Исследовательский проект "Пусть всегда будет солнце или Что такое фотосинтез?

IV муниципальная научно-исследовательская конференция       школьников «Шаг в науку»

Секция:   биология (ботаническое исследование)

Пусть всегда будет солнце

или

   Что такое фотосинтез

Выполнили ученицы 6 класса

 МОУ «Гимназия г.Вольска Саратовской области»

Аттоева Милена и Обидина Диана

Руководитель  учитель биологии  

Захаренко Галина Анатольевна

                                            2014 год

                                                 Оглавление                        

Введение…………………………………………………………………….3 стр.

Основная часть……………………………………………………………….4

1. История исследования процесса фотосинтез……………………………4

2. Образование органических веществ в зелёном листе. ………………….5

3. Условия прохождения процесса фотосинтез…………………………….5-6

4.  Значение фотосинтеза в природе и для человека………………………..7

5.Практическая часть…………………………………………………………..9

Заключение…………………………………………………………………….12

  Список литературы……………………………………………………………13

         Около пяти-семи миллиардов лет назад в круговом вихре газов и космической пыли образовались Солнце, Земля и другие планеты Солнечной системы. Земля постепенно остывала, её затвердевшую кору окружали газы - аммиак, метан, водород, сероводород и  водяной пар. Они образовали первичную атмосферу планеты. Охлаждаясь, пар выпадал дождями и создавал первобытный океан Земли. Именно в его верхнем, обогреваемом Солнцем слое, четыре миллиарда лет назад появились первые живые организмы. По-видимому, они получали энергию и материал для построения своего тела только из органической пищи. Со временем их количество и разнообразие росло. Вот только суша для большинства этих организмов оставалась запретной зоной. Дело в том, что солнечный свет кроме полезной инфракрасной и видимой частей спектра содержит ещё ультрафиолетовое излучение, убивающее практически все живое. Но случилось чудо. Чудо, как и положено, было морское, зеленое. Это была молекула хлорофилла, появившаяся в некоторых клетках. Именно хлорофилл и явился героем сложного многоступенчатого процесса, названного впоследствии фотосинтезом.

        Природа любит загадывать загадки. Вот обычный зелёный лист растения. Что в нем интересного? Четыреста лет ученые изучают процессы в нем происходящие, и до сих пор не всё окончательно ясно. Что такое корень, каково его значение, понятно ещё со времен Аристотеля. А какова роль листа? Листья называли по-разному: “дети солнца”, “покорившие солнце”, “утеха взора”. Так  почему они тянутся к солнцу; их обрывают, и растение погибает.

     Целью проекта явилось  доказательство с помощью ряда экспериментов существования процесса фотосинтез в зелёном растении. Для этого были изучены вопросы о сущности и условиях протекания фотосинтеза, о его значении в природе и для человека.

      История исследования процесса 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. 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. 

           Образование органических веществ в зелёном листе.

         Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях или плодах. Особенно большое их количество в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, получить  намного больше энергии для процесса фотосинтеза. После поглощения хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно, тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза.

        Условия прохождения  процесса фотосинтеза.

         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.

Значение фотосинтеза в природе и для человека.

       Будучи заключенной в органическом веществе, энергия может очень долго сохраняться на Земле. Ни человек, ни животное, ни грибы, ни растения, лишенные хлорофилла (например, подъельник), не могут усвоить энергию непосредственно от солнца, хотя для жизни энергия необходима. Это может сделать только зеленое растение. Его роль на Земле наш выдающийся ученый-ботаник К. А. Тимирязев назвал космической. Это надо понимать так: на Земле благодаря зеленому растению накапливается энергия, которая поступила из космоса от Солнца. Причем накапливается она в такой форме, которая доступна для других организмов.

     Для человека источником энергии является пища. Выполняя работу - и умственную, и физическую, мы затрачиваем энергию, а восполняем её с приёмом пищи. При этом мы используем органические вещества, образованные зелёным растением. При разложении этих веществ и выделяется заключенная в них энергия.

