатые энергией продукты — углеводы и кислород. Энергетические уровни различных реакций, описанных суммарным уравнением, можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения потенциалов показывают, сколько энергии запасается или растрачивается в каждой реакции. Итак, фотосинтез можно рассматривать как процесс образования лучистой энергии Солнца в химическую энергию растительных тканей.
Содержание СО2 в атмосфере остается почти полным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и животные дышат. В процессе дыхания в митохондриях кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями, используется для окисления углеводов и других компонентов тканей с образованием в конечном счете двуокиси углерода и воды и с сопутствующим выделением энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в высокоэнергетические соединения — аденозинтрифосфат (АТФ), который и используется организмом для выполнения всех жизненных функций. Таким образом дыхание приводит к расходованию органических веществ и кислорода и увеличивает содержание СО2 на н планете. На процессы дыхания во всех живых организмах и на сжигание всех видов топлива, содержащих углерод, в совокупности расходуется в масштабах Земли в среднем около 10000 тонн 02 в секунду. При такой скорости.потребления весь кислород в атмосфере должен бы иссякнуть примерно, через 3000 лет. К счастью для нас, расход органических веществ и атомного кислорода уравновешивается созданием углеводов и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных условиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в тех же тканях, таким образом, фотосинтез служит важным фактором, регулирующим содержание 02 на Земле.
История открытия фотосинтеза
В начале XVII в. фламандский врач Ван Гельмонт вырастил в кадке с землей дерево, которое он поливал только дождевой водой. Он заметил, что спустя пять лет, дерево выросло до больших размеров, хотя количество земли в кадке практически не уменьшилось. Ван Гельмонт, естественно, сделал вывод, что материал, из которого образовалось дерево произошел из воды, использованной для полива. В 1777 английский ботаник Стивен Хейлс опубликовал книгу, в которой сообщалось, что в качестве питательного вещества, необходимого для роста, растения используют главным образом воздух. В тот же период знаменитый английский химик Джозеф Пристли (он был одним из первооткрывателей кислорода) провел серию опытов по горению и дыханию и пришел к выводу о том, что зелёные растения способны совершать все те дыхательные процессы, которые были обнаружены в тканях животных. Пристли сжигал свечу в замкнутом объеме воздуха, и обнаруживал, что получавшийся при этом воздух уже не может поддерживать горение. Мышь, помещенная в такой сосуд, умирала. Однако веточка мяты продолжала жить в воздухе неделями. В заключение Пристли обнаружил, что в воздухе, восстановленном веточкой мяты, вновь стала гореть свеча, могла дышать мышь. Теперь мы знаем, что свеча, сгорая, потребляла кислород из замкнутого объема воздуха, но затем воздух снова насыщался кислородом благодаря фотосинтезу, происходившему в оставленной веточке мяты. Спустя несколько лет голландский врач Ингенхауз обнаружил, что растения окисляют кислород лишь на солнечном свету и что только их зеленые части обеспечивают выделение кислорода. Жан Сенебье, занимавший пост министра, подтвердил данные Ингенхауза и продолжил исследование, показав, что в качестве питательного вещества растения используют двуокись углерода, растворенную в воде. В начале XIX века другой швейцарский исследователь де Соседи изучал количественные взаимосвязи между поглощенной растением углекислотой, с одной стороны, и синтезированными органическими веществами и кислородом — с другой. В результате своих опытов он пришел к выводу, что вода также потребляется растением при ассимиляции СО2. В 1817 г. два французских химика, Пельтье и Каванту, выделили из листьев зеленое вещество и назвали его хлорофиллом. Следующей важной вехой в истории изучения фотосинтеза было сделанное в 1845 г. немецким физиком Робертом Майером утверждение о том, что зеленые растения преобразуют энергию, солнечного света в химическую энергию. Представления о фотосинтезе, сложившиеся к середине прошлого века, можно выразить следующим соотношением:
Зеленое растение
СО2+ Н2 О + Свет? О2 + орг. вещества +химическая энергия
Отношение количества С02, поглощенного при фотосинтезе, к количеству выделенного 02, точно измерил французский физиолог растений Бусэнго. В 1864 г. он обнаружил, что фотосинтетическое отношение, т.е. отношение объема выделенного 02 к объему поглощенного С02, почти равно единице. В том же году немецкий ботаник Закс (открывший также у растений дыхание) продемонстрировал образование зерен крахмала при фотосинтезе. Закс помещал зеленые листья на несколько часов в темноту для того, чтобы они израсходовали накопленный в них крахмал. Затем он выносил листья на свет, но при этом освещал лишь половину каждого листа, оставляя другую половину листа в темноте. Спустя некоторое время весь лист целиком обрабатывали парами йода. В результате освещенная часть листа становилась темно-фиолетовой, что свидетельствовало об образовании комплекса крахмала с йодом, тогда как цвет другой половины листа не изменялся. Прямую связь между выделением кислорода и хлоропластами в зеленых листьях, а также соответствие спектра действия фотосинтеза спектру поглощеных хлоропластами установил в 1880 г. Энгельман. Он поместил нитевидную зеленую водоросль имеющую спирально извитые хлоропласты, на предметное стекло, освещая его узким и широким пучком белого света. Вместе с водорослью на предметное стекло наносилась суспензия клеток подвижных бактерий, чувствительных к концентрации кислорода. Предметное стекло помещали в камеру без воздуха и освещали. В этих условиях подвижные бактерии должны были перемещаться в ту часть, где концентрация 02 была выше. После прошествия некоторого времени образец рассматривали под микроскопом и подсчитывали распределение бактериопопуляции. Оказалось, что бактерии концентрировались вокруг зеленых полосок в нитевидной водоросли. В другой серии опытов Энгельман освещал водоросли лучами разного спектрального состава, установив призму между источником света и предметным столиком микроскопа. Наибольшее число бактерий в этом случае скапливалось вокруг тех участков водоросли, которые освещались синим и красным областями спектра. Находящиеся в водорослях хлорофиллы поглощали синий и красный свет. Поскольку к тому времени было уже известно, что для фотосинтеза необходимо поглощение света, Энгельман заключил, что хлорофиллы участвуют в синтезе в качестве пигментов, являющихся активными фоторецепторами. Уровень знаний о фотосинтезе в начале нашего века можно представить следующим образом.
СО2 + Н2О + Свет –О2 + Крахмал + Химическая энергия
Итак, к началу нашего века суммарная реакция фотосинтеза была уже известна. Однако биохимия находилась не на таком высоком уровне, чтобы полно раскрыть механизмы восстановления двуокиси углерода до углеводов. К сожалению, следует признать, что и теперь еще некоторые аспекты фотосинтеза изучены довольно плохо. Издавна делались попытки исследовать влияние интенсивности света, температуры, концентрации углекислоты и т… п. на общий выход фотосинтеза. И хотя в этих работах исследовались растения самых разных видов, большинство измерений было выполнено на одноклеточных зеленых водорослях и на одноклеточной жгутиковой водоросли Эвглена. Одноклеточные организмы удобнее для качественного исследования, поскольку их можно выращивать во всех лабораториях при вполне стандартных условиях. Они могут быть равномерно суспензированы, т. е. взвешены в водных буферных растворах, и нужный объем такой суспензии, или взвеси, можно брать такой дозировки, точно так же, как при работе с обычными растениями. Хлоропласты для опытов лучше всего выделять из листьев высших растений. Чаще всего используют шпинат, потому что его легко выращивать и свежие листья удобны для проведения исследований; иногда используются листья гороха и салата-латука.
