Образование в листьях органического вещества и его использование в питании растений, биология

• Класс: 6______, 6_______, 6_______, 6______
• Тема урока: образование органических веществ в листьях
• Цель: знакомство с процессом фотосинтеза
• Обучающая задача: сформировать у учащихся знания о
  фотосинтезе как основной функции листа, раскрыть его значение для планеты.
• Развивающие задача: развивать понятие о питании растений, о
  функциях листа; развивать мышление, умение делать логические выводы
• Воспитывающие задачи: воспитывать самостоятельность,
  культуру поведения, речи; активизировать познавательный интерес к предмету
• Тип урока: изучение нового материала
• План урока:
• 1.            Организационный момент
• 2.            Проверка домашнего задания
• Фронтальный опрос
• 3.            Объяснение новой темы

Раньше люди были уверены, что все вещества для своего
питания растения берут из почвы. Но один опыт показал, что это не так.

В горшок с землёй было посажено дерево. При этом измерили
массу и земли, и дерева. Когда через несколько лет снова взвесили то и другое,
оказалось, что масса земли уменьшилась всего на несколько граммов, а масса
растения увеличилась на много килограмм.

В почву вносили только воду. Откуда же взялись эти
килограммы растительной массы?

Из воздуха. Все органические вещества растений созданы из
углекислого газа атмосферы и почвенной воды.

1. Фотосинтез проходит только в зелёных частях растений, а
   точнее, в особых органах растительных клеток – хлоропластах.
2. Хлоропласты являются как бы фабрикой, на которую поступает
   сырьё:
3. углекислый газ (формула – СО₂);
4. вода (Н₂О).

Вода поступает из корней, а углекислый газ – из атмосферы
через особые отверстия в листьях-устьица. Свет является энергией для работы
фабрики, а полученные органические вещества – продукцией.

Сначала производятся углеводы (глюкоза), но впоследствии из
них образуется множество веществ разнообразных запахов и вкусов, которые так
любят животные и люди.

Из хлоропластов полученные вещества транспортируются в
разные органы растения, где откладываются в запас, либо используются для
процессов жизнедеятельности.

Фотосинтез процесс образования органических веществ из
неорганических с выделением кислорода в воздух под влиянием солнечных лучей и с
участием хлорофилла. Русский ученый изучающий фотосинтез К.А. Тимирязев.

4.            Закрепление материала

·        
Вставьте пропущенные слова.

…1 является
важнейшим органом растения, в котором из неорганических веществ образуются
органические. Процесс образования органических веществ изнеорганических в
зелёных растениях на свету называется …2 . Фотосинтез
происходит в …3 . В процессе фотосинтеза происходит поглощение
…4 и …5 , и выделение …6 в
окружающую среду.

• Ответ: 1 –
  лист, 2 – фотосинтез, 3 – хлоропластах, 4 – углекислого газа, 5 – воды, 6 –
  кислорода
• 5.            Домашнее задание
• Изучить параграф 27, ответить на вопросы
• .

Образование органических веществ в листьях

1. Что такое фотосинтез, и каково его значение?
2. В каком месте растения образуется крахмал?
3. Как растение получает и хранит энергию от солнца?
4. Какой газ поглощается и выделяется листом во время фотосинтеза?
5. По какой причине в организме происходит превращение сахара в крахмал и обратно в сахар?

Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из неорганичес­ких (углекислый газ и вода) в зелёных органах растения с помощью хлорофилла и энергии солнечного света.

Образование органических веществ в листьях ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЕТА

Зелёный цвет листьям придаёт хлорофилл, потому что в нём имеются соединения магния. В результате хлорофилл обладает свойством поглощения солнечной энергии.

Здесь происходит очень важный процесс, обеспечивающий жизнь на всей Земле. Происхо­дит образование необходимых для растений, животных и человека органических веществ.

Это мы называем процессом фотосинтеза, «фото» означает «свет», а «синтез» — «образование».

Следовательно, необходимые для всех живых существ пита­тельные вещества образуются под воздействием солнечного света.

Из чего они образуются, и какие вещества получаются?

Изначально питательные вещества образуются из воды и углекислого газа. Для их соединения нужна энергия. Используя с помощью хлорофилла энергию солнечного света, из воздуха — углекислый газ, впитывая через корень воду, образуется самое не­обходимое для организма вещество — глюкоза, потом крахмал.

По­ступающая от солнца энергия используется для образования этого вещества и сохраняется в нём.Для определения значения солнечного света и хлорофилла про­ведём опыт. Необходимо взять два-три комнатных растения и поме­стить их на 3-4 дня в тёмный шкаф. Затем надо наклеить на один из листочков тёмную бумагу с вы­резанным треугольником шириной 1,5 см.

И после надо поставить рас­тение на светлое место. Через 8-10 часов отклеиваем тёмную бумажку и опускаем лист растения в кипящую воду. Если лист после этого опустить в подогретый спирт, лист обесцвечи­вается, теряя зелёную краску. Хло­рофилл выводится, растворяясь в спирте.

Размещаем после этого лист растения на тарелке и, капнув на негораствор йода, мы увидим, как окрасится в синий цвет место от треугольни­ка, оставленного тёмной бумажкой. Причина в том, что крахмал окрашивается в синий цвет под воздей­ствием йода.

Значит, крахмал обра­зовался только в том месте листа, который был осве­щён солнцем.

Как образуются в ор­ганизме растений другие органичес кие вещества, кроме крахмала (белки, жиры и др.)?

