Фотосинтез

Фотосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа и воды с обязательным использованием энергии света:

6СО₂ + 6Н₂О + Q_света → С₆Н₁₂О₆ + 6О₂.

У высших растений органом фотосинтеза является лист, органоидами фотосинтеза — хлоропласты (строение хлоропластов — лекция №7). В мембраны тилакоидов хлоропластов встроены фотосинтетические пигменты: хлорофиллы и каротиноиды. Существует несколько разных типов хлорофилла (a, b, c, d), главным является хлорофилл a. В молекуле хлорофилла можно выделить порфириновую «головку» с атомом магния в центре и фитольный «хвост». Порфириновая «головка» представляет собой плоскую структуру, является гидрофильной и поэтому лежит на той поверхности мембраны, которая обращена к водной среде стромы. Фитольный «хвост» — гидрофобный и за счет этого удерживает молекулу хлорофилла в мембране.

Хлорофиллы поглощают красный и сине-фиолетовый свет, отражают зеленый и поэтому придают растениям характерную зеленую окраску. Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы. У растений и синезеленых водорослей имеются фотосистема-1 и фотосистема-2, у фотосинтезирующих бактерий — фотосистема-1. Только фотосистема-2 может разлагать воду с выделением кислорода и отбирать электроны у водорода воды.

Фотосинтез — сложный многоступенчатый процесс; реакции фотосинтеза подразделяют на две группы: реакции световой фазы и реакции темновой фазы.

Световая фаза

Эта фаза происходит только в присутствии света в мембранах тилакоидов при участии хлорофилла, белков-переносчиков электронов и фермента — АТФ-синтетазы. Под действием кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, находящейся во внутритилакоидном пространстве. Это приводит к распаду или фотолизу воды:

Н₂О + Q_света → Н⁺ + ОН^—.

Ионы гидроксила отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы •ОН:

ОН^— → •ОН + е^—.

Радикалы •ОН объединяются, образуя воду и свободный кислород:

4НО• → 2Н₂О + О₂.

Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре». В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счет Н⁺ заряжается положительно, с другой за счет электронов — отрицательно. Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ; атомарный водород идет на восстановление специфического переносчика НАДФ⁺ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) до НАДФ·Н₂:

2Н⁺ + 2е^— + НАДФ → НАДФ·Н₂.

Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1) синтезом АТФ; 2) образованием НАДФ·Н₂; 3) образованием кислорода. Кислород диффундирует в атмосферу, АТФ и НАДФ·Н₂ транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.

1 — строма хлоропласта; 2 — тилакоид граны.

Темновая фаза

Эта фаза протекает в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света, поэтому они происходят не только на свету, но и в темноте. Реакции темновой фазы представляют собой цепочку последовательных преобразований углекислого газа (поступает из воздуха), приводящую к образованию глюкозы и других органических веществ.

Первая реакция в этой цепочке — фиксация углекислого газа; акцептором углекислого газа является пятиуглеродный сахар рибулозобифосфат (РиБФ); катализирует реакцию фермент рибулозобифосфат-карбоксилаза (РиБФ-карбоксилаза). В результате карбоксилирования рибулозобисфосфата образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Затем происходит цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу. В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н₂, образованных в световую фазу; цикл этих реакций получил название «цикл Кальвина»:

6СО₂ + 24Н⁺ + АТФ → С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О.

Кроме глюкозы, в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды. В настоящее время различают два типа фотосинтеза: С₃— и С₄-фотосинтез.

С₃-фотосинтез

Это тип фотосинтеза, при котором первым продуктом являются трехуглеродные (С₃) соединения. С₃-фотосинтез был открыт раньше С₄-фотосинтеза (М. Кальвин). Именно С₃-фотосинтез описан выше, в рубрике «Темновая фаза». Характерные особенности С₃-фотосинтеза: 1) акцептором углекислого газа является РиБФ, 2) реакцию карбоксилирования РиБФ катализирует РиБФ-карбоксилаза, 3) в результате карбоксилирования РиБФ образуется шестиуглеродное соединение, которое распадается на две ФГК. ФГК восстанавливается до триозофосфатов (ТФ). Часть ТФ идет на регенерацию РиБФ, часть превращается в глюкозу.

Фотодыхание

Это светозависимое поглощение кислорода и выделение углекислого газа. Еще в начале прошлого века было установлено, что кислород подавляет фотосинтез. Как оказалось, для РиБФ-карбоксилазы субстратом может быть не только углекислый газ, но и кислород:

О₂ + РиБФ → фосфогликолат (2С) + ФГК (3С).

Фермент при этом называется РиБФ-оксигеназой. Кислород является конкурентным ингибитором фиксации углекислого газа. Фосфатная группа отщепляется, и фосфогликолат становится гликолатом, который растение должно утилизировать.
поступает в пероксисомы, где окисляется до глицина. Глицин поступает в митохондрии, где окисляется до серина, при этом происходит потеря уже фиксированного углерода в виде СО₂. В итоге две молекулы гликолата (2С + 2С) превращаются в одну ФГК (3С) и СО₂. Фотодыхание приводит к понижению урожайности С₃-растений на 30–40% (С₃-растения — растения, для которых характерен С₃-фотосинтез).

