Fotosynteza a oddychanie rolin


Fotosynteza a oddychanie rolin


Piotr Felski,? Krzysztof S?u?ewski

Gimnazjum w Z?ejwsi Wielkiej

Pracownia Dydaktyki Fizyki
Instytut Fizyki UMK w Toruniu

 

 

10. MONITOROWANIE? FOTOSYNTEZY? I? ODDYCHANIA? RO?LIN

 

Celem tego opracowania jest pokazanie przebiegu i wynik?w cyklu do?wiadcze? wspomaganych komputerowo, oraz ich wykorzystania w gimnazjum, a w szczeg?lno?ci na lekcjach biologii. Eksperymenty dotycz? badania zmian st?enia tlenu i dwutlenku w?gla w zale?no?ci od o?wietlenia w izolowanych uprawach kukurydzy.

1.      Przedstawienie przebiegu i wynik?w cyklu do?wiadcze? wspomaganych komputerowo oraz sposobu ich wykorzystania na lekcjach biologii w gimnazjum.

2.      Pokazanie zale?no?ci mi?dzy fotosyntez?, oddychaniem i czynnikami ?rodowiska z wykorzystaniem automatycznego komputerowego rejestratora danych.

 

Ucze?:

-         planuje badania fotosyntezy i oddychania u ro?lin w zale?no?ci od o?wietlenia
w izolowanych uprawach kukurydzy,

-         odczytuje i interpretuje otrzymane wykresy,

-         formu?uje wnioski o substratach i produktach,

-         podaje informacj?, ?e ro?liny oddychaj? zar?wno w nocy, jak i w ci?gu dnia,

-         podaje czynniki wp?ywaj?ce na tempo oddychania y ro?lin,

-         wymienia czynniki limituj?ce przebieg fotosyntezy,

-         definiuje ?wietlny punkt kompensacyjny, wi??e go ze stanem r?wnowagi dynamicznej,

-         formu?uje prawo minimum Liebiga.

 

 

czujnik st?enia tlenu wraz z rejestratorem danych i ?wiat?omierzem firmy LOGIT

czujnik st?enia dwutlenku w?gla wraz z rejestratorem danych firmy LEYBOLD.

oprogramowanie niezb?dne do rejestracji danych (INSIGHT i CASSYLAB) do??czone do aparatury.

Butelka plastikowa (tzw. PET) o pojemno?ci ok. 1,5-2,5l

Ziemia do kwiat?w

Nasiona kukurydzy

Ta?ma izolacyjna plastikowa

Plastelina

Arkusz kalkulacyjny (np. EXCEL firmy MICROSOFT).

 

Fotosyntez? mo?na zdefiniowa? jako syntez? zwi?zk?w organicznych z prostych substancji mineralnych przy udziale energii ?wietlnej. Ro?liny zielone wymagaj? zaopatrzenia jedynie w wod?, dwutlenek w?gla i sole mineralne. Fotosynteza jest najwa?niejszym procesem biochemicznym w przyrodzie, poniewa? dzi?ki niemu gromadzi si? energia chemiczna
w postaci w?glowodan?w, bia?ek, lipid?w i innych zwi?zk?w organicznych, kt?re s?u?? jako podstawowe ?r?d?o energii i budulca dla pozosta?ych organizm?w.

Proces fotosyntezy jest przedstawiany zwykle w postaci prostego r?wnania:

6CO2 +6H2O ?? C6H12O6 +6O2

Proces ten zachodzi w chloroplastach i jest w rzeczywisto?ci du?o bardziej skomplikowany ni? przedstawione r?wnanie obrazuj?ce jedynie stan pocz?tkowy i (w du?ym uproszczeniu) ko?cowy procesu. Pod wzgl?dem chemizmu fotosyntezy ro?liny mo?na podzieli? na dwie grupy:

-Ro?liny C3, w kt?rych dwutlenek w?gla wi?zany jest podczas fotosyntezy w cyklu Calvina: s? to na og? ro?liny strefy umiarkowanej.

