Освещенные солнцем зеленые растения поглощают углекислый газ
Обновлено: 05.10.2024
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез – биохимический процесс, во время которого с помощью особых пигментов растений и энергии света из неорганических веществ (углекислого газа, воды) возникают органические. Это один из наиболее важных процессов, за счет которого появилось и продолжает существовать большинство организмов на планете.
Интересный факт : к фотосинтезу способны наземные растения, а также зеленые водоросли. При этом водоросли (фитопланктон) вырабатывают 80% кислорода.
Значение фотосинтеза для жизни на Земле
Без фотосинтеза вместо множества живых организмов на нашей планете существовали бы одни лишь бактерии. Именно энергия, полученная в результате данного химического процесса, позволила бактериям эволюционировать.
Любые природные процессы нуждаются в энергии. Она поступает от Солнца. Но правильную форму солнечный свет приобретает лишь после того, как преобразовывается растениями.
Растения используют лишь часть энергии, а остальную накапливают в себе. Ими питаются травоядные животные, которые являются пищей для хищников. В ходе образовавшейся цепочки каждое звено получает необходимые ценные вещества и энергию.
Кислород, вырабатываемый в ходе реакции, необходим для дыхания всем существам. Дыхание представляет процесс, противоположный фотосинтезу. При этом органические вещества окисляются, разрушаются. Полученная энергия используется организмами для выполнения различных жизненно необходимых задач.
В период существования планеты, когда растений было мало, кислород практически отсутствовал. Примитивные формы жизни получали минимум энергии другими способами. Ее было слишком мало для развития. Поэтому дыхание за счет кислорода открыло более широкие возможности.
Еще одна функция фотосинтеза – защита организмов от воздействия ультрафиолетового света. Речь идет об озоновом слое, находящемся в зоне стратосферы на высоте около 20-25 км. Образуется он за счет кислорода, который превращается в озон под действием солнечного света. Без этой защиты жизнь на Земле ограничивалась бы только подводными организмами.
Организмы выделяют во время дыхания углекислый газ. Он является обязательным элементом фотосинтеза. В противном случае углекислый газ просто накапливался бы в верхних слоях атмосферы, значительно усиливая парниковый эффект.
Это серьезная экологическая проблема, суть которой состоит в повышении температуры атмосферы с негативными последствиями. К ним относится изменение климата (глобальное потепление), таяние ледников, повышение уровня Мирового океана и др.
- выделение кислорода;
- образование энергии;
- образование питательных веществ;
- создание озонового слоя.
Определение и формула фотосинтеза
Углекислый газ + вода + свет = углевод + кислород.
Научная формула фотосинтеза:
6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2.
Фотосинтез происходит так, что непосредственный контакт воды и СО2 не наблюдается.
Значение фотосинтеза для растений
Растениям для роста и развития требуются органические вещества, энергия. Благодаря фотосинтезу они обеспечивают себя данными компонентами. Создание органических веществ – основная цель фотосинтеза для растений, а выделение кислорода считается побочной реакцией.
Как происходит фотосинтез?
Фотосинтез протекает непосредственно в зеленых частях растений – хлоропластах . Они входят в состав растительных клеток. Хлоропласты содержат вещество – хлорофилл . Это и есть тот основной фотосинтетический пигмент, благодаря нему происходит вся реакция. Кроме того, хлорофилл определяет зеленый цвет растительности.
Вода поступает через корневую систему растения, а газ проникает непосредственно в листья. Свет выступает в качестве источника энергии. Когда частица света действует на молекулу хлорофилла, происходит ее активация. В молекуле воды H2O кислород (O) остается невостребованным. Таким образом, он становится побочным для растений, но таким важным для нас, продуктом реакции.
Фазы фотосинтеза
Фотосинтез делится на две стадии: световую и темновую. Протекают они одновременно, но в разных частях хлоропласта. Название каждой фазы говорит само за себя. Световая или светозависимая фаза происходит только при участии частиц света. Темновой или светонезависимой фазе наличие света не требуется.
