Исследовательская работа, выполненая с использованием цифровой лаборатории "Архимед". В данной работе изучается зависимость интенсивности фотосинтеза от различных факторов среды.
Вложение | Размер |
---|---|
![]() | 1.16 МБ |
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 456
КОЛПИНСКОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ СРЕДЫ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА
ВЫПОЛНИЛА УЧЕНИЦА 10 КЛАССА
ГОУ СОШ № 456 КОЛПИНСКОГО РАЙОНА
КОКАШУЕВА АЛИНА
РУКОВОДИТЕЛЬ ЕРМАЧЕНКОВА ТАТЬЯНА ИВАНОВНА
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2010г
СОДЕРЖАНИЕ
Вступление ……………………………………………………………..с. 3
История изучения фотосинтеза………………………………………..с.6
Современные представления о фотосинтезе………………………….с.8
Значение фотосинтеза в природе………………………………………с.9
Устройство фотосинтетического аппарата……………………………с.10
Превращения световой энергии……………………………………….с.12
Факторы, влияющие на скорость фотосинтеза……………………….с.16
Влияние освещенности………………………………………………...с.17
Влияние концентрации углекислого газа …………………………….с.19
Влияние массы растения……………………………………………….с.21
Выводы …………………………………………………………………с.22
Литература………………………………………………………………с.23
Среди пастырей наилучший тот,
О чьем существовании паства едва догадывается.
Не столь хорош тот, кому она внемлет восторгом.
Хуже всех пастырь, которого презирают.
Люди не уважают того, кто не уважает людей.
Мудрый же пастырь, добившись своей цели,
Не славит свои труды,
И паства скажет: «Мы сделали это сами».
Древнекитайский философ Лао-цзы.
Как сделать процесс обучения интересным? Как учить школьников не только потреблять знания, а научить добывать их?
Самые ценные знания не те, что получены в готовом виде, усвоены путем выучивания, а те, что добыты самостоятельно, в ходе собственного творческого исследовательского поиска.
Для того чтобы учение было интересным, обучение должно быть «проблемным», т.е. должно содержать элементы исследовательского поиска. Организовать его нужно по законам проведения научных исследований. Тогда обучение уже не репродуктивное, а основано на творчестве, тогда в нем есть все то, что способно увлечь, заинтересовать, пробудить желание познания.
СОВРЕМЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Современный учитель должен не только сам владеть информационными технологиями, но и дать возможность своим ученикам проявить себя и раскрыть свои таланты на разных уровнях.
В своей работе учителя я использую разнообразные образовательные технологии. Исследовательская деятельность учащихся под руководством учителя, проектная методика – это те составляющие, которые я широко использую в своей деятельности.
Проектная деятельность как одна из форм учебной деятельности способна, по мнению современных отечественных и зарубежных дидактов, сделать учебный процесс для школьника личностно значимым. В этом процессе он сможет полностью раскрыть свой творческий потенциал, проявить свои исследовательские способности, фантазию, активность, самостоятельность.
Работа над проектами нравится учащимся. Возрастает активность ребят не только в урочной, но и во внеурочной деятельности. Эта деятельность оказывает влияние на интеллектуальное развитие детей, расширяет кругозор, помогает обрести уверенность в своих знаниях.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Использование современных технологий в обучении – это требование времени. Одна из форм проектной работы – это исследовательская деятельность учащихся под руководством учителя. Учитель является координатором работы. Исследовательская деятельность предполагает углубленное изучение проблемы, основанное на личностно-ориентированном подходе. Исследовательская деятельность учащихся подразумевает не только творческий процесс поиска ребенком реализации своих возможностей, но и более углубленное изучение различных аспектов учебного материала.
Исследовательская деятельность требует от учащегося умения анализировать, искать материал, отбирать важное, соответствующее тематике, делать выводы. Эта работа требует усидчивости, сосредоточенности. Учащиеся должны уметь работать не только с книгой, но и с электронной литературой, имеющимся лабораторным оборудованием.
Задача учителя – помочь ученику выбрать тему, интересную для него, сформулировать основные цели исследования, отсеять ненужную, хотя, может быть, и интересную информацию.