С4-фотосинтез

С₄-фотосинтез — фотосинтез, при котором первым продуктом являются четырехуглеродные (С₄) соединения. В 1965 году было установлено, что у некоторых растений (сахарный тростник, кукуруза, сорго, просо) первыми продуктами фотосинтеза являются четырехуглеродные кислоты. Такие растения назвали С₄-растениями. В 1966 году австралийские ученые Хэтч и Слэк показали, что у С₄-растений практически отсутствует фотодыхание и они гораздо эффективнее поглощают углекислый газ. Путь превращений углерода в С₄-растениях стали называть путем Хэтча-Слэка.

Для С₄-растений характерно особое анатомическое строение листа. Все проводящие пучки окружены двойным слоем клеток: наружный — клетки мезофилла, внутренний — клетки обкладки. Углекислый газ фиксируется в цитоплазме клеток мезофилла, акцептор — фосфоенолпируват (ФЕП, 3С), в результате карбоксилирования ФЕП образуется оксалоацетат (4С). Процесс катализируется ФЕП-карбоксилазой. В отличие от РиБФ-карбоксилазы ФЕП-карбоксилаза обладает большим сродством к СО₂ и, самое главное, не взаимодействует с О₂. В хлоропластах мезофилла много гран, где активно идут реакции световой фазы. В хлоропластах клеток обкладки идут реакции темновой фазы.

Оксалоацетат (4С) превращается в малат, который через плазмодесмы транспортируется в клетки обкладки. Здесь он декарбоксилируется и дегидрируется с образованием пирувата, СО₂ и НАДФ·Н₂.

Пируват возвращается в клетки мезофилла и регенерирует за счет энергии АТФ в ФЕП. СО₂ вновь фиксируется РиБФ-карбоксилазой с образованием ФГК. Регенерация ФЕП требует энергии АТФ, поэтому нужно почти вдвое больше энергии, чем при С₃-фотосинтезе.

		Строение С4-растений: 1 — наружный слой — клетки мезофилла; 2 — внут­ренний слой — клетки обкладки; 3 — «Кранц-анатомия»; 4, 5 — хлоро­пласты; 4 — много­числен­ные граны, крахмала мало; 5 — немного­числен­ные граны, крахмала много.
С4-фотосинтез: 1 — клетка мезофилла; 2 — клетка обкладки проводящего пучка.

Значение фотосинтеза

Благодаря фотосинтезу, ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода; фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

При фотосинтезе зеленый лист использует лишь около 1% падающей на него солнечной энергии, продуктивность составляет около 1 г органического вещества на 1 м² поверхности в час.

Хемосинтез

Синтез органических соединений из углекислого газа и воды, осуществляемый не за счет энергии света, а за счет энергии окисления неорганических веществ, называется хемосинтезом. К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые виды бактерий.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты (NH₃ → HNO₂ → HNO₃).

Железобактерии превращают закисное железо в окисное (Fe²⁺ → Fe³⁺).

Серобактерии окисляют сероводород до серы или серной кислоты (H₂S + ½O₂ → S + H₂O, H₂S + 2O₂ → H₂SO₄).

В результате реакций окисления неорганических веществ выделяется энергия, которая запасается бактериями в форме макроэргических связей АТФ. АТФ используется для синтеза органических веществ, который проходит аналогично реакциям темновой фазы фотосинтеза.

Хемосинтезирующие бактерии способствуют накоплению в почве минеральных веществ, улучшают плодородие почвы, способствуют очистке сточных вод и др.

 

Источник: licey.net

Тема: Фотосинтез и хемосинтез

Цель: познакомиться с понятиями фотосинтез и хемосинтез, фазами фотосинтеза, значением фотосинтеза и хемосинтеза в природе и в жизни человека.

Актуализация знаний

Вопросы:

1. В каких частях растений обычно происходит процесс фотосинтеза?

2. Какие организмы относят к хемосинтетикам?

Содержание урока

Значение фотосинтеза

Фотосинтез – один из важнейших процессов, происходящих в растительной клетке, — лежит в основе всей жизни на Земле.

Любая клетка использует универсальный источник энергии – АТФ. АТФ в растительных клетках образуется непосредственно в процессе фотосинтеза, а другие клетки накапливают АТФ, расщепляя продукт того же фотосинтеза – сахариды. С точки зрения продуктивности нет ничего, что могло бы сравниться с фотосинтезом. Если все сталелитейные заводы мира выпускают в год около 350 миллионов тонн стали, а цементные заводы – 300 миллионов тонн цемента, то растения Земли все вместе ежегодно производят 130 000 миллионов тонн сахаров! Фотосинтезу мы обязаны и всеми энергетическими ресурсами, которые имеются в распоряжении человечества. Ведь и уголь, и нефть, и торф – все это прямо или косвенно возникло за счет фотосинтеза.

Фотосинтез происходит в клетках зеленых растений, в хлоропластах. Процесс фотосинтез включает в себя две последовательные фазы: световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза

Квант света, попадающий на лист, поглощается молекулой хлорофилла. В результате этого молекула на очень короткое время переходит возбужденное состояние: один из электронов молекулы хлорофилла (е) получает избыток энергии. Возбужденный электрон перемещается по цепи сложных органических соединений, теряя энергию, которая расходуется на синтез АТФ из АДФ и фосфата. Этот процесс очень эффективен, и в хлоропласте образуется АТФ приблизительно в 30 раз больше, чем в митохондриях тех же растений. Потеряв избыток энергии, электрон возвращается к молекуле хлорофилла, которая теперь способна захватить новый квант света.

Так как описываемые реакции происходят в водных растворах, то значительная часть возбужденных электронов захватывается продуктами диссоциации Н₂О – ионами Н⁺. Ион водорода получает избыток энергии и связывается со специальными молекулами-переносчиками. Освободившиеся ионы гидроксила ОН^— взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются вода и молекулярный кислород:

4ОН^— → 2Н₂О+О₂.

В этом случае к молекуле хлорофилла возвращается электрон гидроксила.

Процесс разложения воды под действием энергии солнечного света получил название фотолиза. Таким образом, кислород, который выделяется в процессе фотосинтеза в атмосферу, образуется в результате фотолиза.

На этом световая фаза заканчивается, и дальнейшие процессы фотосинтеза могут идти и без солнечного освещения.

Во время световой фазы образуются богатые энергией молекулы и ионы водорода, необходимые для темновой фазы фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза фотосинтеза также протекает в пластидах. В процессе реакций этой фазы происходит захват специальным веществом молекул углекислого газа (СО₂) из внешней среды. Путем целого ряда последовательных биохимических превращений из углекислого газа и водорода образуется шестиуглеродный сахар – глюкоза и воспроизводится вещество, способное снова захватывать СО₂.

В процессе темновой фазы поглощается углекислый газ и синтезируется глюкоза. Реакции темновой фазы обеспечиваются энергией, запасенной во время световой фазы.

Фотосинтез очень продуктивен, но хлоропласты листа захватывают для участия в этом процессе всего 1 квант света из 10 000. Тем не менее этого достаточно для того, чтобы зеленое растение могло синтезировать 1 г глюкозы в час с поверхности листьев площадью 1 м².

Хемосинтез

Многие виды бактерий, способные синтезировать необходимые им органические соединения из неорганических за счет энергии химических реакций окисления, происходящих в клетке, относятся к хемотрофам. Захватываемые бактерией вещества окисляются, а образующаяся энергия используется на синтез сложных органических молекул из СО₂ и Н₂О. Этот процесс носит название хемосинтеза.

Важнейшую группу хемосинтезирующих организмов представляют собой нитрифицирующие бактерии. Исследуя их, С. Н. Виноградский в 1887 году открыл процесс хемосинтеза.

Эти бактерии, обитая в почве, окисляют аммиак, образующийся при гниении органических остатков, до азотистой кислоты:

2NН₃+3О₂=2НNО₂+2Н₂О+653,5 кДж.

Затем бактерии других видов этой группы окисляют азотистую кислоту до азотной:

2НNО₂+О₂=2НNО₃+151,1 кДж.

Взаимодействуя с минеральными веществами почвы, азотистая и азотная кислоты образуют соли, которые являются важнейшими компонентами минерального питания высших растений.

Под действием других видов бактерий в почве происходит образование фосфатов, также используемых высшими растениями.

Итак, хемотрофы, как и все автотрофные организмы, самостоятельно синтезируют необходимые органические вещества. От фототрофных зеленых растений их отличает полная независимость от солнечного света как источника энергии

Закрепление

Вопросы:

1. Сколько глюкозы, синтезируемой в процессе фотосинтеза, приходится на каждого из 4 млрд жителей Земли в год?

2. Откуда берется кислород, выделяемый в процессе фотосинтеза?

3. В чем смысл световой фазы фотосинтеза?

4. В чем смысл темновой фазы фотосинтеза?

5. Почему для высших растений необходимо присутствие в почве хемосинтезирующих бактерий?

Обобщение

Написать вывод по уроку.

Домашнее задание

1. Параграф 2.11 на страницах 65-69 учебника.

2. вопросы 1-4 нас странице 69 учебника.

3. Словарь: световая фаза фотосинтеза, темновая фаза фотосинтеза, фотолиз воды, хемосинтез, хемотрофы, нитрифицирующие бактерии, серобактерии.

2

Источник: multiurok.ru

Фотосинтез

Фотосинтез – это совокупность процессов синтеза органических соединений из неорганических благодаря преобразованию световой энергии в энергию химических связей. К фототрофным организмам принадлежат зеленые растения, некоторые прокариоты – цианобактерии, пурпурные и зеленые серобактерии, растительные жгутиковые.

Исследования процесса фотосинтеза начались во второй половине XVIII века. Важное открытие сделал выдающийся русский ученый К. А. Тимирязев, который обосновал учение о космической роли зеленых растений. Растения поглощают солнечные лучи и превращают световую энергию в энергию химических связей синтезированных ими органических соединений. Тем самым они обеспечивают сохранение и развитие жизни на Земле. Ученый также теоретически обосновал и экспериментально доказал роль хлорофилла в поглощении света в процессе фотосинтеза.

Хлорофиллы являются основными из фотосинтезирующих пигментов. По структуре они похожи на гем гемоглобина, но вместо железа содержат магний. Содержание железа необходимо для обеспечения синтеза молекул хлорофилла. Существует несколько хлорофиллов, которые отличаются своим химическим строением. Обязательным для всех фототрофов является хлорофилл а. Хлорофилл b встречается у зеленых растений, хлорофилл с – у диатомовых и бурых водорослей. Хлорофилл d характерен для красных водорослей.

Зеленые и пурпурные фотосинтезирующие бактерии имеют особые бактериохлорофиллы. Фотосинтез бактерий имеет много общего с фотосинтезом растений. Отличается он тем, что у бактерий донором водорода является сероводород, а у растений – вода. У зеленых и пурпурных бактерий нет фотосистемы II. Бактериальный фотосинтез не сопровождается выделением кислорода. Суммарное уравнение бактериального фотосинтеза:

6С0₂ + 12H₂S → C₆H₁₂O₆+ 12S + 6Н₂0.

В основе фотосинтеза лежит окислительно-восстановительный процесс. Он связан с перенесением электронов от соединений-поставщиков электронов-доноров к соединениям, которые их воспринимают – акцепторам. Световая энергия превращается в энергию синтезированных органических соединений (углеводов).

На мембранах хлоропластов есть особые структуры – реакционные центры, которые содержат хлорофилла. У зеленых растений и цианобактерий различают две фотосистемы – первую (I) и вторую (II), которые имеют разные реакционные центры и связаны между собой через систему перенесения электронов.

Две фазы фотосинтеза

Состоит процесс фотосинтеза из двух фаз: световой и темновой.

Световая фаза фотосинтеза

Происходит лишь при наличии света на внутренних мембранах митохондрий в мембранах особых структур – тилакоидов. Фотосинтезирующие пигменты улавливают кванты света (фотоны). Это приводит к «возбуждению» одного из электронов молекулы хлорофилла. С помощью молекул-переносчиков электрон перемещается на внешнюю поверхность мембраны тилакоидов, приобретая определенную потенциальную энергию.

Этот электрон в фотосистеме I может возвратиться на свой энергетический уровень и восстанавливать ее. Может также передаваться НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Взаимодействуя с ионами водорода, электроны восстанавливают это соединение. Восстановленный НАДФ (НАДФ • Н) поставляет водород для восстановления атмосферного С0₂ до глюкозы.

Подобные процессы происходят в фотосистеме II. Возбужденные электроны могут передаваться фотосистеме I и восстанавливать ее. Восстановление фотосистемы II происходит за счет электронов, которые поставляют молекулы воды. Молекулы воды расщепляются (фотолиз воды) на протоны водорода и молекулярный кислород, который выделяется в атмосферу. Электроны используются для восстановления фотосистемы II. Уравнение фотолиза воды:

2Н₂0 → 4Н⁺ + 0₂ + 2е.

При возвращении электронов из внешней поверхности мембраны тилакоидов на предыдущий энергетический уровень выделяется энергия. Она запасается в виде химических связей молекул АТФ, которые синтезируются во время реакций в обеих фотосистемах. Процесс синтеза АТФ с АДФ и фосфорной кислотой называется фотофосфорилированием. Некоторая часть энергии используется для испарения воды.

Во время световой фазы фотосинтеза образуются богатые энергией соединения: АТФ и НАДФ • Н. При распаде (фотолизе) молекулы воды в атмосферу выделяется молекулярный кислород.

Темновая фаза фотосинтеза

Реакции протекают во внутренней среде хлоропластов. Могут происходить как при наличии света, так и без него. Синтезируются органические вещества (С0₂ восстанавливается до глюкозы) с использованием энергии, которая образовалась в световой фазе.

Процесс восстановления углекислого газа является циклическим и называется циклом Кальвина. Назван в честь американского исследователя М. Кальвина, который открыл этот циклический процесс.

Начинается цикл с реакции атмосферного углекислого газа с рибулезобифосфатом. Катализирует процесс фермент карбоксилаза. Рибулезобифосфат – это пятиуглеродный сахар, соединенный с двумя остатками фосфорной кислоты. Происходит целый ряд химических преобразований, каждое из которых катализирует свой специфический фермент. Как конечный продукт фотосинтеза образуется глюкоза, а также восстанавливается рибулезобифосфат.

Суммарное уравнение процесса фотосинтеза:

6С0₂ + 6Н₂0 → С₆Н₁₂О₆ + 60₂

Значение фотосинтеза

Благодаря процессу фотосинтеза поглощается световая энергия Солнца и происходит преобразование ее в энергию химических связей синтезированных углеводов. По цепям питания энергия передается гетеротрофным организмам. В процессе фотосинтеза поглощается углекислый газ и выделяется кислород. Весь атмосферный кислород имеет фотосинтетическое происхождение. Ежегодно выделяется свыше 200 млрд. тонн свободного кислорода. Кислород защищает жизнь на Земле от ультрафиолетового излучения, создавая озоновый экран атмосферы.

Процесс фотосинтеза малоэффективен, так как в синтезированное органическое вещество переводится лишь 1-2 % солнечной энергии. Связано это с тем, что растения недостаточно поглощают свет, часть его поглощается атмосферой и т. п. Большая часть солнечного света отражается от поверхности Земли назад в космос.

Источник: xn—-9sbecybtxb6o.xn--p1ai

Фотосинтез

Фотосинтез – процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии солнечного света. В результате образуется глюкоза, которая используется для синтеза полисахаридов и других органических соединений в клетке. Этот процесс сложный, происходит в клетках зеленых растений, водорослей (рис. 1), реализуется с помощью пигментов хлорофилла и других.

Рис. 1. Водоросли и цианобактерии под микроскопом

У высших растений хлорофилл находится в хлоропластах, основной орган фотосинтеза – лист (рис. 2).

Рис. 2. Лист высшего растения

Хлоропласты – это внутриклеточные органоиды, пластиды, окрашены в зеленый цвет благодаря хлорофиллу (рис. 3).

Рис. 3. Хлоропласты

Строение хлоропластов

Хлоропласты отделены от цитоплазмы двойной мембранойс избирательной проницаемостью, внутреннее пространство заполнено бесцветной стромой (рис. 4).

Рис. 4. Строение хлоропласта

В строме хлоропласта обнаруживаются кольцевые молекулы ДНК, молекулы РНК, рибосомы, белок. В ней происходит первичное отложение крахмала, запасного полисахарида, в виде крахмальных зерен. Внутренняя мембрана врастает внутрь стромы и образует мешковидные уплощенные структуры – тилакоиды (рис. 5). 

Рис. 5. Расположение тилакоидов

На мембранах тилакоида располагаются молекулы хлорофилла, а также другие вспомогательные пигменты, каротиноиды. Тилакоиды находятся друг над другом, собраны в пачки, похожие на стопки монет, которые называются гранами. Граны соединены одиночными пластинчатыми тилакоидами – ламеллами (рис. 6).

Рис. 6. Расположение ламелл

Стадии фотосинтеза

Существуют две стадии фотосинтеза – световая и темновая.

Механизм световой стадии фотосинтеза заключается в том, что квант красного света поглощенный хлорофиллом, переводит электрон в возбужденное состояние, этот электрон приобретает большой запас энергии и перемещается на более высокий энергетический уровень, перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ. Место вышедших электронов молекулы хлорофилла занимают молекулы воды. Вода под воздействием света подвергается фотолизу (расщепление воды) в полости тилакоида (рис. 7). Кислород выделяется как  побочный эффект фотолиза воды, удаляется из клетки или расходуется в процессах дыхания. Световая стадия происходит в тилакоидах с участием света. Энергия, образованная на этой стадии, в виде молекул АТФ используется в темновой стадии фотосинтеза.

Рис. 7. Световая стадия фотосинтеза

На второй, темновой, стадии фотосинтеза используются продукты, образовавшиеся в результате световых реакций. С помощью них углекислый газ преобразуется в простые углеводы – моносахариды. Они образуются из-за большого количества реакций за счет энергии АТФ. В результате получаются молекулы глюкозы, а из них полисахариды – крахмал (рис. 8). Темновая реакция происходит в строме хлоропластов без участия света.

Рис. 8. Темновая стадия фотосинтеза

Под действием солнечного света, шести молекул углекислого газа, шести молекул воды образуются одна молекула глюкозы и шесть молекул кислорода (рис. 9).

Рис. 9. Уравнение фотосинтеза

 

Скорость фотосинтеза зависит от внешних факторов, таких как свет, температура и концентрация углекислого газа, при наилучших параметрах фотосинтез усиливается.

1–1 ,5% энергии солнца, получаемые зелеными растениями, запасаются в виде органических молекул.

 

Польза фотосинтеза

Фотосинтезирующие организмы дают пищу гетеротрофам и кислород, необходимый для дыхания всем живым существам. Примерно 21 % кислорода в атмосфере Земли является продуктом фотосинтеза.

Фотосинтез – процесс создания зелеными клетками растения органических веществ из неорганических на суше и в воде. Каждый год растения фиксируют примерно 1,7 млрд тонн углерода, образуя 150 млрд тонн органического вещества, и выделяют 200 млрд тонн кислорода. Также фотосинтез – единственный процесс на Земле, в ходе которого энергия солнечного света превращается в энергию химических связей органических соединений. Солнечный свет накапливается растениями в виде белков, углеводов и жиров, обеспечивая питанием все живые организмы.

Слова Климента Аркадиевича Тимирязева (рис. 10), естествоиспытателя, специалиста по физиологии растений о роли зеленых растений: «Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, он рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода, соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. Этот крахмал, превратясь в растворимый сахар, после долгих странствований по растению отложился, наконец, в зерне в виде крахмала же или в виде клейковины. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. И вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы нашего тела. При этом луч солнца, таившийся в них в виде химического напряжения, вновь принимает форму явной силы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу».

Рис. 10. К.А. Тимирязев

Источник: interneturok.ru

Конкурс методических разработок уроков, внеклассных занятий и мероприятий к учебникам и пособиям, выпущенным издательством «Вентана — Граф».

Номинация: сценарии уроков.

Тема: «Фотосинтез».

9 класс.

Автор:

Климова Светлана Витальевна

учитель биологии

высшая квалификационная категория

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Бутурлиновская средняя общеобразовательная школа №7

Стаж работы — 17 лет

Учебное заведение:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Бутурлиновская средняя общеобразовательная школа №7

Адрес:

397502 Воронежская область

Г.Бутурлиновка

ул. Шолохова, д.36 кв.1

Электронная почта:

klimovasv69 @ mail. ru

Бутурлиновка

2012 г.

Методическая цель открытых уроков.

Показать:

— значимость биологических знаний для формирования мировоззрения учащихся;

— методику активации учебно-познавательной деятельности учащихся на уроке в ходе организации их самостоятельной работы;

-реализацию межпредметных связей;

-использование частично-поискового, проблемного и дифференцированного подхода;

-уровень педагогического мастерства преподавателя.

Методологическая цель методической разработки:

— оказать методическую помощь преподавателям в организации комбинированных уроков с применением разнообразных методов урока: частично-поисковых, проблемных, иллюстративно-словесных, дифференцированных, репродуктивно-иллюстративных, воспроизводяще-логических, познавательно-игровых;

Тема урока: «Фотосинтез».

Цели урока:

1.Образовательные:

— осуществить коррекцию и проверку знаний по теме «Обмен веществ»;

— развивать понятие «фотосинтез»;

— сформировать у учащихся представление о фазах данного процесса;

2. Развивающие:

-причинно-следственные, внутри и межпредметные связи;

— развивать логическое мышление (умение анализировать, сравнивать, делать выводы);

— развивать навыки самостоятельной работы с учебником, умения выделять главное.

3. Воспитательные:

-чувство собственного достоинства и ответственное отношение к собственному здоровью;

-осуществлять патриотическое воспитание учащихся.

Методы урока:

-частично-поисковый;

— проблемный;

— иллюстративно-словесный;

— самостоятельная работа с учебником;

— дифференцированный.

Оборудование:

Таблицы «Схема фотосинтеза. Продукты световых и темновых реакций», «Строение хлоропласта», портрет К.А.Тимирязева, раздаточный материал для тестового контроля по теме «Обмен веществ», учебник « Основы общей биологии » под редакцией И.Н. Пономарёвой — 9 класс.

Распределение времени:

Этапы урока

Этапы урока

Организационный момент

Коррекция знаний

Проверка знаний

Взаимоконтроль

Мостик-связка

Объяснение нового материала

Закрепление

Домашнее задание

Итоги урока

Время (мин.)

2

5

5

2

5

15-18

5

2-3

1-2

Ход урока.

I. Организационный момент.

— объявить цели и планы урока;

II. Коррекция знаний.

Терминологическая разминка:

— дать определение метаболизма

— из каких этапов он состоит?

— дать определение катаболизма и анаболизма

— как расшифровать АТФ?

Решение биологических задач:

Задача №1

При беге на дистанцию 100 м вам стало жарко и участилось дыхание, но не сразу, а лишь после 50 м пробега. Почему?

Задача № 2

АТФ — постоянный источник энергии для клетки. Его роль можно сравнить с ролью аккумулятора. Объясните, в чём заключается сходство.

Задачам № 3.

Обоснуйте вред курения, применяя знания об энергетическом обмене.

III. Проверка знаний.

Тестовая работа.

1 вариант.

1. Почему ассимиляция называется пластическим обменом:

а) создаются органические вещества;

б) расщепляются органические вещества

2. Что включает в себя процесс ассимиляции

а) синтез органических веществ с поглощением энергии;

б) распад органических веществ с выделением энергии;

3. Что включает в себя процесс диссимиляции:

а) синтез органических веществ с поглощением энергии;

б) распад органических веществ с выделением энергии.

4. Чем отличается окисление органических веществ в митохондриях от горения этих же веществ:

а) выделение теплоты;

б) выделение теплоты и синтез АТФ;

в) синтез АТФ;

г) процесс окисления происходит с участием ферментов;

д) процесс окисления происходит без участия ферментов.

5. На каком этапе диссимиляции полимеры расщепляются до мономеров:

а) 1; б) II; в) III.

6. Почему III этап диссимиляции называют кислородным:

а) в процессе реакции к промежуточным продуктам присоединяется кислород;

б) в процессе реакции выделяется кислород.

2 вариант.

1. Почему диссимиляция называется энергетическим обменом:

а) поглощается энергия;

б) выделяется энергия.

2. Какие процессы, происходящие в клетке, относятся к ассимиляционным:

а) синтез белка;

б) фотосинтез;

в) синтез липидов;

г) синтез АТФ;

д) дыхание.

3.Что общего между окислением, происходящим в митохондриях клеток, и горением:

а) образование углекислого газа и воды;

б) выделение теплоты;

в) синтез АТФ.

4. Что происходит с глюкозой на II этапе диссимиляции:

а) гликолиз с образованием молочной кислоты;

б) окисление до углекислого газа и воды.