Поскольку СО2 хорошо растворяется в воде, а О2 относительно нерастворим в воде, то при фотосинтезе в замкнутой системе давление газа в этой системе может изменяться. Поэтому влияние света на фотосинтетические системы часто исследуют с помощью респиратора Варбурга, позволяющего регистрировать пороговые изменения объема 02 в системе. Впервые респиратор Варбурга был использован применительно к фотосинтезу в 1920г. Для измерения потребления или выделения кислорода в ходе реакции удобнее пользоваться другим прибором — кислородным электродом. В основе этого устройства лежит использование полярографического метода. Кислородный электрод обладает достаточной чувствительностью для того, чтобы обнаружить в таких низких концентрациях как 0,01 ммоль в 1 л. Прибор состоит из катода достаточно тонкой платиновой проволоки, герметично впрессованной в пластину анода, представляющего собой кольцо из серебряной проволоки, погруженной в насыщенный раствор. Электроды отделены от смеси, в которой протекает реакция, мембраной, проницаемой для 02. Реакционная система находится в пластмассовом или стеклянном сосуде и постоянно перемешивается вращающимся стержневым магнитом. Когда к электродам приложено напряжение, платиновый электрод становится отрицательным по отношению к стандартному электроду, кислород в растворе электролитически восстанавливается. При напряжении от 0,5 до 0,8 В величина электрического тока линейно зависит от парциального давления кислорода в растворе. Обычно с кислородным электродом работают при напряжении около 0,6 В. Электрический ток измеряют, присоединив электрод к подходящей регистрирующей системе. Электрод вместе с реакционной смесью орошают потоком воды от термостата. С помощью кислородного электрода измеряют действие света и различных химических веществ на фотосинтез. Преимущество кислородного электрода перед аппаратом Варбурга состоит в том, что кислородный электрод позволяет быстро и непрерывно регистрировать изменения содержания О2 в системе. С другой стороны, в приборе Варбурга можно одновременно исследовать до 20 образцов с различными реакционными смесями, тогда как при работе с кислородным электродом образцы приходится анализировать поочередно.
Примерно до начала 1930-х годов многие исследователи в этой области полагали, что первичная реакция фотосинтеза заключается в расщеплении двуокиси углерода под действием света на углерод и кислород с последующим восстановлением углерода до углеводов с участием воды в ходе нескольких последовательных реакций. Точка зрения изменилась в 1930-х годах в результате двух важных открытий. Во-первых, были описаны разновидности бактерий, способных ассимилировать и синтезировать углеводы, не используя для этого энергию света. Затем, голландский микробиолог Ван Нил сравнил процессы фотосинтеза у бактерий и показал, что некоторые бактерии могут ассимилировать С02 на свету, не выделяя при этом кислорода. Такие бактерии способны к фотосинтезу лишь при наличии подходящего субстрата-донора водорода. Ван Нил предполагал, что фотосинтез зеленых растений и водорослей является частным случаем, когда кислород в фотосинтезе происходит из воды, а не из углекислоты.
Второе важное открытие сделал в 1937 г. Р. Хил в Кембриджском университете. С помощью дифференциального центрифугирования гомогената тканей листа он отделил фотосинтезирующие частицы (хлоропласты) от дыхательных частиц. Полученные Xиллом хлоропласты при освещении сами по себе не выделяли кислорода (возможно, из-за того, что они были повреждены при разделении). Однако они начинали выделять кислород на свету, если в суспензию вносили подходящие акцепторы электрона (окислители), например ферриоксалат калия или феррицианид калия. При выделении одной молекулы 02 фотохимически восстанавливались четыре эквивалента окислителя. Позднее было обнаружено, что многие хиноны и красители восстанавливаются хлоропластами на свету. Однако хлоропласты не могли восстановить СО2, природный акцептор электронов при фотосинтезе. Это явление, известное теперь как реакция Хилла, представляет собой индуцируемый светом перенос электронов от воды к нефизиологическим окислителям (реагентам Хилла) против градиента химического потенциала. Значение реакции Хилла состоит в том, что она продемонстрировала возможность разделения двух процессов — фотохимического выделения кислорода и восстановления углекислоты при фотосинтезе.
Разложение воды, приводящее к выделению свободного кислорода при фотосинтезе, было установлено Рубеном и Каменом, в Калифорнии в 1941 г. Они поместили фотосинтезирующие клетки в воду, обогащенную изотопом кислорода, имеющим массу 18 атомных единиц 180. Изотопный состав кислорода, выделенного клетками, соответствовал составу воды, но не С02. Кроме того, Камен и Рубен открыли радиоактивный изотоп 18О, который впоследствии успешно использовали Бассэт, Бенсон Вин, изучавшие путь превращения углекислоты при фотосинтезе. Кальвин и его сотрудник установили, что восстановление углекислоты до сахаров происходит в результате темновых ферментативных процессов, причем для восстановления одной молекулы углекислоты требуются две молекулы восстановленного АДФ и три молекулы АТФ. К тому времени роль АТФ и пиридиннуклеотидов в дыхании тканей была установлена. Возможность фотосинтетического восстановления АДФ до АТФ выделенными хлорофиллами была доказана в 1951 г. в трех разных лабораториях. В 1954 г. Арнон, Аллен продемонстрировали фотосинтез — они наблюдали ассимиляцию С02 и 02 выделенными хлоропластами шпината. В течение следующего десятилетия из хлоропластов удалось выделить белки, участвующие в переносе электронов в синтезе -ферредоксин, пластоцианин, ферроАТФ-редуктазу, цитохромы и т. д.
Таким образом, в здоровых зеленых листьях, под действием света образуются АДФ и АТФ и энергия гидросвязей используются для восстановления С02 до углеводов в присутствии ферментов, причем активность ферментов регулируется светом.
Лимитирующие факторы
Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в растении зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, скорость накопления продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых концентраций необходимых неорганических веществ. Внешние параметры — это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.
Скорость фотосинтеза возрастает линейно, или прямо пропорционально увеличению интенсивности света. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, прекращается, когда освещенность достигает определенного уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза. Область стабильной скорости фотосинтеза называется областью светонасыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для насыщения их фотосинтетической активности (энергия квантов, соответствующих крайним участкам видимого диапазона – фиолетового и красного, различается всего лишь в два раза, и все фотоны этого диапазона в принципе способны осуществить запуск фотосинтеза).
В случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15 и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при таких интенсивностях света, которые соответствуют области лимитирования света, подобно истинным фотохимическим реакциям, не чувствительны к температурам. Однако при более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия — это температура около 25°С.
В области лимитирования светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации СО2. Отсюда можно сделать вывод, что С02 участвует непосредственно в фотохимической реакции. В то же время при более высоких интенсивностях освещения, лежащих за пределами области лимитирования, фотосинтез существенно возрастает при увеличении концентрации СО2. У некоторых зерновых культур фотосинтез линейно возрастал при увеличении концентрации СО2 до 0,5%. (эти измерения проводили в кратковременных опытах, поскольку длительное воздействие высоких концентраций СО2 повреждает листы). Высоких значений скорость фотосинтеза достигает при содержании С02 около 0,1%. Средняя концентрация углекислоты в атмосфере составляет от 0,03%. Поэтому в обычных условиях растениям не хватает СО2 для того, чтобы с максимальной эффективностью использовать попадающий на них солнечный свет. Если помещенное в замкнутый объем растение освещать светом насыщающей интенсивности, то концентрация СО2 в объеме воздуха будет постепенно уменьшаться и достигнет постоянного уровня, известного под названием «С02 компенсационного пункта». В этой точке появление СО2 при фотосинтезе уравновешивается выделением О2 в результате дыхания (темнового и светового). У растений разных видов положения компенсационных пунктов различны.
