Учнівський міні-підручник з біології

Додаток 1

Учнівський

міні-підручник

з теми:

«ФОТОСИНТЕЗ»

ІСТОРІЯ ВИВЧЕННЯ ФОТОСИНТЕЗУ

1630 рік. Вивчення фотосинтезу було започатковано голландським ученими ван Гельмонтом. Ван Гельмонт показав, що рослини самі утворюють органічні речовини, а не отримують їх з ґрунту.

1771 рік. Джозеф Прістлі показав, що рослини і тварини змінюють склад навколишнього середовища прямо протилежним способом. Він провів такий дослід. Прістлі помістив мишу під скляний ковпак. Через п'ять годин вона загинула. Однак за наявності гілки м'яти миша залишилася живою. Звідси Пріслі зробив висновок, що тварини своїм диханням роблять повітря непридатним для життєдіяльності організму, а рослини своїм диханням відновлюють його.

1779 рік. Австралійський лікар Ян Інгенхауз виявив, що рослини видаляють кисень, тільки на світлі.

1782 рік. Жан Сенеб'є показав, що рослини, виділяючи кисень, одночасно поглинають двоокис Карбону. Це змусило його припустити, що на речовину рослини перетворюється Карбон, який входить до складу двоокису Карбону.

1796 рік. Ян Інгенхауз дав загальне рівняння фотосинтезу:

СО₂ + Н₂О = рослинні тканини + О₂

Пізніше, у XIX ст., розглядаючи освітлені листки в мікроскоп, дослідники помітили, що крохмальні зерна під час фотосинтезу збільшилися. Це привело їх до думки, що безпосередніми продуктами фотосинтезу є вуглеводи. Таким чином в основних рисах схема фотосинтезу була завершена:

СО₂ + Н₂О = СН₂О+ О_2.

1804 рік. Н. Сосюр, зважуючи повітря і рослину до фотосинтезу і після, встановив, що збільшення сухої маси рослини перевищувало масу поглиненої ним з повітря вуглекислоти. Сосюр дійшов висновку, що іншою речовиною, яка брала участь у збільшенні маси, була вода.

1817 рік. Французькі фармацевти Жозеф Б'єнеме Каванту та П`єр Жозеф Пельт`є вперше виділили з листків зелену "начинку" - хлорофіл. І ось майже два століття вчені багатьох країн наполегливо досліджують цю загадкову речовину.

1940 рік. Німецький вчений Ганс Фішер встановив структуру молекули хлорофілу (а і Ь). Виявилося, що хлорофіл нагадує зеленого пуголовка. У цієї молекули плоска квадратна голова (хлорофілін) і довгий хвіст (фітол). У центрі голови, наче око циклопа, красується атомом Магнію.

1958 рік. У Брюсселі на Всесвітній виставці була представлена модель учених О.М. Тереніна і O.A. Красновського, яка показала, що хлорофіл лише напівпровідник. Це той "насос", який у зеленому листку, скоряючись енергії сонячних променів, "перекачує" електрони. Так уперше удалося штучно відтворити один з центральних процесів, що складають сутність фотосинтезу.

1975 рік. Академік Джозеф Кац привселюдно демонструє сконструйований ним "штучний листок". Розміром із сірникову коробку (скло, метал, пластмаса), він навіть віддалено не нагадував свого зеленого родича, однак багато в чому копіював його функції. "...Нелегко відтворити фотосинтез, - писав пізніше доктор Кац. - Але навіть ці скромні результати запевняють: природі можна кинути виклик. Утилізація сонячної енергії з допомогою пристроїв, що імітують природу, цілком можлива і досяжна..."

ХЛОРОФІЛ - ЗЕЛЕНИЙ ПІГМЕНТ ЛИСТКА

Пластичний і енергійний обміни в клітинах рослин і тварин подібні. Проте в клітинах, що містять хлорофіл, відбуваються специфічні процеси, які мають велике значення для живої природи. Ці клітини (а вони містяться в листках), здатні синтезувати органічні речовини з простих неорганічних сполук, використовуючи для цього світлову енергію Сонця. Молекула хлорофілу - це сонячна пастка, яка розташована на мембрані тилакоїду (а та, у свою чергу, є компонентом спеціалізованої органели - хлоропласту). Велике значення хлорофілу на нашій планеті підкреслив Ч. Дарвін. В особистій розмові з К.А. Тімірязєвим, який навідав Дарвіна в Англії в його маєтку Дауні, він сказав, що хлорофіл - чи не найцікавіша з органічних речовин на Землі.

К.А.Тімірязєв найбільш глибоко дослідив роль хлорофілу в процесі фотосинтезу. Уявлення Тімірязєва про окисно-відновну природу фотосинтезу і про роль хлорофілу усталились у науці в 30-40-х роках минулого століття.

За минулі роки після досліджень Тімірязєва 100 років вивчення механізму фотосинтезу займалися сотні навчальних закладів і багато вчених у всіх країнах світу. Багато в механізмі цього процесу вже з'ясовано. Багато, але не все.

Перше місце серед пігментів зеленого листка належить хлорофілу. Його Ч.Дарвін назвав найцікавішим з усіх створених природою органічних речовин. Зелений колір хлоропластів і здатність їх до фотосинтезу залежать від хлорофілу.

Молекула хлорофілу за будовою подібна до пігменту гемоглобіну, що міститься в червоних кров'яних тільцях тваринного організму, тільки в хлорофілів міститься атом Магнію, а не Феруму, як у гемоглобіну.

Молекула хлорофілу - це естер двоосновної кислоти хлорофіліну і двох спиртів - фітолу ( С₂₀Н₃₉ОН) і метанолу (СН₃ОН).

Формула хлорофілу а:

СООСНз

С₃₂Н₃₀ОN₄Mg

СООС₂₀Н₃₉

хлорофілу b:

СООСНз

С₃₂Н₂₈О₂N₄Mg

СООС₂₀Н₃₉

Хлорофіл а відрізняються від хлорофілу b лише тим, що в ньому більше Гідрогену на два атоми менше Оксигену на один атом. Зелений колір хлорофілу зумовлюється наявністю в його молекулі Магнію. Це легко довести, здійснивши такий дослід. На спиртовий розчин хлорофілу діють слабким розчином хлоридної або будь-якої іншої кислоти. При цьому Магній відокремлюється, витяжка набуває жовто-бурого відтінку. Хлорофіл без Магнію називається феофітином.

СООСНз

С₃₂Н₃₀ОN₄Mg +2НСl

СООС₂₀Н₃₉

СООСНз

С₃₂Н₃₂ОN₄ +2MgCl₂

СООС₂₀Н₃₉

ПРОЦЕС ФОТОСИНТЕЗУ, ЙОГО ХІМІЗМ І ПРОДУКТИ

Фотосинтез - унікальний процес перетворення увібраної хлорофілом світлової енергії на хімічну енергію органічних речовин, що синтезується в зеленому листку з вуглекислого газу і води.

Розкриття таємниці фотосинтезу є однією з актуальних і захоплюючих проблем сучасної науки. Над її розв'язанням працюють учені різних країн. Створено спеціальний науково-дослідницький інститут фотосинтезу, де процеси фотосинтезу вивчають не тільки фізіологи рослин, а й хіміки та фізики. Механізм фотосинтезу - в центрі уваги найвидатніших біологів та хіміків світу. Мета всіх цих досліджень - таке глибоке і досконале пізнання фотосинтезу, яке дасть змогу вченим відтворити цей процес поза рослинною клітиною, у штучно створеному середовищі.

Завдяки успіхам техніки вдалося розробити методи високої чутливості й точності, що широко використовуються під час вивчення окремих ланок фотосинтезу. Це, насамперед, метод мічених атомів.

За сучасними уявленнями, фотосинтез - це поєднання світлових (фотохімічних) і темнових реакцій. До фотохімічних реакцій належать:

1. фотоокиснення води і виділення молекулярного кисню;

2. фотосинтетичне фосфорилювання.

Темнові реакції фотосинтезу - це перетворення Карбону вуглекислого газу на Карбон органічних сполук.

Процес фотосинтезу виражається таким сумарним рівнянням:

6СO₂ + 6Н₂O = С₆Н₁₂О₆ + 6O₂

У цьому процесі з карбон(ІУ) оксиду і води утворюється вуглевод (СбН]20б) - багата на енергію речовина. У результаті фотосинтезу утворюється також молекулярний кисень.

СВІТЛОВА ФАЗА ФОТОСИНТЕЗУ

Процес фотосинтезу починається з освітлення хлоропласта видимим світлом. Фотон, потрапивши в молекулу хлорофілу, приводить її в збуджений стан: її електрони переміщуються на вищі орбіти, тобто на орбіти, більш віддалені від ядра. Завдяки цьому полегшується відрив електронів від молекули. Один з таких збуджених електронів переходить на молекулу-переносника, яка переносить його і переправляє на зовнішню сторону мембрани. Молекула хлорофілу відновлює втрату електрона, відбираючи її від молекули води.

В результаті втрати електронів молекули води розкладаються на протони та атоми оксисену. Із атомів оксисену утворюється молекулярний кисень, який дифундує через мембрану і виділяється в атмосферу. Протони не здатні до дифузії і накопичуються в грані. Таким чином, з однієї сторони мембрани збираються позитивно заряджені протони, по іншу - електрони.

В міру накопичення по обидві сторони мембрани протилежно заряджених частинок наростає різниця потенціалів (протонний потенціал). В мембрани гран вмонтовані молекули фермента, що синтезує АТФ (АТФ - синтетаза). Коли величина протонного потенціалу сягає критичного рівня, сила електричного поля проштовхує протони через канал в молекулі АТФ-синтетази. Енергія, що звільняється при цьому витрачається на синтез АТФ. Утворена АТФ переправляється в ті місця хлоропласту, де відбувається синтез вуглеводів.

Протони, переправившись на інший бік мембрани, зустрічаються тут з електронами, доставленими молекулами-переносчиками. Вони перетворюються в атоми гідрогену, які переправляються в ті місця хлоропласту, де відбувається синтез вуглеводів.

Таким чином, енергія сонячного випромінення народжує три процеси: утворення молекулярного кисню в результаті розкладу води; синтез АТФ; утворення атомарного гідрогену. Ці три процеси відбуваються на світлі і являються складовими світлової фази фотосинтезу.

ТЕМНОВА ФАЗА ФОТОСИНТЕЗУ

Подальші реакції фотосинтезу, пов'язані з утворенням вуглеводів, можуть відбуватися на світлі й у темряві й називаються темновою фазою. Темнова фаза фотосинтезу - це ряд послідовних реакцій за участі ферментів, у результаті яких з бідних на енергію речовин (карбон (IV) оксиду і води) утворюються вуглеводи - речовини, багаті на енергію.

Для здійснення темнових реакцій у хлоропласт безперервно надходять вихідні речовини й енергія. Карбон (IV) оксид - вуглекислий газ - надходить у листок з навколишньої атмосфери; Гідроген утворюється у світловій фазі фотосинтезу. Усі ці речовини транспортуються у хлоропласт, де й здійснюється синтез вуглеводів.

Отже, під час світлових реакцій утворюються АТФ, НАДФН₂, і, як побічний продукт, О₂. А під час темнових - вуглеводи, білки, ліпіди, вітаміни та інші органічні сполуки.

ВПЛИВ ВНУТРІШНІХ ФАКТОРІВ НА ФОТОСИНТЕЗ

Оскільки процес фотосинтезу - це ряд хімічних перетворень, то на перебіг цих перетворень буде впливати ряд зовнішніх та внутрішніх факторів.

Розглянемо вплив внутрішніх факторів, оскільки вони пов'язані з фізіологічним станом рослини^

1. Ступінь забезпеченості рослин водою має першорядне значення для фотосинтетичних функцій рослин, бо вода бере участь у фотохімічних і ферментативних реакціях. Від ступеня оводненості тканин залежить також засвоєння і надходження вуглекислого газу, відкривання продихів. Зменшення вмісту води в листках під час посухи від надмірної транспірації призводить до закриття продихів, унаслідок чого припиняється надходження вуглекислого газу всередину листка, а отже, і фотосинтез. Крім того, коли зелені пластиди недостатньо насичені водою, їх фотосинтетична дія гальмується.

2. Вміст хлорофілу в листках впливає на "працездатність" фотосинтетичного апарату. Тому в практиці сільського господарства треба дбати про утворення достатньої кількості хлорофілу в рослинах, розміщуючи рослини в посівах так, щоб вони добре освітлювались, і забезпечуючи їх усіма потрібними елементами живлення (Нітрогеном, Калієм, Фосфором, Ферумом, Купрумом та ін.)

ВПЛИВ ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ НА ФОТОСИНТЕЗ

Із зовнішніх факторів на процес фотосинтезу впливають:

1. Світло. Учені встановили, що в деяких рослин фотосинтез починається за дуже малої інтенсивності світла: при світлі гасової лампи або вечірньої зорі. На широті 60° під час літніх білих ночей фотосинтез не припиняється. Але місячного світла для цього недостатньо.

Велике значення має адаптація рослин до сильного або слабкого світла. К.А. Тімірязєв установив, що в тіньовитривалих рослин інтенсивність фотосинтезу досягає максимуму приблизно за половини повного сонячного освітлення, а у світлолюбних - майже за повного сонячного освітлення.

Листки тіньовитривалих рослин порівняно з листками світлолюбних містять більше хлорофілу, а саме хлорофілу Ь, який інтенсивніше вбирає сонячні промені. Світлолюбні рослини містять хлорофілу а в п'ять разів більше, ніж хлорофілу Ь.

2. Вуглекислий газ. У процесі фотосинтезу засвоюється Карбон лише вуглекислого газу (СO₂) або його гідрату (Н₂СО₃).

Вміст вуглекислого газу в повітрі становить від 0,02 до 0,03%. Він надходить у повітря під час вибухів вулканів, унаслідок хімічних реакцій горіння та окислення, біохімічних процесів дихання та бродіння.

Кількість вуглекислого газу в атмосфері більш-менш постійна завдяки фотосинтезу рослин. Найменша концентрація вуглекислого газу, за якої починається фотосинтез, -0,008-0,01%. У разі її збільшення інтенсивність фотосинтезу спочатку пропорційно зростає (за вмісту СO₂ до 0,04 урожай плодів іноді майже подвоюється), а за дуже високої концентрації майже 0,1% фотосинтез послабляється.

У процесі фотосинтезу сільськогосподарські рослини на 1 га за звичайних умов росту засвоюють з повітря за день у середньому 120-150 кг. СO₂, а за високих урожаїв і більше. Наприклад, цукрові буряки асимілюють 400-600 кг СO₂. Для вловлювання такої величезної кількості вуглекислого газу в рослини є пристосування, зокрема велика листкова поверхня і продихи.

3. Температура впливає тільки на темнові реакції фотосинтезу. Світові реакції не залежать від неї.

З підвищенням температури фотосинтез швидко посилюється і стає найінтенсивнішим за температури 25-30 °С. Вища температура гальмує його. З підвищенням темцератури інтенсивність дихання збільшується більше, ніж фотосинтезу. Коли дихання переважає над фотосинтезом, витрачаються запасні речовини. Якщо це триває довго, то рослина виснажується і гине.

Оптимальна температура для фотосинтезу в різних рослин неоднакова. У ряду рослин зона оптимальних для синтезу температур дуже широка. Наприклад, у гарбуза фотосинтез відбувається активно за температури 20-38 °С, у вівса - 25-35 °С, у бобів-13-35 °С.

Неоднакова й найвища температура, за якої відбувається фотосинтез у рослин. Для сосни і ялини вона дорівнює 0,5 - 15 °С. У рослин арктичної, альпійської і помірної зон фотосинтез припиняється за температури, трохи нижчої від точки замерзання , а в тропічних рослин - уже за температури від 4 до 8 °С.

ЗНАЧЕННЯ ФОТОСИНТЕЗУ

Зелені рослини - єдина продуктивна група з усього живого на Землі, здатна засвоювати енергію сонячного світла. Фотосинтез - унікальний процес на Землі, в результаті якого бідні на енергію речовини переходять в енергетично багаті. Виділяючи кисень під час фотосинтезу, рослини накопичували його в атмосфері. З усіх видів енергії, які використовує людство, 96% становить енергія, зв'язана рослинами, і лише 4% - енергія вітру, річок, атомна тощо.

"Зв'язок між Сонцем і зеленим листком, - писав К.А. Тімірязєв, - приводить нас до найбільш узагальнюючого уявлення про рослину. У ньому розкривається перед нами космічна роль рослин. Зелений листок, або точніше, мікроскопічне зерно, є фокусом, точкою у світовому просторі, в яку з одного кінця надходить енергія Сонця, а з другого беруть початок усі прояви життя на Землі".

За приблизними підрахунками, рослини виділяють щорічно близько 400 млрд. тонн вільного кисню в атмосферу, поглинають 600 млрд. тонн вуглекислого газу і синтезують близько 450 млрд. тонн органічної речовини.

Фотосинтез є основним джерелом біологічної енергії, фотосинтезуючі автотрофи використовують її для утворення органічних речовин з неорганічних, гетеротрофи існують за рахунок енергії хімічних зв'язків, запасеної автотрофами, вивільняючи її в процесах аеробного та анаеробного дихання. Енергія, отримувана людством при спалюванні викопного палива (вугілля, нафта,природний газ, торф), також є запасеною в процесі фотосинтезу.

Фотосинтез є головним методом залучення неорганічного вуглецю в біологічний цикл. Весь кисень атмосфери біогенного походження і є побічним продуктом фотосинтезу. Формування окиснювальної атмосфери повністю змінило стан земної поверхні, зробило можливою появу дихання, а надалі, після утворення озонового шару, дозволило життю вийти на сушу.