Урок биологии Фотосинтез. Пластический обмен (11 класс)

Тема: Механизм фотосинтеза

Цель урока:

● Создание целостного представления о механизме фотосинтеза предметами физики, химии и биологии.

Задачи урока:

● рассмотреть физические, химические и биологические процессы механизма фотосинтеза;

● показать приспособления к фотосинтезу на уровне - лист, ткань, клетка;

● проверить умения учащихся делать обобщения и анализировать рассматриваемые процессы.

Оборудование:

● проектор;

● компьютер;

● таблица «Клеточное строение листа»;

● живые растения

● презентации «Строение молекулы хлорофилла», «Строение молекулы хлорофилла (структура порфина), «Процесс фотолиза воды», «Процесс переноса электронов»;

● оптическая скамья «Шкала электромагнитных колебаний»;

● дисперсионная призма.

Форма урока: интерактивная лекция

Понятия урока: устьица, осмос, диффузия, орбита (электронный слой, энергетический уровень), протонный канал, фотолиз, строма, граны, химиоосмос, кванты, фотосинтез, фотосистема 1, фотосистема 2, нанометр, фотосинтетические пигменты.

Ученые: М. Кальвин, Д. Арнон, Р. Вильштеттер, Х. Фишер, Р. Б. Вудворд, К. А. Тимирязев.

Ход урока

I. Повторение:

Актуализация знаний:

● Фронтальная беседа с учащимися «Назовите приспособления растения к фотосинтезу».

● Ознакомление с библиографией по теме «Фотосинтез».

Домашнее задание: уметь объяснять схему - рисунок «Фотосинтез»

II. Изучение нового материала

Вводное слово

- Учитель биологии

Прокомментируйте слова К. А. Тимирязева он назвал растения «зелёным посредником между Землёй и Космосом», (выслушивание комментариев).

Рассмотрим механизм фотосинтеза с позиции биологии, химии, физики.

План лекции:

1. Лист как орган фотосинтеза.

2. Особенности ассимиляционной ткани.

3. Хлоропласт, его происхождение и строение.

4. Фотосинтетические пигменты.

5. Фазы фотосинтеза.

6. Фотосинтез и законы науки.

7. Пути повышения продуктивности фотосинтеза.

Лист как орган фотосинтеза

- Учитель биологии

Рисует лист. (Эта схема - рисунок, состоящая из 4 частей, получит название «Фотосинтез»; в конце конспекта предложена схема в том виде, какой она выглядит в конце урока).

- Учитель биологии

В рисунке «лист» отмечает (с комментариями) солнце, клетки листа, устьица, проникающий углекислый газ.

- Учитель физики

Солнце является источником широкого спектра электромагнитных волн. Давайте посмотрим как классифицируются виды излучений по шкале электромагнитных волн. (учитель показывает и называет виды излучений по шкале) Солнечное излучение несёт энергию отдельными порциями квантами.

Энергия кванта определяется по формуле М. Планка E=hυ.

(На рисунке учитель физики дорисовывает приходящий от Солнца квант энергии, используя условное обозначение кванта, и подписывает его.)

Наиболее важным для фотосинтеза является участок видимого излучения. Видимое излучение - белый свет - это сложный свет, состоящий из семи цветов. Каждый цвет представляет собой достаточно узкий диапазон длин волн излучения. Давайте посмотрим разложение белого света в спектр с помощью стеклянной призмы. Впервые этот опыт продемонстрировал И. Ньютон. Демонстрирует на экран разложение белого света с помощью дисперсионной призмы.

Запишите диапазон длин волн для каждого участка спектра. (Демонстрация на экран через проектор таблицы «Цвет - длина волны».)

Вопрос ученикам: Почему мы видим лист зелёным?

Ученики отвечают: Потому, что лист отражает волны зелёного участка спектра.

Делают вывод, что лист поглощает остальные участки видимого излучения. Энергия этого излучения необходима для протекания процесса фотосинтеза.

Особенности ассимиляционной ткани

- Учитель биологии

Рисует клетки ткани.