–PAGE_BREAK–Световые и темновые реакции.
Еще в 1905 г. английский физиолог растений Ф. Ф. Блекмэн, интерпретируя форму кривой светового насыщения фотосинтеза, высказал предположение, что фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимическую, т.е. светочувствительную реакцию и нефотохимическую, т. е. темновую, реакцию. Темновая реакция, будучи ферментативной, протекает медленнее, чем световая реакция, и поэтому при высоких интенсивностях света скорость фотосинтеза полностью определяется скоростью темновой реакции. Световая реакция либо вообще не зависит от температуры, либо зависимость эта выражена очень слабо, тогда темновая реакция, как и все ферментативные процессы, зависит от температуры в довольно значительно и степени. Следует ясно представлять себе, что реакция, называемая темновой, может протекать как в темноте, так и на свету. Световую и темновую реакции можно разделить, используя вспышки света, длящиеся краткие доли секунды. Вспышки света длительностью меньше одной миллисекунды (10-3 с) можно получить либо с помощью механического приспособления, поставив на пути пучка постоянного света вращающийся диск со щелью, либо электрически, заряжая конденсатор и разряжая его через вакуумную или газоразрядную лампу. В качестве источников света пользуются также рубиновыми лазерами с длиной волны излучения 694 нм. В 1932 г. Эмерсон и Арнольд освещали суспензию клеток вспышками света от газоразрядной лампы с длительностью около 10-3с. Они измеряли скорость выделения кислорода в зависимости от энергии вспышек, длительности темнового промежутка между вспышками и температуры суспензии клеток. При увеличении интенсивности вспышек насыщение фотосинтеза в нормальных клетках наступало, когда выделялась одна молекула 02 на 2500 молекул хлорофилла. Эмерсон и Арнольд сделали вывод, что максимальный выход фотосинтеза определяется не числом молекул хлорофилла, поглощающих свет, а числом молекул фермента, катализирующего темновую реакцию. Они также обнаружили, что при увеличении темновых интервалов между последовательными вспышками за пределы 0,06 с выход кислорода в расчете на одну вспышку уже не зависел от длительности темнового интервала, тогда как при более коротких промежутках он возрастал с увеличением длительности темнового интервала (от 0 до 0,06 с). Таким образом, темновая реакция, которая определяет уровень насыщения фотосинтеза, завершается примерно за 0,06 с. На основе этих данных было рассчитано, что среднее время, характеризующее скорость реакции, составило около 0,02 с при 25°С.
Структурная и биохимическая организация аппарата фотосинтеза
Современные представления о структурной и функциональной организации фотосинтетического аппарата включают широкий круг вопросов, связанных с характеристикой химического состава пластид, спецификой их структурной организации, физиолого-генетическими закономерностями биогенеза этих органоидов и их взаимоотношениями с другими функциональными структурами клетки. У наземных растений специальным органом фотосинтетической деятельности служит лист, где локализованы специализированные структуры клетки — хлоропласты, содержащие пигменты и другие компоненты, необходимые для процессов поглощения и преобразования энергии света в химический потенциал. Кроме листа функционально активные хлоропласты присутствуют в стеблях растений, черешках, остях и чешуях колоса и даже в освещаемых корнях ряда растений. Однако именно лист был сформирован в ходе длительной эволюции как специальный орган для выполнения основной функции зеленого растения – фотосинтеза, поэтому анатомия листа, расположение хлорофиллсодержащих клеток и тканей, их соотношение с другими элементами морфемной структуры листа подчинены наиболее эффективному течению процесса фотосинтеза, и они в наибольшей степени подвергаются интенсивным изменениям в условиях экологического стресса.
В связи с этим проблему структурно — функциональной организации фотосинтетического аппарата целесообразно рассмотреть в двух основных уровнях — на уровне листа как органа фотосинтеза и хлоропластов, где целиком сосредоточен весь механизм фотосинтеза.
Организация фотосинтетического аппарата на уровне листа может быть рассмотрена на основе анализа его мезострктуры. Понятие «мезоструктура» было предложено в 1975 году. По представлениям о структурной и функциональной особенностях фотоситнетического аппарата с характеристикой химического состава, структурной организации, физиолого-генетическими особенностями биогенеза этих органоидов и их взаимоотношениями с другими функциональными структурами специальным органом фотосинтетического процесса является лист, где локализованы специализированные образования — хлоропласты, содержащие пигменты, необходимые для процессов поглощения и преобразования света в химический потенциал. Кроме того, активные хлоропласты присутствуют в стеблях, остях и чешуях колоса и даже в освещенных частях корней некоторых растений. Однако именно лист был сформирован всем ходом эволюции как специальный орган для выполнения основной функции зеленого растения — фотосинтеза.
Мезоструктура включает систему морфофизиологических характеристик фотосинтетического аппарата листа, хлоренхимы и клезофилла. Основные показатели мезоструктуры фотосинте-
тического аппарата (по А. Т. Мокроносову) включают: площадь, число клеток, хлорофилл, белок, объем клетки, количество хлоропластов в клетке, объем хлоропласта, площадь сечения хлоропласта и его поверхность. Анализ мезоструктуры и функциональной активности фотосинтетического аппарата у многих видов растений помогают определить наиболее часто встречающиеся значения исследуемых показателей и пределы варьирования отдельных характеристик. Согласно этим данным, основные показатели мезоструктуры фотосинтетического аппарата (Мокроносов, 19В1):
I — площадь листа;
II — число клеток на 1 см2,
III — хлорофилл на 1 дм2, ключевые ферменты на 1 дм2, объем клетки, тыс. мкм2, число хлоропластов в клетке;
IV — объем хлоропластов, площадь проекции хлоропласта, мкм2, поверхность хлоропласта, мкм2.
Среднее число хлоропластов у закончившего рост листа обычно достигает 10-30, у некоторых видов оно превышает 400. Это соответствует млн хлоропластов в расчете на 1 см2площади листа. Хлоропласты сосредоточены в клетках различных тканей в количестве 15 – 80 штук на клетку. Средний объем хлоропласта — один мкм2. У большинства растений суммарный объем всех хлоропластов составляет 10-20%, у древесных растений — до 35% объема клетки. Отношение общей поверхности хлоропластов к площади листа находится в пределах 3-8. В одном хлоропласте содержится разное количество молекул хлорофилла, у тенелюбивых видов их число возрастает. Приведенные выше показатели могут значительно варьировать в зависимости от физиологического состояния и экологических условий роста растений. По данным А. Т. Мокроносова, в молодом листе активизация фотосинтеза при удалении 50-80% листа обеспечивается увеличением числа хлоропластов в клетке без изменения их индивидуальной активности, в то время как в листе, окончившем рост, усиление фотосинтеза после дефолиации происходит за счет повышения активности каждого хлоропласта без изменения их числа. Анализ мезоструктуры показал, что адаптация к условиям освещения вызывает перестройку, которая оптимизирует светопоглошающие свойства листа.
