Тайна зеленого листа

МБОУ «Гимназия №73»

  Научно-практическая конференция учащихся

Тайны зеленого листа

Выполнила:

 Ученица  6а класса

Чупина Анастасия

Научный руководитель:

учитель биологии

Галикберова  Светлана Александровна

Новокузнецк, 2014

Содержание.

Введение…………………………………………………………………..3

          1.Фотосинтез и необходимые для него условия……………………….4

          2. Научные открытия в области фотосинтеза, сделанные в XX в……..6

         3. Практическая часть,опыты Ю.Сакса………………………………..8

Заключение……………………………………………………………….8

Введение.

Все, конечно, читали про путешествия Гулливера? Тогда,  наверное вы помните, что, кроме странствий в страну лилипутов и страну великанов,  в 1726 году, английский писатель Джонатан Свифт описал и путешествие своего героя на летающий остров Лапуту. Здесь-то Гулливер и встретился с человеком, который восемь лет "разрабатывал проект извлечения солнечной энергии из огурцов". Но известно, что подобный человек жил на свете! То был великий русский учёный К.А. Тимирязев. Свою лекцию в Лондонском королевском обществе он начал так: "Для первого знакомства я должен откровенно признаться, что перед вами именно такой чудак. Более тридцати пяти лет провёл я, уставившись если не на зелёный огурец, то на нечто вполне разнозначащее - на зелёный лист в стеклянной трубке, ломая себе голову над разрешением вопроса о запасании впрок солнечных лучей..." Тимирязев - и это научный подвиг! - приоткрыл завесу над тайной накопления солнечной энергии в живом зелёном листе - тайной фотосинтеза. То, что делают растения, захотели повторить и люди. Более двух столетий физики, химики, биологи пытаются разгадать механизм фотосинтеза. Было много открытий, но ещё больше ошибок и разочарований... Цвет жизни на нашей планете — зеленый, потому что зеленые молекулы хлорофилла в растениях, которые составляют основу любой жизни и превращают энергию падающего солнечного света в материалы, из которых построены живые существа. Можно только удивляться тому, что в прошлые века люди почти не интересовались механизмом превращения этой энергии — процессом, который мы теперь называем фотосинтезом. Так уж сложилось, что закономерности движения планет и звезд стали понятны людям задолго до того, как у них появились малейшие представления о роли травы у них под ногами. Кажется удивительным, что при всей важности фотосинтеза ученые так долго не приступали к его изучению.

Этот удивительный процесс и заинтересовал и меня, поэтому цель моей работы выяснить - какие вещества необходимы растению для жизни, какие вещества образуются в результате данного процесса?

Для достижения поставленной цели мы выделили несколько задач:

-проанализировать научные исследования ученых Яна Ингенхауза, Ю. Сакса, Стивена Гельса и других

- выяснить где и при каких условиях происходит фотосинтез

-доказать эксперементальным путем образование органических веществ

- выяснить,  почему растения имеет зеленую окраску

-выяснить какое биологическое значение имеет данный процесс

1.Фотосинтез и необходимые для него условия.

Мы посеяли в  почву семя фасоли и хорошо полили его. Через несколько дней из земли показался проросток, он желтоватого цвета, но на свету очень быстро становится зеленым. Что означает эта перемена? Сначала проросток жил еще за счет запасов питательных веществ (жира, крахмала, белков), которые накопило для него в семенах материнское растение. А теперь он начал самостоятельную жизнь: в нем на свету происходит фотосинтез. Крошечное зеленое растеньице, поглощая углекислый газ и воду, строит из них, используя энергию солнечных лучей, углеводы, сахар и крахмал, а часть кислорода воды выделяет в атмосферу. Чем же питается растение и откуда берет оно остальные питательные вещества?Фотосинтез - процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных химических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.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). Известно, что в состав протоплазмы клеток растения входят белки. Значит, растение должно получать материал для построения белков — азот. Азот растение берет из почвы в виде солей азотной кислоты и аммония. Из этих солей и созданных в процессе фотосинтеза углеводов в растении образуются белки — вещества, составляющие основу всего живого. Этой замечательной способностью — из углекислого газа и воды под влиянием солнечной энергии создавать сложные органические вещества — углеводы, а из углеводов и минерального азота образовывать белки — зеленое растение и отличается от животного организма. Однако растению нужны соли, содержащие не только азот, но и другие минеральные вещества, в состав которых входят химические элементы: фосфор, сера, калий, железо, кальций, магний. Кроме того, в ничтожных количествах ему нужны и микроэлементы: бор, цинк, медь, молибден, марганец и др. Воды растению нужно очень много, ведь его тело больше чем на 80% состоит из воды. Но усваивает оно лишь 2—3% поглощенной воды, остальные 98—97% ее все время испаряются с поверхности растения.  Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:    вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород

2. Научные открытия в области фотосинтеза, сделанные в XX в.