Прежде чем рассматривать каждую фазу подробнее, стоит разобраться в строении хлоропласта, поскольку оно определяет суть и место протекания стадий. Хлоропласт является разновидностью пластид и внутри клетки расположен отдельно от остальных ее компонентов. Он имеет форму зернышка.
Составляющие части хлоропласта, участвующие в фотосинтезе:
- 2 мембраны;
- строма (внутренняя жидкость);
- тилакоиды;
- люмены (просветы внутри тилакоидов).
Световая фаза фотосинтеза
Протекает на тилакоидах, точнее, их мембранах. Когда на них попадает свет, выделяются и накапливаются негативно заряженные электроны. Таким образом, фотосинтетические пигменты лишаются всех электронов, после чего наступает очередь распада молекул воды:
При этом образованные протоны водорода имеют положительный заряд и копятся на внутренней мембране тилакоида. В итоге протоны с зарядом плюс и электроны с зарядом минус разделены лишь мембраной.
Происходит выработка кислорода, как побочного продукта:
В определенный момент фазы электронов и протонов водорода становится слишком много. Тогда в работу вступает фермент – АТФ-синтаза. Его задача состоит в том, чтобы переместить протоны водорода из мембраны тилакоида в жидкую среду хлоропласта – строму.
На этом этапе водород попадает в распоряжение другого переносчика – НАДФ (сокращение от никотинамиддинуклеотидфосфат). Это также разновидность фермента, который ускоряет окислительные реакции в клетках. В данном случае его работа состоит в транспортировке протонов водорода в реакции углеводов.
На данной стадии происходит процесс фотофосфолирования, во время него вырабатывается огромное количество энергии. Ее источником является АТФ – аденозинтрифосфорная кислота.
- Попадание кванта света на хлорофилл.
- Выделение электронов.
- Выделение кислорода.
- Образование НАДФН-оксидазы.
- Образование энергии АТФ.
Интересный факт : существует реликтовое растение под названием вельвичия, растущее на африканском побережье Атлантического океана. Это единственный представитель своего рода с минимумом листьев, способных к фотосинтезу. Однако возраст вельвичий достигает около 2000 лет.
Темновая фаза фотосинтеза
Светонезависимая фаза происходит непосредственно в строме. Она представляет собой ряд ферментативных реакций. Углекислый газ, поглощенный на световой стадии, растворился в воде, а на этом этапе он восстанавливается до глюкозы. Также вырабатываются сложные органические вещества.
Реакции темновой фазы делятся на три основных типа и зависят от вида растений (точнее, их метаболизма), в клетках которых происходит фотосинтез:
- С3-растения;
- С4-растения;
- САМ-растения.
К С3-растениям относится большая часть культур сельскохозяйственного назначения, которые растут в умеренном климате. В ходе фотосинтеза у них углекислый газ становится фосфоглицериновой кислотой.
К С4-растениям принадлежат субтропические и тропические виды, преимущественно сорняки. Для них характерна трансформация углекислого газа в оксалоацетат. САМ-растения – категория растений, которым не хватает влаги. Они отличаются особенным видом фотосинтеза – CАМ.
С3-фотосинтез
Наиболее распространенным является С3-фотосинтез, который также именуется циклом Кальвина – в честь американского ученого Мелвина Кальвина, который внес огромный вклад в изучение данных реакций и получил за это Нобелевскую премию.
Растения называются С3 из-за того, что во время реакций темновой фазы образуются 3-углеродные молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты – 3-PGA. Непосредственное участие принимают различные ферменты.
Чтобы образовалась полноценная молекула глюкозы, должно пройти 6 циклов реакций светонезависимой фазы. Углевод – главный продукт фотосинтеза в цикле Кальвина, но помимо него вырабатываются жирные и аминокислоты, а также гликолипиды. У С3 растений фотосинтез проходит исключительно в клетках мезофилла.