Хлоропласты имеют наиболее высокую степень организации внутренних мембранных структур по сравнению с другими органоидами клетки. По степени упорядоченности структур хлоропласты можно сравнить только с рецепторными клетками сетчатки глаза, также выполняющими функцию преобразования световой энергии. Высокая степень организации внутренней структуры хлоропласта определяется рядом моментов:
1) необходимостью пространственного разделения восстановленных и окисленных фотопродуктов, возникающих в результате первичных актов разделения заряда в реакционном центре;
2) необходимостью строгой упорядоченности компонентов реакционного центра, где сопряжёны быстропротекающие фотофизиологические и более медленные энзиматические реакции: преобразование энергии фотовозбужденной молекулы пигмента требует ее определенной ориентации по отношению к химическому акцептору энергии, что предполагает наличие определенных структур, где пигмент и акцептор жестко ориентированы друг относительно друга;
3) пространственная организация электронно-транспортной цепи требует последовательной и строго ориентированной организации переносчиков в мембране, обеспечивающей возможность быстрого и регулируемого транспорта электронов и протонов;
4) для сопряжения транспорта электронов и синтеза АТФ требуется определенным образом организованная система хлоропластов.
Липопротеидные мембраны как структурная основа энергетических процессов возникают на самых ранних этапах эволюции, предполагают, что основные липидные компоненты мембран — фосфолипиды — образовались в определенных биологических условиях. Формирование липидных комплексов обусловило возможность включения в них различных соединений, что по-видимому, явилось основой первичных каталитических функций данных структур.
Проведенные в последние годы электронномикроскопические исследования обнаружили организованные мембранные структуры у организмов, стоящих на самой низкой ступени эволюции. У некоторых бактерий мембранные фотесинтезирующие структуры клеток тесно упакованных органелл расположены по периферии клетки и связаны с цитоплазматическими мембранами; кроме того, в клетках зеленых водорослей процесс фотосинтеза связан с системой двойных замкнутых мембран — тилакоидов, локализованных в периферической части клетки. У данной группы фотосинтетических организмов впервые появляется хлорофилл, а образование специализированных органелл – хлоропластов встречается у криптофитовых водорослей. В них находятся по два хлоропласта, содержащих от одного до нескольких тилакоидов. Сходное строение фотосинтетического аппарата имеет место и у других групп водорослей: красных, бурых, и др. В процессе эволюции мембранная структура фотосинтетического процесса усложняется.
Микроскопические исследования хлоропласта, техника криоскопии позволили сформулировать пространственную модель объемной организация хлоропластов. Наиболее известна гранулярно-решетчатая модель Дж. Хеслоп-Харрисона (1964).
Таким образом, фотосинтез – это сложный процесс преобразования световой энергии в энергию химических связей органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих фотосинтезирующих организмов, так и других организмов, не способных к самостоятельному синтезу органических веществ.
Изучение проблем фотосинтеза, помимо общебиологических, имеет и прикладное значение. В частности, проблемы питания, создания систем жизнеобеспечения при космических исследованиях, использования фотосинтезирующих организмов для создания различных биотехнических устройств непосредственно связаны с фотосинтезом.
Список литературы
1. Д.Халл, К.Рао «Фотосинтез». М.,1983
2. Мокроносов А.Г. «Фотосинтетическая реакция и целостность растительного организма». М.,1983
3. Мокроносов А.Г., Гавриленко В.Ф. «Фотосинтез: физиолого – экологические и биохимические аспекты» М.,1992
4. «Физиология фотосинтеза» под ред. Ничипоровича А.А., М.,1982
5. Вечер А.С. «Пластиды растнеий»
6. Виноградов А.П. «Изотопы кислорода и фотосинтез»
7. Годнев Т.Н. «Хлорофилл и его строение».
8. Гуринович Г.П., Севченко А.Н., Соловьев К.Н. «Спектроскопия хлорофилла»
9. Красновский А.А. «Преобразование энергии света при фотосинтезе»
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.ronl.ru/
Краткое объяснение фотосинтеза
В процессе фотосинтеза участвуют:
1) хлоропласты,
2) свет,
3) углекислый газ,
4) вода,
5) температура.
У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах – пластидах (полуавтономные органеллы) овальной формы, содержащих пигмент хлорофилл, благодаря зеленому цвету которого части растения также имеют зеленый цвет.
У водорослей хлорофилл содержится в хроматофорах (пигментсодержащие и светоотражающие клетки). У бурых и красных водорослей, обитающих на значительной глубине, куда плохо доходит солнечный свет, имеются другие пигменты.
Если посмотреть на пищевую пирамиду всех живых существ, фотосинтезирующие организмы находятся в самом ее низу, в составе автотроф (организмов, синтезирующих органические вещества из неорганических). Поэтому они являются источником пищи для всего живого на планете.
При фотосинтезе кислород выделяется в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из него образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, благодаря чему жизнь смогла выйти из моря на сушу.
Кислород необходим для дыхания растений и животных. При окислении глюкозы с участием кислорода в митохондриях запасается почти в 20 раз больше энергии, чем без него. Это делает использование пищи гораздо более эффективным, что привело к высокому уровню обмена веществ у птиц и млекопитающих.
Более подробное описание процесса фотосинтеза растений
Ход фотосинтеза:
Процесс фотосинтеза начинается с попадания света на хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зеленый пигмент. Под действием света хлоропласты начинают потреблять воду из почвы, расщепляя ее на водород и кислород.
Часть кислорода выделяется в атмосферу, другая часть идет на окислительные процессы в растении.
Содержащийся в пиреноидах (белковых гранулах, окруженных крахмалом) углекислый газ смешивается с водородом, образуя молекулы сахара. В результате этой реакции также выделяется кислород.
Сахар соединяется с поступающими из почвы азотом, серой и фосфором, таким путем зеленые растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.
Лучше всего фотосинтез идет под воздействием солнечного света, однако некоторые растения могут довольствоваться и искусственным освещением.
Сложное описание механизмов фотосинтеза для продвинутого читателя
До 60-ых годов 20 века ученым был известен только один механизм фиксации углекислого газа – по С3-пентозофосфатному пути. Однако недавно группа австралийских ученых смогла доказать, что у некоторых растений восстановление углекислого газа происходит по циклу C4-дикарбоновых кислот.
У растений с реакцией С3 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях умеренной температуры и освещенности, в основном, в лесах и в темных местах. К таким растениям относятся почти все культурные растения и большая часть овощей. Они составляют основу рациона человека.
У растений с реакцией С4 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях высоких температура и освещенности. К таким растениям относятся, например, кукуруза, сорго и сахарный тростник, которые произрастают в теплом и тропическом климате.
Сам метаболизм растений был обнаружен совсем недавно, когда удалось выяснить, что у некоторых растений, имеющих специальные ткани для запаса воды, углекислый газ накапливается в форме органических кислот и фиксируется в углеводах лишь спустя сутки. Такой механизм помогает растениям экономить запасы воды.
Как происходит процесс фотосинтеза
Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях или плодах. Особенно большое их количество в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, получить намного больше энергии для процесса фотосинтеза.
После поглощения хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно, тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза.
Эти органические вещества используют сами растения для питания разных его частей, а также для поддержания нормальной жизнедеятельности. Кроме того, эти вещества также получают и животные, питаясь растениями. Люди тоже получают эти вещества, употребляя в пищу продукты животного и растительного происхождения.