Изначально в листьях образуются простые сахара, или глюко­за, которые затем превращаются в крахмал. Но крахмал может об­ратно превратиться в сахара и поступать в другие органы растения, включая плоды и семена.

Большинство сахаров, образованных во время фотосинтеза, соединяясь с минеральными солями, поступив­шими от корней, участвуют в образовании белков, жиров и других веществ. Большинство этих веществ направляется на построение новых клеток. Остальная часть накапливается в виде запасающей ткани.

Например, запасающая ткань картофеля — крахмал, в ар­бузе, винограде, плодах персика — сахар, в семенах подсолнуха, хлопка, льна  жир.

А в фасоли, чечевице, нуте — накапливается в виде белка. В листьях некоторых растений, например традис- канции, имеются белые полосы. И если с такими листьями про­вести вышеописанный опыт, можно заметить наличие крахмала в таких полосах.

Мы увидим, что крахмал образуется в зелёных частях растения. Значит, питательные вещества образуются толь­ко при наличии ядер хлорофилла и света. То, что этот процесс назван фотосинтезом, указывалось ранее. Заключённая в пита­тельных веществах зелёного растения энергия — солнечная энер­гия.

Эта энергия может сохраняться в запасающей ткани (семян, плодов и др.). И после того, как животные или человек употребят их, происходит распад сложных органических веществ с участием кислорода и выделением энергии.

С помощью этого сохраняется тепло организма, возможна двигательная активность. Таким обра­зом обеспечивается жизнь на Земле.

Урок№ 14. Лабораторная работа. Определение образования органического вещества в листьях растений в процессе фотосинтеза

Полная версия 46 (час) лабораторных работ с видеоматериалами

Тип урока – комплексное применение ЗУН учащихся

Метод обучения – основаны на самостоятельном проведении учащимися экспериментов, исследований и выдвижение гипотезы. Определение путей ее реализации, подбор необходимых приборов и материалов самими учащимися.

Формы организации деятельности учащихся

Форма организации работы	Особенности, признаки	В каком случае выбираем ту или иную форму на теоретическом обучении	В каком случае выбираем ту или иную форму на практическому обучении
Парная	Когда преподаватель организует выполнение работы парами: сильный учащийся – слабый учащийся. Или два равных по успеваемости.	1.В ходе актуализации опорных знаний, когда предстоящая работа требует серьезного предварительного осмысления. Пары учащихся обсуждают предстоящее задание. 2.В ходе лабораторно-практической работы возможна организация взаимоконтроля и взаимопомощи. Во время проведения итогов возможна организация взаимной оценки работ.	1.В ходе вводного инструктажа, когда предстоящая практическая работа требует серьезного осмысления, пары учащихся обсуждают предстоящее задание. 2.В ходе практической работы возможна организация взаимоконтроля и взаимопомощи. 3.В ходе заключительного инструктажа возможна организация оценки работы

Аутэкология— раздел экологии, изучающий влияние факто­ров окружающей среды на отдельные организмы (растения, жи­вотные, грибы, бактерии).

Задача аутэкологии — выявление фи­зиологических, морфологических и других приспособлений (адаптаций) видов к различным экологическим условиям: режиму увлажнения, высоким и низким температурам, засолению почвы и т.д.

В последние годы у аутэкологии появилась новая задача — изучение механизмов реагирования организмов на различные ан­тропогенные загрязнения: физические, химические и биологиче­ские.

Совокупность всех популяций разных видов, проживающих на одной территории, вместе с окружающей средой называется эко­логической системой или экосистемой, например, лес, озеро, луг. В. Н.

Сукачевым предложен термин биогеоценоз (жизнь; — Земля; — общий).

Биогеоценоз включает две компоненты: биотическую — сообщество живых организмов (биоценоз) и абиотическую — совокупность неживых факторов среды.

Живые организмы, входящие в состав биогеоценоза, не одина­ковы с точки зрения ассимиляции ими вещества и энергии и раз­ложения органических соединений. В экосистеме выделяют три группы организмов: продуцентов, консументов и деструкторов.

Продуценты — организмы, которые могут строить собствен­ное вещество из минеральных компонентов, среди них можно назвать растения (фотоавтотрофы), микроорганизмы (хемоавтотрофы

Косументы — организмы, по­требляющие готовые органические вещества, создаваемые автотрофами (продуцентами). Выделяют консументы первого порядка — фитофаги, второго, третьего порядка — хищники.

Биодеструкторы — восстанови­тели, организмы, которые разлагают сложные органические ве­щества до минеральных веществ. Это в основном бактерии, гри­бы, мелкие беспозвоночные.

• Определение образования органического вещества в листьях растений в процессе фотосинтеза (по содержанию углерода)
• Фотосинтез — основной процесс аккумуляции вещества и энергии на Земле, в результате которого из СО2 и Н2О образу­ются органические вещества (в данной формуле — глюкоза):
• 6СО2 + 6Н2О + энергия све^та —— С6,Н2О6 + 6О2 ^

Организмы-фото синтетики получили название продуцентов, в пищевых цепях экосистем они создают первичную органиче­скую массу, кроме того фото синтетики выделяют кислород. Кисло­родная атмосфера создана при их участии, что привело к появле­нию аэробного дыхания живых организмов Земли.

Один из способов измерения интенсивности фотосинтеза зак­лючается в определении образования органического вещества в растениях по содержанию углерода, который учитывается мето­дом мокрого сжигания, разработанным И.В. Тюриным для почв и модифицированным для древесных растений Ф.З. Бородулиной (Баславская, Трубецкова, 1964; Практикум… 1972).