         В ходе фотосинтеза параллельно с образованием органического вещества происходит выделение в атмосферу кислорода. До появления зеленых растений газовая оболочка Земли имела очень мало свободного кислорода. Практически можно считать, что весь кислород атмосферы возник благодаря фотосинтезу. Накопление свободного кислорода привело к появлению кислородного дыхания растений и животных. Возросли энергия жизненных процессов и скорость накопления массы органических веществ. Наличие свободного кислорода усилило также процессы химического выветривания горных пород и накопление в верхних слоях земной коры минеральных соединений, необходимых для питания растений.

Растительный покров играет первостепенную регулирующую роль в общем газообмене и в водном балансе Земли, защищает от разрушения почву, обогащает ее элементами питания, создает пищевую и энергетическую базу для всего животного мира.

Жизнь человека немыслима без использования растений. Это - пища, строительный материал, сырье для различных отраслей промышленности.

      Человек использует не только тот солнечный луч, который падает на Землю сейчас, но и тот, который упал на неё десятки и сотни миллионов лет назад. Ведь пласты каменного угля в недрах Земли образовались в течении геологических эпох из некогда существовавших растений. Многие ученые считают, что нефть и горючий газ, подобно углю, возникли из органической массы. В более поздние периоды жизни Земли из сфагнового мха начал образовываться торф.

 Изобретатель паровоза Стефенсон спросил однажды своего приятеля:

- Знаешь ли ты, что двигает этот поезд?
- Конечно. Твоё изобретение, - ответил его собеседник.
- Нет. Его двигает солнечный луч, поглощённый зелёным растением сотни миллионов лет назад.

Практическая часть.

Опыт №1.

    Предположим, что органическое вещество образуется в листьях, но как его обнаружить? Мы знаем, что существуют вещества-индикаторы, с помощью которых можно точно узнать о наличии других определённых веществ. Например, раствор йода помогает обнаружить крахмал. А крахмал - это органическое вещество. Если капнуть раствор йода на срез клубня картофеля или кусочек белого хлеба, он изменит окраску. А при попадании на лист растения, окраска не изменяется . Из этого можно сделать вывод, что в листьях органическое вещество не образуется. Но ведь изменению окраски может мешать зеленый цвет листа. Попробуем удалить  хлорофилл и  ещё раз обработать лист йодом. Для этого мы возьмем растение пеларгонию и срежем у неё один лист. Опустим его на две минуты в кипяток, а затем в сосуд с горячим спиртом. Мы наблюдаем, что лист теряет зелёную окраску. Обесцвеченный лист промоем в горячей воде и, положив в чашку Петри, зальём слабым раствором йода. Лист окрасился в синий цвет, значит здесь обнаружен крахмал .

Опыт №2.

          А сейчас мы попробуем выяснить, образуется ли крахмал в листьях растения, которое три дня находилось в темном месте. Для этого возьмём пеларгонию, стоящую три дня в закрытом шкафу. С её листом проделаем те же самые операции. Но после обработки раствором йода, мы не увидим синей окраски листа.

Итак, мы выяснили, что в листьях растений образуется органическое вещество, и этот процесс происходит только на свету.

Опыт №3

           Для  опыта мы возьмем растение, листья бегонии, которые имеют зелёную окраску только по краям. Обработаем лист горячей водой, горячим спиртом и раствором йода. В результате синюю окраску приобретут только края листа . Из этого можно сделать вывод, что крахмал образуется в зелёных частях растения, где присутствуют хлоропласты.

Опыт №4

Этапы опыта:

1. Берутся два растения: опытное и контрольное
2. Опытное обильно поливают и помещают в темное место на 2-е суток, контрольное оставляют на свету
3. Опытное извлекают, на листья прикрепляют фигурки из темной бумаги и выдерживают растение на свету 3 – 4  дня
4. Лист с опытного растения и контрольного помещают в кипящую воду, а затем в горячий спирт
5. Обесцвеченные листья облить слабым раствором йода

Наблюдали посинение  тех частей листа, которые были вырезаны на трафаретах. Следовательно, процесс фотосинтеза проходит только на свету.