5.На каком этапе диссимиляции углеводов синтезируется 2 АТФ:

а) I ; б) II ; в) III;

6. Какой этап диссимиляции называют кислородным:

а) I ; б) II ; в) III;

IV. Взаимоконтроль.

Ребята обмениваются листками с ответами, берут цветные ручки и выслушивают правила проверки тестов:

а) знак «+» ставится в том случае, если все ответы в вопросе верны;

б) знак «-» ставится в тех случаях, когда все ответы в вопросе не верны;

в) знак «_» ставится, когда имеются верные и неверные ответы в вопросе.

г) знак «+» соответствует 1 баллу; знак «-» соответствует 0; знак «_» соответствует 0,5 баллов

д) после проверки подсчитывается сумма баллов;

е) критерии выставления оценки:

Количество баллов

Оценка

5

5

4,5 — 3,5

4

3 — 2,5

3

2 и менее

2

V. Мостик — связка.

Итак, мы разобрали этапы энергетического обмена, который даёт всем организмам энергию за счёт биологического окисления. Теперь же рассмотрим пластический обмен на примере фотосинтеза. Сегодня мы попытаемся раскрыть тайну и ответить на вопросы: «Каким образом растения аккумулируют энергию солнца?», «Действительно ли растения являются хранителями энергии Космоса?».

Вопрос:

— попробуйте вспомнить из курса ботаники определение фотосинтеза.

Сообщение учащегося: «История открытия фотосинтеза»

В 1630 г. Ян ван Гельмонт показал, что растения способны сами образовывать органические вещества, а не получать их из почвы — так было положено начало изучению фотосинтеза.

В 1772 г. Джозеф Пристли установил, что растения «исправляют» воздух, «испорченный горящей свечёй. Спустя семь лет Ян Ингенхаус обнаружил, что растения могут «исправлять» плохой воздух только на свету.

В 1883 г. Энгельман открыл пурпурные бактерии, для которых характерен фотосинтез без выделения кислорода.

В 1887 г. С.Н. Виноградский открыл хемосинтезирующие бактерии, превращающие углекислоту в органические соединения в темноте.

VI. Объяснение нового материала.

1. Сущность фотосинтеза

Фотосинтез — это биохимический процесс синтеза органических веществ из неорганических (углекислый газ и вода), идущий в хлоропластах растений за счёт солнечной энергии с выделением кислорода.

хлорофилл

6 СО2 + 6 Н2О———С6Н12О6 +6О2

Свет

Организмы, которые осуществляют фотосинтез ( поистине волшебный процесс превращения неорганики в органику), называют автотрофами. Автотрофный тип питания характерен всем зелёным растениям и некоторым микроорганизмам.

Гетеротрофный тип питания характерен всем животным, в т. ч. Человеку, грибам, большинству микроорганизмам.

Вопрос: — какой тип питания возник раньше в процессе эволюции?

(гетеротрофный, автотрофы возникли гораздо позже, что вызвало «взрыв жизни»).

2. Значение фотосинтеза.

1) Утилизация избытка СО2 из атмосферы.

Вопрос: — Чем опасен избыток СО2 в атмосфере? (ведёт к парниковому эффекту).

2) Насыщение атмосферы кислородом, необходимым для дыхания.

Вопрос:- Что является переносчиком О2 у животных? (гемоглобин).

— Почему нельзя спать ночью в комнате, где много растений? (ночью растения только дышат, поглощая О2 и выделяя СО2).

3) Создание озонового слоя.

Вопрос:- Какова его функция? (защита всего живого от губительного УФ- излучения).

4) Ежегодно образуются миллиарды тон органического вещества. Органические вещества богаты энергией . Они служат питанием всем гетеротрофам.

Вопрос:- Почему любая цепь питания начинается растением? (растения улавливают энергию солнца и превращают её в энергию химических связей органических веществ).

3. Фазы и процессы фотосинтеза.

Фотосинтез — многоступенчатый процесс. Важнейшая роль в нём принадлежит хлорофиллу, преобразующему энергию солнечного света в энергию химических связей. Молекулы хлорофилла состоят из атомов углерода и азота, соединённых в сложное кольцо. Они встроены в мембранные структуры хлоропласта — граны- и окружены молекулами белков, липидов и других веществ. Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз — световой и темновой.

Световая фаза.

Рассказ учителя с элементами беседы с использованием таблицы «Схема фотосинтеза», заполнение столбца таблицы «Фотосинтез»

Фотон (квант видимого света) попадает в молекулу хлорофилла и приводит её в возбуждённое состояние. При этом электроны, сходя со своих орбит, с помощью переносчиков переправляется на другую сторону мембраны, создав отрицательно заряженное электрическое поле. Молекула хлорофилла восстанавливает потерю электрона, отбирая его от молекулы воды:

4Н2О———4ОН- +4Н+

4ОН- -4е- ———4ОН

4ОН———2Н2О + О2

Гидроксилы ОН , став радикалами ОН, объединяются, образуя воду и кислород, Диффундирующий через мембрану в атмосферу.

Протоны водорода. Образовавшиеся при фотолизе воды, не проникают через мембрану тилакоида граны и накапливаются внутри, образуя положительно заряженное электрическое поле. Таким образом, по обе стороны мембраны находятся два разноимённых электрических поля. Когда разность потенциалов достигает критического уровня, активизируется фермент АТФ-синтетаза.