Во взятом образце листьев определяется содержание углерода, затем листья выдерживаются 2—3 ч и более на свету и снова оп­ределяется содержание углерода. Разница между вторым и пер­вым определением, выраженная на единицу поверхности листа в единицу времени, показывает количество образовавшегося ор­ганического вещества.

В качестве индикатора применяют бесцветный раствор дифе­ниламина, который при окислении переходит в дифенилбензидинвиолет сине-фиолетового цвета. Бихромат калия окисляет дифениламин, и смесь приобретает красно-бурую окраску. При титровании солью Мора шестивалентный хром восстанавливает­ся в трехвалентный.

В результате цвет раствора переходит в си­ний, а к концу титрования — в сине-фиолетовый. Когда же хром будет оттитрован, последующее добавление соли Мора вызы­вает переход окисленной формы индикатора в восстановленную(бесцветную); появляется зеленая окраска, которую придают рас­твору ионы трехвалентного хрома.

Четкому переходу сине-фиолетовой окраски в зеленую мешают ионы трехвалентного же­леза, появляющиеся в процессе реакции.

Чтобы сделать более ясным конец реакции титрования, ее проводят в присутствии ортофосфорной кислоты, которая связывает ионы Реъ+ в бесцветный комплексный ион [Ре(Р04)2]3- и предохраняет дифениламин от окисления.

Цель работы: изучить образование органического вещества в листьях разных древесных растений.

Материалы и оборудование: конические колбы на 250 мл; тер­мостойкие конические колбы на 100 мл; маленькие стеклянные воронки, используемые как обратные холодильники; бюретки; пробочное сверло или другое приспособление для выбивания дисков диаметром 1 см; мерный цилиндр; вегетирующие растения с симметричной широкой и тонкой листовой пластинкой (листья древесных растений).

Реактивы: 0,4 н. раствор бихромата калия (в разбавленной серной кислоте (1:1)); 0,2 н. раствор соли Мора; дифениламин; 85%-ная ортофосфорная кислота.

Ход работы. Лист вегетирующего растения разделите на две половинки вдоль главной жилки и на одной из них вырежьте про­бочным сверлом 3 диска диаметром 1 см, поместите на дно кони­ческой термостойкой колбочки объемом 100 мл, куда налейте 10 мл 0,4 н. раствора К2Сг207.

Колбу закройте маленькой ворон­кой носиком вниз и поставьте на электроплитку с закрытой спи­ралью в вытяжной шкаф. Когда раствор закипит, добейтесь слабо­го кипения в течение 5 мин, иногда слегка взбалтывайте колбу круговым движением, чтобы диски были хорошо покрыты жид­костью.

По верху колбы (не закрывая горлышко) укрепите поясок из нескольких слоев плотной бумаги, который предотвратит ожог рук при помешивании содержимого колбы и при ее перестановке

Затем колбу снимите с нагрева, поставьте на керамическую плитку и охладите. Жидкость должна быть буроватого цвета. Если окраска ее зеленоватая, то это указывает на недостаточное коли­чество бихромата калия, взятого для окисления органического вещества. В этом случае определение нужно повторить с боль­шим количеством реактива или меньшим количеством высечек.

К охлажденному раствору небольшими порциями в несколько этапов прилейте 150 мл дистиллированной воды, затем эту жид­кость постепенно перелейте в колбу на 250 мл, куда добавьте 3 мл 85%-ной ортофосфорной кислоты и 10 капель дифениламина. Взболтайте содержимое и оттитруйте 0,2 н. раствором соли Мора.

Схема записи результатов

Объект
Время определения	Начало опыта	После двухчасового пребывания на свету
Взято К2Сг207 (мл)	конт.
опыт
Расход соли Мора (мл)	конт.
опыт
Площадь высечек (см2)
Кол-во углерода (мг/дм2)
Интенсивность фотосинтеза (мг углерода на дм2 в час)

Контрольные вопросы

1.Что такое фотосинтез?

2.Какие организмы в сообществах осуществляют процесс фотосин­теза?

3.Какова функция фотосинтеза в круговоротах веществ в экосисте­мах?

4.Как называют организмы, способные к фотосинтезу, по их функ­циональной роли в сообществах?

1. Фотосинтез,
3. Основыфотосинтеза
5. Фотосинтез у растений | самое простое объяснение
7. Механизмфотосинтеза
9. Ресурсы:

ПРАКТИКУМ ПО ЭКОЛОГИИ Н.А. Иванова, Т. В. Сторчак, Э.Р. Юмагулова

(Учебно-методическое пособие)

Сайт YouTube: https://www.youtube.com /

Хостинг презентаций

– http://ppt4web.ru/nachalnaja-shkola/prezentacija-k-uroku-okruzhajushhego-mira-vo-klasse-chto-takoe-ehkonomika.html

Урок 3: Жизнь растений. Часть 1 – 100urokov.ru

• План урока:
• Минеральное питание растений
• Фотосинтез
• Дыхание растений

Минеральное питание растений

Все физиологические процессы не могут быть осуществлены без присутствия различных элементов. Растение своими корнями одновременно с водой вбирает из почвы и соли, то есть осуществляется процесс минерального питания. В почве содержатся различные элементы, но не все они нужны организму.

Какие же вещества необходимы для минерального питания растениям? Много времени и труда было затрачено учеными на выяснение этого вопроса. Многочисленными опытами установлено, что для минерального питания растениям необходимы следующие вещества: азот, фосфор, калий, а также некоторые другие.