Опыт №5.

          Какие же  вещества необходимы для получения крахмала? Для её решения был проведён следующий опыт. Два комнатных растения, пеларгонии, мы поместили на три дня в тёмное место. Затем одно растение поставили на стекло под стеклянный колпак. Рядом с ним пометили стакан с раствором едкой щёлочи - веществом, поглощающим углекислый газ из воздуха. Для того, чтобы новые порции воздуха не поступали к растению, края колпака смазали вазелином.

        Второе растение также поставили на стекло под колпак. Рядом с ним поместили стакан с содой и раствором соляной кислоты. При взаимодействии соды и соляной кислоты идет химическая реакция с выделением углекислого газа. Оба растения поставили на свет.

Через день взяли по одному листу с каждого растения и обработали их горячей водой, а затем спиртом. На обесцвеченные листья мы подействовали раствором йода. Лист второго растения посинел, значит, в нем образовался крахмал. Окраска листа первого растения не изменилась.

           Опыт показал, что для образования органических веществ необходим углекислый газ. Кроме него в образовании крахмала принимает участие вода.

Опыт №6.

         Учёные доказали, что поглощение растением одних веществ из внешней среды сопровождается выделением других. В природе происходит обмен веществ между живыми организмами и окружающей их внешней средой. Какое же вещество выделяет растение при фотосинтезе в окружающую среду?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели следующий опыт (демонстрируется опыт).    Водное  растение  мы положили в стакан и закрыли стеклянной воронкой. Пробирку до краёв заполнили водой и поместили на трубку воронки. Растение подкормили   углекислым газом. Стакан поставили на свет. Через некоторое время из стеблей стали выделяться пузырьки газа. Этот газ начал вытеснять из пробирки воду, в результате чего её уровень понизился. Когда вода полностью была вытеснена  газом, мы осторожно сняли пробирку с воронки. Уже в воздухе внесли в неё приготовленную тлеющую лучинку. Лучинка загорелась ярким пламенем. Значит газ, который выделило растение , это  кислород.

     Таким образом, сложные процессы, которые протекают в зелёных листьях, а именно в хлоропластах, и приводят к образованию сахара из углекислого газа и воды, могут идти только при наличии энергии. Откуда она поступает в клетки растений? Энергию растение получает от Солнца. Вот почему фотосинтез возможен только на свету. Свет - это один из видов энергии, или одна из её форм существования. Что же происходит с солнечным лучом (со световой энергией), когда она попадает на лист? Хлорофилл улавливает и направляет световую энергию на осуществление фотосинтеза, на образование органического вещества из  неорганических. Побочным продуктом, образующимся при фотосинтезе является кислород.

       Зелёный лист - источник жизни на нашей планете. Хлоропласты листа - это единственная в мире лаборатория, в которой из простых неорганических веществ - углекислого газа и воды - создаются с помощью энергии солнечного луча сложные органические вещества - сахар и крахмал. К. А. Тимирязев говорил: «Дайте самому лучшему повару сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтобы из всего этого он приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, - он решит, что вы над ним смеётесь. Но то, что кажется совершенно фантастическим человеку, беспрестанно совершается в зелёных листьях растений».  

Используемая литература

1. Захаров В.Б. Общая биология: учеб. для 10 кл. – М.: Дрофа, 2006
2. Сонин И.В. Биология: учеб. для 6 кл. М.: Дрофа, 2008.
3. Школьник Ю.К. Растения. Полная энциклопедия. – М.: Эксмо, 2011.
4. Холл Д., Рао К. Фотосинтез: Пер. с англ. — М.: Мир, 1983.