Интегрированный урок-лекция "биология + химия + физика" по теме "История открытия фотосинтеза"
план-конспект урока по биологии (10, 11 класс) по теме

Интегрированный урок-лекция "биология + химия + физика" по теме "История открытия фотосинтеза"

• Смирнова Ольга Константиновна, учитель биологии

Разделы: Биология

Цель урока: Вырабатывание единой естественнонаучной картины мира; научиться анализировать
явления; использовать теоретические знания в проектной деятельности; увеличить области
познания учеников

 ВВЕДЕНИЕ.
Фотосинтез – самый таинственный процесс, который таит в себе разгадку того, как в зелёном листе образуется пища для всего живого на Земле.
Фотосинтез – это процесс, которым человек хотел бы овладеть, ведь это сулит человеку многим:
- понять сокровенные тайны жизни,
- искусственно синтезировать белки, жиры, углеводы.
Ещё древние люди задумывались: «Почему маленькое зернышко, брошенное в почву, вырастает в гигантское растение»? «Почему повреждение корней приводит растение к гибели»?

АРИСТОТЕЛЬ, который был учеником ПЛАТОНА и наставником Александра МАКЕДОНСКОГО сделал вывод:

Растения – это такие же животные, только поставленные с ног на голову.

Но здравый смысл – хорошо, а наглядный пример лучше! (Наука начинается там, где от рассуждений  переходят к  эксперименту). Каждый из ниже названных мог бы по праву стать первооткрывателем самого таинственного процесса, но…

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ФОТОСИНТЕЗА
1. Начало научному подходу к физиологии растений положил ЯН БАПТИСТ ван ГЕЛЬМОНТ – голландец, естествоиспытатель. Перед ним стал вопрос, что важнее для растения вода или почва?  
ЯН БАПТИСТ ван ГЕЛЬМОНТ(1577 – 1644г.) человек, которому за полезные науке заблуждения в 1889 году
(через 245 лет после смерти) в Брюсселе воздвигли памятник. Ему было уже почти 50 лет, когда он завершил свой знаменитый опыт, длившийся целых пять лет. Гельмонт посадил ветку ивы в горшок, наполненный землёй, которую учённый предварительно и тщательно просушил в печи и взвесил с точностью до унции – вес оказался равным двумстам фунтам (1 унция 29,86 гр. 1 фунт 16 унций). Чтобы в горшочек не попали пыль и сор, он был накрыт крышкой, а иву поливали дождевой водой. Ровно через пять лет Гельмонт извлёк иву из горшка, очистил её от земли и взвесил: растение за пять лет увеличилось в весе на 164 фунта и 3 унции. Затем учённый вновь высушил взвесил землю, где пять лет развивалась ива, но земля потеряла всего лишь 2 унции. ЯН БАПТИСТ ван ГЕЛЬМОНТ делает для себя вывод : вода и только вода важна для растений. Это был первый в истории количественный эксперимент, а теория продержалась до 19 века.

2. Ещё ТЕОФРАСТ задумывался: зачем растениям листья? Не для красоты же! Над этим же вопросам решил подумать и  СТИВЕН ГЕЙЛС.  СТИВЕН ГЕЙЛС – английский священник, первым сделал попытку направить исследования о питании растений по правильному руслу. Он долгие годы изучал, как движется в растениях вода, поглощаемая корнями и испаряемая листьями? Пар – это тоже газ. Если растения могут извергать газы, то отчего же им их также и не поглощать? – так рассуждал С. ГЕЙЛС. А, может быть, они и дышат подобно животным? Хотя, видимо, и несколько иным способом. А если всё это так, то воздух мог бы служить растениям пищей. В 1727 году ГЕЙЛС высказал предположение о том, что растения получают часть необходимого им питания при помощи листьев из воздуха. В своих догадках он пошёл даже дальше, считая, что проникающий в ткани листьев свет, - писал он, - может быть, содействует облагораживанию веществ, в них находящиеся! Вывод, сделанный СТИВЕНОМ ГЕЙЛСОМ: воздух служит растениям пищей.    

3. Опередить свой век – не в этом ли высшая доблесть учённого! Девять наук : химия, физика, геология, география, астрономия, философия, история, филология – спорят, какая из них больше обязана гению МИХАИЛУ ВАСИЛЬЕВИЧУ ЛОМОНОСОВУ.  Михаил Ломоносов, задумываясь о том, как на скудных северных земля вырастают такие большие деревья, предполагал, что часть питания растения берут из воздуха, впитывая листьями. Во времена Ломоносова мысль о воздушном питании растений еще нельзя было подтвердить экспериментально, т.к. не была известна природа газов. М. В. ЛОМОНОСОВ не отрицал вывод, сделанный СТИВЕНОМ ГЕЙЛСОМ о воздушном питании растений.