С этой целью проводится исследовательская работа в системе урочной и внеурочной деятельности, задачей которой является предоставление ученику возможности развития интеллекта в самостоятельной творческой деятельности с учетом индивидуальных особенностей и способностей. Участие в исследовательской работе дает учащемуся возможность осознать свою значимость, свою принадлежность к большой науке, знакомит с методами научной и творческой работы, развивает познавательный интерес, дает возможность принимать участие в научных экспериментах и исследованиях.
В работе была сделана попытка экспериментально, используя цифровую лабораторию «Архимед» показать влияние различных факторов на интенсивность фотосинтеза.
Работа проводилась во внеурочное время, но результаты исследований были представлены на уроках биологии в 9 и 10 классах при изучении темы «Фотосинтез»
ЦЕЛИ ИЗАДАЧИ
Изучить влияние факторов среды на интенсивность фотосинтеза.
- изучить соответствующую литературу, углубить знания о механизме фотосинтеза;
- экспериментальным путем установить влияние освещенности, концентрации углекислого газа и массы растения на интенсивность фотосинтеза.
ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ФОТОСИНТЕЗА
В течение тысячелетий люди считали, что питается растение исключительно благодаря корням, поглощая с их помощью все необходимые вещества из почвы.
Немногим более трехсот лет назад в одном из первых тщательно продуманных биологических экспериментов голландский врач Ян Ван Гельмонт представил доказательства того, что не только почва кормит растение. Ван Гельмонт выращивал маленькое дерево ивы в глиняном горшке с почвой, добавляя в него только воду. Через пять лет он высушил землю, взвесил ее и растение. Масса ивы увеличилась на 74,4 кг, в то время, как масса почвы уменьшилась только на 57 г.
В конце XVIII века английский ученый Джозеф Пристли сообщил, что он «случайно обнаружил метод исправления воздуха, который был испорчен горением свечей»Пристли 17 августа 1771 г. «…поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, в котором горела восковая свеча», а 21 числа того же месяца обнаружил, что «… другая свеча снова могла гореть в этом же сосуде». «исправляющим началом, которым для этих целей пользуется природа, - полагал Пристли, - было растение». Он расширил свои наблюдения и скоро показал, что воздух, «исправляемый» растением, не был «совсем не подходящим для мыши».
Опыты Пристли впервые позволили объяснить почему воздух на Земле остается «чистым» и может поддерживать жизнь, несмотря на горение бесчисленных огней и дыхание множества живых организмов. Он говорил: «Благодаря этим открытиям мы уверены, что растения произрастают не напрасно, а очищают и облагораживают нашу атмосферу».
Позднее голландский врач Ян Ингенхауз подтвердил работу Пристли и показал, что воздух «исправляется» только на солнечном свету и только зелеными частями растения. В 1796 году Ингенхауз предположил, что углекислота разлагается при фотосинтезе на С и О2, а О2 выделяется в виде газа. В последствие было обнаружено, что соотношение атомов углерода, водорода и кислорода в сахарах и крахмале таково, что один атом углерода приходится на одну молекулу воды, на что и указывает слово «углеводы». Считалось общепринятым, что углеводы образуются из С и Н2 О, а О2 выделяется из углекислоты. Эта вполне разумная гипотеза была широко признана, но, как позднее выяснилось, она была совершенно неверной.