Первое серьезное исследование механизма роста растений провел фламандский аристократ Ян Баптист Ван Гельмонт. Перед тем как посадить дерево в горшок, он взвесил в нем землю. В течение нескольких лет Ван Гельмонт поливал дерево, а затем снова взвесил дерево и землю и обнаружил, что вес дерева увеличился на 74 кг, а вес почвы при этом уменьшился примерно на сто грамм. Стало ясно, что почва не является источником материала для построения растущего дерева. На самом деле Ван Гельмонт сделал неверный вывод из своего открытия — он утверждал, что дополнительный вес получен из воды. Оставалось два столетия до представления о том, что углерод дерева образуется в результате превращений атмосферного углекислого газа, и еще одно столетие до понимания молекулярного механизма фотосинтеза. Тем не менее Ван Гельмонт не оставил ни у кого сомнения в том, что материал, называемый нами биомассой, поступает не из почвы, а из другого источника, и это открытие позднее стало основой наших представлений о роли растений.

История изучения фотосинтеза начинается с момента обнаружения известным английским химиком Джозефом Пристли факта, что зеленые растения в отличие от животных организмов способны исправлять испорченный последними воздух, делая его вновь пригодным для поддержания жизни. Это событие относится к 1771 г.; оно произошло еще до того, как стало известно существование кислорода, открытого тем же Пристли лишь через несколько лет.

Английский учёный Джозеф Пристли заинтересовался вопросом – как же возможно постоянное содержание кислорода в планете, когда мы, вдыхая его, перерабатываем в углекислый газ? Очевидно, что некая часть природы должна выделять кислород. Но какая? Пристли предположил, что это могут быть растения. В 1771 году он провёл опыт – поместил под стеклянный колпак мышь, через несколько часов мышь умерла от недостатка кислорода. Тогда он поместил под колпак веточку мяты – мышь продолжала здравствовать и по истечении указанного времени. Тем не менее, демонстрация опыта знакомым учёным провалилась – мышь умерла и с веточкой мяты. В 1779 году голландский учёный Ян Ингенхауз, размышляя об опытах Пристли, заметил, что в первом случае веточка была на свету, а во втором – в темноте. Значит растения выделяют кислород только на свету. Проводя опыты с водным растением элодеей, мы даже не подозреваем, что в точности повторяем опыт, впервые проделанный летом 1779 г. голландским врачом Ингенгаюм, служившим в то время в Вене. Его опыт стал классическим.  Ингенгауз проделал много опытов с зелеными растениями, как наземными, так и водными, и пришел к выводу: зеленые части растения очищают воздух (выделяют кислород) только на свету. «Я наблюдал, что растения не только обладают способностью исправлять дурной воздух в течение 5—6 дней, если растут в нем, но что они полностью совершают этот важный процесс в течение нескольких часов, и этот удивительный процесс вызывается не самим растением, но действием солнечного света на растение. Растения сверх того имеют самую неожиданную способность перерабатывать тот воздух, который они содержат в себе, и несомненно, постоянно поглощают из обычной атмосферы, в настоящий... воздух...

 Они изливают постоянно потоки этого очищенного воздуха, который... делает атмосферу более пригодной для жизни животных. Эта деятельность начинается лишь после того, как солнце поднялось над горизонтом... Эта деятельность растений уменьшается к концу дня и прекращается полностью при закате», — так писал Ингенгауз, обобщая свои наблюдения над растениями. Надо отметить, что еще в 1753 г. швейцарский ученый Шарль Бонне наблюдал, что свежесорванные листья растения при погружении их в воду покрываются пузырьками воздуха. Однако Бонне не придал этому значения и прошел мимо открытия.

 Швейцарский естествоиспытатель Жан Сенебье первым проделал точный эксперимент, благодаря которому доказал, что источником углерода в растениях является усваиваемый ими на свету углекислый газ. Сенебье подметил, что если ветку с листьями поместить в предварительно прокипяченную воду, из которой кипячением удалены газы, то выделения пузырьков кислорода не наблюдается даже при самом хорошем освещении. Но выделение кислорода начинается сразу же, как только воду начинали насыщать углекислым газом. Сенебье пришел к выводу, что именно испорченный воздух, т.е. углекислый газ, является пищей для растений. «Углекислота разлагается на свои элементы (углерод и кислород) силою света... Причем кислород выделяется, а углерод остается составной частью растений...» - писал Сенебье в 1782 г. Соотечественник Сенебье Н.Соссюр экспериментально доказал, что прирост сухого вещества у растений осуществляется за счет газообмена, т.е. установил явление воздушного питания растений.В 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман (Frederick Blackman, 1866–1947) провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Он показал, что фотосинтез начинается при слабом освещении, что скорость фотосинтеза возрастает с увеличением светового потока, но, начиная с определенного уровня, дальнейшее усиление освещения уже не приводит к повышению активности фотосинтеза. Блэкман показал, что повышение температуры при слабом освещении не влияет на скорость фотосинтеза, но при одновременном повышении температуры и освещения скорость фотосинтеза возрастает значительно больше, чем при одном лишь усилении освещения.На основании этих экспериментов Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло в основу современных представлений о фотосинтезе. Два процесса иногда называют «световой» и «темновой» реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции «темновой» фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты «световой» фазы.