4. Однако идея фотосинтеза ждала своего часа и этот час приближался. Английский ученый, химик, философ и общественный деятель  ДЖОЗЕФ ПРИСТЛИ совсем не помышлял о том, что мы сейчас называем фотосинтезом. Его целью было найти способ очистки воздуха испорченного горением, дыханием. Д. ПРИСТЛИ воздух, замкнутый в сосуде и испорченный горением освещал, охлаждал, нагревал, сжимал, разряжал, клал в сосуд различные предметы – всё тщетно – воздух не очищался, свеча гасла, а мышь погибала. И однажды, вопреки всякой логике, он поместил под колокол вместе с горящей свечой живую мышью. Так под колокол попал пучок мяты, который там рос и делал воздух пригодным для горения и дыхания. 

О своих опытах в 1772 году ДЖОЗЕФ ПРИСТЛИ писал: « Мне посчастливилось случайно напасть на метод исправления воздуха, который был испорчен горением свечи и, открыть, по крайней мере, один из исправителей, которым природа пользуется для этой цели. Это растительность».
Эксперименты ПРИСТЛИ произвели сильное впечатление на его современников. Президент Королевского общества, вручая Д. ПРИСТЛИ Большую золотую медаль, взволнованно говорил: «Отныне мы знаем, что от дуба в лесу до самой маленькой  былинки в поле вносят свою долю в поддержание необходимой для всего животного мира чистоты воздуха!».
Итак- 1771 (1772) год официально считается датой открытия фотосинтеза. 
И вот уже о Пристли заговорили в лондонских гостиных. Некая богатая дама, вдова известного судовладельца, наслушавшись рассказов об опытах проповедника из Лидса, решает испытать на себе действие вновь открытого очистителя воздуха. Возвратись около полуночи со званого обеда домой, она велит дворецкому тотчас перенести из зимнего сада в ее спальню, которая никогда не проветривается, пять самых больших кадок с тропическими растениями. А наутро вдова просыпается мучимая головной болью и посылает за доктором. Оправившись от недуга, дама спешит с визитами к знакомым и уверяет всех, что этот еретик Пристли плут и обманщик. Ведь она едва не умерла. Но зато теперь она знает доподлинно, что растения не очищают, а портят воздух!

5. Честь открытия фотосинтеза могут оспаривать сразу несколько живших в разное время крупных учённых. Но вот парадокс: каждый из них открыл фотосинтез… и не открыл!
Тут пожалуй нельзя не назвать ещё две фамилии: КАРЛ ВИЛЬГЕЛЬМ ШЕЕЛИ – шведский аптекар , до которого докатилась весть об опытах ДЖОЗЕФА  ПРИСТЛИ.
Узнав об удивительных опытах Пристли с мятой, Шееле решил повторить их и проверить. Ему это не стоило большого труда. Химик он был лучший, чем Пристли. Вскоре Шееле обнародовал результат. Вывод шведского химика был краток и полностью совпадал с мнением лондонской вдовы: растения не улучшают воздух, а делают его не пригодным для дыхания.
Два добросовестнейших исследователя пришли к противоположным выводам: Пристли доказывает, что растения исправляют воздух, Шееле-что портят. Подобные расхождения в науке вовсе не редкость. Обычно время решает, кто прав, кто вел опыты точнее, кто не ошибся в выводах. А вот спор Шееле с Пристли время разрешило по-иному...

   Как вы думаете, почему ученые получили противоречивые результаты?

А всего-то потому, что опыты ШЕЕЛИ проводил, в основном, в ночное время суток, так как днём он работал. 
КАРЛ ВИЛЬГЕЛЬМ ШЕЕЛИ обвинил  ДЖОЗЕФА  ПРИСТЛИ ….и был прав и не прав. Спор ДЖОЗЕФА  ПРИСТЛИ и КАРЛА ВИЛЬГЕЛЬМА ШЕЕЛИ разрешил голландец ЯН ИНГЕНХАУЗ –личный врач австрийской императрицы Марии Терезии. Покинув Вену, он уединился летом 1779 года в деревне близ Лондона и стал с лихорадочной поспешностью ставить опыт за опытом. ЯН ИНГЕНХАУЗ поместил ветку элодеи под водой, прикрыв опрокинутой воронкой, а на шейку воронки надел пробирку. На солнечном свету из растения(сквозь воду) в пробирку устремились пузырьки газа. Когда пробирка достаточно наполнилась газом, ЯН ИНГЕНХАУЗ опустил в пробирку тлеющую лучинку: она ярко вспыхнула. ДА, растения выделяют чистейший кислород. 
Десятки раз в различных вариантах повторял учённый свои опыты. В 1779 году, размышляя об опытах ПРИСТЛИ заметил, что в опыты проводились и в ночное и дневное время суток, а газ выделялся только на свету. Сомнений нет: растения очищают воздух только на свету, и лишь зелёными своими частями. Не зелёные части газовых пузырьков не выделяют.
Так было найдено, что энергия лучей Солнца запускает процесс фотосинтеза.

  КЛИМЕНТ АРКАДЬЕВИЧ ТИМИРЯЗЕВ – русский биолог-дарвинист и общественный деятель. Окончил Петербургский университет (1865). Член - корреспондент Петербургской АН (с 1890). Профессор Петровской (ныне Тимирязевский) земледельческой и лесной академии (с 1871) и Московского университета (с 1877).
Экспериментальные, исследования ТИМИРЯЗЕВА посвящены главным образом проблеме фотосинтеза, а также вопросам дыхания и почвенного питания растений. ТИМИРЯЗЕВ был одним из основателей агрохимии в России. Основные научные работы посвящены экспериментальной и теоретической разработке проблеме фотосинтеза. Изучал зависимость фотосинтеза от качественного состава света. КЛИМЕНТ АРКАДЬЕВИЧ установил, что фотосинтез осуществляется в строгом соответствии с законом сохранения энергии. Энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и используется для образования органических веществ из углекислого газа и воды. К. А. ТИМИРЯЗЕВ первым показал, что зеленная окраска хлорофилла является приспособлением для поглощения солнечной энергии. Его исследования явились подтверждением учения о единстве и связи живой и не живой материи в круговороте веществ и энергии в природе.

1. ВСТУПЛЕНИЕ
Если бы человек обладал инфракрасным зрением, то ночью мы бы видели как днём все органические тела, потому что их температура отличается от тел неживой природы. Мы даже могли бы отличить одно живое существо от другого, если бы температура их тел были различными. Но смогли бы мы вообще что – нибудь видеть, если бы наши глаза воспринимали инфракрасные лучи? 
Самым мощным источником таких лучей для нас было бы наше собственное тело. При температуре тела 37°С максимум его излучения приходится на длину волны 9.000 – 10. 000 нм. Внутренние стенки нашего глаза ежесекундно излучают 0,85 Дж энергии. Такую же энергию глаз получил бы от лампы зелёного света в 4 млн.Кq, поставленной на расстояние 1 метр от глаза. А освещённость, создаваемая летним солнцем, 
равна освещённости, создаваемой лампой  зелёного света в 200 000 Кq , находящейся на расстоянии 1 метра от глаза. Отсюда ясно, что при восприимчивости глаза к инфракрасным лучам, свет Солнца для нас померк бы из – за собственного излучения. Следовательно, мы ничего не сможем увидеть – наши глаза   будут бесполезны. А почему же глаза не реагируют на инфракрасные лучи? Энергия квантов инфракрасных лучей (℮ ₌ ȟᴠ, где ȟ - постоянная Планка, ᴠ - частота волны) слишком мала.

2. УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ    
Ультрафиолетовые лучи так же не видимы для глаз, хотя энергия их квантов значительно больше, чем квантов видимого света. Сетчатка чувствительна к ультрафиолетовым лучам, но они поглощаются хрусталиком – иначе они могут вызвать разрушающее действие. Почему глаз в процессе эволюции не приспособился к ним?

3. УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ
Вспомним, как распределена энергия в зависимости от длины волны в спектре солнечного излучения (смотреть график). На графике по оси абсцисс отложены длины волн, по оси ординат- энергия в относительных единицах. Кривая(1)-отражает распределение энергии солнечного излучения при положении Солнца над головой; кривая( 2)- при высоте Солнца над горизонтом, соответствующей 30°; кривая(3)- при условиях близких к восходу и закату. На графике в начале координат стоит не ноль, а 300 нм.

Дело в том, что у поверхности Земли солнечный спектр практически начинается от 290 нм, так как более короткие волны задерживаются слоем озона, находящегося в верхних слоях атмосферы (приблизительно на высоте 30 км). В нём непрерывно происходят химические реакции под действием квантов высокой энергии:

4.  УЧИТЕЛЬ БИОЛОГИИ
В процессе эволюции глаза животных организмов приспособились воспринимать энергию излучения самого мощного источника на Земле - Солнца, и именно те волны, на которые приходится максимум энергии солнечного излучения, падающего на Землю.
А теперь попытаемся объяснить встречающиеся нам явления с помощью знаний о дискретности (дискретный – раздельный) энергии в микромире. Как только появляются первые листочки, сразу начинается работа зелёных тружеников. Ни на секунду в них не прекращается процесс, благодаря которому всё живое получает кислород для дыхания и пищу. Его название – ФОТОСИНТЕЗ. Начинается этот процесс с поглощения молекулой хлорофилла кванта света, а оканчивается синтезом углеводов из углекислого газа и воды: 
Как же происходит этот процесс? Вопрос этот решается вот уже почти 200 лет и всё ещё исчерпывающий ответ на него не получен. Например, как энергия кванта света преобразуется в энергию того первичного вещества, которое потом даёт энергию для синтеза органических веществ? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимы не просто знания химии, физики, биологии, а синтез этих знаний.
Возьмём берёзовый листок, присмотримся к нему. Он плоский и широкий – ему необходима максимальная поверхность, как для восприятия солнечных лучей, так и для газообмена с воздухом. Внешние клетки верхней и нижней поверхности листа образуют бесцветный защитный слой – эпидермис или кожицу. Его клетки тонкие, прочные, с плотными стенками – они хорошо защищают внутреннюю мякоть листа и предохраняют её от потерь воды. Между верхним и нижним эпидермисом находятся тонкостенные клетки, содержащие много хлорофилловых зёрен. Лист пронизан сосудисто волокнистыми пучками, по ним уходят продукты ассимиляции от переполненных ими клеток. 
Фотосинтез происходит в зелёных пластидах – хлоропластах, они имеют элептическую форму. В зависимости от освещённости листа, хлоропласты меняют своё расположение, что защищает их от перегрева.

5. УЧИТЕЛЬ ХИМИИ.
Лист имеет зелёную окраску благодаря присутствию в его клетках хлорофилла. К группе хлорофиллов относятся сложные органические соединения с атомом магния в центре молекулы ( молекула хлорофилла похожа на молекулу гемоглобина, только в центре её атом железа). Молекулы хлорофилла и «ответственны» за  уникальный процесс превращении энергии света в энергию органических веществ. Он начинается с поглощения кванта света молекулой хлорофилла… Часть упавших фотонов поглощается молекулами хлорофилла. В тот момент, когда одна молекула хлорофилла поглотит один фотон, один из её электронов перейдёт с более низкого энергетического уровня на более высокий. Этот электрон, получивший добавочную энергию и перешедший на более высокий энергетический уровень, называют «возбуждённым» электроном. Таких электронов в клетке в каждый момент времени столько, сколько молекул хлорофилла, поглотивших каждая «свой» фотон. А если бы мы сказали «квант» вместо «фотон», не было бы здесь ошибки? Не было, но если мы сказали «квант света», потому что имеется в виду видимый свет. Возбуждённые электроны долго не остаются в новом для них энергетическом состоянии. Часть их возвращается на прежний уровень, излучив при этом полученную в результате поглощения кванта света энергию; часть переходит к иону магния, расположенному в центре молекулы хлорофилла. Весь световой день молекулы хлорофилла «занимаются», тем, что получив фотон, используют его энергию, превращая её в потенциальную энергию электрона. Их действие можно сравнить с действием механизма, поднимающего мячик на некоторую ступеньку лестницы. Скатываясь по её ступенькам, мячик теряет свою энергию, но она не исчезает – постоянно превращается… во внутреннюю энергию, образующуюся в процессе фотосинтеза веществ. Эта аналогия поможет понять, почему молекулы хлорофилла «трудятся» только на протяжении светового дня, только когда на них падает видимый свет. Ночью они « отдыхают» не смотря на то, что недостатка в электромагнитных излучениях, попадающих на лист, нет: Земля сама излучает инфракрасные лучи, да и растения в процессе своей жизнедеятельности также их излучают. В процессе эволюции растения приспособились аккумулировать энергию самого мощного источника энергии на Земле – Солнца.
Когда в условиях полярного дня попробовали выращивать растения, они плохо развивались и плодоносили. По-видимому это у растений наследственное- ночью выполнять одну работу, днём- другую: фотосинтез состоит из световых и темновых реакций. Такое разделение на дневную и ночную «смены» возможно благодаря квантовым свойствам света. Если бы происходило непрерывное поглощение света объектами микромира, то растения были бы совершенно другими.