исследователем, который опроверг эту общепринятую теорию, был Корнелиус Ванн Ниль, который исследовал метаболизм различных фотосинтезирующих бактерий. Одна группа таких бактерий, а именно пурпурные серные бактерии, восстанавливает С до углеводов, но не выделяет О2. Пурпурным серным бактериям для фотосинтеза необходим сероводород. В результате фотосинтеза внутри бактериальных клеток накапливаются частицы серы. Ванн Ниль обнаружил, что для этих бактерий уравнение фотосинтеза может быть записано так:
СО2 + 2Н2S СВЕТ (СН2О) + Н2О + 2S
Этот факт не привлекал внимания исследователей до тех пор, пока Ван Ниль не сделал смелого сообщения и не предложил следующего суммарного уравнения фотосинтеза:
СО2 + 2Н2А СВЕТ (СН2О) + Н2О + 2А
В этом уравнении Н2А представляет собой либо воду, либо другое окисляемое вещество, например, сероводород или свободный Н2. У зеленых растений и водорослей Н2А = Н2О. то есть Ван Ниль предположил, что вода, а не углекислота разлагается при фотосинтезе. Эта блестящая идея, выдвинутая в тридцатые годы, экспериментально была доказана позднее, когда исследователи, используя тяжелый изотоп кислорода 18О, проследили путь кислорода от воды до газообразного состояния:
СО2 + 2Н218О СВЕТ (СН2О) + Н2О + 18О2
Таким образом, для водорослей или зеленых растений, у которых вода служит донором электронов, суммарное уравнение фотосинтеза записывается следующим образом:
6СО2 + 12Н2О СВЕТ С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О
Лист осуществляет три важных процесса – фотосинтез, испарение воды и газообмен. В процессе фотосинтеза в листьях из воды и двуокиси углерода под действием солнечных лучей синтезируются органические вещества. Днем в результате фотосинтеза и дыхания, растение выделяет кислород и двуокись углерода, а ночью – только двуокись углерода, образующегося при дыхании. Большинство растений способны синтезировать хлорофилл при слабом освещении. При прямом солнечном освещении хлорофилл синтезируется быстрее. Необходимая для фотосинтеза световая энергия в известных пределах поглощается тем больше, чем меньше затенен лист. Поэтому у растений в процессе эволюции выработалась способность поворачивать пластину листа к свету так, чтобы на нее падало больше солнечных лучей. Листья на растении располагаются так, чтобы не притеснять и не затенять друг друга.
Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служат преимущественно красные лучи спектра. На это указывает спектр поглощения хлорофилла, где наиболее интенсивная полоса поглощения света наблюдается в красной части спектра, и менее интенсивное – в сине-фиолетовой части.
В хлоропластах вместе с хлорофиллом имеются пигменты каротин и ксантофилл. Оба эти пигмента поглощают синие и, отчасти, зеленые лучи и пропускают красные и желтые. Некоторые ученые приписывают каротину и ксантофиллу роль экранов, защищающих хлорофилл от разрушительного действия синих лучей.
Процесс фотосинтеза слагается из целого ряда последовательных реакций, часть которых протекает с поглощением световой энергии, а часть – в темноте. Устойчивыми окончательными продуктами фотосинтеза являются углеводы (сахара, а затем крахмал), органические кислоты, аминокислоты, белки.
Фотосинтез при различных условиях протекает с разной интенсивностью. Интенсивность фотосинтеза также зависит от фазы развития растения. Максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается в фазе цветения.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ФОТОСИНТЕЗЕ
В настоящее время известно, что фотосинтез проходит в две стадии, но только одна из них на свету. Доказательства двух стадийности процесса впервые были получены в 1905 году английским физиологом растений Ф.Ф. Блэклином, который исследовал влияние освещенности, и температуры на объем фотосинтеза.
На основании экспериментов Блэклин сделал следующие выводы.
1. Имеется одна группа светозависимых реакций, которые не зависят от температуры. Объем этих реакций в диапазоне низких освещенностей мог возрастать с увеличением освещенности, но не с увеличение температуры.
2. Имеется вторая группа реакций, зависимых от температуры, а не от света. Оказалось, что обе группы реакций необходимы для осуществления фотосинтеза. Увеличение объема только одной группы реакций увеличивает объем всего процесса, но только до того момент, пока вторая группа реакций не начнет удерживать первую. После этого необходимо ускорить вторую группу реакций, чтобы первые могли проходить без ограничений.
Таким образом, было показано, что обе стадии свтозависимы: «световая и темновая». Важно помнить, что темновые реакции нормально проходят на свету и нуждаются в продуктах световой стадии. Выражение «темновые реакции» просто означает, что свет как таковой в них не участвует.
Объем темновых реакций возрастает с увеличением температуры, но только до 300С, а затем начинает падать. На основании этого факта предположили, что темновые реакции катализируются ферментами, поскольку обмен ферментативных реакций, таким образом, зависит от температуры. В последствие оказалось. Что данный вывод был сделан неправильно.
На первой стадии фотосинтеза (световые реакции) энергия света используется для образования АТФ и высокоэнергетических переносчиков электронов. На второй стадии фотосинтеза (темновые реакции) энергетические продукты, образовавшиеся в световых реакциях, используются для восстановления СО2 до простого сахара (глюкозы).