Условия для фотосинтеза
Фотосинтез может происходить как под действием искусственного света, так и солнечного. Как правило, на природе растения интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда необходимого солнечного света много. Осенью света меньше, день укорачивается, листья сначала желтеют, а потом опадают. Но стоит появиться весеннему теплому солнцу, как зеленая листва вновь появляется и зеленые «фабрики» снова возобновят свою работу, чтобы давать кислород, такой необходимый для жизни, а также множество других питательных веществ.
Альтернативное определение фотосинтеза
Фотоси?нтез (от др.-греч. фот— свет и синтез — соединение, складывание, связывание, синтез) — процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Фазы фотосинтеза
Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внури хлоропластов на особых маленьких органах – тилакодиах. В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода. Возникает вопрос, что это за непонятные загадочные вещества: АТФ и НАДН?
АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой. Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме. Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ – углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа.
Cветовая фаза фотосинтеза
В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного. Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II – P680, а в фотосистеме I – P700. Они поглощают свет именно такой длины волны(680 и 700 нм).
По схеме более понятно, как все выглядит и происходит во время световой фазы фотосинтеза.
На рисунке мы видим две фотосистемы с хлорофиллами Р680 и Р700. Также на рисунке показаны переносчики, по которым происходит транспорт электронов.
Итак: обе молекулы хлорофилла двух фотосистем поглощают квант света и возбуждаются. Электрон е- (на рисунке красный) у них переходит на более высокий энергетический уровень.
Возбужденные электроны обладает очень высокой энергией, они отрываются и поступают в особую цепь переносчиков, которая находится в мембранах тилакоидов – внутренних структур хлоропластов. По рисунку видно, что из фотосистемы II от хлорофилла Р680 электрон переходит к пластохинону, а из фотосистемы I от хлорофилла Р700 – к ферредоксину. В самих молекулах хлорофилла на месте электронов после их отрыва образуются синие дырки с положительным зарядом. Что делать?
Чтобы восполнить недостачу электрона молекула хлорофилла Р680 фотосистемы II принимает электроны от воды, при этом образуются ионы водорода. Кроме того, именно за счет распада воды образуется выделяющийся в атмосферу кислород. А молекула хлорофилла Р700, как видно из рисунка, восполняет недостачу электронов через систему переносчиков от фотосистемы II.
В общем, как бы ни было сложно, именно так протекает световая фаза фотосинтеза, ее главная суть заключается в переносе электронов. Также по рисунку можно заметить, что параллельно транспорту электронов происходит перемещение ионов водорода Н+ через мембрану, и они накапливаются внутри тилакоида. Так как их там становится очень много, они перемещаются наружу с помощью особого сопрягающего фактора, который на рисунке оранжевого цвета, изображен справа и похож на гриб.
В завершении мы видим конечный этап транспорта электрона, результатом которого является образование вышеупомянутого соединения НАДН. А за счет переноса ионов Н+ синтезируется энергетическая валюта – АТФ (на рисунке видно справа).
Итак, световая фаза фотосинтеза завершена, в атмосферу выделился кислород, образовались АТФ и НАДН. А что же дальше? Где обещанная органика? А дальше наступает темновая стадия, которая заключается, главным образом, в химических процессах.
Темновая фаза фотосинтеза
Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.
В ходе световой фазы у большинства растений СО2 связывается с пятиуглеродным органическим соединением (которое представляет собой цепочку из пяти молекул углерода), в результате чего образуются две молекулы трехуглеродного соединения (3-фосфоглицериновая кислота). Т.к. первичным результатом являются именно эти трехуглеродные соединения, растения с таким типом фотосинтеза получили название С3-растений.
Дальнейший синтез в хлоропластах происходит довольно сложно. В его конечном итоге образуется шестиуглеродное соединение, из которого в дальнейшем могут синтезироваться глюкоза, сахароза или крахмал. В виде этих органических веществ растение накапливает энергию. При этом в листе остается только небольшая их часть, которая используется для его нужд, в то время как остальные углеводы путешествуют по всему растению, поступая туда, где больше всего нужна энергия – например, в точки роста.
Цели и задачи урока:
1. Образовательная цель: Раскрыть сущность
процесса фотосинтеза и его значения для жизни на
Земле
Задачи:
Познакомиться с историей открытия фотосинтеза.
Изучить результаты экспериментов по выявлению
условий, необходимых для процесса фотосинтеза.
Составить общее уравнение фотосинтеза.
Выявить приспособления растений к фотосинтезу.
2. Развивающая цель: развивать логическое
мышление, навыки самостоятельной работы, умение
делать выводы из анализа результатов
эксперимента и предъявлять результаты своей
деятельности.
Задачи:
развивать умение выделять главное и
устанавливать причинно-следственные связи;
развивать умение использовать ранее
приобретенные знания для получения новых знаний;
развивать навыки самостоятельной работы с
новым материалом, умение делать выводы и
обобщения;
развивать умение работать в группе, предъявлять
результаты своей деятельности, умение слушать и
слышать своего товарища.
развивать навыки устной монологической речи.
3. Воспитательная цель: Воспитывать бережное
отношение к зеленым растениям, исходя из знаний
об их роли в жизни человека и всех живых
организмов на Земле.
Тип урока: изучение нового
материала с элементами лабораторной работы.
Методы обучения: репродуктивные
(вступительные слова учителя),
частично-поисковые (самостоятельная работа в
группах с познавательными материалами),
проблемный метод (при решении проблемных
заданий).
Формы работы: вступительное слово
учителя, групповая работа по решению
познавательных заданий, выступления
представителей групп с результатами своей
познавательной деятельности, заполнение
таблицы, общее обсуждение проблемных заданий,
проверка усвоения новых знаний с помощью теста.
Оборудование: карточки с
познавательными материалами и заданиями,
раствор йода, предварительно обесцвеченные в
спиртовом растворе листья герани окаймленной,
кинофрагмент “Фотосинтез”, таблица “Клеточное
строение листа”, тестовый раздаточный материал.
План урока
История изучения питания растений.
Результаты экспериментов по выявлению условий,
необходимых для фотосинтеза.
Приспособления растений к фотосинтезу.
Значение фотосинтеза в природе и жизни
человека.
I. Организационный момент.
Знакомство учеников с темой, целью
урока, формами работы.
Ученикам предлагаются проблемные
вопросы урока:
Как растения получают органическое
вещество для питания?
Какие органы растения участвуют в этом
процессе?
Каково значение фотосинтеза в природе
и жизни человека?
Учитель поясняет, что для ответа на эти
вопросы учащимся нужно будет заполнить таблицу (записана
на доске). Каждая группа получит карточку с
заданиями, которые позволят ей разобраться в
одном из пунктов плана и заполнить две строки
таблицы. После выступления представителя от
каждой группы и заполнения таблицы ребята смогут
ответить на первый вопрос урока. Затем учащимся
будут предложены задания для ответа на второй и
третий вопрос урока, после чего каждый получит
возможность проверить полученные на уроке
знания, выполнив небольшой тест.
II. Изучение нового материала.
Изучение нового материала происходит
в форме групповой работы. После вступительного
слова учителя класс разбивается на 3 группы,
каждая из которых получает карточку с материалом
для анализа и вопросами.
Задание каждой группе: выполнив
задания, указанные в карточке, рассказать о своих
выводах классу. Время на работу с карточкой – 5-10
минут. Затем выступления представителей групп.
Перед выступлением представителей
групп учитель рассказывает предысторию вопроса.
Уже в Древней Греции ученые пытались
ответить на вопрос: как питаются растения? Они
видели, что человек и животные существуют за счет
потребляемой пищи. Но какую пищу поглощает
растение и как оно это делает?