Так, если растить растение в сосуде с раствором, в котором содержатся все требуемые в питании минеральные вещества, то оно нормально растет, цветет и плодоносит. Но если выращивать то же растение в растворе, в котором недостает какого-либо элемента, то оно вырастает маленьким, а затем погибает от голода.

Таким образом,не давая растению то одной, то другой соли, удалось выяснить, какие вещества необходимы для минерального питания. Из всех необходимых растительному организму элементов мы называем только три, потому что их часто недостает в почве. Познакомимся с ролью некоторых веществ в минеральном питании растений.

У высших растительных существ минеральное питание осуществляется корнями. На поверхности корня находится огромное количество волосков. Посредством их как раз и осуществляется поглощение питательных веществ из земли.

Волоски корня соприкасаются с почвенными частичками, что способствует лучшему всасыванию влаги. Поступающий в корневые волоски раствор переходит по клеткам и достигает сосудов. По ним раствор движется к стеблю, а из него – к остальным органам.

Этот процесс обеспечивается благодаря корневому давлению.

Проиллюстрировать корневое давление возможно, проводя опыт. У молодого растения, лучше всего комнатного, стебель обрежем чуть выше начала корня, на 4 см. Увлажним землю в горшке теплой водой.

На обрезанный стебель поместим резиновую трубочку, а другой конец совместим со стеклянной трубкой. В течение определенного времени будем наблюдать подъем воды по трубке.

Эксперимент доказывает наличие корневого давления.

Значение корневого давления в жизни растительного организма велико. Благодаря ему происходит поступление питательных растворов ко всем органам, которые необходимы для различных процессов.

Питательные элементы растительный организм поглощает из почвы, в которой укрепляется корнями. Что же собой представляет почва?

Почва – поверхностный слой земли, покрытый растениями, способный создавать условия для их жизни. Поверхностный слой обладает плодородием, которое зависит от наличия органических веществ.

Органический материал почвы получил название перегноя. Формирование его происходит при перегнивании остатков других организмов. Также в почве имеется песок, глина, минеральные соли, вода, воздух.

Следует учитывать, что впитывая питательные растворы, растительный организм истощает почву, то есть содержание различных элементов снижается. Для восполнения дефицита в почву добавляют минеральные и органические удобрения.

Самым распространенным органическим удобрением считается навоз, который является отходами жизнедеятельности животных. В почве он постепенно перегнивает, и от него остаются различные минеральные элементы. Внесение этого органического удобрения делает почву более рыхлой, она лучше удерживает воду, содержит больше воздуха и питательных элементов.

Жидким органическим удобрением является навозная жижа.Получают ее добавляя к навозу воду.

Особенно богат питательными элементами птичий помет. Его разбавляют водой, получившим настоем поливают землю.

Обогащают почву и считаются органическими удобрениями перегной, торф, компост. Компост специально приготавливают из разных органических отбросов в смеси с землей.

Широко применяются в сельском хозяйстве минеральные удобрения, производимые на заводах. Азотные и калийные удобрения хорошо растворяются в воде, фосфорные же малорастворимые. Все эти минеральные удобрения обыкновенно имеют вид порошков, но нередко их изготавливают в виде гранул.

Установлено, что гранулированные удобрения лучше используются растительными организмами, чем порошкообразные.

Внесение минеральных, а также органических удобрений, производят в разные периоды роста организма. Органические удобрения лучше вносить в почву до посева семян и посадки растений. Минеральные удобрения напротив важны растительному организму уже в период роста.

Каждый вид удобрений определенным образом влияет на развитие организма. Так, азотные удобрения затягивают созревание, поэтому их вносят обычно в первую половину лета. Кроме того, они способствуют лучшей перезимовке растений.

С этой целью, например, широко применяют осеннюю подкормку озимых культур фосфорными и калийными удобрениями.

В результате минерального питания растение поглощает питательные растворы из почвы,а формирование органических веществ осуществляется при фотосинтезе.

Фотосинтез

Из углекислого газа и воды в зеленых листьях на свету образуются органические вещества, то есть протекает процесс фотосинтеза.

Впервые процесс фотосинтеза был открыт английским химиком Джозефом Пристли в 1771 году.

В дальнейшем исследованию этого сложного явления, происходящего в листьях, посвятил свою жизнь русский ученый К.А.Тимирязев. Он изучал важнейшую роль хлорофилла, а также солнечного света при формировании органических веществ.

Фотосинтез очень сложный и многоступенчатый процесс, который происходит в зеленых частях растений. Зеленый цвет придает хлорофилл, в котором и осуществляется протекание фотосинтеза.

Можно выделить две фазы фотосинтеза:

1. Световая фаза фотосинтеза, как видно из названия, осуществляется в светлое время.Энергия солнца достигает молекулы хлорофилла, и она активизируется, воздействуя на воду. Происходит распад молекулы воды и образование кислорода, который выделяется в воздушное пространство. В этой же фазе образуется энергия, нужная для последующего протекания фотосинтеза в растении.
2. Темновая фаза очень сложна и может протекать без участия света, однако он участвует в ее регуляции. Веществами, обеспечивающим протекание фотосинтеза в клетках растений является углекислый газ, а также вода.Они принимают участие в различных химических реакциях, способствующих образованию крахмала.

Для нормального протекания процесса фотосинтеза необходимы определенные условия.