Главный недостаток С3-фотосинтеза
Растения, относящиеся к группе С3, характеризуются одним существенным недостатком. Если в окружающей среде отмечается недостаточный уровень влаги, способность к фотосинтезу существенно снижается. Это происходит по причине фотодыхания.
Дело в том, что при невысокой концентрации углекислого газа в хлоропластах (меньше 50:1 000 000) вместо фиксации углерода происходит фиксация кислорода. Специальные ферменты существенно замедляются и расходуют солнечную энергию впустую.
Одновременно с этим замедляется рост и развитие растения, поскольку оно недополучает органические вещества. Также не происходит выброс кислорода в атмосферу.
Интересный факт : морской слизень Elysia chlorotica – уникальное животное, которое осуществляет фотосинтез как растения. Оно питается водорослями, хлоропласты которых проникают в клетки пищеварительного тракта и фотосинтезируют там на протяжении месяцев. Вырабатываемые углеводы служат для слизня пищей.
С4-фотосинтез
В отличие от C3-синтеза, здесь реакции фиксации углекислого газа осуществляются в различных клетках растений. Эти виды растений способны справляться с проблемой фотодыхания, и делают они это при помощи двухэтапного цикла.
С одной стороны поддерживается высокий показатель углекислого газа, а с другой – контролируется низкий уровень кислорода в хлоропластах. Подобная тактика позволяет растениям С4 избежать фотодыхания и связанных с ним сложностей. Представителями растений данной группы являются сахарный тростник, кукуруза, просо и др.
По сравнению с растениями С3 они способны намного интенсивнее выполнять процессы фотосинтеза при условии высокой температуры и недостатка влаги. На первом этапе углекислый газ фиксируется в клетках мезофилла, где образуется 4-углеродная кислота. Затем кислота переходит в оболочку и распадается там на 3-углеродное соединение и углекислый газ.
На втором этапе полученный углекислый газ начинает работать в цикле Кальвина, где вырабатывается глицеральдегид-3-фосфат и углеводы, необходимые для энергетического обмена.
Благодаря двухэтапному фотосинтезу в растениях С4 образуется достаточное для цикла Кельвина количество углекислого газа. Поэтому ферменты работают в полную силу и не растрачивают энергию напрасно.
Но у и этой системы есть свои минусы. В частности расходуется больший объем энергии АТФ – она необходима для трансформации 4-углеродных кислот в 3-углеродные и в обратном направлении. Таким образом, С3-фотосинтез всегда продуктивнее, чем С4 при должном количестве воды и света.
Что влияет на скорость фотосинтеза?
Фотосинтез может протекать с различной скоростью. Этот процесс зависит от условий окружающей среды:
- вода;
- длина волны света;
- углекислый газ;
- температура.
Вода является основополагающим фактором, поэтому при ее недостатке реакции замедляются. Для фотосинтеза наиболее благоприятны волны красного и сине-фиолетового спектра. Также предпочтительнее высокая степень освещенности, но лишь до определенного значения – при его достижении связь между освещенностью и скоростью реакции исчезает.
Высокая концентрация углекислого газа обеспечивает быстрые фотосинтетические процессы и наоборот. Определенная температура важна для ферментов, которые ускоряют реакции. Идеальные условия для них – около 25-30℃.
Фотодыхание
Дышать необходимо всем живым существам, и растения не являются исключением. Однако этот процесс у них происходит немного иначе, чем у людей и животных, отчего носит название фотодыхания.
В целом, дыхание – физический процесс, во время которого живой организм и окружающая его среда обмениваются газами. Как и всему живому, растениям для дыхания нужен кислород. Но потребляют они его гораздо меньше, чем вырабатывают.
В ходе фотосинтеза, который происходит только при солнечном свете, растения создают для себя пищу. Во время фотодыхания, которое осуществляется круглосуточно, эти питательные вещества ими поглощаются с целью поддержки метаболизма внутри клеток.
Интересный факт : в течение солнечного дня участок леса площадью 1 гектар потребляет от 120 до 280 кг углекислого газа и выделяет от 180 до 200 кг кислорода.
