Рассказ о фотосинтезе 6 класс биология

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 0,3% 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 ионы нитратов 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 вещества, содержатся жиры. Получение семян, жиров и масел играет важную роль в сельскохозяйственной и пищевой промышленности.

Самый примитивный тип фотосинтеза осуществляют галобактерии, живущие в средах с высоким (до 30%) содержанием хлорида натрия. Простейшими организмами, способными осуществлять фотосинтез, являются также пурпурные и зеленые серобактерии, а также несерные пурпурные бактерии. Фотосинтетический аппарат этих организмов устроен гораздо проще (только одна фотосистема), чем у растений; кроме того, они не выделяют кислород, так как в качестве источника электронов используют соединения серы, а не воду. Фотосинтез такого типа получил название бактериального. Однако цианобактерии (прокариоты, способные к фоторазложению воды и выделению кислорода) обладают более сложной организацией фотосинтетического аппарата — двумя сопряженно работающими фотосистемами. У растений реакции фотосинтеза осуществляются в специализированной органелле клетки — хлоропласте.

У всех растений (начиная от водорослей и мхов, и заканчивая современными голосеменными и покрытосеменными) прослеживается общность в структурно-функциональной организации фотосинтетического аппарата. Хлоропласты, как и остальные пластиды, содержатся только в растительных клетках. Их наружная мембрана гладкая, а внутренняя образует многочисленные складки. Между ними находятся стопки связанных с ней пузырьков, называемые гранами. В них расположены зёрна хлорофилла — зелёного пигмента, играющего главную роль в процессе фотосинтеза. В хлоропластах образуется АТФ, а также происходит синтез белка. Фотосинтетические пигменты:

Основными пигментами, осуществляющими поглощение квантов света в процессе фотосинтеза, являются хлорофиллы, пигменты Mg-порфириновой природы. Обнаружено несколько форм хлорофиллов, различающихся по химическому строению. Спектр поглощения различных форм хлорофиллов охватывает видимую, ближнюю ультрафиолетовую и ближнюю инфракрасную области спектра (у высших растений от 350 до 700 нм, а у бактерий — от 350 до 900 нм). Хлорофилл является основным пигментом и характерен для всех организмов, осуществляющих оксигенный, т. е. с выделением кислорода, фотосинтез. У зеленых и эвгленовых водорослей, мхов и сосудистых растений, кроме хлорофилла, имеется хлорофилл b, содержание которого составляет 1/4-1/5 от содержания хлорофилла a. Это дополнительный пигмент, расширяющий спектр поглощения света. У некоторых групп водорослей, в основном бурых и диатомовых, дополнительным пигментом служит хлорофилл с, а у красных водорослей — хлорофилл d. У пурпурных бактерий содержится бактериохлорофилл a и b, а у зеленых серных бактерий наряду с бактериохлорофиллом a содержатся бактериохлорофиллы c и d. В поглощении световой энергии участвуют и другие сопровождающие пигменты — каротиноиды(пигменты полиизопреноидной природы) у фотосинтезирующих эукариот и фикобилины (пигменты с открытой тетрапиррольной структурой) у цианобактерий и красных водорослей. У галобактерий в плазматических мембранах обнаружен единственный пигмент — сложный белок бактериородопсин, близкий по химическому строению родопсину — зрительному пигменту сетчатки глаза.

В клетке молекулы хлорофилла находятся в различных агрегированных (связанных) состояниях и образуют пигмент-липопротеидные комплексы, и вместе с другими пигментами, участвующими в процессах поглощения квантов света и передачи энергии, связаны с белками фотосинтетических (тилакоидных) мембран, образуя так называемые светособирающие хлорофилл-белковые комплексы. По мере увеличения степени агрегации и плотности упаковки молекул максимум поглощения пигментов сдвигается в длинноволновую область спектра. Основная роль в поглощении световой энергии принадлежит коротковолновым формам, участвующих в процессах миграции энергии. Присутствие в клетке серии спектрально близких форм пигментов обеспечивает высокую степень эффективности миграции энергии в реакционные фотохимические центры, где находятся наиболее длинноволновые формы пигментов, играющие роль, так называемых, энергетических ловушек.

Процесс фотосинтеза состоит из двух последовательных и взаимосвязанных этапов: светового (фотохимического) и темнового (метаболического).

В световую фазу фотосинтеза осуществляется три процесса:

• 1. Образование кислорода вследствие разложения воды. Он выделяется в атмосферу.
• 2. Синтез АТФ.
• 3. Образование атомов водорода, участвующих в образовании углеводов.

В темновую фазу фотосинтеза осуществляются следующие процессы:

• 1. Преобразование углекислого газа.
• 2. Образование глюкозы.

В основе фотосинтеза лежит окислительно — восстановительный процесс, в результате которого образуется кислород (О2), а также моносахариды (глюкоза и др.), которые превращаются в крахмал и запасаются растением. В процессе фотосинтеза также синтезируются мономеры других органических соединений — жирных кислот, глицерина, аминокислот. Значение фотосинтеза:

• 1. Усвоение и превращение свободной солнечной энергии с образованием органических веществ, которые являются пищей для гетеротрофных организмов.
• 2. Выделение свободного кислорода в атмосферу, который необходим для дыхания всех живых организмов.
• 3. Усвоение углекислого газа из атмосферного воздуха, который пагубно влияет на живые организмы.
• 4. Обеспечение всех земных организмов химической энергией, преобразовавшейся из энергии солнечного света.

