Солнце, жизнь и хлорофилл

Цели: продолжить углубление знаний о способах питания в органическом мире через изучение особенностей процессов фотосинтеза и хемосинтеза; обосновать космическую роль зеленых растений; раскрыть значение хемосинтеза в биосфере.

Оборудование: класс оформлен в виде музея “Чудеса природы” с различными экспозициями: “Портретная галерея”, “Пигменты фотосинтеза” (необходимы спиртовая вытяжка хлорофилла, различные плоды томатов, перцев, корнеплоды моркови, гербарные экземпляры листьев с осенней окраской и т.д.); стенгазеты “Рекорды фотосинтеза”, “Интересные факты”; высказывания ученых о роли растений; выставка книг о фотосинтезе, имеющихся в школе и кабинете; таблицы по общей биологии “Фотосинтез”, “Типы питания”.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

Индивидуальная работа по карточкам (См. приложение 2).

III. Приглашение к размышлению

Учитель предлагает учащимся определить тему занятия.

— Сегодня мы с вами совершим экскурсию в музей “Чудеса природы”, где познакомимся с одним биологическим процессом, уникальным по множеству позиций на нашей планете. Я вам буду их перечислять, а вы догадайтесь, о чем идет речь.

• Огромные успехи в изучении механизмов этого процесса были достигнуты лишь во второй половине XX столетия.

• Если бы для биологических процессов и явлений существовала Книга рекордов Гиннеса, то он занял бы там не один десяток страниц.

• Это практически единственный процесс в живой природе, где происходит преобразование одного вида энергии в другую.

• Благодаря этому процессу, существует весь органический мир на нашей планете.

• Благодаря этому процессу создается и поддерживается состав среды, необходимый для обитания всех живых организмов.

• Этот процесс способствует предохранению поверхности Земли от парникового эффекта и образованию защитного озонового экрана вокруг планеты.

• Этот процесс включает в себя, по крайней мере, три важнейших этапа: фотофизический, фотохимический и биохимический.

• В результате этого процесса образуются сложные органические вещества.

• Это единственный процесс, который снабжает кислородом атмосферу и, следовательно, обеспечивает существование аэробных организмов.

• О нем писал в своей книге “Солнце, жизнь и хлорофилл” К.А. Тимирязев.

IV. Изучение новой темы

1. Объявление темы и целей занятия.

— Конечно, этот процесс — фотосинтез.

— Список “рекордов” фотосинтеза можно продолжить, однако оценить их по достоинству, можно только хорошо разобравшись в сущности этого процесса. А для того чтобы лучше понять его, начать придется издалека. Итак, первая экспозиция музея “Портретная галерея”.

2. Сообщения учащихся.

Заслушивается сообщение ученика “Из истории изучения”, во время которого демонстрируются портреты ученых, внесших большой вклад в изучение фотосинтеза.

Возможные источники информации:

Комиссаров Г. Г. Основное уравнение фотосинтеза: История и современность // Биология для школьников. - 2005. - № 1 . - С. 5-12.

— Фотосинтез начинается с улавливания света пигментами (от лат. “pigmentum” — краска) — окрашенными веществами, входящими в состав клеток. Что это такое и какую роль они играют в фотосинтезе? Следующий экспонат нашего музея — пигменты фотосинтеза.

Заслушивается сообщение ученика “Пигменты фотосинтеза”.

В ходе выступления учащегося по возможности можно продемонстрировать извлечение и разделение пигментов методом бумажной хроматографии. В ступке растереть порошок сухих листьев крапивы. К полученной массе прилить несколько миллилитров спирта и продолжить растирание. Полученную смесь профильтровать, затем несколько капель вытяжки нанести в середину кружка фильтровальной бумаги. Когда пятно высохнет, в его центре сделать небольшое отверстие, диаметром 2—3 мм. Вставить в отверстие трубочку — фитилек длиной 7—8 см, изготовленный из чистого кусочка фильтровальной бумаги. Затем бумажный кружок с фитильком положить на стаканчик со смесью спирта или бензина так, чтобы фитилек соединял эту смесь с поверхностью пятна. Когда диаметр расплывшегося пятна достигнет 4—6 см, кружок освободить от фитилька и просушить. На получившейся хроматограмме заметны зеленые и желтые пигменты, входящие в состав листьев крапивы.

Кроме того, возможен показ спиртовой вытяжки хлорофилла, наблюдение за изменением цвета вытяжки в проходящем и падающем свете.

Каротиноиды можно показать в плодах томатов, перца, корнеплодах моркови.

Дополнительный материал

Пигменты — важнейший аппарат фотосинтеза. По своей химической природе они образуют три группы:

1) хлорофиллы и бактериохлорофиллы;

2) фикобилины;

3) каротиноиды.

Хлорофилл состоит из атомов углерода и азота, соединенных в сложное кольцо, в центре которого находится атом магния. К этому кольцу присоединен длинный “хвост” — спирт фитол. Есть четыре вида хлорофиллов (Хл): Хл а, Хл b, Хл с, Хл d. Самым известным и распространенным фотосинтетическим пигментом является Хл а. Он обнаружен у всех фотосинтетиков, включая цианобактерии. Хлорофилл b, представлен у высших растений и зеленых водорослей. У бурых водорослей вместо хлорофилла b — хлорофилл c. Хлорофилл d — самый редкий, найден у красных водорослей. Хлорофилл поглощает красные и синие лучи света. Более полное использование растением падающего света возможно благодаря дополнительным пигментам, поглощающим свет, который пропускает Хл а. Ими служат другие хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины.

Бактериохлорофиллы служат фотосинтетическими пигментами пурпурных и зеленых бактерий, чей фотосинтез идет без образования кислорода.

К фикобилинам принадлежат четыре вида пигмента: фикоэритроби- лин, фикоцианобилин, фикоуробилин. криптовиолин. Фикобилины поглощают желтые, оранжевые и зеленые лучи.

Каротиноиды — наиболее широкий класс пигментов, используемый в природе не только для фотосинтеза. Известно более 500 каротиноидов. В растительном царстве они обнаружены повсеместно, встречаются, кроме хлоропластов, в нефотосинтезирующих тканях (томаты, морковь, перец и др). Каротиноиды выполняют ряд функций, главные из которых участие в поглощении света (главным образом сине-фиолетовых лучей) в качестве дополнительных пигментов и защита молекул хлорофиллов от необратимого фотоокисления.

Многообразие пигментов фотосинтеза связано с разнообразием световых условий, различия спектральных свойств пигментов и выполнение ими в фотосинтетическом аппарате не одной, а нескольких функций.

3. Слово учителя.

Учитель показывает учащимся таблицу “Фотосинтез”.

— Следующий экспонат выставочного зала позволит нам понять устройство природной “фабрики” по производству органических веществ, которая расположена в зеленых листьях растений, а ее центром являются специализированные клеточные структуры — хлоропласты.

Комментарии учителя. Молекулы хлорофилла и других вспомогательных пигментов располагаются в мембранах тилакоидов хлоропластов. В процессе функционирования они объединяются в группы, получившие названия фотосистем (ФС). У высших растений выделяют две фотосистемы — ФС I и ФС II, состоящие из реакционного центра, который у высших растений представлен одной молекулой хлорофилла и множеством светособирающих комплексов — антенных молекул. На долю реакционных центров приходится около 1% пигментов фотосинтетического аппарата. Антенны — молекулы поглощают кванты света и передают их энергию молекуле хлорофилла реакционного центра фотосистемы, который участвует в процессе окисления-восстановления. Благодаря такому разделению пигментного аппарата, даже на слабом, например, сумеречном свету фотосинтез протекает с почти не меняющейся скоростью.

Хлорофилл в этих фотосистемах связан с разными белками, которые изменяют его окислительно-восстановительные свойства. В одной фотосистеме (ФС II) хлорофилл — белковый комплекс, он может окислять воду. Но электрон, отнятый хлорофиллом у воды, имеет очень низкий уровень энергии.

В другой фотосистеме (ФС I) — хлорофилл является менее сильным окислителем, но после поглощения кванта света электрон обладает большим запасом энергии.

Хлорофилл в ФС II поглощает квант света, и его энергия переводит электрон в возбужденное Г состояние. Возбужденный электрон

уходит от хлорофилла на расположенную рядом молекулу — переносчик электронов, и она передает его следующему переносчику. Таким образом, электрон передается по цепи транспорта электронов, пока не достигнет хлорофилла в хлорофилл-белковом комплексе фотосистемы I.

Электрон хлорофилла в ФС 1 также поглощает квант света, переходит в возбужденное состояние и уходит от хлорофилла по цепи переносчиков, а затем передается на универсальный восстановитель НАДФ (никотинамидадениндинуклеитид), который может присоединять еще и протоны Н⁺. Окисленный хлорофилл ФС I принимает электрон из цепи переносчиков электронов ФС II. На участке между фотосистемами существует значительный перепад энергии, и электрон, двигаясь по цепи транспорта электронов, постепенно растрачивает энергию, часть которой используется для синтеза АТФ.

Фотосистема II не может функционировать, пока на место ушедшего электрона не встанет другой, поэтому хлорофилл ФС II окисляет воду, то есть отбирает у нее электроны. После четырех циклов окисления хлорофилла ФС II от двух молекул воды отнимается четыре электрона и образуются — молекула кислорода и четыре иона водорода. Процесс светозависимого разложения воды называется фотолизом:

2Н₂О^- + 4Н⁺ + 4е^- + О₂.

Образовавшийся в процессе фотолиза молекулярный кислород уходит в атмосферу. Эти процессы начинаются с поглощения солнечной энергии и происходят только на свету, поэтому их относят к световой фазе фотосинтеза.

Таким образом, в результате световой фазы энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ Н, которые в дальнейшем используются на синтез глюкозы.

Этот процесс локализован в строме — внутреннем пространстве хлоропластов и не зависит от солнечного света. Поэтому этот этап относят к темповой фазе фотосинтеза. Непосредственного восстановления С0₂ не происходит, поскольку продукты его восстановления (муравьиная кислота, формальдегид, метанол) достаточно токсичны. Природа пошла по другому пути. Синтез глюкозы происходит в ходе циклического процесса превращений одних органических веществ в другие. Группа этих реакций получила название по имени открывшего ее ученого — Мельвина Кальвина, награжденного за это Нобелевской премией. Для образования глюкозы используются углекислый газ, протоны и электроны — от НАДФ Н, энергия АТФ. Для образования одной молекулы глюкозы, состоящей из 6 атомов углерода, необходимо 6 оборотов цикла и требуется 12 НАДФН и 18 АТФ.

6СО, +24Н + АТФ -> С₆Н,₂0₆+6Н₂0.

Глюкоза может быть использована в дальнейшем как на синтез сложных углеводов, целлюлозы и крахмала, так и на образование белков и липидов.

4. Доклады учащихся.

— Следующая экспозиция музея “Чудеса природы” посвящена интересным фактам. Об этом расскажут специально подготовившиеся учащиеся нашего класса.

Возможный источник информации: Куликов А. Интересные факты //Биология для школьников. — 2005. — № 1. — С. 29—30.

— При фотосинтезе зеленый лист использует лишь около 1% падающей на него солнечной энергии, а продуктивность его составляет около 1 г органического вещества на 1 м² поверхности в час. За год на Земле образуется 150 млрд т органики и выделяется 200 млрд т кислорода.

Один из учеников рассказывает о хемосинтезе как автотрофном процессе.

Комментарии учителя. Но в природе существуют организмы, которые также создают органические вещества, но энергию получают не от солнца, а с помощью химических реакций окисления- восстановления. Такие организмы называются хемотрофами. Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским. Хемотрофами являются некоторые бактерии — железобактерии, бесцветные серобактерии, нитрифицирующие бактерии. Энергия, получаемая в реакциях окисления неорганических веществ, например, сероводорода, водорода, оксида железа (II), запасается в организме в форме АТФ. Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере, так как участвуют в круговороте азота и поддерживают плодородие почв.

V. Общие выводы

1. Основной задачей фотосинтеза является образование восстановленных соединений.

2. Молекула хлорофилла может делать следующие уникальные вещи:

• Поглощать квант света, энергия которого передается электрону хлорофилла, и этот электрон переходит в возбужденное состояние, то есть приобретает дополнительную энергию, равную энергии кванта света.

• Возбужденный электрон может уходить от молекулы хлорофилла и восстанавливать другие молекулы, например, НАДО.

• Хлорофилл, потеряв возбужденный электрон, становится сильным окислителем и может “отнять” электрон у молекулы воды, достаточно крепко его удерживающей (то есть окисленной). После чего хлорофилл снова готов поглощать квант света.

3. Пигменты фотосинтеза функционируют в составе определенных белков, образующих фотосистемы.

4. Пигменты разделяются на две части: антенну и реакционный центр, функции которых различны.

5. Разнообразие пигментов позволяет разным группам фотосинтетиков с наибольшей плотностью использовать разные участки солнечного спектра для светопоглощения.

6. Фотосинтез — сложный процесс, который осуществляется в два этапа:

• световая фаза, которая происходит в тилакоидах хлоропластов;

• темновая фаза, реакции которой протекают в строме хлоропластов.

7. В результате световой фазы энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей АТФ и НАДФ Н.

8. Синтез глюкозы происходит в ходе циклического процесса, который относят к темновой фазе.

Домашнее задание

Работа учащихся с тетрадью, схемами. Учебник А.А. Каменского, §2.11, рис. 32, с. 67; учебник И.Н. Пономаревой, §11, рис. 17, с.38.

Творческое задание для успевающих учащихся: подготовить сообщение “Автотрофы, фотосинтез и жизнь на Земле”.