Биология пасечник учебник §19

История открытия фотосинтеза

Еще в 1600 г. ученый  Ван-Гельмонт решил проверить влияние почвы на рост растений и провести уникальный эксперимент.

Ученый пришел к выводу, что растение получает все необходимые вещества не столько из почвы, сколько из воды.

После Ван-Гельмонта ученые повторили его опыт и разработали так называемую «теорию воды в питании растений».

Одним из противников теории был М. В. Ломоносов. Он основал свои высказывания на том факте, что высокие, крепкие деревья растут на пустынных, иногда мерзлых почвах с редкими дождями. Михаил Василевич предполагал, что часть питательных веществ усваивается листьями, но экспериментально не смог доказать свои теории.

Эксперименты Пристли вдохновили ученых, и во всем мире начали охотиться на грызунов и повторять эксперименты.

Исследование фотосинтеза продолжалось быстрым темпом. В XVIII в. Жан Сенебье доказал, что органы растений поглощают углекислый газ при солнечном свете. Почти век неудачных и удачных экспериментов потребовался ученым разных наук, чтобы наконец-то немецкий исследователь Юлий Закс в XIX в. доказал, что растение поглощает углекислый газ и выделяет кислород в пропорции 1:1.

Какая наука изучает процесс фотосинтеза

Фотосинтез изучают разные науки, но больше всего ботаника и физиология растений.

Ботаника – это наука о растениях и, поэтому изучает его как важный жизненный процесс растений.

Наиболее подробно изучает фотосинтез физиология растений. Учёные-физиологи определили, что этот процесс сложный и имеет стадии:

• световую;
• темновую.

Это значит, что фотосинтез начинается на свету, но заканчивается в темноте.

Что мы узнали?

Изучив данную тему по биологии 5 класса, можно объяснить кратко и понятно фотосинтез как процесс образования в растениях органических веществ из неорганических (СО₂ и Н₂О). Его особенности: проходит в зелёных пластидах (хлоропластах), сопровождается выделением кислорода, осуществляется под действием света.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

Как происходит выделение кислорода

Процесс фотосинтеза заключается в следующем: На хлорофиллы попадает солнечный свет. Затем начинаются два процесса:1. оцесс фотосистема II. При столкновении фотона с 250-400 молекулами фотосистемы II энергия начинает скачкообразно возрастать, затем эта энергия передается молекуле хлорофилла. Начинаются две реакции. Хлорофилл теряет 2 электрона, а в этот же момент расщепляется молекула воды. 2 электрона атомов водорода замещают потерянные электроны у хлорофилла. Затем молекулярные переносчики перекидывают «быстрый» электрон друг другу. Частично энергия затрачивается на образование молекул аденозинтрифосфата (АТФ).2. Процесс фотосистема I. Молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает энергию фотона и передает свой электрон другой молекуле. Потерянный электрон замещается электроном из фотосистемы II. Энергия из фотосистемы I и ионы водорода уходит на образование новой молекулы-переносчика.

В упрощенном и наглядном виде всю реакцию можно описать одной простой химической формулой:СО2 + Н2О + свет → углевод + О2

В раскрытом виде формула выглядит так:6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

Существует и темновая фаза фотосинтеза. Ее также называют метаболической. В ходе темновой стадии происходит восстановление углекислого газа до глюкозы.

Где в растении происходит фотосинтез?

Для фотосинтеза растениям нужна энергия солнечного света. (Изображение предоставлено: Shutterstock)

Фотосинтез происходит в хлоропластах, типе пластид (органеллы с мембраной), которые содержат хлорофилл и в основном обнаруживаются в листьях растений. Двумембранные пластиды в растениях и водорослях известны как первичные пластиды, в то время как мультимембранные пластиды, обнаруженные в планктоне, называются вторичными пластидами. ()

Хлоропласты похожи на митохондрии, энергетические центры клеток, тем, что у них есть собственный геном или набор генов, содержащихся в кольцевой ДНК. Эти гены кодируют белки, необходимые для органелл и фотосинтеза. ()

Внутри хлоропластов находятся пластинчатые структуры, называемые тилакоидами, которые отвечают за сбор фотонов света для фотосинтеза. Тилакоиды уложены друг на друга в столбцы, известные как граны. Между гранами находится строма – жидкость, содержащая ферменты, молекулы и ионы, в которой происходит образование сахара. ()

В конечном итоге световая энергия должна быть передана комплексу пигмент-белок, который может преобразовать ее в химическую энергию в форме электронов. В растениях световая энергия передается пигментам хлорофилла. Преобразование в химическую энергию осуществляется, когда пигмент хлорофилла изгоняет электрон, который затем может перейти к соответствующему получателю.

Пигменты и белки, которые преобразуют энергию света в химическую энергию и запускают процесс переноса электронов, известны как реакционные центры.

Реакции фотосинтеза растений делятся на две основные стадии: те, которые требуют присутствия солнечного света (светозависимые реакции), и те, которые не требуют наличия солнечного света (светонезависимые реакции). В хлоропластах протекают оба типа реакций: светозависимые реакции в тилакоиде и светонезависимые реакции в строме.

Слайд 13ЛитератураСеменцова В.Н. Биология. 6 класс. Технологические карты уроков:

Методическое пособие. – СПб.: «Паритет», 2002. – 192 с.Пономарева И.Н.,

Корнилова О.А., Кучменко В.С. Биология: Растения. Бактерии.Грибы. Лишайники: Учебник для 6 класса общеобразовательной школы / Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – М.: Вентана-Граф, 2005. – 240 с.: ил.Интернет-ресурсы (Картинки. Яндекс): http://info-7.ru/Novosti/Bio/show1novost.php?Tip=bio&ID_zapros=748 http://www.vmir.su/47640-11-noveyshih-oblastey-nauki-o-kotoryh-vazhno http://alfafruitgr.n4.biz/news/-/news/view_single_news/11965844 http://ogorod.forblabla.com/blog/45479402931/Sposobyi-posadki-kartofel… http://life-another.ru/narodnaya-medicina/narodnaya-medicina.html

Примеры заданий на фотосинтез в ЕГЭ и ОГЭ по биологии

 Вопросы по фотосинтезу встречаются как в ЕГЭ, так и в ОГЭ. Если для 9-го класса достаточно знать что это такое и основные этапы, то для ЕГЭ необходимо понимание последовательности процессов. Кстати, эта тема актуальна для решения заданий по экспериментам: номеров 2 и 22–23.

Задание на фотосинтез в ОГЭ по биологии

Решение. Типичный вопрос для первой части ОГЭ из открытого банка ФИПИ. Какие из этих процессов происходят во время фотосинтеза? Возбуждение молекул хлорофилла квантом света, расщепление (фотолиз) воды и образование глюкозы. 

Во время фотосинтеза, наоборот, выделяется кислород, как побочный продукт, и поглощается углекислый газ. А синтез белка вообще проходит на рибосомах.

Ответ. 123

Задание на фотосинтез в ЕГЭ по биологии

Решение. Это задание из открытого варианта 2021 года (в 2021 эти варианты заменяли варианты досрочного ЕГЭ). Необходимо соотнести процессы и фазы. В световой фазе происходит возбуждение молекулы хлорофилла, фотолиз воды и образование энергии. В темновую фазу фиксируется углекислый газ и восстановление углерода водородом для синтеза глюкозы.

Ответ. 12212

Конечно, процесс фотосинтеза значительно сложнее, чем мы с вами разобрали. Да и на ОГЭ и ЕГЭ проверяют знание многих других тем. Чтобы сдать экзамен на высокий балл, надо знать анатомию, зоологию, генетику, микробиологию и даже психологию. При этом недостаточно только хорошо разбираться в основных темах. Надо уметь избегать ловушек экзаменаторов, вчитываться в формулировки заданий и оформлять ответы в четком соответствии с критериями. Поэтому необходимо готовиться к ОГЭ и ЕГЭ по биологии системно.Экзамен по биологии — не шутка. Если вы хотите сдать его на 90+, записывайтесь на мои курсы подготовки к ОГЭ или ЕГЭ. Мы разберемся со всеми темами, которые изучают в страшей школе классе, научимся решать задания быстро и правильно, а также разберем лайфхаки, которые помогут вам не стрессовать. Я также проведу с вами пробный экзамен в формате реального ОГЭ или ЕГЭ, чтобы вы были готовы к любым неожиданностям. После мы разберем все ошибки и поймем, как избежать их в будущем.

Особенности газообмена

У растительных организмов нет специальных частей тела, которые отвечали бы за дыхание. Обмен газами происходит через отверстия, расположенные в покровных тканях. Они делятся на два типа:

• чечевички;
• устьица.

Последние расположены на листьях растения. У каждого устьица есть свои клетки, в которых постоянно изменяется наполненность водой. Когда они разбухают, то закрывают щели. Через устьица листья поглощают и выпускают газ, а также испаряют лишнюю влагу.

Растения получают воздух не только в чистом, но и в растворенном виде. Он поступает к стеблям через корни из почвы. Если грунт бедный или слишком сухой, деревья и цветы могут погибнуть.

Значимость фотосинтеза для человека

В процессе фотосинтеза каждый листочек зеленого растения выполняет роль небольшой лаборатории, отвечающей за образование кислорода и органических веществ. Именно результат этой химической реакции обеспечивает органическую жизнь планеты необходимыми ресурсами

Поэтому крайне важно следить за жизнеспособностью флоры, охранять экологию и избегать чрезмерной вырубки лесов. Однако в мало засаженных растениями областях, например, пустынях или мегаполисах, человек также может продолжать свою жизнедеятельность.
Фотосинтез — сложный биологический процесс, который происходит в зеленых растениях, водорослях и некоторых бактериях

Именно за счет него в атмосферу выделяется кислород, который обеспечивает жизнедеятельность всех организмов. А еще при этом процессе растения выделяют необходимые для собственного питания органические вещества.

Влияние различных факторов на интенсивность фотосинтеза

Интенсивность фотосинтеза постепенно увеличивается вплоть до фазы , затем спадает.

Она усиливается с ростом температуры до 25–35 °C, после которой каждый новый градус снижает интенсивность. А при 40–45 °C фотосинтез и вовсе прекращается.

Важное значение имеет вода, которая необходима для процесса фотосинтеза, а также минеральное питание, которое является источником элементов, необходимых для хлорофилла и других систем хлоропласта. Когда воды недостаточно, устьица закрываются, и углекислый газ тоже перестает поступать

Увеличение поступления углекислого газа увеличивает интенсивность фотосинтеза и повышает урожайность

Когда воды недостаточно, устьица закрываются, и углекислый газ тоже перестает поступать. Увеличение поступления углекислого газа увеличивает интенсивность фотосинтеза и повышает урожайность.

Плохо на интенсивности фотосинтеза сказывается загрязнение воздуха, так как выхлопные газы могут закупоривать устьица.

Научное определение

Для начала важно узнать, что такое фотосинтез. В биологии определение звучит так: это процесс образования органических веществ (пищи) из неорганических (из углекислого газа и воды) в хлоропластах с помощью энергии света

Чтобы понять это определение, можно представить совершенную фабрику — это любое зеленое растение, которое является фотосинтетиком. «Топливом» для этой фабрики служит солнечный свет, растения используют воду, углекислый газ и минералы
, чтобы производить пищу почти для всех форм жизни на земле. Эта «фабрика» совершенная, потому что она, в отличие от других заводов, не приносит вред, а, наоборот, по ходу производства выделяет в атмосферу кислород и поглощает углекислый газ. Как видно, для фотосинтеза необходимы определенные условия.

Этот уникальный процесс можно представить в виде формулы или уравнения:

солнце +вода+углекислый газ = глюкоза+вода+кислород

Как фотосинтез может бороться с изменением климата

Фотосинтезирующие организмы – это возможное средство для производства экологически чистого топлива, такого как водород. Группа исследователей из Университета Турку в Финляндии изучила способность зеленых водорослей производить водород. Зеленые водоросли могут выделять водород в течение нескольких секунд, если они сначала подвергаются воздействию темных анаэробных (бескислородных) условий, а затем подвергаются воздействию света. Как сообщается в их исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Energy & Environmental Science, исследователи разработали способ продлить производство водорода зелеными водорослями до трех дней. ()

Ученые также добились успехов в области искусственного фотосинтеза. Например, группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли разработала искусственную систему для улавливания CO2 с использованием нанопроволоки или проводов диаметром в несколько миллиардных долей метра. Проволока проникает в систему микробов, которые уменьшают CO2 в топливо или полимеры, используя энергию солнечного света. Команда опубликовала свой дизайн в 2015 году в журнале Nano Letters. ()

В 2016 году члены этой же группы опубликовали исследование в журнале Science, в котором описана еще одна искусственная фотосинтетическая система, в которой специально сконструированные бактерии использовались для создания жидкого топлива с использованием солнечного света, воды и CO2. В общем, растения могут использовать только около одного процента солнечной энергии и использовать ее для производства органических соединений во время фотосинтеза. Напротив, искусственная система исследователей смогла использовать 10% солнечной энергии для производства органических соединений. ()

В 2019 году исследователи написали в Journal of Biological Chemistry, что цианобактерии могут повысить эффективность фермента рубиско. Ученые обнаружили, что эти бактерии особенно хороши в концентрации СО2 в своих клетках, что помогает предотвратить случайное связывание рубиско с кислородом. Понимая, как бактерии достигают этого, ученые надеются внедрить этот механизм в растения, чтобы повысить эффективность фотосинтеза и снизить риск фотодыхания. ()

Непрерывные исследования природных процессов помогают ученым в разработке новых способов использования различных источников возобновляемой энергии, а использование силы фотосинтеза является логическим шагом для создания экологически чистых и углеродно-нейтральных видов топлива.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Хлорофилл

Как мы помним, (листовой пластинки) состоит из клеток столбчатой и губчатой тканей, в которых очень много .

А внутри хлоропластов имеются тилакоиды — структуры, окруженные мембраной. На мембранах тилакоидов расположены молекулы хлорофилла.

1 — участок мякоти листа с клетками, заполненными хлоропластами; 2 — хлоропласт со стопками тилакоидов; 3 — молекула хлорофилла

Именно этот пигмент поглощает солнечную энергию и передает ее другим системам хлоропласта, которые преобразуют ее в энергию химических связей и синтезируют органические вещества.

{"questions":,"answer":1}}}]}

Условия, необходимые для фотосинтеза

Ниже приведены условия, которые необходимы растениям для осуществления процесса фотосинтеза:

• Углекислый газ. Бесцветный природный газ без запаха, обнаруженный в воздухе и имеет научное обозначение CO2. Он образуется при горении углерода и органических соединений, а также возникает в процессе дыхания.
• Вода. Прозрачное жидкое химическое вещество без запаха и вкуса (в нормальных условиях).
• Свет. Хотя искусственный свет также подходит для растений, естественный солнечный свет, как правило, создает лучшие условия для фотосинтеза, потому что в нем присутствует природное ультрафиолетовое излучение, которое оказывает положительное влияние на растения.
• Хлорофилл. Это зеленый пигмент, найденный в листьях растений.
• Питательные вещества и минералы. Химические вещества и органические соединения, которые корни растений поглощают из почвы.

Что образуется в результате фотосинтеза?

• Глюкоза;
• Кислород.

(Световая энергия показана в скобках, поскольку она не является веществом)

Если факторы, способствующие фотосинтезу, отсутствуют или присутствуют в недостаточном количестве, это может негативно повлиять на растение. Например, меньшее количество света создает благоприятные условия для насекомых, которые едят листья растения, а недостаток воды замедляет.

Светонезависимые реакции: восстановительный пентозофосфатный цикл

Фотосинтез включает в себя процесс, называемый восстановительным пентозофосфатным циклом, для использования энергии, накопленной в результате светозависимых реакций, для превращения CO2 в сахара, необходимые для роста растений. (Изображение предоставлено: wikipedia.org)

Восстановительный пентозофосфатный цикл, или Цикл Кальвина, использует энергию, накопленную в результате светозависимых реакций, для превращения CO2 в сахара, необходимые для роста растений. Эти реакции происходят в строме хлоропластов и не запускаются непосредственно светом – отсюда их название «светонезависимые реакции». Однако они все еще связаны со светом, поскольку цикл Кальвина подпитывается АТФ и НАДФН (оба из ранее упомянутых светозависимых реакций). ()

Во-первых, CO2 соединяется с рибулозо-1,5-бисфосфатом (РуБФ), который является пятиуглеродным акцептором. Затем он расщепляется на две молекулы трехуглеродного соединения – 3-фосфоглицериновой кислоты (3-ФГК). Реакция катализируется ферментом РуБФ-карбоксилаза/оксигеназа, также известным как рубиско.

Вторая стадия цикла Кальвина включает преобразование 3-ФГК в трехуглеродный сахар, называемый глицеральдегид-3-фосфатом (Г3Ф) – в процессе используются АТФ и НАДФН. Наконец, в то время как одни молекулы Г3Ф используются для производства глюкозы, другие рециркулируют обратно, чтобы получить РуБФ, который используется на первом этапе для принятия CO2. На каждую молекулу Г3Ф, которая производит глюкозу, пять молекул рециркулируют с образованием трех акцепторных молекул РуБФ.

Вода в процессе фотосинтеза

Растения получают воду, необходимую для фотосинтеза через свои корни. Они имеют корневые волоски, которые разрастаются в почве. Корни характеризуются большой площадью поверхности и тонкими стенками, что позволяет воде легко проходить сквозь них.

На изображении представлены растения и их клетки с достаточным количеством воды (слева) и ее нехваткой (справа).

Если растение не впитывает достаточное количество воды, оно увядает. Без воды, растение будет не способно фотосинтезировать достаточно быстро, и может даже погибнуть.

Какое значение имеет вода для растений?

• Обеспечивает растворенными минералами, которые поддерживают здоровье растений;
• Является средой для транспортировки минеральных ресурсов;
• Поддерживает устойчивость и прямостояние;
• Охлаждает и насыщает влагой;
• Дает возможность проводить различные химические реакции в растительных клетках.

Из истории изучения воздушного питания растений

Знания о питании растений накапливались постепенно. Около 350 лет назад голландский ученый Ян Гельмонт впервые поставил опыт по изучению питания растений. В глиняном горшке с почвой он выращивал иву, добавляя туда только воду. Опадавшие листья ученый тщательно взвешивал. Через пять лет масса ивы вместе с опавшими листьями увеличилась на 74,5 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 57 г. На основании этого Гельмонт пришел к выводу, что все вещества в растении образуются не из почвы, а из воды. Мнение о том, что растение увеличивается в размерах только за счет воды, сохранялось до конца XVIII века.

В 1771 г. английский химик Джозеф Пристли изучал углекислый газ, или, как он его называл, «испорченный воздух» и сделал замечательное открытие. Если зажечь свечу и накрыть оо стеклянным колпаком, то, немного погорев, она погаснет. Мышь под таким колпаком начинает задыхаться. Однако если под колпак вместе с мышью поместить ветку мяты, то мышь не задыхается и продолжает жить. Значит, растения «исправляют» воздух, испорченный дыханием животных, то есть превращают углекислый газ в кислород.

В 1862 г. немецкий ботаник Юлиус Сакс с помощью опытов доказал, что зеленые растения не только выделяют кислород, но и создают органические вещества, служащие пищей всем другим организмам.

Фотосинтез — просто и понятно!

Каждый человек обязан понимать, что такое фотосинтез

Для этого совсем не нужно писать сложные формулы, достаточно понять всю важность и волшебство этого процесса

Главную роль в процессе фотосинтеза играют растения – трава, деревья, кустарники. Именно в листьях растений на протяжении миллионов лет происходит удивительное превращение углекислого газа в кислород, так необходимый для жизни любителям дышать. Попробуем разобрать весь процесс фотосинтеза по порядку.

1. Растения берут из почвы воду с растворенными в ней минеральными веществами – азот, фосфор, марганец, калий, различные соли – всего больше 50 различных химических элементов. Это необходимо растениям для питания. Но из земли растения получают лишь 1/5 часть необходимых веществ. Остальные 4/5 они получают из воздуха!

2. Из воздуха растения поглощают углекислый газ. Тот самый углекислый газ, который мы выдыхаем каждую секунду. Углекислым газом растения дышат, как мы с вами дышим кислородом. Но и этого мало.

3. Незаменимый компонент в природной лаборатории — солнечный свет. Солнечные лучи в листьях растений пробуждают необычайную химическую реакцию. Как же это происходит?

4. В листьях растений есть удивительное вещество – хлорофилл. Хлорофилл способен улавливать потоки солнечного света и неутомимо перерабатывать полученные воду, микроэлементы, углекислый газ в органические вещества, необходимые каждому живому существу нашей планеты. В этот момент растения выделяют в атмосферу кислород! Именно эту работу хлорофилла ученые называют сложным словом – фотосинтез.

Презентацию по теме Фотосинтез можно скачать на образовательном портале Учителя.com

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез принято разделять на световую и темновую фазу. Между ними есть значительные отличия, с которыми можно познакомиться в данной таблице:

Таблица 1. – Сравнение световой и темновой фазы фотосинтеза

Признак	Световая фаза	Темновая фаза
Где происходит	На мембране тилакоидов (на внутренней мембране хлоропласта)	В строме (в жидком содержимом хлоропласта)
Источник энергии	Свет	Разрушение макроэргических связей АТФ, который был получен в световой фазе
Основные продукты	АТФ, НАДФН, кислород	Моносахара (глюкоза)
Основные процессы	Возбуждение электронов светом, движение электронов по цепи белков-переносчиков, фотолиз воды, окисление кислорода воды, накопление протонов водорода, фотофосфорилирование	Цикл Кальвина, трата энергии АТФ – разрушение макроэргической связи, окисление НАДФН, преобразование углеводов