Зелёные растения играют космическую роль, являясь посредником между жизнью на Земле и Солнцем. Растения улавливают энергию солнечного луча, за счет которой существует все живое на нашей планете. Процесс фотосинтеза, осуществляющийся в грандиозных, космических масштабах, коренным образом преобразил лик нашей планеты. Благодаря фотосинтезу солнечная энергия не рассеивается полностью в пространстве, а сохраняется — в виде химических энергий органических веществ. Благодаря способности зеленых растении в процессе фотосинтеза выделять кислород в воздухе сохраняется постоянный процент кислорода. Кроме зеленых растений в природе нет другого источника свободного кислорода. У всех фотосинтезирующих организмов фотохимические процессы световой стадии фотосинтеза происходят в особых энергопреобразующих мембранах, называемых тилакоидными, и организованы в так называемую электрон-транспортную цепь. Темновые реакции фотосинтеза осуществляются вне тилакоидных мембран (в цитоплазме у прокариот и в строме хлоропласта у растений). Таким образом, световая и темновая стадии фотосинтеза разделены в пространстве и во времени.

Значение фотосинтеза в природе
. Отметим следствия фотосинтеза, важные для существования жизни на Земле и для человека: «консервирование» солнечной энергии; образование свободного кислорода; образование разнообразных органических соединений; извлечение из атмосферы углекислого газа.

Солнечный луч — «мимолетный гость нашей планеты» (В. Л. Комаров) — производит какую-то работу только в момент падения, затем рассеивается бесследно и бесполезно для живых существ. Однако часть энергии солнечного луча, упавшего на зеленое растение, усваивается хлорофиллом и используется в процессе фотосинтеза. При этом световая энергия превращается в потенциальную химическую энергию органических веществ — продуктов фотосинтеза. Такая форма энергии устойчива и относительно неподвижна. Она сохраняется до момента распада органических соединений, т. е. неопределенно долго. При полном окислении одной граммолекулы глюкозы выделяется столько же энергии, сколько поглощается при ее образовании — 690 ккал. Таким образом, зеленые растения, используя солнечную энергию в процессе фотосинтеза, запасают ее «впрок». Сущность этого явления хорошо вскрывает образное выражение К.А. Тимирязева, назвавшего растения «консервами солнечных лучей».

Органические вещества сохраняются при некоторых условиях очень долго, иногда многие миллионы лет. При их окислении выделяется и может быть использована энергия солнечных лучей, падавших на Землю в те далекие времена. Тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании нефти, угля, торфа, древесины, — все это энергия солнца, усвоенная и преобразованная зелеными растениями.

Источником энергии в животном организме служит пища, которая также содержит в себе «консервированную» энергию Солнца. Жизнь на Земле только от Солнца. А растения — «это те каналы, по которым энергия Солнца вливается в органический мир Земли» (К. А, Тимирязев).

В изучении фотосинтеза, именно его энергетической стороны, огромную роль сыграл выдающийся русский ученый К.А. Тимирязев (1843—1920). Он первым показал, что закон сохранения энергии имеет место и в органическом мире. В те времена это утверждение имело огромное философское и практическое значение. Тимирязеву принадлежит лучшее в мировой литературе популярное изложение вопроса о космической роли зеленых растений.

Один из продуктов фотосинтеза — свободный кислород, необходимый для дыхания почти всех живых существ, В природе имеется и бескислородный (анаэробный) тип дыхания, но намного менее продуктивный: при использовании равных количеств дыхательного материала свободной энергии получается в несколько раз меньше, так как органическое вещество окисляется не до конца. Поэтому понятно, что кислородное (аэробное) дыхание обеспечивает более высокий жизненный уровень, быстрый рост, интенсивное размножение, широкое расселение вида, т. е. все те явления, которые характеризуют биологический прогресс.

Предполагается, что почти весь кислород в атмосфере биологического происхождения. В ранние периоды существования Земли атмосфера планеты имела восстановленный характер. Она состояла из водорода, сероводорода, аммиака, метана. С появлением растений и, следовательно, кислорода и кислородного дыхания органический мир поднялся на новую, более высокую ступень и его эволюция пошла гораздо быстрее. Следовательно, зеленые растения имеют не только сиюминутное значение: выделяя кислород, поддерживают жизнь. Они в известной мере определили характер эволюции органического мира.

Важным следствием фотосинтеза является образование органических соединений. Растения синтезируют углеводы, белки, жиры в огромном разнообразии видов. Эти вещества служат пищей для человека и животных и сырьем для промышленности. Растения образуют каучук, гуттаперчу, эфирные масла, смолы, дубильные вещества, алкалоиды и т, п. Продукты переработки растительного сырья — это ткани, бумага, красители, лекарственные и взрывчатые вещества, искусственное волокно, строительные материалы и многое другое.

Масштаб фотосинтеза огромен. Ежегодно поглощается растениями 15,6-10 10 тонн углекислого газа (1/16 часть мирового запаса) и 220 млрд. тонн воды. Количество органического вещества на Земле составляет 10 14 тонн, причем масса растений относится к массе животных как 2200:1. В этом смысле (как созидатели органического вещества) имеют значение и водные растения, водоросли, населяющие океан, органическая продукция которых в десятки раз превышает продукцию наземных растений.

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.

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/

Фотосинтезом
называют процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла.

В результате фотосинтеза образуется около 150 млрд тонн органического вещества и при­близительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение мил­лионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). В послед­нее время в качестве топлива начали использовать также рапсовое масло («биодизель») и спирт, полученный из растительных остатков. Из кислорода под действием электрических разрядов об­разуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губи­тельного действия ультрафиолетовых лучей.

Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843-1920) назвал роль фотосинтеза «космической», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечи­вая приток энергии на планету.

Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь

В 1905 году английский физиолог растений Ф. Блэкмен обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться беспредельно, какой-то фактор ограничивает ее. На основании этого он выдвинул предположение о наличии двух фаз фотосинтеза: световой
и темновой.
При низкой ин­тенсивности освещения скорость световых реакций возрастает пропорционально нарастанию силы света, и, кроме того, данные реакции не зависят от температуры, поскольку для их протекания не нужны ферменты. Световые реакции протекают на мембранах тилакоид.

Скорость темновых реакций, напротив, возрастает с повышением температуры, однако по достижении температурного порога в 30°С этот рост прекращается, что свидетельствует о фер­ментативном характере указанных превращений, происходящих в строме. Следует отметить, что свет также оказывает на темновые реакции определенное влияние, несмотря на то, что они на­зываются темновыми.

Световая фаза фотосинтеза (рис. 2.44) протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ- синтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, при­сутствуют и каротиноиды. Каротиноиды улавливают свет в тех областях спектра, в которых этого не делает хлорофилл, а также защищают хлорофилл от разрушения светом высокой интенсивности.

Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорифилла. Последователь­ность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов.

С фотосистемой II также ассоциирован специальный ком­плекс белков, который обеспечивает выделение кислорода в процессе фотосинтеза. Этот кислородвыделяющий комплекс содержит ионы марганца и хлора.

В световой фазе
кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующе­еся более высокой энергией электронов. При этом возбужден­ные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединя­ющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:

НАДФ + 2е-
+ 2Н + → НАДФН + Н + .

Восстановленный НАДФН + Н + будет впоследствии исполь­зован в темновой стадии. Электроны от хлорофилла фотосисте­мы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хло­рофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислородвыделяющего комплекса. В результате разложе­ния молекул воды, которое называется фотолизом,
образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:

Н 2 0 →2Н + +2е- +1/2О 2

Протоны водорода, накопившиеся в полости тилакоида в результате фотолиза воды и нагнета­ния при переносе электронов по электронтранспортной цепи, вытекают из тилакоида через канал в мембранном белке — АТФ-синтазе, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс на­зывается фотофосфорилированием.
Он не требует участия кислорода, однако очень эффективен, так как дает в 30 раз больше АТФ, чем митохондрии в процессе окисления. Образовавшаяся в све­товых реакциях АТФ впоследствии будет использована в темновых реакциях.

Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза можно записать следующим обра­зом:

2Н 2 0 + 2НАДФ + 3АДФ + ЗН 3 Р0 4 → 2НАДФН + Н + + 3АТФ.

В ходе темновых реакций
фотосинтеза (рис. 2.45) происходит связывание молекул С0 2 в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н + , синтезированные в световых реакциях:

6С0 2 + 12 НАДФН + Н + + 18АТФ→ С 6 Н 12 0 6 + 6Н 2 0 + 12 НАДФ + 18АДФ + 18Н 3 Р0 4 .

Процесс связывания углекислого газа является сложной цепью превращений, названной ци­клом Кальвина
в честь его первооткрывателя. Темновые реакции протекают в строме хлоропластов. Для их протекания необходим постоянный приток углекислого газа извне через устьица, а затем и по системе межклетников.

Первыми в процессе фиксации углекислого газа образуются трехуглеродные сахара, являю­щиеся первичными продуктами фотосинтеза, тогда как образующуюся позже глюкозу, которая расходуется на синтез крахмала и другие процессы жизнедея­тельности, называют конечным продуктом фотосинтеза.

Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных ор­ганических соединений не без участия хлорофилла. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

6С0 2 + 12Н 2 0 → С 6 Н 12 0 6 + 60 2 + 6Н 2 0, или

6С0 2 + 6Н 2 0 →С 6 Н 12 0 6 + 60 2 .

Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза взаимосвязаны, так как увеличение скорости лишь одной группы реакций влияет на интенсивность всего процесса фотосинтеза только до опре­деленного момента, пока вторая группа реакций не выступит в роли лимитирующего фактора, и возникает потребность в ускорении реакций второй группы для того, чтобы первые происходили без ограничений.

Световая стадия, протекающая в тилакоидах, обеспечивает запасание энергии для образова­ния АТФ и переносчиков водорода. На второй стадии, темновой, энергетические продукты первой стадии используются для восстановления углекислого газа, и происходит это в компартментах стромы хлоропластов.

На скорость фотосинтеза оказывают влияние различные факторы окружающей среды: осве­щенность, концентрация углекислого газа в атмосфере, температура воздуха и почвы, доступ­ность воды и др.

Для характеристики фотосинтеза используется понятие его продуктивности.

Продуктивность фотосинтеза
— это масса синтезируемой за 1 час глюкозы на 1 дм 2 листовой поверхности. Этот показатель фотосинтеза максимален при оптимальных условиях.

Фотосинтез присущ не только зеленым растениям, но и многим бактериям, в том числе ци- анобактерям, зеленым и пурпурным бактериям, однако у последних он может иметь некоторые отличия, в частности, при фотосинтезе бактерии могут не выделять кислорода (это не касается цианобактерий).

Фотосинтез — уникальный процесс создания органических веществ из неорганических. Это единственный на нашей планете процесс, связанный с превращением энергии солнечного света в энергию химических связей, заключённую в органических веществах. Таким способом поступившая из космоса энергия солнечных лучей, запасённая зелёными растениями в углеводах, жирах и белках, обеспечивает жизнедеятельность всего живого мира — от бактерий до человека.

Выдающийся русский ученый конца ХIХ – начала ХХ в. Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920) роль зелёных растений на Земле назвал космической. Он писал:

Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического.

Помимо запаса энергии и питания почти всего живого на Земле, фотосинтез важен и по другим причинам.

В процессе фотосинтеза выделяется кислород. Кислород необходим для процесса дыхания. При дыхания происходит обратных фотосинтезу процесс. Органические вещества окисляются, разрушаются и выделяется энергия, которую можно использовать на различные процессы жизнедеятельности (ходить, думать, расти и т. д.). Когда на Земле еще не было растений, то в воздухе кислорода почти не было. Примитивные живые организмы, обитавшие в те времена, окисляли органические вещества другими способами, не с помощью кислорода. Это было не эффективно. Благодаря кислородному дыханию живой мир получил возможность широкого и сложного развития. А кислород в атмосфере появился благодаря растениям и процессу фотосинтеза.

В стратосфере (это выше тропосферы — самого нижнего слоя атмосферы) кислород под действием солнечного излучения превращается в озон. Озон защищает живое на Земле от опасного ультрафиолетового солнечного излучения. Без озонового слоя жизнь не могла бы в процессе эволюции выйти из моря на сушу.

В процессе фотосинтеза из атмосферы поглощается углекислый газ. Углекислый газ выделяется в процессе дыхания. Если бы он не поглощался, то накапливался бы в атмосфере и влиял наряду с другими газами на увеличение так называемого парникового эффекта. Парниковый эффект заключается в повышении температуры в нижних слоях атмосферы. При этом может начать меняться климат, начнут таять ледники, уровень океанов поднимется, в результате чего могут быть затоплены прибрежные земли и возникнут другие негативные последствия.

Во все органические вещества входит химический элемент углерод. Именно растения связывают его в органические вещества (глюкозу), получая из неорганических (углекислого газа). И делают они это в процессе фотосинтеза. В дальнейшем, «путешествуя» по пищевым цепям, углерод переходит из одних органических соединений в другие. В конечном итоге, при гибели организмов и их разложении, углерод снова переходит в неорганические вещества.

Для человечества фотосинтез также имеет важное значение. Уголь, торф, нефть, природный газ — это остатки растений и других живых организмов, накопившиеся за сотни миллионов лет. Они служат нам источником дополнительной энергии, что позволяет цивилизации развиваться.

Биология, 6 класс

Урок 3. Фотосинтез

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке

1. Необходимые условия протекания фотосинтеза.
2. Структура листа как основного органа процесса производства органических веществ.

Тезаурус

Фотосинтез – процесс образования органических веществ (сахаров) из неорганических (углекислого газа и воды), который происходит в растении НА СВЕТУ.

Хлорофилл – (от др.-греч. chloros – «зелёный», phyllon – «лист») – зелёный пигмент, окрашивающий хлоропласты растений в зелёный цвет. При его участии происходит фотосинтез.

Хлоропласт – (от др.-греч. chloros – «зелёный» и от plastos – «вылепленный») – зелёные пластиды, которые встречаются в клетках фотосинтезирующих эукариот. С их помощью происходит фотосинтез. Хлоропласты содержат хлорофилл.

Основная и дополнительная литература по теме урока

1 Биология 5 – 6 классы. Академический школьный учебник. Линия жизни: учебник для общеобразовательных организаций / Под редакцией профессора В. В. Пасечника, 3-е издание. – М.: Просвещение, 2014.

2. Биология. 5 – 6 классы. Учебник. ФГОС / Г. С. Калинова, С. В. Суматохин, З. Г. Гапонюк, В. В. Пасечник. – М.: Просвещение, 2019.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Фотосинтез – процесс образования органических веществ (сахаров, или углеводов) из неорганических (углекислого газа и воды), который происходит на свету в хлоропластах растения.

Лист растения состоит из листовой пластинки, черешка и основания листа. У основания могут иметься парные выросты – прилистники. На листовой пластинке отчетливо выделяются жилки.

Строение листа

Форма листьев у разных растений очень разнообразна. Листья бывают простые – имеющие одну листовую пластинку, как, например, листья подорожника, березы, клена, и сложные – состоящие из нескольких листовых пластинок (лист клевера, рябины, шиповника).

Листья могут различаться также типом расположения жилок – жилкованием. Жилкование бывает сетчатым, в этом случае имеется одна или несколько крупных, главных, жилок, которые разветвляются на более мелкие, как в листе клена или дуба. У других листьев все жилки примерно одинаковы и расположены параллельно друг другу – это параллельное жилкование, как у листьев злаков и луков. Наконец, бывает дуговое жилкование, при котором одинаковые по размеру жилки располагаются по дуге, как у ландыша и тюльпана.

Поскольку задача листьев – максимально полно улавливать свет, они особым образом расположены на стебле: так, чтобы не перекрывать друг друга. Листорасположение бывает супротивным, как у клена, очередным, как у липы, или мутовчатым, как у вороньего глаза. Листья, как мы уже сказали, располагаются на растении так, чтобы как можно меньше перекрывать друг друга. Это явление называется листовой мозаикой.

Основная функция листа – фотосинтез – отражена не только на внешнем строении и расположении листьев, но и на анатомическом, то есть внутреннем строении.

Внутреннее строение листа и процесс фотосинтеза

Основная масса листа состоит из фотосинтезирующих клеток, образующих фотосинтезирующую ткань. Под палисадной фотосинтезирующей тканью лежит слой губчатой ткани, здесь клетки расположены рыхло, и между ними есть полости, заполненные воздухом – межклетники. Сверху и снизу лист покрыт одним слоем прозрачных клеток, образующих кожицу листа. Под кожицей листа расположены хлоропласты. Через устьица между листом и окружающей средой идет обмен газами.