Поясняющий текст

Фотосинтез происходит в клетках полисадной и губчатой ткани мезофилла. Клетки полисадной ткани плотно прилегают друг к другу. Хлоропласты в них располагаются по периферии, причем они обладают фототаксисом. Клетки губчатой ткани располагаются рыхло, между ними много межклетников, где эффективно осуществляется газообмен. Хлоропластов в этих клетках меньше.

Хлоропласт, его происхождение и строение

- Учитель биологии

Рисует хлоропласт.

Сопровождающий текст

Хлоропласты имеют свой собственный генетический аппарат - молекулы ДНК и автономно воспроизводятся внутри клеток. Полагают, что более 1,5 млрд. лет назад они были свободными микроорганизмами, которые стали симбионтами клеток растений.

- Учитель биологии

Рассмотрим химический состав хлоропластов.

В состав хлоропластов входят - белки и липиды, которые образуют мембраны; вода минеральные

вещества, органические вещества, ферменты, образующие строму, а также хлорофилл, который находится в гранах.

Фотосинтетические пигменты

- Учитель биологии

Рисует грану с молекулами хлорофилла.

Сопровождающий текст

Пигменты, участвующие в фотосинтезе. Их три группы: три формы хлорофилла a,b,c (хлорофилл a поглощает красный свет примерно в два раза интенсивнее, чем хлорофилл b); каротиноиды красные, желтые, оранжевые (их подразделяют на каротины и ксантофиллы), эти пигменты маскируются большим количеством хлорофилла; фикобилины.

- Учитель химии

Наиболее интригующим среди пигментов является зеленый пигмент - хлорофилл. По числу публикаций хлорофилл занимает первое место среди других химических соединений. Целое поколение ученых билось над тем, чтобы разгадать строение молекулы хлорофилла, его структуру. Чтобы ее определить, молекулу хлорофилла надо было разбить вдребезги, на отдельные кусочки, а затем, исследуя структуру отдельных фрагментов и постепенно усложняя, увеличивая их размер, восстановить целое. Многие годы ученые нащупывали наиболее эффективные подходы к решению этой задачи. Наиболее плодотворным оказался метод последовательного расщепления молекулы хлорофилла действием крепких щелочей, кислотами и другими реактивами - на холоде и при повышенных температурах - с последующим анализом образующихся при этом продуктов распада. Как в головоломке, перебирая вариант за вариантом, нащупывая удачные комбинации из всяких «хвостиков», «уголков», обрывков молекулярных цепочек, в 1939 г ученые, наконец, нашли искомое. (Р. Вильштеттер, Х. Фишер).

Рихард Вильштеттер

Немецкий биохимик

Ханс Фишер

Немецкий химикорганик

Строение молекулы хлорофилла

- Учитель химии

В молекуле хлорофилла содержится 137 атомов. Его химическая формула - С 55 Н 72 N 4 O 5 Mg.

Молекула хлорофилла похожа на головастика. У нее плоская квадратная «голова» (хлорофиллин) и длиннющий «хвост» (фитол). В центре головы находится атом магния. Присутствие углерода, водорода, кислорода и азота ожидалось. Но атом магния - это был для ученых сюрприз! Хлорофилл оказался первым соединением в живой ткани, содержащим этот элемент. Но именно от него зависит зеленая окраска хлорофилла.

Строение молекулы хлорофилла (структура порфина)

В основе хлорофилла лежит порфин - структура из 4 колечек (пиррола), соединенных углеродными мостиками в большое кольцо, соединенное с длинным хвостом - двадцатиуглеродной цепью, названной фитолом.

Возникает естественный вопрос: зачем хлорофиллу фитол? Зачем нужна такая громоздкая структура?

Если здоровый, способный к фотосинтезу лист растения положить на стекло и легко прокатать стеклянной палочкой, то, сохранив в себе все химические компоненты, лист все же утеряет способность к фотосинтезу. Это свидетельствует о важности структуры в живых организмах. Все физические и химические ингредиенты должны быть собраны, упакованы вместе в совершенно определенную целостную структуру.