1. Важным условием протекания фотосинтеза является достаточный объем солнечного света. Рассмотрим это на примере опыта. Поместим какое-либо комнатное растение в темноту и продержим дня два, затем вынем его. Часть листа закроем от света двумя пластинками так, чтобы к этому месту свет не проникал. Затем выставим растение на освещенное место. В конце дня срежем лист, снимем с него пластину. Положим лист в спиртовой раствор и прокипятим. Горячий спиртовой раствор способствует растворению хлорофилла, лист становится бесцветным. Зальем бесцветный лист йодом. Освещенная частичка листа приобретает синий цвет – здесь есть крахмал. Закрытая часть останется желтой – крахмала в ней нет.

Из опыта видно, что все реакции фотосинтеза протекают при наличии одного из основных условий – света.

1. Немаловажным условием фотосинтеза является присутствие углекислого газа. Рассмотрим опыт для демонстрации этого условия фотосинтеза.

Растение поместим на свет, прикроем прозрачным колоколом. Вместе с ним поставим сосуд со щелочью – она будет вбирать из воздуха углекислый газ. Со временем внутри колокола снижается количество углекислого газа. К концу дня срежем один лист, обесцветим его спиртовым раствором, а потом обольем йодом. Лист останется желтым.

После проведения опыта становится, очевидно, что без углекислого газа в клетках зеленых листьев крахмал не образуется даже на свету, значит, фотосинтез не протекает.

Подведя итог можно сказать, что основными условиями процесса фотосинтеза являются наличие зеленых листьев, света и углекислого газа. Только в этом случае растительный организм будет формировать органические вещества, необходимые для построения его тела, на образование клеток. Большая часть таких веществ еще и откладывается в запас, к примеру, в семенах, плодах и других органах.

К слову сказать, фотосинтез считается управляемым процессом. Его интенсивность повышается при улучшении освещенности растений, достаточном снабжении их водой и минеральными элементами, поддерживание в теплицах и парниках нужной температуры, а также достаточной концентрации углекислого газа в воздухе. 

Дыхание растений

Как и для всех живых существ, для растений характерно дыхание. Каких-то особых органов дыхания у растений нет. Их организм дышит всеми органами непрерывно, и днем, и ночью. В процессе дыхания растения поглощают кислород и выделяют углекислый газ.

Рассмотрим опыт, доказывающий дыхание органов растения.

В три сосуда помещаем влажные семена, корнеплоды и срезанные ветки растений. Плотно прикрываем эти сосуды и помещаем в темный шкаф на двое суток. 

После этого достаем сосуды и проверяем состав воздуха. Для этого опускаем горящую свечу, и она гаснет.

Соответственно, если бы в сосуде был кислород, то горение свечи продолжилось, так как он способствует этому процессу. В сосуде кислорода нет, значит,при дыхании клетки растений его поглотили.

Однако, там высокое содержание углекислого газа, так как происходит потухание свечи, а, как известно, этот газ не поддерживает горение.

Причем на данном опыте мы можем убедиться, что дыхание происходит не только в листьях, но и во всех других органах растений, к примеру, в семенах и корнеплодах.

В любом организме все процессы жизнедеятельности связаны между собой. Питание из воздуха, то есть фотосинтез, осуществляется лишь теми органами, в которых содержится хлорофилл, главным образом листьями.

К клеточному дыханию способны все органы растения – корни, стебли, листья, цветки. При питании из воздуха поглощается углекислый газ и выделяется кислород, а при дыхании наоборот.

Получается, что фотосинтез и дыхание растений, прямо противоположные процессы.

1. Различие фотосинтеза и дыхания можно представить в таблице.
2. Какова же может быть взаимосвязь между такими разными процессами как дыхание и фотосинтез?

При фотосинтезе растительный организм увеличивает количество органических веществ, происходит их накопление, образование новых клеток и рост тела.

Для всего этого растение использует энергию солнечного света и накапливает ее в виде органических веществ. В процессе дыхания организм расходует накопленные вещества и освобождается энергия, необходимая для других процессов.

В этом и проявляется взаимосвязь процессов фотосинтеза и дыхания, которую можно отразить в виде схемы.

Оба эти процессы необходимы для жизни растения. При всем этом, они необходимы и для других организмов. Взаимосвязь фотосинтеза и дыхания проявляется также в поддержании постоянства состава воздуха.

Питание растений происходит только днем, дыхание – непрерывно, в течение всего времени. Но так как при питании растение выделяет раз в 20 больше кислорода, чем поглощает его при дыхании, то днем, на свету, происходит обогащение воздуха кислородом.

Ночью же, в темноте, зеленые растения только дышат, и поэтому в воздухе становится больше углекислого газа.

В науке признано, что кислород, который содержится в атмосфере, выделен зелеными растениями в процессе питания из воздуха. Этим кислородом дышит все живое на планете.

Доказательство образования органических веществ в растении путём фотосинтеза

Доказательство 
образования органических веществ 
в растении путём фотосинтеза

        Образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех др. организмов, из простых соединений (например, углекислого газа и воды) за счёт энергии света, поглощаемой хлорофиллом и др.

фотосинтетическими пигментами. Один из важнейших биологических процессов, постоянно и в огромных масштабах совершающийся на нашей планете. В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд.

т органических веществ (около половины этого количества приходится на долю фотосинтеза растений, морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд. т CO2 и выделяя во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода. Полагают, что благодаря фотосинтезу образуется весь кислород атмосферы.

Фотосинтез – единственный биологический процесс, который идёт с увеличением свободной энергии системы; все остальные (за исключением Хемосинтеза) осуществляются за счёт потенциальной энергии, запасаемой в продуктах фотосинтеза.