Есть еще один путь, ведущий в лист, он пролегает внутри жилки и образован двумя видами проводящей ткани – древесиной и лубом. В совокупности луб и древесина образуют проводящий пучок. По древесине проводящего пучка в лист от корня поступает вода с растворенными в ней минеральными веществами. А по лубу из листа оттекают ко всем органам растения синтезированные в листе сахара. Вода, поступающая в лист по древесине, необходима для фотосинтеза. Хотя большая часть воды испаряется листом через устьица.

Растение, поглощая углекислый газ из воздуха, превращает его в углеводы (сахарá), которые используются для питания не только самим растением, но и животными. Для образования сахаров в процессе фотосинтеза растение использует энергию света. Кроме углеводов в результате фотосинтеза образуется кислород необходимый для жизни других живых организмов.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля

Задание 1. Как происходит обмен веществ у растений? Распределите элементы по соответствующим группам.

Варианты ответов:

Вода

Углекислый газ

Минеральные соли

Пары воды

Кислород

Фотосинтез

Дыхание

Правильный вариант:

Задание 2. Выберите несколько вариантов ответа. Условия протекания фотосинтеза.

Варианты ответов:

Плодородная почва.

Наличие солнечного света.

Температурный режим.

Наличие зелёных листьев и хлорофилла.

Наличие вакуолей.

Наличие углекислого газа.

Наличие воды.

Правильный ответ:

Наличие солнечного света.

Наличие зелёных листьев и хлорофилла.

Наличие углекислого газа.

Наличие воды.

В качестве объекта для опытов по изучению жизни растений в 6 классе обычно используются комнатные растения. Из относительно неприхотливых растений наиболее подходящими для этой цели являются пеларгония, плектрантус, бальзамин, колеус. Лучше, если растения будут не очень крупными, в нескольких экземплярах. Для этого надо весной укоренить черенки их в воде (или во влажном песке) и высадить в небольшие вазоны – гончарные (цветочные горшки диаметром 10—12 см), картонные или пластиковые, высотой около 10 см, изготовленные из коробок или банок хозяйственного назначения (из-под молочных продуктов, препаратов бытовой химии и т.п.).

Многие учебные опыты по курсу биологии 6 класса могут быть проведены на сельскохозяйственных растениях, выращиваемых в помещении из семян. Почти все опыты могут быть поставлены на фасоли обыкновенной, хорошими объектами для ряда опытов являются горох, бобы, рожь, пшеница; в эксперименте по минеральному питанию растений лучшие результаты получаются на томатах.

Сельскохозяйственные культуры, в качестве объекта учебных опытов имеют важные преимущества перед комнатными растениями. Их легко вырастить в необходимом количестве к определенному сроку. Опыты ставятся на молодых растениях, которые занимают мало места на окне, под лампой, что существенно для условий школы. Результаты ряда опытов на таких объектах получаются быстрее и ярче, чем на комнатных растениях, что исключительно важно для демонстрационного опыта. Так, например, обработка листьев в опытах по фотосинтезу (кипячение листьев в воде, а затем в спирте) занимает на уроке для комнатных растений 20 — 15 мин, для фасоли – 7 – 10 мин; при этом значительно меньше расходуется и спирта. Проведение опытов на сельскохозяйственных растениях имеет политехническое значение – знакомит учащихся с различными культурами, с их некоторыми биологическими особенностями.

Для учебных опытов в 6 классе пригодны растения, выращиваемые как в почве, так и на воде – в стеклянных банках, пробирках с обычной водой. Выращивание растений на воде интересно для экспериментальной работы во многих отношениях, в том числе экономным использованием места, простотой ухода за растениями, удобством использования в опытах. Выращиваются растения на воде не более 3 – 4 недель, для большинства опытов подходящими являются двухнедельные растения. На таких растениях можно провести все основные опыты курса – по изучению фотосинтеза, дыхания разных органов растения, поглощения веществ корнем, испарения воды листом и др. [1].

Большое значение в разделе «Живые организмы» имеет изучение вопросов жизнедеятельности растений: фотосинтез, испарение воды, дыхание, передвижение веществ по растению. Эти вопросы трудно усваиваются школьниками в силу того, что у шестиклассников еще нет достаточного количества биологических знаний. Поэтому демонстрация опытов учителем на уроке убеждает в реальности происходящих явлений. В данной работе в качестве примера приводится конспект урока и комплект возможных опытов для изучения процессов жизнедеятельности растений.

Конспект урока.

Тема: Фотосинтез.

Цель: доказать, что растения образуют органические вещества в процессе фотосинтеза.

Задачи:

1.Образовательные: раскрыть сущность процесса фотосинтеза; выявить условия необходимые для его протекания; рассмотреть образование крахмала в листьях растения; рассказать об образовании органических веществ в растениях, о выделении кислорода растениями в процессе фотосинтеза; рассмотреть типы питания растений.

2.Развивающие: развитие понятий «питание», «обмен веществ», «Минеральные вещества», «органические вещества»; развитие умений наблюдать результаты опыта и делать выводы; развитие мышления.

3.Воспитательные: формирование научного мировоззрения на примере познаваемости процессов жизнедеятельности, нравственное на примере отношения ко всему живому, экологическое на примере роли процесса фотосинтеза на планете.

Тип урока: изучение новой темы.

Методы: словесные (рассказ, объяснение, беседа), наглядные (демонстрация изобразительных пособий, демонстрация опыта).

Оборудование: горшок с геранью, темный шкаф, раствор йода, чашка Петри, стакан с этиловым спиртом, стакан с водой, спиртовка, ножницы, 2 конические колбы с плоским дном, полоска темной бумаги, пинцет.

Ход урока.

1. Организационный момент.

2. Целеполагание.