-Ro?liny C4, w kt?rych dwutlenek w?gla wi?zany jest podczas fotosyntezy w cyklu kwas?w dwukarboksylowych. Ro?liny te charakteryzuj? si? wysok? wydajno?ci? fotosyntetyczn? oraz zdolno?ci? do wyczerpywania dwutlenku w?gla z otaczaj?cej je atmosfery do bardzo niskiego st?enia.. O wyborze kukurydzy zdecydowa?o kilka czynnik?w: przynale?no?? do ro?lin cyklu C4. [1,2]. dost?pno?? nasion o ka?dej porze roku (kie?kuj? nawet te na popcorn), szybki wzrost i ?atwo?? uprawy.

Czynnikami zewn?trznymi, kt?re wywieraj? najwi?kszy wp?yw na aktywno?? fotosyntetyczn? ro?lin s? ?wiat?o, st?enie dwutlenku w?gla, temperatura oraz dost?pno?? wody.

Oddychanie polega na procesach rozk?adu z?o?onych substancji organicznych na prostsze zwi?zki z uwalnianiem energii w formie u?ytkowej.

Oddychanie tlenowe (w?a?ciwe) polega na ca?kowitym utlenieniu substratu kosztem tlenu atmosferycznego na dwutlenek w?gla i wod?.

C6H12O6 + 6O2 ?6 CO2 + 6H2O + energia

R?wnanie to jest odwr?ceniem og?lnego r?wnania fotosyntezy. Oddychanie tlenowe jest zasadniczym typem oddychania, przebiegaj?cym w normalnych warunkach we wszystkich kom?rkach ro?lin wy?szych.

Pomiar intensywno?ci oddychania opiera si? zwykle na oznaczaniu ilo?ci wydzielanego dwutlenku w?gla, ilo?ci zu?ytego tlenu lub ilo?ci utlenionego substratu. Intensywno?? oddychania jest w normalnych warunkach proporcjonalna do potrzeb energetycznych kom?rki, a zatem do zapotrzebowania na ATP. Jest ona nieustannie dostosowywana
do aktualnych potrzeb za pomoc? skomplikowanych system?w samoreguluj?cych, dzia?aj?cych na zasadzie sprz?e? zwrotnych.

?Poniewa? procesy oddechowe przebiegaj? w mitochondriach rozmieszczonych
w cytoplazmie kom?rek, zatem tkanki o wi?kszej zawarto?ci cytoplazmy i mitochondri?w wykazuj? wi?ksze nat?enie oddychania. Najintensywniej oddychaj? tkanki merystematyczne, poniewa? zawarto?? cytoplazmy, a tak?e potrzeby energetyczne s?
u nich szczeg?lnie du?e. Liczne bowiem reakcje biosyntetyczne rosn?cych kom?rek wymagaj? ATP w ilo?ciach przekraczaj?cych normalne zapotrzebowanie. Tkanki dojrzale zawieraj? zwykle mniej cytoplazmy, a wi?cej sk?adnik?w nieaktywnych (?cian kom?rkowych i wakuoli), wskutek czego intensywno?? oddychania tych tkanek, w przeliczeniu na jednostk? ci?aru, jest s?absza ni? w tkankach merystematycznych. Tkanki organ?w starzej?cych si? (np. ??kn??ce li?cie i dojrzewaj?ce owoce) posiadaj? jeszcze mniej cytoplazmy oraz niewielkie potrzeby energetyczne i w zwi?zku z tym oddychaj? jeszcze s?abiej. Cz?sto w ko?cowym okresie starzenia si? li?ci i owoc?w mo?na zaobserwowa? nag?y wzrost oddychania (tzw. stadium klimakteryczne Jest on oznak? zaburze? w funkcjonowaniu mechanizm?w reguluj?cych i co za tym idzie w przemianie materii; Najni?sz? intensywno?? oddychania wykazuj? suche nasiona i zarodniki. Przyczyna tego le?y jednak nie tyle w ma?ej zawarto?ci cytoplazmy, ile w s?abym. jej uwodnieniu.