Количество энергии, ежегодно связываемой фотосинтезирующими организмами океана и суши (около 3․1021 дж), во много раз больше той энергии, которая используется человечеством (около 3․1020 дж).        

 Историческая справка. Начало исследованию фотосинтеза положено работами Дж. Пристли, Ж. Сенебье, Н. Соссюра, Я. Ингенхауза, Ю. Майера, в которых постепенно выяснилось, что растения на свету усваивают из воздуха углекислый газ, выделяют кислород, образуют в результате этого органические вещества, запасая в них энергию солнечного света.

Во 2-й половине 19 в. К. А. Тимирязев показал, что энергия солнечного света вводится в цепь фотосинтетических превращений через зелёный пигмент растений – Хлорофилл: спектр действия фотосинтеза соответствует спектру поглощения света хлорофиллом, и интенсивность фотосинтеза увеличивается с увеличением интенсивности света.

В 1905 английским учёный Ф. Блекман обнаружил, что фотосинтез состоит из быстрой световой реакции и более медленной – темновой. Биохимическое доказательство существования световой и темновой фаз были получены лишь в 1937 английским исследователем Р. Хиллом.

Крупный вклад в изучение темновой и световой стадий фотосинтеза внесли также немецкий биохимик и физиолог О. Варбург, американский биохимик Х. Гафрон. В 1931 американский микробиолог К. Нил показал, что фототрофные бактерии осуществляют фотосинтез без выделения О2, т.к. при ассимиляции СО2 окисляют сероводород, тиосульфат и др. субстраты.

Так было положено начало представлению о фотосинтезе, как окислительно-восстановительном процессе, где восстановление CO2 осуществляется при одновременном окислении донора водорода. В 1941 советскими учёными А. П. Виноградовым и М. В. Тейц, а также американскими исследователями Э. Рубеном и др.

, установлено, что источником кислорода, выделяющегося в процессе фотосинтеза высших растений и водорослей, является вода, а не CO2, как считали ранее.        

 Начиная с 1-й четверти 20 в. важные работы выполнены 
по изучению физиологии и экологии фотосинтеза (В. В. Сапожников, С. П. Костычев, В. Н. Любименко, А. А. Ничипорович, О. В. Заленский и многие др.). С середины 20 в. изучению Ф. способствовало создание новых методов исследования (газовый анализ, изотопные методы, спектроскопия, электронная микроскопия и др.).

Эти методы позволили разработать представления о тонких механизмах участия хлорофилла в фотосинтезе (А. Н. Теренин, А. А. Красновский, американские учёные Е. Рабинович, В. Кок, У. Арнолд, Р. Клейтон, Дж. Франк, французский исследователь Дж.

Лаворель); об окислительно-восстановительных реакциях фотосинтеза и о существовании двух фотохимических реакций фотосинтеза (английский фитофизиолог Р. Хилл, С. Очоа, амерериканский исследователи В. Вишняк, Р. Эмерсон, Френч, голландский учёный Л. Дёйсенс); о фотосинтетическом фосфорилировании (Д. Арнон); о путях превращения углерода (М. Калвин, американские учёные Дж. Бассам, Э.

Бенсон, австралийские исследователи М. Хетч и К. Слэк); о механизме разложения воды (В. Кок, французские учёные А. и П. Жолио, советский учёный В. М. Кутюрин и др.).        

 Характерные черты фотосинтеза высших зелёных растений, водорослей и фотосинтезирующих бактерий. В реакциях Ф.

у высших зелёных растений, водорослей (многоклеточных – зелёных, бурых, красных, а также одноклеточных – эвгленовых, динофлагеллят, диатомовых) донором водорода и источником выделяемого кислорода служит вода, а основным акцептором атомов водорода и источником углерода – углекислый газ. При использовании в Ф.

только CO2 и H2O образуются углеводы. Но в процессе фотосинтеза растения образуют не только углеводы, но и содержащие азот и серу аминокислоты, белки, а также пигменты и др. соединения. Акцепторами атомов водорода (наряду с CO2) и источниками азота и серы в этом случае служат нитраты (
Анаэробы).

Вместо воды в качестве доноров электронов эти бактерии используют либо неорганические соединения (сероводород, тиосульфат, газообразный водород), либо органические вещества (молочную кислоту, изопропиловый спирт).

Источником углерода в большинстве случаев является также CO2, но наряду с этим и некоторые органические соединения (например, ацетат). Т. о., Ф. у разных организмов может протекать с использованием различных доноров (ДН2), акцепторов (А) электронов и водорода и может быть представлен схематически обобщённым уравнением:        

 Д․Н2 + А 2 + Д,        

где AH2 – продукты Ф.        

 Структурные особенности фотосинтетического аппарата. Высокая эффективность Ф. высших зелёных растений обеспечивается совершенным фотосинтетическим аппаратом, основа которого – внутриклеточные органеллы – Хлоропласты (в клетке зелёного листа их 20–100). Они окружены двуслойной мембраной.

Внутренний слой её построен из уплощённых мешочков или пузырьков, называемых тилакоидами, которые часто упакованы в стопки, составляют граны, соединённые между собой одиночными межгранными тилакоидами.

Тилакоиды состоят из собственно фотосинтетических мембран, представляющих собой биомолекулярные липидные слои и мозаично вкрапленные в них липопротеидопигментные комплексы, образующие фотохимически активные центры, и содержат также специальные компоненты, участвующие в транспорте электронов и образовании аденозинтрифосфата (АТФ).