3. Практическая часть. Опыты Ю.Сакса.

Целью проведения опытов является проверить образование органических веществ из неорганических, в частности доказать  процесс образования крахмала. Как проверить, есть ли в листьях того и другого растения крахмал?  Мы решили проанализировать опыты Ю.Сакса, и продемонстрировать их вам.

 В 1865 г. Немецкий ботаник и физиолог растений Юлиус Сакс продемонстрировал, что на свету в листьях образуется крахмал и что он находится в хлоропластах. Мы попробуем провести данный эксперимент. Для этого попробуем капнуть йод на листья растения, мы ничего не обнаружили, причиной неудачи с применением йода в данном случае является хлорофилл, который как красящее вещество зеленого цвета мешает обнаружить крахмал. Продолжим наш опыт,  для этого возьмем 2 растения, одно предварительно выдерживали в темноте 3 суток, а листья другого под светом лампы 10 часов. После экспозиции листья помещали в кипяток на одну минуту, а затем обесцвечивали горячим спиртом и обрабатывали раствором йода. Листья растения, которое выдерживали под светом лампы, становились темно-фиолетовыми из-за образования комплекса крахмала с йодом, а листья растения, которое находилось в темноте, оставались неокрашенными. Этот опыт доказал, что крахмал образуется во время световой фазы фотосинтеза, а во время темновой фазы он не образуется. Микроскопический анализ показал, что крахмальные зерна образуются именно в хлоропластах. Эта «проба Сакса», как ее стали называть, настолько чувствительна, что на листьях удается получить отпечатки с фотонегативов. На прямом солнечном свету для образования крахмала достаточно уже 5 мин. А.С.Фаминцын в 60-е годы прошлого столетия наблюдал образование крахмала в клетках водоросли спирогиры уже через 30 мин освещения слабым светом керосиновой лампы.

Тимирязев К.А для изучения этого процесса в очень маленькую пробирку с тонкими стенками наливал воду, содержащую углекислый газ, и помещал туда лист элодеи, предварительно выдержанный в темноте, чтобы в нем не было крахмала. Затем рассматривал лист под микроскопом и наблюдал за хлоропластами. Но как только на лист направлялся солнечный лист, через некоторое время в хлоропластах появлялись мелкие крупинки, затем увеличивались в размере. Чтобы ответить себе, что это за крупинки Тимирязев обесцвечивал лист элодеи в кипящем спирте, обливал растворам йода и снова рассматривал под микроскопом.  Оказалось это крахмальные зерна окрасились в синий цвет. Значит в хлоропластах находятся крахмальные зерна.

Заключение.

Мы с вами экспериментально доказали, что процесс образования в хлоропластах органического вещества на свету из углекислого газа и воды получил название фотосинтез от греческих слов фотос - свет синтез – соединение.

Итак я считаю, что познание молекулярных механизмов фотосинтеза будет иметь большое значение для обеспечения человечества экологически чистой энергией за счет практически неиссякаемого источника - солнечного излучения (например, на основе фоторазложения воды на молекулярной водород и кислород), для повышения фотосинтетической продуктивности растений, лежащей в основе обеспечения человечества пищей, для использования принципов фотопреобразования световой энергии при фотосинтезе в фотобиотехнологических и фотобиотехнических системах, для обеспечения длительных космических экспедиций органикой и молекулярным кислородом, для решения проблем экологической безопасности отдельных регионов, для сохранения и развития биосферы.

“Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез… В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей… Этот луч согревает нас…”. К.А. Тимирязев.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айкхорн П. И др. «Современная ботаника», стр.95-99.

2. Артемов А. «Энциклопедия БИОЛОГИЯ», 2006, стр.200-203.

3. Коган В.Л. и др. «Биология», 1999, стр.160-161.

4. Медведева В. «Ботаника», 2003, стр.128-131.

5. Питерман И. и др. «Интересная ли ботаника?», 1999, стр.19-20.

6. Пенкин П. «Физиология растений», 1999, стр.69.

7. Челобитько Г. и др. «Ботаника», 1990, стр.79, 102-103.

8.  http://www.ecosystema.ru