Было совершенно ясно, что растение не
может жить без почвы. Поэтому сначала
предполагали, что именно из почвы растение
получает все необходимое. Богатая фантазия
помогала представить на кончиках корней
маленькие ротики, которые поедают почвенные
частицы.
В XVII веке голландский врач Ян Баптист
ван Гельмонт доказал, что почва для растения не
самое главное.
Выступление групп
Во время выступления представителей
групп остальные ребята заполняют таблицу в
тетради.
Урок по теме «Фотосинтез» 6 класс.
Цель урока: Сформировать представление о процессе «фотосинтез».
Задачи:
1.Выявить особенности протекания фотосинтеза, как одного из наиболее важных процессов в жизни растений.
2. Способствовать формированию общих представлений о значении данного процесса в жизни живых организмов.
3. Способствовать формированию бережного отношения к ресурсам Земли.
Тип урока: изучение нового материала.
Методы: проблемный, частично-поисковый, личностно-деятельностый, развивающий.
Оборудование для проведения эксперимента: Вытяжка спиртовая пигментов клеток листа растения (традесканция), раствор щелочи, бензин, пробирки, штатив для пробирок, пипетка, пробка резиновая для пробирок.
Оборудование для проведения лабораторной работы « Пластиды» (для группы с репродуктивным типом мышления): Микроскоп, готовый микропрепарат «Хлоропласты в клетках листа элодеи».
Оборудование для проведения лабораторной работы «Пластиды» (для группы с продуктивным типом мышления»): Микроскоп, мякоть томата или арбуза, набор препаровальных инструментов, салфетки, предметное стекло, чашка Петри, вода.
Предварительная подготовка к уроку: за неделю до урока группа учащихся по инструктивным карточкам закладывает два опыта: 1.«проба Сакса» 2. выделение кислорода процессе фотосинтеза. Ученики, осуществляющие лабораторные исследования во время урока, проходят инструктаж по технике безопасности.
Планируемые результаты обучения:
Ученик должен знать:
– что фотосинтез – воздушное питание;
– что способность к фотосинтезу – важнейшее свойство зеленых растений;
– условия необходимые для протекания фотосинтеза;
– что в результате фотосинтеза в растениях образуются органические вещества;
– что атмосферный кислород – побочный продукт фотосинтеза.
Ход урока.
1. Изучение нового материала.
Учитель в начале урока знакомит учащихся с историческим фактом (создание проблемной ситуации): Более четырехсот лет назад бельгийский естествоиспытатель Ян Ван – Гельмонт поставил опыт – поместил в горшок 80 килограмм земли и посадил в него ветку ивы, предварительно взвесив ее. Растущему в горшке растению в течении пяти лет не давали ни какого питания, а только поливали дождевой водой, не содержащей минеральных солей. Взвесив иву, через пять лет, ученый обнаружил, что ее вес увеличился на 65 килограмм, а вес земли в горшке уменьшился всего на 50 граммов. Откуда растение добыло 64 кг 950 гр питательных веществ для Ван – Гельмонта осталось загадкой.
Учитель предлагает ученикам ответить на вопрос, на который в свое время не смог ответить известный ученый. (выслушиваются варианты ответов учеников)
В ходе обсуждения определяем, что листья растений – это своеобразные лаборатории, в которых на свету образуются органические вещества. Этот процесс является едва ли не самым замечательным биологическим явлением, происходящем на нашей планете. Благодаря нему существует все живое на Земле. Сегодня на уроке нам предстоит раскрыть механизмы этого биологического процесса. Как вы догадались, речь пойдет о фотосинтезе.
Учитель: Ребята, а что вы знаете об этом процессе? (выслушиваются варианты ответов учеников. Фотосинтез – процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды при участии энергии солнечного света. ( от греч. «фото» – свет, «синтез» – образование)
Почему наши растения, в большинстве случаев, зеленые? – это цвет химического вещества хлорофилла (от греч. «хлорос» – зеленый, «филос»- лист), который находится в пластидах клетки в хлоропластах. Это вещество играет в фотосинтезе главную роль. Процесс фотосинтеза многоступенчатый. Он запускается, когда на молекулу хлорофилла попадает частица света (фотон). В процессе фотосинтеза выделяют две фазы. Световая фаза идет только на свету и более длительная, темновая, в свете не нуждается. В световой фазе выделяется кислород, образуется энергия, в темновой фазе синтезируется углевод (глюкоза)
История открытия фотосинтеза.
1600г. Бельгийский естествоиспытатель Ян Ван – Гельмонт
Поставил первый физиологический эксперимент, связанный с изучением питания растений.
1771г. Английский химик Джозеф Пристли
Проделал опыт: посадил мышь под стеклянный колпак, и через пять часов животное погибло. При введении же под колпак веточки мяты, мышь осталась живой. Ученый пришел к выводу, что зеленые растения способны осуществлять реакции противоположные дыхательным процессам.
1779г. Голландский врач Ян Ингенхауз
В ходе эксперимента обнаружил, что растения способны выделять кислород лишь в присутствии солнечного света, и что только их зеленые части способны обеспечивать выделение кислорода.
1782г. Швейцарский ученый Жан Сенебье
Экспериментально доказал, что органические вещества в растениях образуются из углекислого газа, который под влиянием солнечного света разлагается в зеленых органоидах растений.
1804г. Французский физиолог растений Жак Буссенго
В ходе лабораторных работ пришел к выводу, что вода так же потребляется растениями при синтезе органических веществ.
1864г. Немецкий ботаник Юлиус Сакс
Доказал, что соотношение объемов поглощаемого углекислого газа и выделяемого кислорода равно 1:1. продемонстрировал образование зерен крахмала при фотосинтезе.
Демонстрация результатов опыта «Роль света для образования крахмала»
В качестве доказательства существования процесса фотосинтеза группа учащихся рассказывают, о том какой опыт они заложили и выдвигают гипотезы, каковы будут результаты эксперимента. Затем один ученик под руководством учителя демонстрируется опыт, подтверждающий образование крахмала в листьях на свету. (К уроку закладывался опыт – «проба Сакса» – отчет первой группы). Другой ученик комментирует и фиксирует промежуточные и итоговые результаты опыта.
Для опыта используются растения – примула, герань или традесканция. Одно растение обильно поливают и для оттока крахмала помещают в темное место на двое суток. Другое растение оставляют на свету. Затем первое растение извлекают из шкафа, и на его листья прикрепляют фигурки, вырезанные из плотной черной бумаги. Оба растения выдерживают на свету в течении трех, четырех дней, осуществляя полив. Затем с каждого растения срезают по листу, выдерживают их две, три минуты в кипящей воде и помещают в стакан с горячим спиртом для получения вытяжки хлорофилла. Обесцвеченные листья обрабатывают раствором йода. На листе растения, которое побывало в шкафу, проявится конфигурация фигурки, которая была прикреплена к нему. Лист, который был всегда на свету, равномерно окрасится в синий цвет.
Учитель задает вопрос классу: Какое вещество при обработке раствором йода окрасится в синий цвет?
Учащиеся отвечают: крахмал при взаимодействии с йодом дает синий окрас.
При обсуждении результатов опыта учащиеся приходят к выводу, что в листьях на свету образуется крахмал, а в темноте крахмал не образуется.