Процесс фотосинтеза все больше и больше привлекает к себе внимание ученых. Наука близка к разрешению важнейшего вопроса – искусственного создания при помощи световой энергии ценных органических веществ из широко распространенных неорганических веществ. над проблемой фотосинтеза усилено работают ботаники, физики, химики и другие специалисты.
ЗНАЧЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА В ПРИРОДЕ
Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасенная в продуктах фотосинтеза энергия – основной источник энергии для человечества.
Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется около 200 млн. тонн свободного кислорода
Круговорот кислорода, углерода и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации СО2, предотвращая перегрев Земли вследствие так называемого «парникового эффекта».
Поскольку зеленые растения представляют собой непосредственную или опосредованную базу питания всех других гетеротрофных организмов, фотосинтез удовлетворяет потребность в пище всего живого на нашей планете. Он – важнейшая основа сельского и лесного хозяйства. Хотя возможности воздействия на него еще не велики, но все же и они, в какой-то мере используются. При повышении концентрации углекислого газа в воздухе до 0,1 % (против 0,03 % в естественной атмосфере) удалось, например, повысить урожайность огурцов и томатов втрое.
Квадратный метр поверхности листьев в течение одного часа продуцирует около одного грамма сахара, это значит, что все растения, по приблизительной оценке, изымают из атмосферы от 100 до 200 млрд. тонн С в год. Около 60 % этого количества поглощают леса, занимающие 30 % непокрытой льдами поверхности суши, 32 % - окультуренные земли, а оставшиеся 8 % - растения степей и пустынных мест, а также городов и поселков.
Зеленое растение способно не только использовать углекислый газ и создавать сахар, но и превращать азотные соединения, и соединения серы в вещества , слагающие его тело. Через корневую систему растение получает растворенные в почвенной воде нитрат-ионы и перерабатывает их в своих клетках в аминокислоты – основные компоненты всех белковых соединений. Компоненты жиров также возникают из соединений, образующихся в процессах обмена веществ и энергии. Из жирных кислот и глицерина возникают жиры и масла, которые служат для растения, главным образом, запасными веществами. В семенах приблизительно 80 % всех растений, в качестве богатого энергией запасного питательного вещества содержатся жиры. Получение семян, жиров и масел играет важную роль в сельскохозяйственной и пищевой промышленности.
УСТРОЙСТВО ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
Световая энергия поглощается пигментами (так называют вещества, поглощающие видимый свет). У всех растений , осуществляющих фотосинтез, имеются различные формы зеленого пигмента хлорофилла, и, вероятно, во всех содержатся каротиноиды, окрашенные обычно в желтые тона. В высших растениях содержатся хлорофилл а (С55Н72О5N4Mg) и хлорофилл b (C55H70O6N4Mg), а так же четыре основных каротиноида: β-каротин (С40Н56), лютеин (С40Н55О2), виолаксантин и неоксантин. Такое разнообразие пигментов обеспечивает широкий спектр поглощения видимого света, поскольку каждый из них «настроен» на свою область спектра. У некоторых водорослей набор пигментов приблизительно тот же, однако у многих из них имеются пигменты, несколько отличающиеся от перечисленных по своей химической природе. Все эти пигменты, как и весь фотосинтетический аппарат зеленой клетки, заключены в особые органеллы, окруженные мембраной, т.н. хлоропласты. Зеленая окраска листьев зависит только от хлоропластов, остальные элементы клеток зеленых пигментов не содержат. Размеры и форма хлоропластов сильно варьируют.
Типичный хлоропласт напоминает по форме слегка изогнутый огурец размерами около 1мкм в поперечнике и длиной около 4 мкм. В крупных клетках зеленых растений, таких, как клетки листа у большинства наземных видов, содержится много хлоропластов. А у мелких одноклеточных водорослей имеется только один хлоропласт, занимающий большую часть клетки.
Познакомиться с очень сложным строением хлоропластов позволяет электронный микроскоп. С помощью электронного микроскопа в хлоропластах выявлены очень тонкие мембранные структуры, так называемые, тилакоиды. Это плоские мешочки, сомкнутые по краям и собранные в стопки, называемые гранами. На снимках граны похожи на стопки очень тонких блинов.
Рис.
Внутри мешочков имеется пространство – полость тилакоидов, а сами тилакоиды, собранные в граны, погружены в гелеобразную массу растворимых белков, заполняющую внутреннее пространство хлоропласта и называемую стромой. В строме содержатся также более мелкие и тонкие тилакоиды, которые соединяют друг с другом отдельные граны. Все тилакоидные мембраны состоят примерно из равного количества белков и липидов. Независимо от того, собраны они в граны или нет, именно в них сосредоточены пигменты и протекает световая стадия. Темновая стадия протекает, как принято считать, в строме.
Фотосистемы. Хлорофилл и каротиноиды, погруженные в тилакоидные мембраны хлоропластов, собраны в функциональные единицы – фотосистемы, каждая из которых содержит примерно 250 молекул пигментов. Устройство фотосистемы таково, что из всех этих молекул, способных поглощать свет, только одна особым образом расположенная молекула хлорофилла а (рис.) может использовать его энергию в фотохимических реакциях – она является реакционным центром фотосистемы.
Рис.
Остальные молекулы пигментов, поглощая свет, передают его энергию на реакционный центр; эти светособирающие молекулы называют антенными.
Существует два типа фотосистем. В фотосистеме I специфическая молекула хлорофилла а, составляющая реакционный центр, имеет оптимум поглощения при длине световой волны 700 нм (обозначается Р700; Р – пигмент), а в фотосистеме II – при 680 нм (Р680). Обычно обе фотосистемы работают синхронно и (на свету) непрерывно, хотя фотосистема I может работать и отдельно
ПРЕВРАЩЕНИЯ СВЕТОВОЙ ЭНЕРГИИ
Световая фаза фотосинтеза. Рассмотрение этого вопроса следует начать с фотосистемы II, где энергия света утилизируется реакционным центром Р680. Когда в эту фотосистему поступает свет, его энергии возбуждает молекулу Р680, и пара возбужденных , высокоэнергетических электронов, принадлежащих этой молекуле, отрывается и переносится на молекулу акцептора (вероятно, хинона), обозначаемого буквой Q. Ситуацию можно представить себе таким образом, что электроны как бы подскакивают от полученного светового «толчка» и акцептор ловит их в каком-то верхнем положении. Если бы не акцептор, электроны вернулись бы в исходное положение (на реакционный центр), а высвобождающаяся при движении вниз энергия переходила бы в световую, т.е. тратилась бы на флуоресценцию. С этой точки зрения, акцептор электронов можно рассматривать как гаситель флуоресценции (отсюда его обозначение Q, от англ. quench – гасить).
Молекула Р680, потеряв два электрона, окислилась, и для того, чтобы процесс на этом не прекратился, она должна восстановиться, т.е. получить два электрона из какого-либо источника. Таким источником служит вода: она расщепляется на 2Н+ и ½ О2, отдавая два электрона на окисленный Р680. Это светозависимое расщепление воды называется фотолизом.
Ферменты, осуществляющие фотолиз, находятся на внутренней стороне мембраны тилакоидов, вследствие чего все ионы водорода накапливаются в полости тилакоидов. Важнейшим кофактором ферментов фотолиза служат атомы марганца.
Переход двух электронов от реакционного центра фотосистемы на акцептор – это подъем «в гору», т.е. на более высокий энергетический уровень, и этот подъем обеспечивает энергия света. Далее в фотосистеме II пара электронов начинает поэтапный «спуск» от акцептора Q к
фотосистеме I. Спуск происходит по электронно-транспортной цепи, очень сходной по организации с аналогичной цепью в митохондриях. В ее состав входят цитохромы, белки, содержащие железо и серу, медьсодержащий белок и другие компоненты. Постепенный спуск электронов от более энергизованного состояния к менее энергизованному сопряжен с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата. В результате энергия света не утрачивается, а запасается в фосфатных связях АТФ, которые могут быть использованы в процессах метаболизма. Образование АТФ в ходе фотосинтеза называют фотофосфорилированием.
Одновременно идет поглощение света в фотосистеме I. Здесь его энергия тоже используется на отрыв двух электронов от реакционного центра (Р700) и передачу их на акцептор – железосодержащий белок. От этого акцептора через промежуточный переносчик (тоже белок, содержащий железо) оба электрона идут на НАДФ+, который в результате становится способным присоединить ионы водорода (образовавшиеся в результате фотолиза воды и сохранившиеся в тилакоидах) – и превращается в НАДФ.Н. Окислившийся в начале процесса реакционный центр Р700 принимает два («спустившихся») электрона из фотосистемы II, что возвращает его в исходное состояние.
Суммарную реакцию световой стадии, протекающей при фотоактивации фотосистем I и II, можно представить следующим образом:
Н2О + НАДФ+ АДФ + Ф АТФ ½О2 + НАДФ.Н + Н+
Общий энергетический выход потока электронов при этом составляет 1 молекулу АТФ и 1 молекулу НАДФН на 2 электрона. Путем сравнения энергии этих соединений с энергией света, обеспечивающего их синтез, было вычислено, что в процессе фотосинтеза запасается примерно 1/3 энергии поглощенного света.
Темновые реакции (стадия синтеза). Синтез органических соединений путем восстановления СО2 тоже происходит в хлоропластах. АТФ и НАДФ.Н, поставляемые световой реакцией, протекающей в тилакоидных мембранах, служат для реакций синтеза источником энергии и электронов.
Восстановление СО2 есть результат переноса электронов на СО2. В ходе этого переноса некоторые из связей С-О заменяются на связи С-Н, С-С и О-Н. Процесс состоит из ряда этапов, часть которых (15 или более) образует цикл. Этот цикл был открыт в 1953 году химиком М.Кальвином и его сотрудниками. Использовав в своих опытах вместо обычного (стабильного) изотопа углерода его радиоактивный изотоп, эти исследования смогли проследить путь углерода в изучаемых реакциях. В 1961 году Кальвин был удостоен за эту работу Нобелевской премией по химии.
В цикле Кальвина участвуют соединения с числом атомов углерода в молекулах от трех до семи. Все компоненты цикла, за исключением одного, представляют собой сахарофосфаты, т.е. сахара, у которых одна или две ОН-группы заменены на фосфатную группу (-ОРО3Н-). Исключение составляет 3-фосоглицериновая кислота (ФГК; 3-фосфоглицерат), представляющая собой фосфат сахарной кислоты.
Образующаяся в световой фазе АТФ, реагирует с рибулозомонофосфатом (содержит С5), превращая его в рибулозодифосфат. Вторая фосфатная группа придает рибулозодифосфату дополнительную энергию, поскольку несет в себе часть энергии, запасенной в молекуле АТФ. Поэтому тенденция реагировать с другими соединениями и образовывать новые связи, выражена у рибулозодифосфата сильнее. Именно этот С5-сахар присоединяет СО2 с образованием шестиуглеродного соединения. Последнее очень неустойчиво и под действием воды распадается на два фрагмента – две молекулы ФГК. Если иметь в виду только изменение числа атомов углерода в молекулах сахаров, то этот основной этап цикла, в котором происходитфиксация (ассимиляция) СО2, можно представить следующим образом:
СО2 Н2О
С5 С6 С3 С3
Фермент, катализирующий фиксацию СО2 (специфическая карбоксилаза), присутствует в хлоропластах в очень больших количествах (свыше 16% от общего содержания в них белка). Учитывая огромную массу зеленых растений, он, вероятно, является самым распространенным белком в биосфере. Следующий этап состоит в том, что две молекулы ФГК, образовавшиеся в реакции карбоксилирования, восстанавливаются каждая за счет одной молекулы НАДФ.Н до трехуглеродного сахарофосфата (триозофосфата). Это восстановление происходит в результате переноса двух электронов на углерод карбоксильной группы ФГК. Однако и в данном случае необходим АТФ, чтобы снабдить молекулу дополнительной химической энергией и повысить ее реакционную способность. Задачу эту выполняет ферментативная система, которая переносит концевую фосфатную группу АТФ на один из атомов кислорода карбоксильной группы
(образуется группа О = С- ОРО3Н-), т.е. ФГК превращается в дифосфоглицериновую кислоту.
Как только НАДФ.Н передает углероду карбоксильной группы этого соединения один атом водорода плюс электрон (что равноценно двум электронам плюс ион водорода Н+), одинарная связь С – О разрывается и связанный с фосфором кислород переходит в неорганический фосфат НРО42-, а карбоксильная группа О = С – О- превращается в альдегидную О = С – Н. последняя характерна для определенного класса сахаров. В итоге ФГК при участии АТФ и НАДФ.Н восстанавливается до сахарофосфата (триозофосфата).
Весь процесс может быть представлен следующими уравнениями:
1) Рибулозомонофосфат + АТФ Рибулозодифосфат + АДФ
2) Рибулозодифосфат + СО2 Нестойкое С6 – соединение
3) Нестойкое С6 – соединение + Н2О 2ФГК
4) ФГК + АТФ + НАДФ.Н АДФ + НРО42- + Триозо фосфат (С3)
Конечным результатом реакций 1 – 4 оказывается образование из рибулозомонофосфата и СО2 двух молекул триозофосфата (С3) с затратой двух молекул НАДФ.Н и трех молекул АТФ. Именно в этой серии реакций представлен весь вклад световой стадии – в форме АТФ и НАДФ.Н – в в цикл восстановления углерода. Разумеется, световая стадия должна дополнительно поставлять эти кофакторы для восстановления нитрата и сульфата и для превращения ФГК и триозофосфата, образуемых в цикле, в другие органические вещества – углеводы, белки и жиры.
Значение последующих этапов цикла сводится к тому, что они приводят к регенерации пятиуглеродного соединения, рибулозомонофосфата, необходимого для возобновления цикла. Эту часть цикла можно записать в следующем виде:
С3 + С3 С6
С6 + С3 С4 + С5
С4 + С3 С7
С7 + С3 С5 + С5
Что дает в сумме 5С3 3С5. Три молекулы рибулозомонофосфата, образовавшиеся из пяти молекул триозофосфата, превращаются – после присоединения СО2 (карбоксилирования) и восстановления – в шесть молекул триозофосфата.
Таким образом, в результате одного оборота цикла одна молекула диоксида углерода включается в состав трехуглеродного органического соединения; три оборота цикла суммарно дают новую молекулу последнего, а для синтеза молекулы шестиуглеродного сахара (глюкозы или фруктозы) необходимы две трехуглеродные молекулы и соответственно шесть оборотов цикла. прирост органического вещества цикл отдает реакциям, в которых образуются различные сахара, жирные кислоты и аминокислоты, т.е. «строительные блоки» крахмала, жиров и белков.
Тот факт, что прямыми продуктами фотосинтеза являются не только углеводы, но также аминокислоты, а возможно и жирные кислоты, тоже был установлен с помощью изотопной метки – радиоактивного изотопа углерода. Хлоропласт – это не просто частица, приспособленная для синтеза крахмала исахаров. Это весьма сложная, прекрасно организованная «фабрика», способная не только производить все материалы, из которых построена она сама, но и снабжать восстановленными соединениями углерода те части клетки и те органы растения, которые сами фотосинтеза не ведут.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СКОРОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА
Организмы, использующие световую энергию, называются фотосинтезирующими, или фототрофными (photos –свет; trophe – питание). Фототрофы содержат пигменты, в том числе некоторые формы хлорофилла, способные поглощать световую энергию и превращать ее в химическую. Они используют неорганические источники углерода, а именно диоксид углерода (СО2) для синтеза собственных органических веществ. Этот процесс называется фотосинтез.
Влияние данных факторов попробуем установить экспериментально.
Влияние интенсивности света на интенсивность фотосинтеза
Оборудование
Ход эксперимента
1. Налить в две колбы по 200 мл 0,5%-ного раствора бикарбоната натрия. В одну из них поместить 20 г элодеи канадской.
2. Колбы закрыть резиновыми пробками с отверстием, в которое вставлена стеклянная трубка с присоединенной к ней силиконовой трубкой.
3. К силиконовым трубкам присоединить датчики давления.
4. Датчики давления подсоединить к регистратору NOVA 5000.
5. Рядом с колбами установить датчик освещенности, соединенный с регистратором.
6. Так как на колбы действует свет от лампы, при помощи датчика температуры следить, чтобы температура раствора в колбе оставалась постоянной (повышение температуры увеличивает интенсивность фотосинтеза).
7. Источник света (лампу с отражателем) поместила на расстоянии 45 см от колб. Между колбами и лампой плоский сосуд, заполненный водой, уменьшающий вероятность нагревания содержимого колб.
8. Установки регистратора:
а) замеры каждую секунду
б) замеров 5000
9.Замерить давление в колбах:
а) расстояние до источника света 45см
б) расстояние до источника света 35см
в) расстояние до источника света 25см
Рис. 2 Влияние освещенности на интенсивность фотосинтеза.
Данные измерений в таблице №1
Расстояние до источника света, см | Давление в колбе с элодеей, кПа | Давление в контрольной колбе , кПа |
45 | 102,86 | 101,96 |
35 | 103,04 | 101,96 |
25 | 103,74 | 101,96 |
Вывод При увеличении освещенности, давление в колбе с элодеей увеличивается, т.к. увеличивается количество кислорода, выделяемого при фотосинтезе, следовательно увеличивается интенсивность фотосинтеза.
Влияние концентрации углекислого газа на интенсивность фотосинтеза
Оборудование
Ход эксперимента
1. Налить в две колбы по 200 мл 0,5%-ного раствора бикарбоната натрия. В одну из них поместить 20 г элодеи канадской.
2. Колбы закрыть резиновыми пробками с отверстием, в которое вставлена стеклянная трубка с присоединенной к ней силиконовой трубкой.
3. К силиконовым трубкам присоединить датчики давления.
4. Датчики давления подсоединить к регистратору NOVA 5000.
5. Так как на колбы действует свет от лампы, при помощи датчика температуры следить, чтобы температура раствора в колбе оставалась постоянной (повышение температуры увеличивает интенсивность фотосинтеза).
6. Установки регистратора:
а) замеры каждую секунду
б) замеров 5000
7.Замерить давление в колбах:
а) с концентрацией раствора бикарбоната натрия 0,5 %
б) с концентрацией раствора бикарбоната натрия 1 %
в) с концентрацией раствора бикарбоната натрия 1,5 %
г) с концентрацией раствора бикарбоната натрия 2 %
Данные измерений в таблице №2
Концентрация бикарбоната, % | Давление в колбе с элодеей, кПа | Давление в контрольной колбе, кПа |
0,5 | 102,56 | 101,96 |
1 | 103,14 | 101,96 |
1,5 | 103,02 | 101,96 |
2 | 102,04 | 101,96 |
Вывод. При увеличении концентрации бикарбоната натрия до 1,5 % интенсивность фотосинтеза увеличивается. При увеличении концентрации до 2 % интенсивность уменьшается, возможно, среда раствора становится щелочной, что ведет к снижению процессов жизнедеятельности растений.
Влияние массы растения на интенсивность фотосинтеза
Оборудование
а) замеры каждую секунду
б) замеров 5000
а) с элодеей массой 20 г
б) с элодеей массой 40 г
в) с элодеей массой 60 г
Данные измерений в таблице №3
Масса элодеи, г | Давление в колбе с элодеей, кПа | Давление в контрольной колбе кПа |
20 | 102,56 | 101,96 |
40 | 103,48 | 101,96 |
60 | 103,96 | 101,96 |
Вывод . Чем больше масса растения, тем больше фотосинтезирующая поверхность, следовательно увеличивается интенсивность фотосинтеза.
Проведя исследования, я обнаружила, что:
а) при увеличении света интенсивность фотосинтеза увеличивается;
б) при увеличении концентрации диоксида углерода до 1 % интенсивность фотосинтеза увеличивается, если концентрация углекислого газа 1,5 % и больше интенсивность фотосинтеза уменьшается;
в) при увеличении массы растения интенсивность фотосинтеза увеличивается.
.
ЛИТЕРАТУРА
1. Билич Г.Л., Крыжановский В.А. «Биология для поступающих в ВУЗы»-М.: Оникс, 2006
2. Билич Г.Л., Крыжановский В.А. «Биология. Полный курс», том 2 – М.: Оникс, 2005
3. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология в 3томах (т.1) –М.: Мир, 1996
4. Мамонтов С.Р., Захаров В.Б. «Основы биологии» - М.: Просвещение, 2004
5.Бондарев А.С., Дмитриева Н.В. «Цифровая лаборатория «Архимед» в изучении биологии» (методисты ЦИТУО).
6. Ред. Мечева О.П. «Исследование физических явлений с помощью цифровой лаборатории «Архимед» (Информационные технологии в деятельности учителя – предметника), М., 2008.
Астрономический календарь. Апрель, 2019
Можно от Солнца уйти...
Сказка на ночь про Снеговика
Рисуем зимние домики
Учимся рисовать горный пейзаж акварелью