Дееспособность хлорофилла теснейшим образом связана с белковыми и иными структурами. Головка молекулы хлорофилла гидрофильная, как и белки, она хорошо смачивается водой. А его фитольный хвост, напротив, гидрофобен - отталкивает воду, но хорошо растворяется в жирах, липидах.

Гидрофобный хвост и нужен хлорофиллу, чтобы с его помощью внедриться, встроиться в липидную часть биологических мембран, повернув свою головку к белковым структурам.

Впервые синтезировал молекулу хлорофилла американский химикорганик Роберт Бёрнс Вудворд в 1960 г. За эту работу и синтезы других важных органических веществ он был удостоен Нобелевской премии в 1965г.

Роберт Бёрнс Вудворд

Итак, давайте рассмотрим, какие процессы протекают в гранах.

В межмембранном пространстве гран находится вода, которую растение впитывает из почвы. Под действием солнечного света вода подвергается фоторазложению - фотолизу. В результате из каждых 2 молекул воды образуются: 4 электрона, 4 протона и молекула кислорода, которая диффундирует из клетки и выделяется в атмосферу.

В результате в межмембранном пространстве накапливаются протоны водорода и электроны.

Процесс фотолиза воды Процесс переноса электронов

Итак, вода разлагается под действием волн света, но они одновременно действуют и на хлорофилл.

О том, какие процессы происходят при этом, расскажет учитель физики.

- Учитель физики

Мы уже знаем, что свет приносит энергию электронам порциями - квантам. Получив квант энергии, электрон совершает работу выхода и покидает свою электронную орбиту. Это явление в физике носит название фотоэффект. Электроны переносятся за пределы мембраны, где и накапливаются, создавая отрицательный полюс. Место вышедших электронов в молекулах хлорофилла занимают электроны, освободившиеся при фотолизе. Протоны водорода Н⁺ накапливаются внутри межмембранного пространства, образуя положительный полюс. Образуется электрическое поле. Растёт разность потенциалов между полюсами электрического поля. При достижении критической разности потенциалов между полюсами возникает пробой. По каналу протоны устремляются наружу в строму. Поэтому канал называют протонный. На выходе из протонного канала создаётся высокий уровень энергии, которая идёт на синтез АТФ.

- Учитель химии

(О «судьбе» водорода и потоке энергии). Протоны водорода используются в темновой фазе фотосинтеза - для синтеза глюкозы. А энергия, создаваемая движением протонов, используется для образования молекул АТФ, путём присоединения фосфатов к молекулам АДФ.

- Учитель биологии

Но вот что интересно! Процесс поглощения света представляет собой совокупность световых стадий! Д. Арнон в 19541958гг. установил механизм световых стадий фотосинтеза. О первой и второй фотосистеме: фотосистемами называются хлорофилл и другие пигменты, собранные вместе.

Одна фотосистема содержит примерно 300 молекул пигментов. Молекула хлорофилла - это реакционный центр. Другие пигменты собирают свет и подают его на молекулу хлорофилла. И в первой, и во второй фотосистемах реакционный центр образован молекулой хлорофилла «а».

Однако, в первой фотосистеме хлорофилл «а» имеет оптимум поглощения кванта света при 700 нм, а во второй фотосистеме хлорофилл «а» имеет оптимум поглощения кванта света при 680 нм. Обе фотосистемы работают синхронно и непрерывно, но фотосистема 1 может работать без фотосистемы 2.

Фазы фотосинтеза

- Учитель биологии

Таким образом, мы пришли к пониманию того, что фотосинтез складывается из двух фаз: световая и темновая. (Беседа с учениками о том, что необходимо для световой фазы, каковы её результаты). А что происходит, когда наступает ночь?

- Учитель химии

Темновая фаза

Во время темновой фазы протекают реакции фиксации углерода. Осуществляются они в строме с участием ферментов. Водород, поступающий из гран и углекислый газ, поступающий из воздуха, вовлекаются в цикл синтеза углеводов, названный циклом Кальвина, в результате которого образуется глюкоза.

Это сложный процесс, а упрощенно его можно представить следующим образом: СО2 присоединяется к пентозе С5(углевод, который постоянно находится в строме) в результате образуется нестойкое соединение С6 - гексоза, которое расщепляется на две трехуглеродные группы С3 - триозы. Каждая из триоз С3 присоединяет по одной фосфатной группе от АТФ, что обогащает молекулы энергией, и по одному атому водорода. После чего одни триозы объединяются, образуя глюкозу, а другие образуют пентозы, которые вновь включаются в цикл фиксации углерода.

Суммарное уравнение реакции фотосинтеза:

- Учитель биологии

Беседует с учениками о взаимосвязи темновой и световой фаз.

Рисунок-схема «Фотосинтез»

Фотосинтез и законы науки

Каждый учитель называет «свои» законы.

Учитель физики: закон сохранения энергии.

Учитель биологии: биологические закономерности: обмен веществ, биологический ритм.

Учитель химии: закон сохранения массы веществ.

Учитель биологии: Философские законы:

● переход количества в качество: количество электронов переходит в «качество» полей, длина

волны света в «качество» работы хлорофилла;

● отрицание отрицания: организм и среда;

● единство и борьба противоположностей: световая фаза не существует без темновой и наоборот.

III. Повторение/закрепление изученного

Проблемный вопрос: каково же практическое значение знаний о фотосинтезе?

Пути повышения продуктивности фотосинтеза.

- Учитель химии

Решение задач

Учитель химии ПДК углекислого газа составляет 4%. При достижении в помещении этой концентрации углекислого газа начинается раздражение дыхательных путей, головная боль, шум в ушах, а при концентрации углекислого газа 10% могут наступить потеря сознания и даже смерть.

Рассчитайте, какой объем углекислого газа поглощают растения в кабинете биологии за ночь(12ч), если одно растение в среднем поглощает 0,0056л углекислого газа в час.

Ответ:

Задача решается в 3 действия:

● посчитать растения в кабинете

● умножить количество растений на количество потребляемого углекислого газа (в час)

● помножить полученный результат на 12 часов

- Учитель физики

В нашей школе для цветов используются фитолампы. Вы обратили внимание, что от обычных ламп они отличаются тем, что дают излучение в красном и синем диапазонах спектра. Как вы думаете, почему используются эти участки спектра?

Ответ: Они поглощаются листьями растений, следовательно, энергия полнее поглощается и используется растениями.

- Учитель биологии

1. При очень сильном освещении хлорофилл обесцвечивается, что приводит к снижению фотосинтеза. Как же защищается растение от избытка света? Ученикам предлагается найти эти приспособления в растениях кабинета.

Ответ: у растения более плотная кутикула, опушенные листья.

2. При температурах в диапазоне от 15 до 20С фотосинтез идет особенно эффективно. До примерно 35С скорость реакции непрерывно увеличивается, а затем резко понижается.

Объясните почему?

Ответ: ферменты денатурируют.

3. Демонстрируются растения с пожелтевшими (хлороз) или обесцвеченными пятнами на листьях. Как вы считаете, эффективно ли происходит фотосинтез в этом растении? Почему?

Информация к ответу: для синтеза хлорофилла нужны железо, магний, азот - к вопросу об удобрениях, используемых в сельском хозяйстве.

4. Почему в сильно загрязненных районах потери урожая доходят до 15%?

Ответ: сажа забивает устьица, уменьшает прозрачность листовой эпидермы.

5. Ученые считают, что фотосинтез можно использовать как альтернативный источник энергии.

Посмотрите на схемы, которые мы изображали сегодня на уроке, и обоснуйте это утверждение.

Ответ: обоснование - реакция фотолиза воды, где происходит выделение водорода. Его можно использовать как топливо, тем более, что продуктом его сгорания является вода; что делает процесс получения энергии экологически чистым.