Учитель ставит перед учениками проблему: Как доказать, что в процессе фотосинтеза выделяется кислород? (учащиеся выдвигают гипотезы)
Одна из них: кислород – это газ, который поддерживает горение, а углекислый газ образуется при горении. Ребята вспоминают, что растения – это живые существа, обладающие свойствами живого, одним из которых является процесс дыхания, в ходе которого они потребляют кислород, и выделяют углекислый газ. Ребята приходят к выводу, что необходимо создать условия для двух растений, одно из которых на свету будет осуществлять процессы фотосинтеза и дыхания, а другое в темноте будет только дышать.
Демонстрация результатов опыта, демонстрирующего условия необходимые для протекания фотосинтеза.
Учитель просит вторую группу учащихся рассказать, о том какой опыт они заложили, и продемонстрировать его результаты.
Для опыта берут две банки из светлого стекла. В каждую помещают по 2-3 веточки растения, чтобы растения не завяли, в банки налить немного воды. Сечи, укрепленные на проволоке, зажигают и опускают в банки, закрыв их пробками. Свечи гаснут, что указывает на отсутствие кислорода и наличие углекислого газа, образующегося при горении. Свечи вынимают. Банки с растениями закрывают крышками, одну ставят в темное место, а другую – на свет. На следующий день банки открывают и опять опускают зажженные свечи. В банке, стоящей на свету, свеча горит, а в банке, находившейся в темноте, – гаснет.
Растения ежегодно образуют более 100 млрд. тонн органических веществ, выделяют в атмосферу около 145 млрд. тонн кислорода. 80% кислорода выделяется морскими водорослями и только 20% – наземными растениями. Поэтому мировой океан иногда называют «легкими планеты». Затраты кислорода на дыхание человека, животных, и растений компенсируются фотосинтезом. Содержание кислорода в атмосфере поддерживается в пределах 21%.
Учитель задает ученикам вопрос: Как можно увеличить интенсивность фотосинтеза? (учащиеся выдвигают гипотезы)
Учащиеся предлагают, что если улучшить условия необходимые для фотосинтеза, то скорость его протекания увеличится.
Учитель: Где и как можно создать такие условия?
Ученики: В теплицах и парниках человек создает определенные условия – освещенность, температурный режим, минеральное питание растений, концентрация углекислого газа. Все эти условия увеличивают скорость фотосинтеза.
Учитель: Для чего человек создает такие условия?
Ученики: Для более быстрого роста и развития растений, образования плодов и семян.
Фотосинтез- это процесс образование органического вещества.
причина
Необходимость растений в питательных веществах.
Повод
Наличие в листьях воды и углекислого газа, поглощение солнечного света.
Сопутствующие события
Образование и выделение кислорода.
Аналоги и сравнения
«Живая фабрика в листьях»
Последствия
Рост и развитие растений, накопление органического вещества.
Фотосинтез идет на свету круглый год.
И он людям дает пищу и кислород.
Очень важный процесс – фотосинтез, друзья,
Без него на Земле обойтись нам нельзя.
Фрукты, овощи, хлеб, уголь, сено, дрова –
Фотосинтез всему этому голова.
Воздух чист будет, свеж, как легко им дышать!
И озоновый слой будет нас защищать.
Учитель: А как сказывается загрязненность воздуха пылью и газами на интенсивности процесса фотосинтеза? (выслушиваются варианты ответов учеников)
2.Закрепление изученного материала.
Вопросы:
Что такое фотосинтез?
Что образуется в листьях при фотосинтезе?
Какие условия необходимы для фотосинтеза?
Какова космическая роль зеленых растений?
Тестовые задания
Фотосинтез происходит …
А) в устьицах;
Б) в межклетниках;
В) в хлоропластах,
2. В процессе фотосинтеза происходит …
А) поглощение кислорода и выделение углекислого газа
Б) поглощение углекислого газа и образование кислорода.
3. Крахмал, образующийся в листьях в процессе фотосинтеза, нужен растению для …
А) выделения его во внешнюю среду;
Б) снабжения им всех частей растения.
4. Хлорофилл в клетке находится …
А) в ядре;
Б) в пластидах;
В) в цитоплазме.
5. Крахмал, образующийся в листьях в процессе фотосинтеза, является …
А) запасным питательным веществом;
Б) побочным продуктом обмена.
Познавательные задачи:
1. Известно, что 50 м2 зеленого леса поглощает за 1 ч углекислого газа столько же, сколько его выделяет при дыхании за 1 ч один человек, т.е. 40 г. Сколько углекислого газа поглощает 1 га зеленого леса за 1 ч? Сколько человек смогут выдыхать этот углекислый газ за тот же час? (ответ: 8 кг углекислого газа. 200 человек)
2. Корневая масса небольшого дерева 5 кг. Один кг корневой массы потребляет в сутки 1 г кислорода. Какую массу кислорода потребляют корни дерева за месяц и год? (ответ: за 30 дней – 150 г; за 365 дней – 1825 г)
3. Какое растение осаждает больше пыли на поверхности листьев: вяз или тополь? Почему? (ответ: у вяза лист шероховатый, он будет в 6 раз больше осаждать пыль, чем гладкой поверхностью листа тополь)
4. Существует ли взаимосвязь между сбором листовых овощей (укроп, шпинат, салат, и т.д.) и временем суток? Почему? (ответ: вечером т.к. в это время накапливается максимум органических веществ, образованных днем в процессе фотосинтеза, а ночью происходит отток этих веществ в другие органы.)
5. Хозяйка на дачном участке оборвала зеленые листья капусты на корм кроликам. Правильно ли она поступила? Почему? (ответ: нет, неправильно. Органические вещества, образованные в зеленых листьях в процессе фотосинтеза, оттекают в белые листья кочана, где и накапливаются)
6. В сутки человек потребляет 430 г кислорода. Один гектар леса вырабатывает за час столько кислорода, сколько нужно для дыхания двухсот человек. Какую массу кислорода выделяет гектар леса за один час? (ответ: 3580 г)
7. В процессе фотосинтеза огурцы, выращиваемые в теплицах, поглощают 1 кг углекислого газа при образовании 7 кг плодов. Сколько кг углекислого гала потребуется, чтобы получить 300 кг огурцов? Как можно увеличить содержание углекислого газа в воздухе теплиц? (ответ: 42,85 кг; внесение в почву навоза, торфа обогащает надземный слой воздуха углекислым газом, который выделяется из почвы при разложении микроорганизмами органических веществ)
8. К.А. Тимирязев писал: «В сущности, что бы ни производил сельский хозяин, – он прежде всего производит хлорофилл и уже посредством хлорофилла получает зерно, волокно, древесину и т.д.». какие агротехнические приемы способствуют накоплению хлорофилла и усилению процессов фотосинтеза в мякоти листа? (ответ: внесение в почву органических удобрений, соблюдение правил при посадке растений, хорошая освещенность, соблюдение правил полива растений и т.п.)
Данные задачи можно предложить отдельным учащимся в качестве домашней работы.
Домашнее задание.
Сравнить процессы фотосинтеза и дыхания и ответить на вопросы:
В какое время суток происходит?
Какой газ поглощается?
Какой газ выделяется?
Поглощается или выделяется тепло?
В каких клетках происходит?
Увеличивается или уменьшается масса?
Образуется или разрушается органическое вещество?
Подумать: Во всех ли клетках листа образуются органические вещества? Привести доказательства своих выводов?
Составить рассказ об особенностях строения листа, связанных с осуществлением процесса фотосинтеза.