Внутри АТФ- синтезы имеется канал, через который проходят протоны Н, а освобождающаяся при этом энергия тратится на синтез АТФ. Протоны, оказавшиеся на другой стороне мембраны, встречаются с электронами, доставленными молекулами-переносчиками, образуя атомарный Н, идущий на восстановление переносчика НАДФ- в НАДФ-Н

Вопрос:

Каковы продукты фотосинтеза световой фазы?

(Кислород, АТФ, НАДФ-Н)

Таблица «Фотосинтез»

Вопросы

Световая фаза

Темновая фаза

Где происходит?

В гранах хлоропласта

В строме хлоропласта

Какие основные процессы происходят?

Фотолиз воды с выделением кислорода, восстановление НАДФ, синтез АТФ

Синтез глюкозы из углекислого газа путём ряда последовательных сложных ферментативных реакций

Какие вещества являются исходными?

Н2О,

НАДФ,

АДФ,

Н3РО4

НАДФ-Н,

АТФ,

СО2

Какие вещества образуются в результате данной фазы?

НАДФ-Н,

АТФ,

О2

С6Н12О6

НАДФ,

АДФ,

Н3РО4

Что является источником энергии?

свет

АТФ

Какие вещества катализируют реакции фотосинтеза?

ферменты

ферменты

Темновая фаза.

Самостоятельная работа с учебником.

Беседа.

Вопрос: — каковы продукты темновой фазы фотосинтеза? (глюкоза и крахмал)

Заполнение третьего столбца таблицы «Фотосинтез».

4. Сообщение учащегося: «Вклад К.А.Тимирязева в изучение процесса фотосинтеза»

Вопросы:

— К.А.Тимирязев подчёркивал «космическую роль растений». Почему?

— почему в годы В.О.В. люди выживали, съедая за сутки всего по 150г хлеба?

— объясните поговорку «Хлеб всему голова».

VII. Закрепление.

1.Заполнить таблицу: «Значение некоторых частиц и веществ для фотосинтеза».

Вещества, протоны, электроны

Значение

хлорофилл

вода

Углекислый газ

АТФ

НАДФ

протоны

электроны

2.Решение биологических задач:

Задача №1

Как вы понимаете выражение «Зелёные растения — источник энергии для всех организмов на Земле»?

Задача №2

Как человек может использовать знания о фотосинтезе в практике сельского хозяйства. Приведите 2-3 примера.

VIII. Домашнее задание.

П.10

Ответить на вопросы стр.39

Подготовить сообщение об основных этапах развития клеточной теории (Индивидуальное задание)

IX. Итоги урока.

В результате урока: удалось

— обобщить и систематизировать знания по теме «Обмен веществ»;

— все учащиеся получили оценки за тест с учётом их активности во фронтальной беседе;

— изучить сущность, значение и процессы фотосинтеза.

Для проверки знаний по теме «Фотосинтез» можно использовать следующие тесты в двух вариантах.

Тест.

Вариант 1

1. Организмы, живущие за счёт неорганического источника углерода:

а) автотрофы;

б) гетеротрофы;

в) хемотрофы;

г) фототрофы.

2. Пигмент хлорофилл сосредоточен:

а) в оболочке хлоропласта;

б) в строме;

в) в гранах.

3. В хлоропластах световые реакции протекают:

а) только в квантосомах;

б) гранах и строме;

в) в гранах и тилакоидах;

г) в тилакоидах и строме.

4. На какой стадии в хлоропласте образуется первичный углевод:

а) световой стадии;

б) темновой стадии.

5. Какую роль играют ферменты при фотосинтезе:

а) нейтрализующую;

б) катализирующую;

в) расщепляют.

6. Конечным продуктом световых реакций фотосинтеза являются6

а) АТФ, вода, кислород;

б) АТФ, углеводы, кислород;

в) НАДФ Н, АТФ, кислород;

г) НАДФ Н, вода, кислород.

Вариант 2

1. Организмы, живущие за счёт органического источника углерода:

а) автотрофы;

б) гетеротрофы;

в) хемотрофы;

г) фототрофы.

2. В каких органеллах клетки осуществляется процесс фотосинтеза:

а) в митохондриях;

б) в рибосомах;

в) в хлоропластах;

г) хромопластах;

3. В какую стадию фотосинтеза образуется свободный кислород:

а) в темновую;

б) в световую;

в) постоянно.

4. Что происходит с АТФ в световую фазу:

а) синтез;

б) расщепление.

5. В хлоропласте темновые фазы фотосинтеза протекают:

а) в строме;

б) в гранах и строме;

в) в гранах и тилакоидах;

г) тилакоидах и строме.

Литература.

1.И.Н.Пономарёва, О.А. Корнилова, Н.М. Чернова. «Основы общей биологии» 9 класс/ М. «Вента-Граф», 2001 г

2. В.З.Резникова Тестовый контроль знаний учащихся по биологии/ М. Просвещение, 1997 г.

3. Научно-теоретический и методический журнал «Биология в школе»/Мин. ОиПОРФ.: «Школа-пресс2, №1, 1997 г.

4.Н.Ф. Бодрова. Изучение курса «Основы общей биологии». Поурочное планирование. 9класс. Воронеж, 2003 г.

Источник: botana.biz