Кислород (как и углекислый газ) проникает в клетки растений через особые отверстия – устьица. Они располагаются в нижней части листочков. На одном листе может располагаться около 1000 устьиц.
На данном уроке будет рассмотрен процесс фотосинтеза и условия, необходимые для его протекания. Данный урок содержит большое количество анимаций, что поможет учащимся лучше усвоить изучаемый материал и вызовет интерес к изучаемому предмету.
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока "Фотосинтез"
Растения поставляют нам кислород и органические вещества, и всё это благодаря процессу фотосинтеза.
Способность к фотосинтезу характерна только для зелёных растений, некоторых бактерий и протистов. Грибы, большая часть бактерий, многие протисты и все животные не способны осуществлять фотосинтез, т. к. в их клетках нет хлоропластов.
Для того чтобы разобраться, какие условия необходимы для протекания фотосинтеза, проделаем несколько несложных опытов.
Возьмём два одинаковых комнатных растения. Одно из них поставим туда, где оно будет освещаться ярким солнечным светом. Второе растение поставим в тёмный место, куда солнечный свет вообще не проникает.
Через неделю срежем с каждого растения по одному листу. Опустим листья сначала в кипящую воду, а затем на несколько минут в горячий спирт, пока листья не обесцветятся. Промоем обесцвеченные листья, расправим их и обработаем слабым раствором йода. Известно, что от йода синеет крахмал. Тот лист, который был на свету, посинел. Второй же лист, на который не попадал солнечный свет, остался бесцветным.
Опыт показывает, что только в том листе, который был освещён солнцем, образовался крахмал.
На самом деле первоначально под действием света в листьях образуется сахар. Но он быстро превращается в крахмал, который накапливается в листьях. В темноте крахмал вновь превращается в сахар, который по проводящим тканям оттекает от листьев к другим органам растений.
Органические вещества используются растением для различных целей: идут на построение его тела, откладываются в запас, используются при прорастании семян.
Далее возьмём растение, у которого на листьях есть белые участки, лишённые хлорофилла. Выдержим это растение, например пеларгонию, некоторое время на ярком свету для того, чтобы в листьях образовалось достаточное количество крахмала. После этого лист срежем и проделаем с ним то же, что и в первом опыте. Лист окрашивается в синий цвет не полностью. Те участки листа, где не было хлорофилла, остаются белыми.
Этот опыт показывает, что для образования органических веществ из неорганических в клетках листа должны быть хлоропласты, содержащие хлорофилл. Только в таких клетках будет протекать процесс фотосинтеза.
Чтобы ответить на вопрос, из каких веществ образуются органические вещества, проведём следующий опыт. Возьмём комнатное растение с крупными листьями. Один его лист, не срезая, поместим в прозрачный полиэтиленовый пакет, в который свободно проходит воздух. Второй лист тоже поместим в такой же пакет, но воздух, который будет попадать в этот пакет, предварительно пропустим через раствор щёлочи, поглощающий углекислый газ. Через несколько дней срежем оба листа и проделаем с ними то же, что и в первом опыте. Выясняется, что лист из того пакета, где не было углекислого газа, не окрасился, то есть в нём не было крахмала, второй лист окрасился в синий цвет.
Опыт показывает, что растению для образования органических веществ в процессе фотосинтеза необходим углекислый газ.
Как показали исследования, для фотосинтеза растениям необходима еще и вода.
Проведём еще один опыт. Возьмём две ёмкости и опустим в них стаканы с водой, в которые поставлены веточки с зелёными листьями какого–нибудь растения. Наполним ёмкости углекислым газом и плотно закроем, чтобы не проникал воздух. Первую ёмкость выставим на яркий свет, вторую оставим в темноте, например, поставим в тёмный шкаф.
Через сутки откроем ёмкости, опустим в них горящие лучинки. В первой — лучинка не гаснет, а продолжает ярко гореть. Значит, в этой ёмкости появился какой-то газ, поддерживающий горение. Поддерживает горение только кислород. Зелёные листья растения поглотили значительную часть углекислого газа и выделили некоторое количество кислорода. Опущенная во вторую ёмкость горящая лучинка потухнет.