Часть хлоропласта, находящаяся между тилакоидами строма, содержит ферменты, катализирующие темновые реакции фотосинтеза (например, превращение углерода, азота, серы, биосинтез углеводов и белков). В строме откладывается образуемый при фотосинтезе крахмал.

Хлоропласты имеют собственные ДНК, РНК, Рибосомы, синтезирующие белки, и обладают некоторой генетической автономностью, но находятся под общим контролем ядра. фотосинтезирующие бактерии и большинство водорослей не имеют хлоропластов.

Фотосинтетический аппарат большинства водорослей представлен специализированными внутриклеточными органеллами – хроматофорами (См. Хроматофоры), а фотосинтезирующих бактерий и сине-зелёных водорослей – тилакоидами (мембраны их содержат пигмент бактерио-хлорофилл или бактериовиридин, а также др. компоненты реакций Ф.), погруженными в периферические слои цитоплазмы.        

 Фаза первичных превращений и запасания энергии в процессе Ф.

В основе фотосинтеза растений лежит окислительно-восстановительный процесс, в котором 4 электрона (и протона) поднимаются от уровня окислительно-восстановительного потенциала, соответствующего окислению воды (+ 0,8 в) до уровня, соответствующего восстановлению CO2 с образованием углеводов (– 0,4 в). При этом увеличение свободной энергии реакции восстановления CO2 до уровня углеводов составляет 120 ккал/моль, а суммарное уравнение фотосинтеза выражается как:        

 CO2 + H2O 2O) + O2 + 120 ккал/моль.        

 Энергия моля квантов (Эйнштейна) красной части спектра составляет около 40 ккал/моль. Т. о., для фотосинтеза , идущего в соответствии с приведённым уравнением, было бы достаточно поглощения энергии 3 квантов на молекулу CO2 (или на выделение молекулы O2).

Однако в окислительно-восстановительной реакции от воды к CO2 должны быть перенесены 4 электрона, причём перенос каждого из них осуществляется в ходе двух последовательных фотохимических реакций.

Поэтому квантовый расход при оптимальных условиях составляет 8–12 квантов на молекулу O2, а максимальная эффективность преобразования энергии красного света – около 30° %. В полевых условиях вследствие неполного поглощения света, энергетических затрат на дыхание и др.

потерь, а также ограниченности вегетационного периода эффективность усвоения солнечной энергии с.-х. растениями в умеренных широтах обычно не выше 0,5–1,3%.

Сопоставление этих цифр c теоретическим максимальным значением указывает на существование значительных резервов, которые могут быть использованы в будущем. Для некоторых культур с.-х. растений удаётся в специальных условиях повысить энергетическую эффективность до 5–6% и даже выше (при культивировании водорослей до 7–10%).        

 Ни CO2, ни вода непосредственно не поглощают свет, посредником во взаимодействии этих соединений с квантами служит хлорофилл а, включенный в структуру хлоропласта или хроматофора и образующий функциональные фотосинтетические единицы, состоящие из нескольких сотен молекул пигмента и реакционных центров.

Основная часть сопровождающих пигментов (хлорофилл b, каротиноиды, фикобилины и др. и коротковолновые формы хлорофилла а) выполняет функцию светособирающей антенны. При поглощении квантов их молекулы переходят в возбуждённое состояние, которое путём миграции энергии передаётся на молекулу хлорофилла а, находящуюся в реакционном центре.

Эффективность передачи энергии обусловлена близким расположением молекул, а также наличием нескольких агрегированных форм хлорофилла а, участвующих в формировании реакционных центров и образующих нисходящую лестницу энергетических уровней. Возможен полупроводниковый перенос электрона по агрегированному пигменту. В реакционном центре происходит основной акт Ф.

– разделение зарядов с последующим образованием первичного окислителя и первичного восстановителя. Существуют два типа центров (рис. 1), один из которых включен в пигментную фотосистему I (ФС I), а др. – в фотосистему II (ФС II).

В фотореакции, связанной с разложением воды, участвует ФС II: пигментом её центра служит хлорофилл а с максимумом поглощения 680 нм, гипотетическим первичным восстановителем – Q (вероятно, цитохром ), а первичным окислителем – сложный комплекс Z.

Возбуждение пигментной молекулы центра P680 сопровождается разделением зарядов и образованием окисленного Z+, который участвует в окислении воды и выделении O2. Полагают, что в систему разложения воды, пока мало изученную, входят неизвестные ферменты, ионы марганца и бикарбонат.

Первичный восстановитель Q (проявляется по индукции флуоресценции) ФС II передаёт электрон переносчикам (цитохромы b, f, пластохинон, пластоцианин) фотосинтетической электронной транспортной цепи к реакционному центру ФС I. Пигментом этого центра служит хлорофилл а с максимумом поглощения 700 нм, первичным восстановителем – неидентифицированное вещество Х.

Восстановленный Х передаёт электрон ферредоксину – железосодержащему белку, который восстанавливает никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). Его восстановленная форма – НАДФ-Н запасает основную часть энергии света. Др.

часть энергии электронного потока запасается в виде АТФ (фотосинтетическое фосфорилирование), который образуется на нисходящем участке переноса электронов между ФС II и ФС I (нециклическое фотофосфорилирование) или при круговом замыкании потока в ФС I (циклическое фотофосфорилирование).

Фосфорилирование, возможно, происходит по хемиосмотическому механизму за счет электрического потенциала и градиента концентрации Н+, возникающих при индуцировании светом электронного потока в мембранных структурах тилакоидов. Экспериментально обнаружено, что освещение индуцирует электрический потенциал на мембране хлоропласта.