Ponadto na intensywno?? oddychania wp?ywaj? takie czynniki zewn?trzne, jak temperatura, st?enie tlenu, st?enie dwutlenku w?gla, woda, ?wiat?o, urazy mechaniczne, stymulatory i inhibitory oddychania [2].

 

Przed planowanymi eksperymentami przygotuj upraw? kukurydzy, kt?r? b?dzie mo?na hermetycznie zamkn??.

1. Butelk? przetnij na wysoko?ci 8-9 cm. Nast?pnie ostro?nie zagnij nad palnikiem brzegi dolnej cz?ci do wewn?trz, tak aby cz?? g?rna da?a si? na ni? nasun?? na ok. 2cm (rys.1).

2. W zakr?tce butelki wywier? otw?r o wielko?ci odpowiadaj?cej ?rednicy czujnika.

3. Przygotuj pod?o?e; ziemi? do kwiat?w wypra? w temperaturze 105OC w celu usuni?cia fauny glebowej. Jej obecno?? wp?ywa?aby na zmiany st?enia CO2.

4. Po umieszczeniu 5cm warstwy ziemi w dolnej cz?ci butelki wysiej 25-30 ziaren kukurydzy na g??boko?? do 1cm. Przy podlewaniu uwa?aj, aby nie zala? nasion, poniewa? pojemnik jest bez odp?ywu. Po oko?o dw?ch tygodniach, gdy siewki osi?gn? wys. 12-15cm, mo?esz zmontowa? zestaw.

5. Czujnik umie?? w otworze nakr?tki i uszczelnij plastelin?.

6. Na upraw? nasu? g?rn? cz?? butelki i szczelnie zaklej ta?m? izolacyjn? (rys.2).

Rys.1????????????????????????????????????????????????? Rys.2 Schemat zestawu do do?wiadcze?


Uwagi :

Je?eli chcesz jednocze?nie mierzy? st?enie tlenu i dwutlenku w?gla, musisz zastosowa? butelk? z szersz? zakr?tk? (rys. obok) lub umie?ci? dodatkowy czujnik w ?cianie butelki.

Para wodna, kt?ra skrapla si? w uprawie, mo?e powodowa? czasami zak??cenia pracy czujnik?w tlenu. Gdy para skropli si? na elektrodzie, czujnik mierzy st?enie tlenu w kropli wody, a warto?ci podawane s? w mg/l. Nadmiernemu skraplaniu si? pary wodnej mo?na zapobiec nie podlewaj?c ro?lin bezpo?rednio przed do?wiadczeniami. W przypadku wystawienia ro?lin na bezpo?rednie dzia?anie promieni s?onecznych nale?y os?oni? cz?? butelki zawieraj?c? pod?o?e; zapobiegnie to nadmiernemu ogrzaniu si? ziemi, parowaniu wody i jej skraplaniu na ?ciance butelki i na czujnikach.

 

Zestaw z czujnikami tlenu i dwutlenku w?gla umie?? w ciemno?ci na ok. dwie godziny, ustawiaj?c interwa? rejestracji danych na dwie minuty. Uzyskane dane przenie? ?do arkusza kalkulacyjnego Excel i sporz?d? wykres (niestandardowy, z dwiema osiami Y za pomoc? kreatora wykres?w).