Следовательно, зелёные растения выделяют кислород только на свету.
Таким образом, фотосинтез — это сложный процесс образования в живых клетках, содержащих хлоропласты, на свету органических веществ из углекислого газа и воды с выделением кислорода.
Процесс фотосинтеза можно записать так: углекислый газ взаимодействует с водой на свету с образованием органических веществ и кислорода.
Фотосинтез — важнейший процесс, благодаря которому возможна жизнь на Земле. В процессе фотосинтеза зелёные растения ежегодно образуют большое количество органических веществ, поглощают около огромное количество углекислоты, выделяют в атмосферу свободный кислород. Поэтому озеленение городов и посёлков способствует обогащению воздуха кислородом. Благодаря фотосинтезу ежегодно запасается огромное количество солнечной энергии.
Чтобы в листе образовался крахмал, необходимо сочетание нескольких условий: достаточное количество света, воды и углекислого газа.
№ 2. Какой опыт можно провести, чтобы доказать, что для образования крахмала в листьях необходим свет?
Для опыта можно взять фиалку. На один листик растения нанесем трафарет или положим просто кусочек бумаги и выставим на свет, например, на подоконник или хорошо освещённую дневным светом полку. Через несколько дней уберем трафарет или кусочек бумаги, срежем экспериментальный листочек и капнем несколько капель йода на него. Участки, которые освещались, приобретут фиолетовый цвет, что говорит о том, что там образовывался крахмал.
№ 3. Почему раствор йода не окрашивает в синий цвет белую каёмку листа герани окаймлённой?
Потому что йод способен окрасить в синий цвет крахмал, который содержится в клетках с зелёным пигментом - хлорофиллом. В белой каёмке листа герани окаймлённой этот пигмент отсутствует.
№ 4. Из каких веществ образуется сахар в зелёных листьях растений?
Из воды и углекислого газа.
№ 5. Какой опыт показывает, что наземные растения на свету поглощают углекислый газ и выделяют кислород?
Можно провести такой опыт в темноте с зажженной свечой. Для этого под огнеупорную стеклянную емкость поставить растение и свечу. При свете дня свеча будет гореть долгое время, потому что от фотосинтезирующего растения есть доступ кислорода. В темноте свеча погаснет быстрее, потому что в таких условиях растение не будет выделять кислород, а только углекислый газ.
Стр. 91
№ 1. Можно ли утверждать, что строение листа приспособлено к осуществлению фотосинтеза?
Да, лист полностью приспособлен к поглощению солнечного света, воды. Его площадь позволяет улавливать больше света, ведь листовая пластина располагается под прямым углом, а хлоропласты, которые отвечают за максимальное улавливание света, сосредоточены на ее верхней поверхности. Наличие устьиц, открывание которых регулируют замыкающие клетки, обеспечивает газообмен растения.
№ 2. Как вы думаете, выделяют ли кислород водные растения?
Я думаю, что водные растения тоже выделяют кислород, который поступает в воду и используется для дыхания всеми обитателями водоемов.
Стр. 91
Составьте план параграфа.
Что такое фотосинтез?
Необходимость фотосинтеза в природе.
Значение фотосинтеза для растений.
Стр. 91
Задания для любознательных
№ 1. Попробуйте получить какое-либо изображение на листе примулы, пеларгонии или другого комнатного растения, воспользовавшись описанием опыта в этом параграфе.
№ 2. Соберите прибор, показанный на рисунке 70. В банку налейте воду, насыщенную углекислым газом. Поставьте банку на яркий свет. Наблюдайте за выделением газа веточками элодеи. Когда газ полностью вытеснит воду из пробирки, убедитесь с помощью горящей лучинки, что этот газ — кислород. Сделайте вывод.
Водные растения также способны выделять кислород, который в природе используется водными обитателями для дыхания.