В 17 веке голландский естествоиспытатель Ван Гельмонт провел такой опыт. Он взял глиняный горшок, насыпал в него 80 кг предварительно высушенной почвы и посадил ивовую ветку весом 2 кг. Поверхность почвы прикрыл, чтобы туда не проникала пыль из воздуха. Растение поливал дождевой водой в течение 5 лет. Через пять лет иву выкопали, очистили от почвы и взвесили. Ива весила 60 кг. Тщательно высушенная почка весила 79, 943 кг, т.е., вес ивы увеличился на 58 кг, а вес почвы уменьшился всего на 57 г. Каким образом ива добыла 58 кг органических веществ, из которых построила свой организм? (если дети назовут, что из-за воды, сказать, что Ван Гельмонт тоже так думал, но последующие опыты ученых это предположение не подтвердили).

Над этим вопросом ученые работали не одно столетие. И пришли к выводу: растения вырабатывают органические вещества сами.

Итак, сегодня на уроке речь пойдет о таком важнейшем свойстве зеленых растений – процессе фотосинтеза.

1. Изучение нового материала.

   1.  
      1.  

         1. Процесс фотосинтеза.

Ребятам предлагается записать определение фотосинтеза, используя учебник на стр. 148-149 § 34.

Для нормального роста и развития растениям необходима вода, минеральные и органические вещества.

Откуда растение добывает воду и минеральные вещества? (из почвы)

А органические вещества зеленые растения способны создавать из неорганических, используя световую энергию. Этот процесс называется фотосинтезом.

Свет главным образом помогает образованию такого органического вещества, как крахмал.

Доказать, что крахмал образуется на свету, можно при помощи следующего опыта.

Опыт: «Образование крахмала в листьях на свету».

Горшок с геранью заранее помещают на 3 дня в темный шкаф. Чтобы произошел отток питательных веществ из листьев. Далее, закрепив на листке растения темную полоску бумаги, выставляют на 10-24 часа горшок на яркий свет. А теперь, я срезаю лист, снимаю черную бумагу и помещаю его в горячую воду и кипячу в течение трех минут. Затем кипячу его в спирте до изменения его окраски. Как вы видите, спирт окрасился в зеленый цвет.

Вопрос: Как вы думаете почему?

Ответ: Хлорофилл выделился из листа и растворился в спирте.

Обесцвеченный лист промываю в чистой воде и помещаю в чашку Петри, и заливаю раствором йода.

Вопрос: Ребята, какие изменения вы заметили?

Ответ: Часть листа, которая была закрыта черной бумагой, не окрасилась.

Вопрос: Известно, что крахмал синеет от йода. Какой вывод можно сделать?

Белая полоса на листке не окрасилась, т.к. в ней нет хлорофилла, значит, органические вещества образуются только в зеленых частях растения.

Общий вывод: органическое вещество в процессе фотосинтеза образуется только в хлоропластах.

Зарисовать данный рисунок в тетрадь.

1.  
   1.  
      1.  

         1. Условия фотосинтеза

Выделение кислорода растениями в процессе фотосинтеза.

В учебнике представлен еще один опыт, доказывающий выделение зеленым растением кислород на свету.

На основе проведенного опыта и опыта, предложенного в учебнике, заполнить таблицу.

Вопрос: Какой из перечисленных условий наиболее важный для процесса фотосинтеза? (Для протекания фотосинтеза важны все перечисленные условия).

1.  
   1.  
      1.  

         1. Типы питания растений.

Зеленое растение, используя энергию солнечных лучей, само создает органические вещества из неорганических, выделяя при этом кислород.

Значит, зеленое растение не нуждается в получении органических веществ из окружающей среды.

Поэтому выделяют 2 типа питания растений.

Типы питания растений

Минеральное

(обеспечивает растение водой и минеральными веществами)

Фотосинтез

(обеспечивает растение необходимыми органическими веществами)

Зарисовать схему в тетрадь.

1. Закрепление.

1.  
   1.  
      1.  

         1. Какие вещества входят в состав растений?

         2. Какое вещество придает листьям зеленую окраску?

         3. Какие условия необходимы для протекания фотосинтеза?

         4. Составьте 2 – 3 предложения по изученной теме, используя опорные слова: солнце, жизнь, фотосинтез, кислород.

V.Рефлексия.

Закончить предложение.

Сегодня на уроке:

• Я узнал…

• Самым трудным для меня было…

• Меня больше всего удивило….

VI. Домашнее задание: §34

Приложение.

Комплект опытов по изучению процессов жизнедеятельности растений.

Тема «Образование крахмала в листьях на свету»

Цель: доказать, что крахмал образуется в листьях на свету.

Оборудование: горшок с геранью, темный шкаф, раствор йода, чашка Петри, стакан с этиловым спиртом, стакан с водой, спиртовка, ножницы, 2 конические колбы с плоским дном, полоска темной бумаги, пинцет.

Методика опыта

Горшок с геранью поместить на 3 дня в темный шкаф. Далее, закрепив на листке растения темную полоску бумаги, выставить на 10-24 часа горшок на яркий свет. Срезать лист, поместить его в горячую воду и кипятить в течение трех минут. Затем прокипятить его в спирте до изменения окраски. Обесцвеченный лист поместить в чашку Петри и залить раствором йода.

Результаты и ход постановки опыта оформляются в виде рисунка:

Воспроизводство опорных знаний учащихся

1.Почему растение в начале опыта помещают в темный шкаф?

2.С какой целью лист помещают в горячий спирт?

3.Взаимодействие с каким веществом, дает качественную реакцию на крахмал? [3].

Тема «Поглощение углекислого газа и выделение кислорода зелеными растениями на свету»

Цель: доказать, что зеленые растения на свету способны поглощать углекислый газ и выделять кислород.

Оборудование: вода, стеклянная банка, раствор питьевой соды, элодея, острая безопасная бритва или скальпель, воронка, пробирка, лучинка.

Методика опыта

В стеклянную банку налить воду. Через воду в течение нескольких минут пропустить углекислый газ или добавить в воду несколько капель слабого раствора питьевой соды.

Из аквариумов достать элодею. Острой безопасной бритвой или скальпелем отрезать верхние концы стеблей длиной 5 – 6 см, положить их в стеклянную воронку (воронка должна помещаться в банке и закрываться слоем воды на 2 – 3 см), направляя обрезанные концы веточек к узкому краю воронки. Воронку с элодеей опустить в банку с водой так, чтобы широкая часть лежала на дне. В пробирку налить воду и, закрыв пробирку пальцем, опустить вверх дном в банку, под водой убрать палец (открыть пробирку) и надеть ее на воронку. Приготовленный прибор поставить на свет, лучше всего в световую камеру (если ее нет, то под электрическую лампочку или между двумя люминесцентными лампами). Пронаблюдать за выделением пузырьков в том месте, где был произведен порез веточек элодеи. Когда газа набралось 1/2 — 2/3 пробирки, нужно аккуратно снять пробирку воронки так, чтобы нижний конец пробирки был все время под водой. Под водой же закрыть пробирку пальцем, вынуть ее из воды, перевернуть. Затем зажечь лучинку, погасить ее и, когда она образует тлеющий уголек на конце, открыть пробирку и ввести в нее лучинку с тлеющим угольком.

Далее нужно выяснить, будет ли газ выделяться в темноте. Для этого собрать такой же прибор и поставить его в темное место.

Результаты и ход постановки опыта записать в тетрадь, а также нарисовать рисунок в тетрадь.

Воспроизводство опорных знаний учащихся

1. Почему, после того как зажгли лучинку, затем погасили ее и, когда она образовала тлеющий уголек на конце, открыв пробирку и ввели в нее лучинку с тлеющим угольком она вспыхнула?

2. В связи с чем, не выделяются пузырьки в приборе, который поставили в темное место? [2].

Тема «Необходимость углекислого газа для образования крахмала в листьях»

Цель: показать, что крахмал образуется в листе на свету только при наличии в воздухе углекислого газа.

Оборудование: источник света, оборудование для обработки листьев, 2 листа пеларгонии или фасоли, 2 чашки Петри, изготовленные подставки из пластилина, ванночка, вода, вата, глицерин, сода, 3% раствор соляной кислоты, пипетка аптечная.

Методика опыта

Взять чашки Петри, при этом верхнюю и нижнюю части поменять местами. К чашке большого диаметра прикрепить изготовленную из пластилина подставку для листа высотой около 1 см, длиной 4 – 5 см и ванночку для получения углекислого газа. Налить воду в чашку до половины ее высоты, положить лист на подставку так, чтобы в воде находилось только основание пластинки и черешок. Протереть чашку меньшего диаметра изнутри ватой, смоченной смесью глицерина с водой (1:1), это предотвратит запотевание стекла, которое затрудняет рассматривание содержимого шашки. В собранной установке зазор между половинками чашки Петри заполнен водой – она как бы закупоривает установку, а испаряясь, и охлаждает ее.

Опытный лист поместить в закрытую чашку, контрольный в приоткрытую или в закрытую, в которой получают углекислый газ от реакции соды с соляной кислотой. Сода берется в избытке, 3%-ный раствор кислоты – 1 – 2 мл. Эту чашку закрыть, когда закончится реакция. Чашки поставить под лампу.

Демонстрация опыта

Определить крахмал в обоих листьях.

Результат описать в тетради, сделать вывод.

Воспроизводство опорных знаний учащихся

1. С какой целью одну чашку Петри оставляют неполностью закрытой?

2. Чем отличаются условия у листьев в опытных и контрольных приборах?

3. Почему крахмал не образовался в листе, помещенном в чашку Петри с обычным атмосферным воздухом? [1].

Тема «Поглощение кислорода при дыхании листьев»

Цель: доказать, что листья дышат, поглощая кислород из воздуха.

Оборудование: листья 10 – 14 дневных растений фасоли или ржи, пшеницы, ячменя – из расчета на каждые 100 см³ объема используемых сосудов; фасоли – 10 листьев размером примерно 3х4 см или 5 листьев размером 5х6 см, злаков 50 листьев длиной 8 – 12 ми или листья комнатных растений, соответствующей массы, два одинаковых высоких сосуда из прозрачного стекла объемом от 125 до 350 см³ , пробки к сосудам, лучинки, спиртовка, палочка (длиннее высоты сосуда), банка, блюдце.

Методика опыта

Необходимое количество листьев поместить в один сосуд, наполнить его водой, а затем всю воду вылить и расположить листья с помощью палочки рыхло на дне или по стенкам сосуда так, чтобы в нем осталось свободное пространство для введения зажженной лучинки в конце опыта. Второй сосуд (контрольный) оставить без листьев, сполоснув его водой. Сосуды плотно закрыть пробками и поставить рядом в темное место.

Опыт с листьями фасоли или комнатных растений смочить водой, связать ниткой в пучок (основанием в одну сторону) и поместить в банку (верхушками ко дну банки), которую затем поставить в блюдце с водой. Вода будет служить для герметизации банки. Вместо этого банку можно закрыть хозяйственной полиэтиленовой крышкой, промазав ее пластилином для герметичности. При определении результата опыта листья извлечь из банки (за нитку) под водой; банку там же закрыть крышкой с отверстием и пробкой или куском картона и поставить дном на стол. Для того, чтобы ввести горящую лучинку в банку, вынуть пробку из крышки (или сдвинуть в сторону картон).