Описанное последовательное соединение двух фотореакций I и II наиболее вероятно, хотя обсуждается возможность параллельного соединения реакций. Предполагают, что фотосинтезирующие бактерии осуществляют Ф. с участием лишь одной пигментной фотосистемы, однако этот вопрос нельзя считать решенным. Фотофизические и фотохимические стадии заканчиваются за 10-12–10-8 сек разделением зарядов и последующим образованием первичного окислителя и восстановителя. Границей первичных биофизических и биохимических процессов обычно считают появление первых химически стабильных продуктов – НАДФ-Н и АТФ. Эти вещества («восстановительная сила») используются затем в темповых процессах восстановления CO2.        

 Роль фотосинтеза в биосфере. Наряду с фотосинтезом на Земле совершаются примерно равноценные по масштабам, но противоположные по направлению процессы окисления органических веществ и восстановленного углерода при горении топливных материалов (каменный уголь, нефть, газ, торф, дрова и т.п.

), при расходовании органических веществ живыми организмами в процессе их жизнедеятельности (дыхание, брожение), в результате которых образуются полностью окисленные соединения – углекислый газ и вода, и освобождается энергия. Затем с помощью энергии солнечной радиации углекислый газ, вода снова вовлекаются в процессы фотосинтеза. Т. о.

, энергия солнечного света, используемая при фотосинтезе, служит движущей силой колоссального по размерам круговорота на Земле таких элементов, как углерод, водород, кислород. В этот круговорот включаются и многие др. элементы: N, S, Р, Mg, Ca и др.

За время существования Земли благодаря фотосинтезу важнейшие элементы и вещества прошли уже много тысяч циклов полного круговорота.        

 В предшествующие эпохи условия для фотосинтеза на Земле были более благоприятны в связи с сильным перевесом восстановительных процессов над окислительными.

Постепенно огромные количества восстановленного углерода в органических остатках оказались захороненными в недрах Земли, образовав громадные залежи горючих ископаемых.

В результате этого в атмосфере сильно снизилось относительное содержание углекислого газа (до 0,03 объёмных %) и повысилось содержание кислорода, что существенно ухудшило условия для фотосинтеза.        

 Следствием появления 
на Земле мира фотосинтезирующих 
растений и непрерывного новообразования 
ими больших количеств богатых 
энергией органических веществ 
явилось развитие мира гетеротрофных 
организмов (бактерий, грибов, животных, человека) – потребителей этих 
веществ и энергии.

 В результате (в процессе дыхания, брожения, гниения, сжигания) органические 
соединения стали окисляться 
и подвергаться разложению в 
таких же количествах, в каких 
образуют их высшие растения, водоросли, бактерии. На Земле 
установился круговорот веществ, 
в котором сумма жизни на 
нашей планете определяется масштабами 
Ф.

 В текущем геологическом 
периоде (антропогеновом) размеры 
фотосинтетической продуктивности 
на Земле, вероятно, стабилизировались. 
Однако в связи с бурно возрастающим использованием продуктов фотосинтеза основным её потребителем – человеком – приходится думать о предстоящем истощении горючих ископаемых, пищевых, лесных ресурсов и т.п.

Недостаточна фотосинтетическая мощность современной растительности для регенерации атмосферы: растительность Земли не способна полностью усваивать весь углекислый газ (относительное содержание его в атмосфере за последние 100 лет медленно, но неуклонно возрастает), дополнительно поступающий в окружающую среду в результате бурно возрастающих масштабов добычи и сжигания горючих ископаемых.        

 При этом потенциальная 
фотосинтетическая активность растений 
используется далеко не полно. 
Проблема сохранения, умножения 
и наилучшего использования фотосинтетической 
продуктивности растений – одна 
из важнейших в современном 
естествознании и практической 
деятельности человека.        

 Фотосинтез и урожай. Один из путей повышения общей продуктивности растений – усиление их фотосинтетической деятельности. Например, чтобы сформировать урожай пшеницы в 40 ц/га, что составляет 100 т общей сухой биомассы, растения должны усвоить около 20 т CO2, фотохимически разложить около 7,3 т H2O, выделить во внешнюю среду около 13 т O2.

Обычно за время вегетации растений в средних широтах (около 3–4 мес) на поверхность Земли приходит около 2․109 ккал фотосинтетически активной радиации (ФАР; в области спектра от 380 до 720 нм). Из них в урожае биомассы в 10 т запасается около 40․106 ккал, т. е. 2% ФАР.

Остальная энергия частично отражается, но в большей части превращается в тепло и вызывает испарение громадных количеств H2O. Т. о., для усиления фотосинтетической деятельности растений необходимо повысить коэффициент использования растениями солнечной радиации.

Это достигается увеличением в посевах размеров листовой поверхности, удлинением сроков активной деятельности листьев, регулированием густоты стояния растений. Важное значение имеет способ размещения растений на площади (правильные нормы высева семян), обеспечение их достаточным количеством CO2 в воздухе, воды, элементов почвенного питания и т.д.

Функциональная активность фотосинтетического аппарата, помимо внешних условий, определяется также анатомическим строением листа, активностью ферментных систем и типом метаболизма углерода.

Большая роль принадлежит селекции растений – созданию сортов, обладающих высокой интенсивностью ассимиляции CO2, и управлению процессами, связанными с эффективным использованием создаваемых при Ф. органических веществ. Важное свойство высокопродуктивных сортов – способность использовать большую часть ассимилятов на формирование ценных в хозяйственном отношении органов (зерна у злаков, клубней у картофеля, корней у корнеплодов и т.д.).