Крахмал в листьях зеленых растений образуется только на свету. Из каких веществ образуется крахмал? Чтобы ответить на этот вопрос, проведем следующий опыт. Поместим примулу, растущую в цветочном горшке, на кусок стекла, прикроем стеклянным колпаком и поставим на свет. Края колпака смажем вазелином. Рядом с примулой под колпак поставим стакан с раствором едкой щелочи. Растение под колпаком оставим на двое суток.
Едкая щелочь поглощает углекислый газ, находящийся в воздухе под колпаком. Новый же воздух с углекислым газом проникнуть под колпак не может, так как края его смазаны вазелином и плотно прижаты к стеклу.
Рис. 59. Выделение кислорода листьями зеленого растения на свету.
Вскоре под колпаком углекислого газа не останется, он будет поглощен едкой щелочью.
Через 6—8 часов вынем растение из-под колпака, срежем один из листьев и проверим, образовался ли в его клетках крахмал. При обработке иодом лист не посинел. Значит, крахмал не образовался. Какие же выводы можно сделать из этого опыта? Крахмал образуется в листьях только в том случае, когда воздух, окружающий растения, содержит углекислый газ.
Органическое вещество — сахар, а затем крахмал — образуется в зеленых листьях только на свету. Крахмал образуется в листьях, в хлоропластах, т. е. в пластидах, с хлорофиллом.
В воздухе, где находятся зеленые растения, должен быть, углекислый газ. Крахмал образуется из углекислого газа, поступающего через устьица, и воды, которую поглощают корни из почвы.
Под действием особых веществ — ферментов — крахмал превращается в сахар и оттекает из листьев в другие органы. Там сахар вновь превращается в крахмал.
Таким образом, крахмал попадает и в семена пшеницы, где откладывается в эндосперме.
В большую стеклянную банку опустим стакан с водой, в которую поставлены веточки с зелеными листьями какого-нибудь растения. Стакан можно заменить небольшим комнатным растением ,в цветочном горшке. Банку плотно закроем пробкой с вставленной в нее стеклянной трубкой. Через стеклянную трубку наполним банку углекислым газом. Трубку закроем пробкой.
Углекислый газ опускается на дно банки, вытесняя более легкий воздух. Чтобы убедиться в этом, откроем банку и быстро опустим в нее горящую лучинку. Углекислый газ не поддерживает горения. Если лучинка погаснет, опыт можно проводить. Снова плотно закроем банку и выставим ее на яркий свет.
Через сутки откроем банку и снова опустим в нее горящую лучинку. Лучинка не гаснет, как прежде, а продолжает ярко гореть. Ясно, что углекислого газа в банке не стало, а появился какой-то другой газ, поддерживающий горение. Поддерживает горение только кислород. Значит, зеленые листья растения действительно поглотили углекислый газ и выделили кислород.
Рис. 60. Выделение кислорода элодеей на свету.
Если банку с зеленым растением поставить не на свет, а в темный шкаф, то опущенная в нее горящая лучинка потухнет, как и раньше. Это подтверждает, что зеленые листья поглощают углекислый газ только на свету. Крахмал в темноте не образуется, поэтому и углекислый газ в темноте растением не поглощается.
Наземные растения поглощают углекислый газ из воздуха, в котором он содержится. А откуда же получают его водные растения, например элодея? Оказывается, углекислый газ есть и в воде. Проведем такой опыт. Веточки элодеи поместим в банку с сырой водой и покроем их воронкой. На конец воронки наденем пробирку, наполненную водой. Банку с элодеей выставим на яркий свет. На свету от веточек элодеи вскоре начнут подниматься пузырьки какого-то газа. Пузырьки газа попадают в пробирку, вытесняя из нее воду. Через несколько часов газ заполнит всю пробирку. Тогда вынем пробирку из воды и быстро опустим в нее тлеющую лучинку. Лучинка вспыхивает и горит. Следовательно, в пробирке скопился кислород, выделенный зелеными листьями элодеи на свету.
Если банку с элодеей поставить в темное место, то выделение кислорода прекратится, так как растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород только на свету.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: