reforef.ru 1


Муниципальное Общеобразовательное Учреждение ДСШ №2

Жизнь растения в изолированной системе

Выполнила:

Марченко Кристина

Руководитель:


Орлова Г.С.


2008 год


СОДЕРЖАНИЕ:


1. Основная часть………………………………………………………………………………………..3

1.1 Гипотеза….………………………………………………………………………………………3

1.2 Цели и задачи……………………………………………………………………………………3

1.3 История изучения фотосинтеза.………………………………………………………………4

1.4 Фотосинтез, ассимиляция и диссимиляция. ………………………………………………..6

1.5 Структуры клетки участвующие в фотосинтезе……………………………………………7

1.6 Фазы фотосинтеза……………………………………………………………………………………..9

2. Методика проведения исследования………………..……………………………………………...11

2.1 Изучение влияния условий среды на процесс фотосинтеза…………………………11

2.1.1 Влияние продолжительности затемнения на Обескрахмаливание………..11


      1. Влияние продолжительности освещения на

образование крахмала в листьях………………………………………..12

2.2 Зависимость ассимиляции от интенсивности света……………… …………………..12

3. Влияние температуры на процесс ассимиляции ……………………………………………….13

4. Заключение………………………………………………………………………………………………..14

Приложение…………………………………………………………………………………………………...15

Список литературы………………………………………………………………………………………….20


Введение
Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению ее свободной энергии за счет внешнего источника. Запасенная в продуктах фотосинтеза энергия – основной источник энергии для человечества и большинства живых организмов.

Именно поэтому процесс фотосинтеза все больше и больше привлекает к себе внимание ученых. Наука близка к разрешению важнейшего вопроса – искусственного создания при помощи световой энергии ценных органических веществ из неорганических веществ. Проблема фотосинтеза усиленно разрабатывается ботаниками, химиками, физиками и другими специалистами.


В последнее время уже удалось искусственно осуществить синтез формальдегида и сахаристых веществ из водных растворов карбоновой кислоты; при этом роль поглотителя световой энергии играли вместо хлорофилла карбонаты кобальта и никеля. Недавно синтезирована молекула хлорофилла.

Успехи науки в области синтеза органических веществ наносят сокрушительный удар по идеалистическому учению – витализму, который доказывал, что для образования органических веществ из неорганических необходима особая «жизненная сила» и что человек не сможет синтезировать сложные органические вещества.

Я выбрала данную тему для изучения, чтобы проникнуть в суть жизненно важного процесса для всего живого на Земле. Задачами моей работы стало: изучить литературу об истории изучения данного процесса, ознакомиться с современными данными о процессах происходящих в хлоропластах зеленых растений. А также научиться ставить опыты, позволяющие определить время обескрахмаливания листьев различных растений, узнать, сколько времени необходимо на образование крахмала и как внешние условия влияют на процесс ассимиляции в изолированных средах.

Объектом исследования стало комнатное растение: Традесканция.

Гипотеза: Растение может существовать в изолированной системе.
Целью данной работы является: Изучить процессы фотосинтеза и диссимиляции, происходящие в комнатном растении Традесканции в изолированной системе.

Из цели вытекают следующие конкретные задачи:


  1. Изучить историю фотосинтеза, сущность диссимиляции;

  2. Изучить влияние условий на развитие Традесканции:

а) интенсивность освещения;

б) температуры;

  1. Проанализировать полученные результаты, сформулировать выводы исследования.

История фотосинтеза

В течение тысячелетий люди считали, что питается растение исключительно благодаря корням, поглощая с их помощью все необходимые вещества из почвы. Проверить эту точку зрения взялся в начале девятнадцатого века голландский натуралист Ян Ван Гельмонт. Он взвесил землю в горшке и посадил туда побег ивы. В течение пяти лет он поливал деревце, а затем высушил землю и взвесил её и растение. Через пять лет, масса ивы увеличилась на 74,4 кг, в то время как масса почвы уменьшилась только на 57 гр. Вывод учёного был таков - растения получают питательные вещества, прежде всего не из почвы, а из воды.

На два столетия в науке утвердилась теория водного питания растений. Листья, по этой теории, лишь помогали растению испарять излишнюю влагу.

К самому неожиданному, но правильному предположению о воздушном питании растений ученые пришли лишь к началу девятнадцатого века. Важную роль в понимании этого процесса сыграло открытие, совершенное английским химиком Джозефом Пристли в 1771 году. Джозеф Пристли сообщил, что он «случайно обнаружил метод исправления воздуха, который был испорчен горением свечей». 17 августа 1771 г. Пристли «… поместил живую веточку мяты в закрытый сосуд, в котором горела восковая свеча», а 21 числа того же месяца обнаружил, что «… другая свеча снова могла гореть в этом же сосуде». «Исправляющим началом, которым для этих целей пользуется природа, - полагал Пристли, - было растение». Он расширил свои наблюдения и скоро показал, что воздух, «исправляемый» растением, не был «совсем не подходящим для мыши».

Он поставил опыт, в результате которого он сделал вывод: растения очищают воздух и делают его пригодным для дыхания. Позднее выяснилось: для того, чтобы растение очищало воздух, необходим свет.

Позднее голландский врач Ян Ингенхауз (1730-1799) подтвердил работу Пристли и показал, что воздух «исправляется» только на солнечном свету и только зелеными частями растения. В 1796 году Ингенхауз предположил, что углекислота разлагается при фотосинтезе на углерод и О2, а О2 выделяется в виде газа. В последствие было обнаружено, что соотношение атомов углерода, водорода и кислорода в сахарах и крахмале таково, что один атом углерода приходится на одну молекулу воды, на что и указывает слово «углеводы». Считалось общепринятым, что углеводы образуются из углерода и Н2О, а О2 выделяется из углекислоты. Это вполне разумная гипотеза была широко признана, но, как позднее выяснилось, она была совершенно неверной.


Начиная с семидесятых годов прошлого столетия, крупные успехи в области фотосинтеза были получены в России. Работами русских учёных Пуриевича, Ивановского, Риктера, Иванова, Костычева, Тимирязева были изучены многие стороны этого процесса.

Выясняя зависимость фотосинтеза от интенсивности света и его спектрального состава, Тимирязев (см. приложение 1) установил, что ассимиляция растениями углерода из углекислоты воздуха происходит за счёт энергии солнечного света, главным образом в красных и синих лучах, наиболее полно поглощаемых хлорофиллом. Тимирязев впервые высказал мнение, что хлорофилл не только физически, но и химически участвует в процессе фотосинтеза, предвосхитив этим современные представления. Он показал, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна поглощённой энергии при относительно низких интенсивностях света, но при их увеличении постепенно достигает стабильных величин и далее не меняется, то есть им были открыты явления светового насыщения фотосинтеза («Зависимость усвоения углерода от интенсивности света», 1889).

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 английский 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 биохимик и физиолог О. Варбург, биохимик Х. Гафрон. В 1941 советскими учёными А. П. Виноградовым и М. В. Тейц, а также американским исследователем Э. Рубеном установлено, что источником кислорода, выделяющегося в процессе фотосинтеза высших растений и водорослей, является вода, а не CO2, как считали ранее.


В настоящее время известно, что фотосинтез проходит две стадии, но только одна из них – на свету. Доказательства двухстадийности процесса впервые были получены в 1905 году английским физиологом растений Ф.Ф. Блэклином, который исследовал влияние освещенности, и температуры на объем фотосинтеза.

Фотосинтез



Фотосинтез – это процесс поглощения организмами солнечной световой энергии и преобразование её в химическую энергию (см. приложение 2.). Кроме зелёных растений, водорослей к фотосинтезу способны и другие организмы – некоторые простейшие, бактерии (цианобактерии, пурпурные, зелёные, галобактерии). Процесс фотосинтеза у этих групп организмов имеет свои особенности.

При фотосинтезе под действием света с обязательным участием пигментов (хлорофилла – у высших растений, и бактериохлорофилла – у фотосинтезирующих бактерий.) из углекислого газа и воды образуется органическое вещество. У зелёных растений выделяется при этом кислород.

Фотосинтез высших зелёных растений обеспечивается совершенным фотосинтетическим аппаратом, основа которого – внутриклеточные органеллы – хлоропласты (в клетке зелёного листа их 20–100).

Ассимиляция – процесс использования организмом или его органами внешних по отношению к ним веществ или условий. В результате процессе ассимиляции внешние условия включаются в ход развития организма, переходят во внутренние. Ассимиляция составляет одну из сторон присущего организму обмен вещества.

Диссимиляция – это другая сторона обмена веществ противоположная ассимиляции. Внутренние процессы происходящие в организме переходят во внешние.

Структуры клетки участвующие в фотосинтезе

Хлоропласты (от греч. chlorós — зелёный и plastós — вылепленный, образованный, см. приложение 3-4.), внутриклеточные органеллы растительной клетки — пластиды, в которых осуществляется фотосинтез. Окрашены в зелёный цвет благодаря присутствию в них основного пигмента фотосинтеза — хлорофилла (см. приложение 7). У высших растений хлоропласты — тельца линзообразной формы диаметром 3—10 мкм и толщиной 2—5 мкм, представляют собой систему белково-липидных мембран, погруженных в основное вещество — матрикс, или строму, и отграничены от цитоплазмы наружной мембраной (оболочкой). Внутренние мембраны образуют единую (непрерывную) пластинчатую, или ламеллярную, систему, состоящую из замкнутых уплощённых мешочков (цистерн) - тилакоидов, которые группируются по 10—30 (стопками) в граны (до 150 в хлоропласте), соединяющиеся между собой крупными тилакоидами. При таком строении значительно увеличивается фотоактивная поверхность хлоропласта и обеспечивается максимальное использование световой энергии. В мембране тилакоидов, состоящей из двух слоев белка, разделённых слоем липидов, осуществляется первичная световая стадия фотосинтеза, ведущая к образованию двух необходимых для ассимиляции CO2 соединений — восстановленного никотинамид-адениндинуклеотидфосфата (НАДФ*Н) и богатого энергией соединения аденозинтрифосфата (АТФ). Источником энергии для образования молекул АТФ является разность потенциалов, которая образуется на мембране в результате векторного (направленного) переноса заряда. Разделение заряда по обеим сторонам мембраны обеспечивается особым расположением компонентов электронно-транспортной цепи в мембране, перешнуровывающих её толщу. Благодаря мембранам, играющим роль «перегородок», осуществляется пространственное разобщение продуктов фотосинтеза, например O2 и восстановителей, без которых эти продукты взаимодействовали бы друг с другом. Наружная поверхность тилакоида покрыта частицами диаметром 14—15 нм, которые представляют собой «факторы сопряжения», участвуют в синтезе АТФ. В строме же сосредоточены ферменты фиксации CO2; (темновая стадия фотосинтеза).


Компоненты фотосинтеза – пигменты (зелёные – хлорофиллы и жёлтые – каротиноиды), ферменты и другие соединения – упорядоченно располагаются в мембране тилакоидов или строме хлоропласта.

Хлорофилл (от греч. chlorós — зелёный и phýllon — лист, см. приложение 7), зелёный пигмент растений, с помощью которого они улавливают энергию солнечного света и осуществляют фотосинтез. Локализован в особых клеточных структурах — хлоропластах или хроматофорах и связан с белками и липидами мембран. Основу структуры молекулы хлорофилла, составляет магниевый комплекс порфиринового цикла; в IV пиррольном кольце к остатку пропионовой кислоты присоединён высокомолекулярный спирт фитол, который придаёт хлорофиллу способность встраиваться в липидный слой мембран хлоропластов. Высшие растения и зелёные водоросли содержат хлорофилл а и в.

  В хлоропластах и хроматофорах большая часть хлорофилла (содержание его обычно составляет 0,5—1,5% на сухую массу) находится в виде светособирающей «антенны» и меньшая часть — в реакционных центрах, непосредственно участвующих в работе цепи фотосинтетического переноса электрона. Поглощая квант света, молекула хлорофилла переходит в возбуждённое состояние, которое может переходить в долгоживущее триплетное возбуждённое состояние с длительностью жизни до 10-3 сек. Возбуждённые светом молекулы хлорофилла способны переносить электрон от молекулы-донора к молекуле-акцептору.

Фазы фотосинтеза



Процесс фотосинтеза представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций, совокупность которых принято подразделять на две фазы – световую и темновую.

Световая фаза характеризуется тем, что энергия солнечной радиации, поглощённая пигментными системами хлоропластов, преобразуется в электрохимическую.

Один из электронов молекулы хлорофилла изменяет своё положение, поднимаясь на более высокий энергетический уровень. Это возбуждение передаётся так называемой основной молекуле хлорофилла, которая способна к разделению заряда: отдаёт электрон акцептору, который отправляет его по системе переносчиков в электронно-транспортную цепь, где электрон отдаёт энергию в окислительно-восстановительных реакциях. За счёт этой энергии протоны водорода «перекачиваются» с внешней стороны мембраны тилакоидов на внутреннюю. Образуется разность потенциалов водородных ионов, энергия которой идёт на синтез АТФ. Образование АТФ в процессе фотосинтеза называется фотофосфорилированием.


Молекула хлорофилла, отдавая электрон, окисляется. Возникает так называемая электронная недостаточность. Чтобы процесс фотосинтеза не прерывался, она должна быть возмещена другим электроном. Откуда же он берётся? Оказывается, источник электронов, а так же протонов – вода. Под действием солнечного света, а так же с участием особого фермента зелёное растение способно фотоокислять воду:



Полученные таким образом электроны заполняют электронную недостаточность в молекуле хлорофилла, протоны же идут на восстановление НАДФ (активной группы ферментов, транспортирующих водород), образуя ещё один энергетический эквивалент НАДФ*Н в дополнение к АТФ. Помимо электронов и протонов при фотоокислении воды образуется кислород, благодаря которому атмосфера Земли пригодна для дыхания.

Темновая фаза осуществляется в строме хлоропластов без непосредственного участия света. Цепь реакции, приводящих к восстановлению СО2 до уровня органического вещества, на этой фазе идёт за счёт использования энергии АТФ и НАДФ*Н+Н, синтезированных в световую фазу. Восстановление СО2 начинается с их фиксации молекулами пятиуглеродного сахара рибулозодифосфата. При взаимодействии рибулозодифосфата 4СО2 образуется сначала нестойкое шести углеродное соединение, которое затем ферментативным путём распадается на две трёх углеродные молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Для дальнейшего превращения ФГК требует участия продуктов световой фазы фотосинтеза – АТФ и НАДФ*Н+Н. В конечном итоге через ряд промежуточных соединений образуется прежде всего шести углеродные сахара и другие органические вещества (амино– и органические кислоты, спирты, в том числе глицерол).

Соответственно задачам, работа построена следующим образом: она состоит из введения, основной части и заключения. Введение кратко обосновывает актуальность темы работы, здесь выделены цели, а также задачи, которые требуется решить для реализации цели. В основной части работы содержится материал, отобранный для рассмотрения проблемы, а также включает в себя собственное мнение и сформулированные выводы, опирающиеся на приведенные факты. В заключении сформулированы выводы по основной части, обращено внимание на выполнение поставленных во введении цели и задач. Кроме того, в работе есть приложение, в котором приведены фотографии.


2. Методика проведения исследования

Работа выполнялась в октябре 2006 года. Наблюдения велись в дневное время при естественном освещении и температуре воздуха 18 – 220 С.

В основе проведенного исследования лежат методики изучения свойств растений по Б. П. Токину.
Изучение влияния условий среды на процесс фотосинтеза.
А) Влияние продолжительности затемнения на обескрахмаливание листьев.
Для проведения были выбраны листья Традесканции. На листья надели листочки мешочки из черной фотографической бумаги. Затемнение продолжалось 24, 48, 72 часа. По истечении этих сроков надели на листья экраны с вырезанными в них фигурками. Через 24 часа произвела йодную пробу на крахмал. С этой целью листья сначала кипятила в воде, чтобы убить клетки, затем кипятили в спирте, до тех пор, пока лист не обесцветился. Обесцвеченный лист промыла водой и облила раствором йода. Данные занесла в таблицу.


№ опыта

Длительность затемнения

Экран с фигурами

Интенсивность окрашивания

Листья Традесканции

1

24

24

Изображение фигуры не четкое

2

48

24

Изображение фигуры не четкое

3

72

24

Изображение фигуры четкое

Из данных, полученной таблицы, делаю вывод.

Вывод: Для полного обескрахмаливания листьев Традесканции необходимо 72 часа.

Б) Влияние продолжительности освещения на образование крахмала в листьях.

После того, как выяснилось время полного обескрахмаливания листьев Традесканции. Снимаю бумажные мешочки, служащие для обескрахмаливания, с Традесканции через 72 часа. Сразу же надеваю экраны из плотной бумаги с вырезанными в них фигурами. Оставляю эти экраны сроком на 30 минут, 1 час, 1час 30 минут, 2 часа, 2 часа 30 минут, 3 часа. После истечения данного срока экраны снимаю и произвожу пробу на крахмал. Данные заношу в таблицу.


№ опыта

Время экспозиции

Интенсивность окрашивания фигур

Лист Традесканции

1

30 мин

Изображение не четкое

2

1 час

Изображение четкое

3

1 час 30 мин

Изображение четкое

4

2 часа

Изображение четкое

5

2 часа 30 мин

Изображение четкое

6

3 часа

Изображение четкое

Вывод: четкие крахмальные фигуры появились на листьях Традесканции через 1 час освещения. Опыт проводился в ясный, солнечный день.


В) Зависимость ассимиляции от интенсивности света.

Фотосинтез, как любой физиологический процесс, зависит от условий окружающей среды. Ассимиляция – процесс использования организмом или его органами внешних по отношению к ним веществ или условий. В данном случае я рассмотрела влияние квантов света на комнатного растение Традесканция которое находилось в изолированной среде. В начале веточку выставила на яркий солнечный свет. На свету из срезанного конца веточки начинают выделяться пузырьки газа. Подсчитала количество выделившихся пузырьков в минуту. Подсчет произвела несколько раз. Средние данные внесла в таблицу.

Затем создаем рассеянный свет, обернув банку двумя листами белой бумаги, и произвела подсчет пузырьков так же, как и в первом опыте. Сохраняем температуру воды в банке, как в начале опыта. Заносим данные в таблицу.



№ опыта

Температура воды

Условия освещения

Количество выделившихся пузырьков

Среднее количество пузырьков

1

20

Яркое освещение

23, 20, 20, 23, 21

21,4

2

20

Рассеянный свет

10, 12, 11, 12, 13

11,6

3

20

Солнце за облаками

8, 6, 9, 7, 8

7,6

Вывод: Из этих данных видно, что в процессе ассимиляции внешние условия в данном случае свет включился в ход развития организма и перешел во внутренние прцессы, то есть обмен веществ. При ярком освещении количество выделившихся пузырьков равно 21,4 , при рассеянном – 11,6 и при затенении солнца облаками – 7,6.


Количество выделившихся пузырьков в минуту на рассеянном свету и при затенении солнца облаками меньше, чем на прямом солнечном освещении, что отчетливо указывает на зависимость величины ассимиляции от силы света. Данные опыта также показывают, как тонко растение реагирует на изменение условий среды.

Г) Влияние температуры на процесс ассимиляции.
Для проведения этого опыта банку с Традесканцией последовательно помещаем в сосуд с водой различной температуры (+10º, +15º, + 25º С). Наблюдения производила при ярком свете и начинала при низкой температуре +10º С.. Подсчитала количество выделившихся пузырьков, данные занесла в таблицу.


№ опыта

Температура воды

Количество выделившихся пузырьков в минуту

Среднее количество выделившихся пузырьков.

1

10º С

3, 4, 5, 4, 4

4

2

15º С

14, 16, 13,14,13

14

3

25º С

25, 26, 25, 24, 25

25


Вывод: Видно, что при разной температуре окружающей среды изменяется среднее количество выделившихся пузырьков в минуту. Среднее количество пузырьков при температуре 10º С (4) меньше, чем при +15º С (14) и +25º С (25). Отсюда следует, что низкая температура замедляет процесс ассимиляции, с повышением же температуры интенсивность ассимиляции возрастает.

Из данных двух последних опытов видно, что при повышении температуры на 5º С градусов количество выделившихся пузырьков увеличивается не одинаково. Это демонстрирует следующий график (рис. №1). Наиболее интенсивно ассимиляция протекает при температуре 20-25º С, но с увеличением температуры интенсивность фотосинтеза несколько замедляется.


Рисунок №1

Заключение
Из проведённых мною опытов можно сделать следующие выводы:


  1. 06 октября 2006 – начало: 4-побега 5 пар листьев, 5 см почва + полив.

  2. К декабрю 2006 года максимально…. , 4 см до верха.

  3. До октября 2007 – изменений видимых не было.

  4. В декабре 2007 года заметно уменьшилась масса (на 1/4).

  5. К апрелю 2008 года масса уменьшилась на 1/3, на почве появились отмирающие части (листья).


В начале эксперимента фотосинтез преобладал, и растение быстро развивалось. Но затем процесс затормозился, не смотря на сохранение условий. Мы можем предположить, что для процесса фотосинтеза не достаточно углекислого газа. Данные проведенных опытов также показывают, как тонко растение реагирует на изменение условий среды.

Ассимиляция зависит от температуры окружающей среды. Низкая температура замедляет процесс ассимиляции, с повышением же температуры интенсивность ассимиляции возрастает. Наиболее интенсивно ассимиляция протекает при температуре 20-25º С, но с увеличением температуры интенсивность фотосинтеза несколько замедляется.

Время обескрахмаливания листьев комнатного растения Традесканция – 72 часа.

Чтобы произошло образование крахмала (ассимиляция) в листьях для растений необходимо различное время (для Традесканции – 1 час).

Приложение.


Приложение 1. Тимирязев Климент Аркадиевич.


Приложение 2. Схема фотосинтеза, 1-я фаза (световая).


Приложение 3. Модель пластинчатой (ламелярной) системы хлоропластов. Столбики — граны, образованные  тилакоидами.



Приложение 4. Микрофотография хлоропласта.


Приложение 5. Схема фотохимических систем (ФС I и ФС II) фотосинтеза. — окислительно-восстановительный потенциал при pH 7 (в вольтах), Z — донор электронов для ФС II, P680 — энергетическая ловушка и реакционный центр ФС II (светособирающая антенна этого центра включает молекулу хлорофилла а, хлорофилла b, ксантофиллы), Q — первичный акцептор электронов в ФС II, АДФ — аденозиндифосфат, Pнеорг. — неорганический фосфат, АТФ — аденозинтрифосфат, Р700 — энергетическая ловушка и реакционный центр ФС I (светособирающая антенна этого центра включает молекулу хлорофилла а, хлорофилла b, каротин), ВВФ — вещество, восстанавливающее ферредоксин.



Приложение 6. Упрощённая схема цикла Калвина — пути фиксации углерода при фотосинтезе.



Приложение 7. Молекула хлорофилла.

Список литературы


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

  2. Артемов А. «Энциклопедия БИОЛОГИЯ», 1995, стр.200-203.

  3. Коган В.Л. и др. «Биология», 1984, стр.160-161.

  4. Медведева В. «Ботаника», 1980, стр.128-131.

  5. Питерман И. и др. «Интересная ли ботаника?», 1979, стр.19-20.

  6. Пенкин П. «Физиология растений», 1975, стр.69.

  7. Челобитько Г. и др. «Ботаника», 1990, стр.79, 102-103.
  8. Любименко В. Н. Фотосинтез и хемосинтез в растительном мире, М. – Л., 1935

  9. Тимирязев К. А., Солнце, жизнь и хлорофилл, М., 1937