 

Dyskusja wynik?w i wnioski

Do przyk?adowej analizy wynik?w pos?u?? si? wykresami z wcze?nie wykonanych do?wiadcze? [3]. Do danych pomiarowych st?enia tlenu zastosowano metod? regresji liniowej ( w kreatorze wykres?w polecenie ?dodaj lini? trendu?). Po opracowaniu danych powsta?y wykres 1 poddano analizie podczas lekcji. Pozwala to uczniom na samodzielne sformu?owanie wniosku, ?e ro?liny oddychaj? w ciemno?ci. Wykres umo?liwia uczniom prze?ledzenie zmian ilo?ciowych tlenu i dwutlenku w?gla, ro?liny oddychaj?c pobieraj? O2
i wydzielaj? CO2 w stosunku 1:1.

Do?wiadczenie mo?na powt?rzy? przy s?abym o?wietleniu (np. ok. 700Lx). Wynik b?dzie podobny (wykres nieznacznie "sp?aszczony"), co udowadnia, ?e ro?liny oddychaj? tak?e w ci?gu dnia. Na tym samym zestawie wzbogaconym o rejestrator temperatury mo?na bada? wp?yw temperatury na tempo (intensywno??) oddychania, umieszczaj?c zestaw w mieszaninie wody i lodu, a nast?pnie w ?a?ni wodnej o temp. 30,40 i 50 OC.

 

Do?wiadczenie 2 ( monitorowanie fotosyntezy)

Do przeprowadzenia do?wiadcze? z monitorowaniem fotosyntezy wybierz dni s?oneczne.

Zestaw z czujnikiem tlenu i ?wiat?omierzem umie?? na parapecie okna na
72 godziny ustawiaj?c interwa? rejestracji danych na dwie minuty. Uzyskane dane przenie?
do arkusza kalkulacyjnego Excel i sporz?d? wykres (za pomoc? kreatora wykres?w, niestandardowy, z dwiema osiami Y.)

 

Dyskusja wynik?w i wnioski

?Zamieszczony poni?ej wykres 2 ilustruje wyniki rejestracji [3]. W ci?gu pierwszych dw?ch godzin pomiaru obserwujemy wahania st?enia tlenu, nast?pne dziesi?? godzin rejestracji przynosi wyra?ny spadek st?enia tlenu, co udowadnia przewag? wi?zania tlenu w procesie oddychania nad jego uwalnianiem podczas fotosyntezy przy s?abym o?wietleniu. Po wschodzie S?o?ca (20 godzina pomiar?w) i zwi?kszeniu warto?ci nat?enia ?wiat?a powy?ej 3000Lx obserwujemy wzrost st?enia tlenu. Pozwala to na wprowadzenie poj?cia ?wietlnego punktu kompensacyjnego, gdzie procesy wydzielania tlenu w procesie fotosyntezy i jego wi?zania w procesie oddychania osi?gaj? stan r?wnowagi. Dla nat?enia ?wiat?a powy?ej tego punktu obserwujemy wzrost st?enia tlenu.

Istotne jest tak?e to, ?e wzrost st?enia tlenu jest ograniczony; czynnikiem ograniczaj?cym (limituj?cym fotosyntez?) jest wyczerpuj?cy si? w uprawie dwutlenek w?gla.

Po spadku warto?ci nat?enia ?wiat?a poni?ej punktu kompensacyjnego obserwujemy spadek st?enia tlenu.

Pomiar st?enia dwutlenku w?gla w tym do?wiadczeniu nie jest konieczny, gdy? uczniowie po do?wiadczeniu pierwszym doskonale wi??? spadek st?enia tlenu ze wzrostem st?enia dwutlenku w?gla i odwrotnie.

 

 

?Wnioski

Wyposa?enie pracowni biologicznej w detektory i czujniki pozwala na wkraczanie w obszary do tej pory niedost?pne dla uczni?w. Mog? samodzielnie projektowa? i wykonywa? do?wiadczenia, korzystaj?c z najnowszych osi?gni?? nauki i techniki. Szko?a staje si? dla ucznia atrakcyjna.

U?ycie komputera i elektroniki w pracowni biologicznej umo?liwia dok?adne prze?ledzenie d?ugotrwa?ych do?wiadcze? w czasie rzeczywistym oraz podnosi efektywno?? pracy, automatyzuj?c rejestracj? danych i skracaj?c czas ich opracowania.

Ilustrowanie skomplikowanych i nak?adaj?cych si? na siebie proces?w fizjologicznych do?wiadczeniami i samodzielne ?odkrywanie? praw rz?dz?cych tymi procesami zach?ca uczni?w do poznawania natury zjawisk i u?atwia ich zrozumienie. Mo?na przypuszcza?, ?e wiedza zdobywana w ten spos?b jest trwa?a.

Zastosowanie ICT do rozwi?zywania postawionych problem?w pobudza uczni?w
do wi?kszego zainteresowania samym problemem.

Stosowanie metod i ?rodk?w ICT pozwala na atrakcyjne pokazanie interdyscyplinarno?ci zagadnie? biologii i jej ?cis?ych zwi?zk?w z fizyk?, chemi? i matematyk?.

 
Uzasadnienie bada?

Przyrodnik, badaj?c otaczaj?c? rzeczywisto??, obserwuje j?, planuje do?wiadczenia, dokonuje pomiar?w, rejestruje i opracowuje wyniki, modeluje badane sytuacje i sprawdza poprawno?? tych modeli, a opisane wyniki prac rozpowszechnia. We wszystkich tych czynno?ciach wspom?c mo?e go komputer. W zwi?zku z tym elementy technologii informacyjnej i komunikacyjnej (ang. ICT ? Information and Communication Technology) powinny sta? si? integraln? cz?ci? nauczania przedmiot?w przyrodniczych, w tym tak?e biologii. ICT b?dzie szczeg?lnie pomocna w realizacji osi?gni?? przewidzianych podstaw? programow?, dotycz?cych analizowania i interpretowania wynik?w obserwacji i do?wiadcze? wraz z ocen? ich wiarygodno?ci [4]. Proponowane w opracowaniu badania dotycz? zmian st?enia tlenu i dwutlenku w?gla w zale?no?ci od o?wietlenia w izolowanych uprawach kukurydzy.

 

Literatura:

[1] Czerwi?ski W., Fizjologia ro?lin, Wydawnictwo naukowe PWN. Warszawa 1981.

[2] Kopcewicz J., Lewak S., Podstawy fizjologii ro?lin, Wydawnictwo naukowe PWN.

[3] Felski P., S?u?ewski K., Badanie fotosyntezy i oddychania ro?lin z wykorzystaniem technologii informacyjnej, Nauczanie przedmiot?w przyrodniczych nr 7, Toru? 2003.

[4] Tur?o J., Komputery w nauczaniu przedmiot?w przyrodniczych, 45 minut, nr 4 (10), 1977.

 

 


Fotosynteza a oddychanie rolin 82
ODDYCHANIOTOSYNTEZA - PORWNANIE - Sownik
Fotosynteza a oddychanie rolin 35
Podajcie schemat fotosyntezy i oddychania u rolin. zadania, cigi i
Fotosynteza a oddychanie rolin 16
Wyjanij proces oddychania i fotosyntezy u rolin zadania, cigi i
Fotosynteza a oddychanie rolin 45
Porwnaj proces fotosyntezy i oddychania tlenowego u rolin
Fotosynteza a oddychanie rolin 79
Jaka jest rnica midzy fotosyntez a oddychaniem u rolin
Fotosynteza a oddychanie rolin 12
Li jako organ oddychania, fotosyntezy, transpiracji
Fotosynteza a oddychanie rolin 90
Fotosynteza a oddychanie rolin 55
Fotosynteza a oddychanie rolin 63
Fotosynteza a oddychanie rolin 64
Fotosynteza a oddychanie rolin 90
Fotosynteza a oddychanie rolin 36
Fotosynteza a oddychanie rolin 54
Fotosynteza a oddychanie rolin 74
Fotosynteza a oddychanie rolin 85
Fotosynteza a oddychanie rolin 7