Роль фотосинтеза в природе

МОУ «Новопетровская  СОШ» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

Роль  фотосинтеза в природе. 
 
 
 
 

     Составил: ученик 9 класса Смолярчук С.

Руководитель: учитель химии и биологии Офицерова  В.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

пос. Новопетровский

2010 г. 

Содержание: 

1. Введение.
2. Основная часть.

1. История изучения фотосинтеза.

2. Процессы, происходящие в листе.
3. Современные представления о фотосинтезе.
4. Основной источник энергии.

III.    Заключение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

Цель: глубокое изучение процесса фотосинтеза. 

Задачи:

1. Рассказать об опытах, поставленных учеными.
2. Изучить роль процесса фотосинтеза в природе.

    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. Ива весила семьдесят пять килограмм, а вес земли изменился всего на несколько сот граммов. 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. 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.

    Десять  лет спустя, ученые поняли, что растение не просто превращает углекислый газ в кислород. Углекислый газ необходим растениям для жизни, он служит для них настоящей пищей (вместе с водой и минеральными солями).

    Воздушное питание растений называется фотосинтезом. Кислород в процессе фотосинтеза  выделяется в качестве необычного продукта.

    Миллиарды лет назад на земле не было свободного кислорода. Весь кислород, которым дышат  почти все живые существа нашей  планеты, выделен растениями в процессе фотосинтеза. Фотосинтез сумел изменить облик всей нашей планеты!

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

    История изучения фотосинтеза. 

    Значение  фотосинтеза не осознавалось до сравнительно недавнего времени. Аристотель и  другие ученые Греции, наблюдая, что  жизненные процессы животных зависят  от потребления пищи, полагали, что  растения добывают свою «пищу» из почвы.

    Немногим более трехсот лет назад в одном из первых тщательно продуманных биологических экспериментов голландский врач Ян Ван Гельмонт представил доказательства того, что не одна почва кормит растение. Ван Гельмонт выращивал маленькое дерево ивы в глиняном горшке, добавляя в него только воду.

    Через пять лет, масса ивы увеличилась на 74,4 кг, в то время как масса почвы уменьшилась только на 57 гр.

    В конце XVIII века английский ученый 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».

    Опыты Пристли впервые позволили объяснить, почему воздух на Земле остается «чистым» и может поддерживать жизнь, несмотря на горение бесчисленных огней и дыхание множества живых организмов. Он говорил: «Благодаря этим открытиям мы уверены, что растения произрастают не напрасно, а очищают и облагораживают нашу атмосферу».

    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 С 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 С и Н₂О, а О₂ выделяется из углекислоты. Это вполне разумная гипотеза была широко признана, но, как позднее выяснилось, она была совершенно не верной.

    Исследователем, который опроверг эту общепринятую теорию, был Корнелиус Ван Ниль из Стамфордского университета, когда он, будучи еще студентом – дипломником, исследовал метаболизм различных фотосинтезирующих бактерий. Одна группа таких бактерий, а именно пурпурные серные бактерии, восстанавливает С до углеводов, но не выделяет О₂. Пурпурным серным бактериям для фотосинтеза необходим сероводород. В результате фотосинтеза внутри бактериальных клеток накапливаются частицы серы. Ван Ниль обнаружил, что для этих бактерий уравнение фотосинтеза может быть записано как:

     СО₂ + 2Н₂S      (СН₂О) + Н₂О + 2S

    Этот  факт не привлекал внимания исследователей до тех пор, пока Ван Ниль не сделал смелого сообщения и не предложил  следующего суммарного уравнения фотосинтеза:

     СО₂ + 2Н₂А     (СН₂О) + Н₂О + 2А

    В этом уравнении Н₂А представляет собой либо воду, либо другое окисляемое вещество, например, сероводород или свободный Н₂.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Процессы, происходящие в листе. 

    Лист  осуществляет три важных процесса –  фотосинтез, испарение воды и газообмен. В процессе фотосинтеза в листьях из воды и двуокиси углерода под действием солнечных лучей синтезируются органические вещества. Днем, в результате фотосинтеза и дыхания, растение выделяет кислород и двуокись углерода, а ночью – только двуокись углерода, образующуюся при дыхании.

    Большинство растений способно синтезировать хлорофилл  при слабом освещении. При прямом солнечном освещении хлорофилл  синтезируется быстрее.

    Необходимая для фотосинтеза световая энергия  в известных пределах поглощается  тем больше, чем меньше затемнен лист.

    Чтобы проверить это я провел следующий  эксперимент: я взял растение – герань и поместил её на трое суток в темный шкаф, чтобы произошёл отток питательных веществ из листьев. Затем поставил его на свет, вырезал из темной бумаги слово «свет» и накрыл поверхность листа бумагой. Через 9 часов срезал лист, снял бумагу и опустил его в кипящую воду, а затем в горячий спирт, в котором хлорофилл хорошо растворяется. Когда спирт окрасился в зеленый свет, а лист обесцветился, я промыл его водой и положил на тарелку. После облил лист слабым раствором йода. При этом на обесцвеченном листе стали видны синие буквы, которые появились в той части листа, на которую падал свет. Они появились, потому что крахмал, образовавшийся в процессе фотосинтеза, из-за йода приобретает синий свет.

      Потому у растений в процессе эволюции выработалась способность поворачивать пластину листа к свету так, чтобы на нее падало больше солнечных лучей. Листья на растении располагаются так, чтобы не притеснять друг друга.

    Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза служат преимущественно красные лучи спектра. На это указывает спектр поглощения хлорофилла, где наиболее интенсивная полоса поглощения наблюдается в красной, и менее интенсивное – в сине-фиолетовой части.

    В хлоропластах вместе с хлорофиллом  имеются пигменты каротин и ксантофилл. Оба эти пигмента поглощают синие  и, отчасти, зеленые лучи и пропускают красные и желтые. Некоторые ученые приписывают каротину и ксантофиллу  роль экранов, защищающих хлорофилл  от разрушительного действия синих лучей.

    Процесс фотосинтеза слагается из целого ряда последовательных реакций, часть  которых протекает с поглощением  световой энергии, а часть в темноте. Устойчивыми окончательными продуктами фотосинтеза являются углеводы (сахара, а затем крахмал), органические кислоты, аминокислоты, белки.

    Фотосинтез  при различных условиях протекает  с разной интенсивностью.

    Интенсивность фотосинтеза также зависит от фазы развития растения. Максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается  в фазе цветения.

    Обычное содержание углекислоты в воздухе  составляет 0,03% по объему. Уменьшение содержания углекислоты в воздухе снижает  интенсивность фотосинтеза. Повышение  содержания углекислоты до 0,5% увеличивает  интенсивность фотосинтеза почти  пропорционально. Однако при дальнейшем повышении содержания углекислоты, интенсивность фотосинтеза не возрастает, а при 1% - растение страдает.

    Растения  испаряют или транспортируют очень  большое количество воды. Испарение  воды является одной из причин восходящего  тока. Вследствие испарения воды растением в нем накапливаются минеральные вещества, и происходит полезное для растения понижение температуры во время солнечного нагрева.

    Растение  регулирует процесс испарения воды посредством устьиц. Отложение кутикулы или воскового на эпидерме, образование его волосков и другие приспособления направлены к сокращению нерегулируемого испарения.

    Процесс фотосинтеза и постоянное протекающее  дыхание живых клеток листа требуют  газообмена между внутренними тканями  листа и атмосферой. В процессе фотосинтеза из атмосферы поглощается ассимилируемый углекислый газ и возвращается в атмосферу кислородом.

    Применение  изотопного метода анализа показало, что кислород, возвращаемый в атмосферу, принадлежит воде, а не углекислому газу воздуха, в котором преобладает другой его изотоп. При дыхании живых клеток (окисление свободным кислородом органических веществ внутри клетки до углекислого газа и воды) необходимо поступление из атмосферы кислорода и возвращение углекислоты. Этот газообмен также в основном осуществляется через устьичный аппарат. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Современные представления о  фотосинтезе. 

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

1. Имеется одна группа светозависимых реакций, которые не зависят от температуры. Объем этих реакций в диапазоне низких освещенностей мог возрастать с увеличением освещенности, но не с увеличением температуры.
2. Имеется вторая группа реакций, зависимых от температуры, а не от света. Оказалось, что обе группы реакций необходимы для осуществления фотосинтеза. Увеличение объема только одной группы реакций увеличивает объем всего процесса, но только до того момента, пока вторая группа реакций не начнет удерживать первую. После этого необходимо ускорить вторую группу реакций, чтобы первые могли проходить без ограничений.

    Таким образом, было показано, что обе стадии светозависимы: «световая и темновая». Важно помнить, что темновые реакции нормально проходят на свету и нуждаются в продуктах световой стадии. Выражение «темновые реакции» просто означает, что свет как таковой в них не участвует.

    Объем темновых реакций возрастает с увеличением  температуры, но только до 30⁰, а затем начинает падать. На основании этого факта предположили, что темновые реакции катализируются ферментами, поскольку обмен ферментативных реакций, таким образом, зависит от температуры. В последствии, оказалось, что данный вывод был сделан не правильно.

    В первой стадии фотосинтеза (световые реакции) энергия света используется для образования АТФ (молекула аденозин-трифосфат) и высокоэнергетических переносчиков электронов. На второй стадии фотосинтеза (темновые реакции) энергетические продукты, образовавшиеся в световых реакциях, используются для восстановления СО₂ до простого сахара (глюкозы).

    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 и широко распространенных неорганических веществ. Проблема фотосинтеза усиленно разрабатывается ботаниками, химиками, физиками и другими специалистами.

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

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

    Фотосинтез  в растениях осуществляется в  хлоропластах. Он включает преобразования энергии (световой процесс) и превращения вещества (темновой процесс). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Основной  источник энергии. 

    Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под действием  света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганического сырья. Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют её для синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию, поедая растения или других животных, питающихся растениями. Итак, в конечном счете, источником энергии для всех метаболических процессов на нашей планете, служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для поддержания всех форм жизни на Земле.

    Мы  пользуемся ископаемым топливом – углем, природным газом, нефтью и т.д. Все эти виды топлива – не что иное, как продукты разложения наземных и морских растений или животных, и запасенная в них энергия была миллионы лет назад получена из солнечного света. Ветер и дождь тоже обязаны своим возникновением солнечной энергии, а, следовательно, энергия ветряных мельниц и гидроэлектростанций, в конечном счете, также обусловлена солнечным излучением.

     Важнейший путь химических реакций  при фотосинтезе – это превращение  углекислоты и воды в углероды и кислород. Суммарную реакцию можно описать уравнением СО₂+Н₂О          (СН₂О)+О₂

    Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т.е. СО₂ и Н₂О. Таким образом, за счет энергии Солнца энергетические вещества (СО₂ и Н₂О) превращаются в богатые энергией продукты – углеводы и кислород. Энергетические уровни различных реакций, описанных суммарным уравнением, можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения потенциалов показывают, сколько энергии запасается или растрачивается в каждой реакции. Итак, фотосинтез можно рассматривать как процесс образования лучистой энергии Солнца в химическую энергию растительных тканей.

    Содержание  СО₂ в атмосфере остается почти полным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и животные дышат. В процессе дыхания в митохондриях кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями, используется для окисления углеводов и других компонентов тканей с образованием, в конечном счете, двуокиси углерода и воды и с сопутствующим выделением энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в высокоэнергетические соединения – аденозитрифосфат (АТФ), который и используется организмом для выполнения всех жизненных функций. Таким образом, дыхание приводит к расходованию органических веществ и кислорода и увеличивает содержание СО₂ на планете. На процессы дыхания во всех живых организмах и на сжигание всех видов топлива, содержащих углерод, в совокупности расходуется в масштабах Земли в среднем 10000 тонн О₂ в секунду. При такой скорости потребления весь кислород в атмосфере должен был иссякнуть примерно через 3000 лет. К счастью для нас, расход органических веществ и атомного кислорода уравновешивается созданием углеводов и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных условиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в тех же тканях, таким образом, фотосинтез служит важным фактором, регулирующим содержание О₂ на Земле. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Заключение. 

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

    Ежегодно  в результате фотосинтеза на Земле  образуется 150 млрд. тонн органического  вещества и выделяется 200 млн. тонн свободного кислорода.

    Круговорот  кислорода, углерода и других элементов поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Фотосинтез препятствует увеличению концентрации СО₂, предотвращая перегрев Земли вследствие так называемого «парникового эффекта».

    Поскольку зеленые растения представляют собой  непосредственную базу питания других гетеротрофных организмов, фотосинтез удовлетворяет потребность в пище всего живого на нашей планете. Он – важнейшая основа сельского и лесного хозяйства. Хотя возможности воздействия на него не велики, но все же и они, в какой-то мере используются. При повышении концентрации углекислого газа в воздухе до 0,1 % (против 0,03% в естественной атмосфере) удалось, например, повысить урожайность огурцов и томатов втрое.

    Квадратный  метр поверхности листьев в течение  часа продуцирует около одного грамма сахара; это значит, что все растения, по приблизительной оценке, изымают из атмосферы от 100 до 200 млрд. тонн С в год. Около 60 % этого количества поглощают леса, занимающие 30 % непокрытой льдами поверхности суши, 32 % - окультуренные земли, а оставшиеся 8 % - растения степей и пустынных мест, а также городов и поселков.

    Зеленое растение способно не только использовать углекислый газ, но и превращать азотные  соединения, и соединения серы в  вещества, слагающие его тело. Через  корневую систему растение получает растворенные в почвенной воде ионы нитратов, и перерабатывают в своих клетках в аминокислоты – основные компоненты всех белковых соединений. Компоненты жиров также возникают из соединений, образующихся в процессах обмена веществ и энергии. Из жирных кислот и глицерина возникают жиры и масла, которые служат для растения, главным образом, запасными веществами. В семенах приблизительно 80 % всех растений, в качестве богатого энергией запасного вещества, содержатся жиры.

    Получение семян, жиров и масел играет важную роль в сельскохозяйственной и пищевой промышленности.

    Фотосинтез  – это важный процесс для всех живых организмов. Поэтому большое  внимание следует уделять созданию зеленых насаждений, беречь и охранять растительный мир.

    Фотосинтез  – это явление, которое способствовало появлению всех живых организмов на Земле. 

    Список  литературы. 

1. Айкхорн П. И. «современная ботаника».
2. Артемов А. «энциклопедия биология».
3. Коган В.Л. и др. «биология».
4. Медведева В. «ботаника»
5. Питерман И. «физиология растений».