Придумать способы борьбы с загрязнением воздуха.
Выписать термины по теме «Фотосинтез» и дать им определение.
Зарисовать и объяснить результаты опытов Д. Пристли.
Занимательные факты.
История фотосинтеза.
Открытие фотосинтеза — многоступенчатый процесс. Первая фамилия, которую нужно упомянуть, швейцарский библиотекарь Сенебье. Жил он в Женеве и посвятил много лет постановке различных физических и химических опытов, Сенебье хорошо подготовился к изучению газообмена у растений и освоил для этого всю необходимую ему современную технику, результаты работ опубликовал в «Физико-химических заметках» «Физиологии растений», «Об искусстве наблюдать и ставить опыты» и «Исследованиях о влиянии солнечного света на превращение связанного воздуха в чистый».
Сенебье повторял и варьировал свои опыты в различных направлениях и пришел к заключению, что с увеличением содержания в воде углекислоты увеличивается и количество выделяемых листьями пузырьков «чистого воздуха», т е кислорода. Он показал далее, что пузырьки выходят не с поверхности листьев, а как бы из глубины зеленой мякоти. Стало ясно, что листья перерабатывают, превращают один газ в другой. Но в чем состоит превращение? Исследования Лавуазье открывали путь к разрешению этой загадки.
Из работ Лавуазье стало известно, что углекислый газ образуется при горении и тлении за счет соединения горючего вещества с кислородом воздуха. Отсюда легко сделать вывод, что при обратном процессе, когда углекислота деятельностью растения превращается опять в кислород, горючее начало должно оставаться и отлагаться в растении. Но это горючее вещество ведь и есть то самое вещество, из которого состоит растение, следовательно, процесс этот должен быть и процессом питания растения.
Сам Сенебье рассуждал таким образом: «Вещество растения должно происходить из окружающей его среды, но из какой части этой среды из земли, из воды или из воздуха? Что оно берется не из почвы, это доказывали еще классические опыты Ван Гельмонта, выяснившие полную возможность воспитания растения в воде. Что не из воды — это доказывалось ничтожностью того твердого вещества, которое растворено в воде, а также фактом о кактусах, которые вообще могут долго существовать без воды. Значит, остается только воздух и его углекислота. Так, становится понятной возможность существовать растительности на бесплодной каменистой почве. Также если одно растение вырастить в почве, а другое в воде, то по своему внутреннему составу они не будут отличаться друг от друга.
В дальнейшем последователь Сенебье, Теодор Соссюр, продолжил исследовать процесс с помощью специального прибора для измерения объема газа — эвдиометра. Он показал, что:
Поглощение растениями углекислоты из воздуха и ее разложение с выделением кислорода не только имеет место, но и сопровождается увеличением сухого веса растений.
Увеличение веса растений после опыта происходит благодаря отложению углерода, удерживаемого растением при разложении углекислоты воздуха.
Привес сухой массы растений всегда превышает привес углерода, из чего Соссюр сделал вывод, что отложение углерода в растении всегда сопровождается присоединением элементов воды в процессе образования органического вещества.
После Соссюра вопросом фотосинтеза, спустя 30 лет в 1840 году, занялся Жан-Батист Буссенго. Он поставил следующий опыт.
В большой стеклянный шар с тремя отверстиями через нижнее отверстие он положил молодой побег виноградной лозы с зелеными листьями. При помощи особого засасывающего прибора через стеклянный шар медленно прокачивался атмосферный воздух. Буссенго измерял, сколько было пропущено воздуха через шар в течение всего опыта.
Зная, сколько воздуха было пропущено через шар с растением и сколько этот воздух содержал углекислоты до входа в шар и после, исследователь легко определил, сколько углекислоты было поглощено и разложено растением.. Оказалось. Что при благоприятных условиях освещения из шара выходил воздух, почти лишенный углекислоты. Ничтожного содержания в атмосферном воздухе углекислоты вполне достаточно для питания растений.
В 1845 году Х.Моль подтвердил присутствие крахмала в зернах хлорофилла. А далее Сакс установил связь между исчезновением крахмала у растения в темноте и его появлением на свету. Дальнейшей задачей науки стало раскрытие сложной цепочки превращения простых неорганических веществ в сложные органические. Наиболее близко к ней подошли в 19в. Французские химики Пельтье и Каванту. Они впервые получили из растертых с песком листьев спиртовую вытяжку изумрудно-зеленого цвета с сильной кроваво-красной флюорисценсией. Они и назвали зеленый пигмент хлорофиллом.
Фотосинтез
6 класс
Фотосинтез – это процесс образования органических веществ (крахмала) из неорганических (углекислого газа и воды) в зелёных листьях с использованием солнечного света.
Фотосинтез – это процесс образования органических веществ (крахмала) из неорганических (углекислого газа и воды) в зелёных листьях с использованием солнечного света.
Фотосинтез
Используя энергию Солнца растения путем сложных химических превращений из простых неорганических веществ образуют необходимые им органические вещества. Этот процесс называется
фотосинтезом.
Фотосинтез- синтез органических соединений из неорганических, идущий с использованием энергии света в зеленых растениях
Воздушное питание
Где происходит фотосинтез
Фотосинтез происходит в клетках, содержащих зелёный пигмент – хлорофилл. Это вещество способно поглощать и трансформировать солнечную энергию. У растений хлорофилл содержится в специальных органеллах – хлоропластах.
? – расщепление воды до водорода и кислорода.
II – водород соединяется с углекислым газом и образуется сахар.
Опыт №1 доказывающий ,что органические вещества не образуются в зелёных растениях при отсутствии света.
Опыт №2. доказывающий, что органические вещества в зелёных листьях образуются на свету.
Возьмем двух мышек и накроем их колпаками, с одной мышкой поставим растение.
– Докажем, что растение на свету выделяет кислород.
Одна из мышек может погибнуть
Почему погибла мышка?
Мышь задыхается под герметичным колпаком, но остаётся жива, если под ним находится зелёное растение.
Опыт Джозефа Пристли
Мышь задыхается под герметичным колпаком, но остаётся жива, если под ним находится зелёное растение.
Значение фотосинтеза
Образуется органическое вещество.
Атмосфера обогащается кислородом.
Поглощается углекислый газ.
Фотосинтез идёт
Фотосинтез идёт
На свету круглый год
Из простых минеральных веществ.
Солнце свет свой прольёт,
Луч на лист упадёт,
Чтобы всем подарить кислород.
И никак не поймёт наш упрямый народ
Что он дышит, ест и живёт,
Потому что с утра, лишь приходит пора,
Сладкий сок производит листва.
Человек должен быть мудрым и жить в добром содружестве с природой. Каждый может стать другом природе.
Человек должен быть мудрым и жить в добром содружестве с природой. Каждый может стать другом природе.
Дайте ответ на вопрос:
Что такое фотосинтез?
Где в растениях образуются органические вещества?
Какие условия необходимы для образования крахмала в листьях?
Какой газ в процессе фотосинтеза поглощается зелёными растениями?
Какой газ растения выделяют в процессе фотосинтеза?
Какое значение имеет процесс фотосинтеза в природе и жизни человека?
Найдите биологическую ошибку
Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из неорганических в хлоропластах листа на свету. Для протекания фотосинтеза необходимы следующие условия: наличие кислорода и воды, зеленых листьев и солнечного света.
В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество – крахмал. Побочным продуктом фотосинтеза является углекислый газ и вода.
Используя схему, расскажите о процессе фотосинтеза