Продолжительность опыта 2 – 3 дня.

Демонстрация опыта

В обоих сосудах проверить наличие кислорода с помощью зажжения лучинки. Если листья заняли очень много места в сосуде, его надо потрясти (не открывая) так, чтобы листья уплотнились или отошли к одной стороне.

Описать опыт в тетради, сделать вывод.

Воспроизводство опорных знаний учащихся

1. Зачем опускают зажженную лучинку в опытный и контрольный сосуды?

2. Что доказывает опыт с лучинкой?

3. Зачем нужен контрольный сосуд без листьев? [1].

Тема «Выделение углекислого газа при дыхании листьев (опыт с известковой водой)»

Цель: показать, что листья при дыхании выделяют углекислый газ.

Оборудование: два небольших листа фасоли или комнатных растений или 5 – 6 листьев всходов злаков, три обычные (химические) пробирки, пробки к пробиркам.

Методика опыта

Все пробирки наполнить водой (лучше кипяченой). В две из них поместить листья, свернув трубочкой и предварительно подвязав к ним нитку. Затем всю воду из пробирок вылить, пробирки плотно закрыть пробками, оставляя конец нитки снаружи, и положить рядом в место с обычным комнатным освещением (далеко от источника света), но одну из них закрыть от света темной бумагой или картоном и т.п.

Продолжительность опыта – два дня.

Демонстрация опыта

Листья извлечь из пробирок (за нитку); лучше это сделать под водой, опустив в нее пробирку вертикально, отверстием вниз. Остатки воды в пробирке вылить на воздухе, держа ее дном вверх и слегка приоткрыв отверстие. Затем в каждую пробирку налить поровну известковую воду – примерно по 1,5 – 2 см по высоте пробирки, закрыть их и встряхнуть одновременно.

Результат описать в тетради.

Воспроизводство опорных знаний учащихся

1. Зачем приливают известковую воду в опытную и контрольную пробирки?

2. От чего мутнеет известковая вода?

3. Для чего встряхивают пробирки с известковой водой? [1].

Тема «Испарение воды листьями»

Цель: доказать, что растение испаряет воду с помощью листьев.

Оборудование: горшок с комнатной геранью, штатив с лапками, стеклянная колба, вата.

Методика опыта.

Растение в горшке обильно полить и поставить на штатив. Закрепить в лапке колбу на уровне листьев. Лист герани на длинном черешке (не отрывая от растения) аккуратно поместить в колбу, а отверстие закрыть ватой. Поставить растение на свет.

Через 5-7 дней можно увидеть результат: стенки колбы покроются капельками воды.

Воспроизводство опорных знаний.

1.Как вода из почвы оказалась в растении?

2.По каким структурам двигалась вода в растении, чтобы попасть в лист?

3.Как вода очутилась на стенках колбы?

4.Как называются отверстия в листе, через которые вышла вода? [3].

Тема «Испарение воды листьями»

Цель: доказать, что растения испаряют воду с помощью листьев.

Оборудование: три пробирки, штатив для пробирок, отросток бальзамина или традесканции, вода, подсолнечное масло.

Методика опыта.

1.Налить в три пробирки одинаковое количество воды. В первую – капнуть на поверхность воды каплю подсолнечного масла (контроль). Во вторую ничего не наливать, в третью поместить отросток растения и капнуть на поверхность масла.

2.Поставить пробирки в штатив на неделю.

3.Через неделю сравнить результаты.

В первой пробирке уровень воды остался неизменным, так как масло препятствовало испарению.

Во второй пробирке уровень воды немного понизился, так как произошло естественное испарение с поверхности воды.

В третьей пробирке уровень воды оказался на самой низкой отметке, несмотря на наличие масла на поверхности воды. Значит, вода испарилась с помощью листьев.

Воспроизводство опорных знаний.

1. Почему в первой пробирке уровень воды не изменился?

2. Почему понизился уровень воды во 2-ой и 3-ей пробирках?

3. Почему в третьей пробирке оказался самый низкий уровень воды? [3].

Тема: «Ориентировка растений в пространстве»

Цель: доказать, что листья растений способны менять свое положение в пространстве в зависимости от условий.

Оборудование: цветочные горшки с растениями, бумага для затемнения.

Методика опыта

Три цветочных горшка с растениями (колеус, примула и герань) поставить к свету. Отметить, какой стороной растения обращены к свету. Через сутки отметить, что произошло с листьями этих растений.

На следующий день перевернуть растения противоположной стороной к свету. Отметить, что происходит с листьями растений через несколько часов.

Определить, что листья некоторых растений меняют свое положение в зависимости от времени суток. Затемнить днем растения фасоли, стоящие на подоконнике, и пронаблюдать, что листочки опускаются так, как это обычно происходит вечером.

Сделать вывод.

Воспроизводство опорных знаний учащихся

1. Почему на следующий день после того, как растения поставили к свету, листья этих растений расположились так, что все пластинки обращены в сторону света?

2. Правда ли то, что в зависимости от освещения и других условий листья меняют свое положение? [2].

Используемая литература

1. Биологический эксперимент в школе / А.В.Бинас и др. — М.: Просвещение, 1990. — 192 с.

2. Опыты и наблюдения над растениями: пособие для учителей / Г.С.Нога. – М.: Просвещение, 1976. – 175 с.

3. Семенов А.А., Боброва Н.Г., Глазкова Л.М. и др. Лабораторный практикум по теории и методике обучения биологии: Учебно-метод. пособие для студентов заочников. – Самара: СамГПУ, 2003. – 197 с.