«Влияние освещенности на фотосинтез в зеленом растении» (учебно-исследовательская работа)

Министерство образования Республики Башкортостан

Отдел образования администрации муниципального района

Давлекановский район

«Влияние освещенности на фотосинтез в зеленом растении»

(учебно-исследовательская работа)

                        Выполнила:

                                               обучающаяся 11 класса

                                                         муниципального            общеобразовательного 

                                                 бюджетного учреждения  

                                                                      Башкирская гимназия – интернат №3  

                                                муниципального района   

                                                  Давлекановский район РБ  

                                         Нугуманова Гульдар

                              Руководитель:

                                                Залилова Роза Раифовна

       Давлеканово 2015

Оглавление

             I.Введение.

1. Актуальность темы.

2. Цель.

 3. Задачи.

4.Гипотеза.

          II.Обзор литературы.

      III. Материал и методика исследований.

      IV. Результаты исследований

          V.Выводы

      VI. Список использованной литературы.

   VII.Приложения.

Введение

Бесконечна, сложна и разнообразна жизнь. Австралийские эвкалипты поднимаются ввысь на 150 м, а ряска, покрывающая пруды, достигают всего лишь 1 мм. Американская секвойя имеет в обхвате 46 м, а поперечник одноклеточной водоросли не превышает и десятой доли миллиметра. Однако как бы сложна и многообразна ни была жизнь, она представляет собой единый процесс беспрерывного превращения энергии, вещества и формы. Источником энергии является Солнце. Порывы урагана и тихий шепот листвы, грациозный бег антилопы и нежная улыбка ребенка, летящий самолет и мысль ученого - все это процессы, идущие за счет энергии, посылаемой на Землю Солнцем. Понадобились усилия многих пытливых исследователей, чтобы установить, что именно зеленое растение является посредником, связывающим лучистую энергию Солнца с жизнью на Земле. Выдающемуся ученому, автору работы «Солнце, жизнь и хлорофилл», К.А. Тимирязеву наука и человечество всегда будут обязаны своими знаниями о космической роли растения, о его незаметной, но незаменимой роли на Земле. Но и много раньше, еще в древности, зависимость жизни от растений и Солнца уже была подмечена. До нас дошли сказания об умирающих осенью и воскресающих весной божествах - Адонисе у финикиян, Озирисе у египтян, Митре у древних персов, олицетворяющих бога Солнца и растительности. Растение явилось истинным Прометеем, передавшим силу, свет и тепло солнечных лучей людям; оно явилось и до сих пор является тем живым Атлантом, на котором покоится по существу весь многообразный мир живых существ.

Свет - один из наиболее важных для жизни растений абиотических факторов. Его роль определяется, прежде всего, особой позицией растений в биосфере как автотрофов, образующих органическое вещество из простых неорганических соединений с использованием для синтеза энергии солнечного излучения (недаром этот процесс назван фотосинтез). Подчеркивая, что жизнь зеленых растений невозможна без света, К.А. Тимирязев образно назвал их «детьми Солнца». Свет оказывает на растения и значительное формообразующее действие, как форма роста, внутренняя структура тканей листа, величина хлоропластов и их расположение в клетках и т.д. С некоторыми особенностями светового режима тесно связано географическое распространение растений.

                                                          Цель

Изучить влияние факторов среды на интенсивность фотосинтеза

                                                          Задачи:

1.Установить зависимость продуктивности фотосинтеза от интенсивности света.

2. Определить влияние концентрации углекислого газа на интенсивность фотосинтеза

3. Выявить влияние массы растения на интенсивность фотосинтеза

4.Изучить соответствующую литературу, углубить знания о механизме фотосинтеза;

5.Экспериментальным путем установить влияние освещенности, концентрации углекислого газа и массы растения на интенсивность фотосинтеза.

                                                        Гипотеза

Интенсивность фотосинтеза (количество выделяемого кислорода) прямо пропорционально освещенности и зависит от концентрации углекислого газа.

                                            Обзор литературы

Спектральный состав лучистой энергии солнца

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света.

Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощенные лучи солнечного света, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К. А. Тимирязева. Опыты К. А. Тимирязева ясно показали, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света и передающим ее на молекулы Н2О и СО2. Определяя интенсивность процесса фотосинтеза в различных лучах солнечного спектра, К. А. Тимирязев показал, что наиболее интенсивное усвоение углекислоты наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосинтез минимальный. Зеленые лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза.

Поглощенная энергия в красном участке спектра используется более полно. Из этого наблюдения К. А. Тимирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей разного качества, разной длины волны используется в фотохимических реакциях с разной эффективностью. Из теории фотоэффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции определяется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты характеризуются меньшей энергией.

Пигменты листа

Один из самых важных на Земле пигментов - хлорофилл. Без этого прекрасного изумрудного пигмента невозможна жизнь на Земле. Зеленый цвет - цвет жизни. Зеленые «фабрики» вокруг нас поддерживают жизнь. Исключительный интерес к изучению хлорофилла связан с тем, что этот пигмент поглощает солнечную энергию и осуществляет фотосинтез - основной процесс, обеспечивающий образование органических соединений и освобождение молекулярного кислорода на планете. Зеленый цвет хлорофилла зависит от непоглощенных зеленых лучей. Молекула хлорофилла обуславливает окраску практически всей растительности, превращает энергию солнечных лучей в энергию химических связей органических соединений. Зеленый пигмент не является химически индивидуальным веществом, у большинства растений он состоит из двух соединений: сине-зеленого хлорофилла а и желто-зеленого b,отличающихся различной степенью окисления, окраской и другими свойствами. Под действием света молекулы хлорофиллов возбуждаются, а после прекращения его действия возвращаются в исходное состояние, и этот переход сопровождается потерей энергии в виде излучения света - флюоресценции.

Спектры поглощения

В спектре четко различают семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

В спектре поглощения хлорофиллов а и b - два ярко выраженных максимума: в красной области 660 и 640 нм, в сине-фиолетовой - 430 и 450 нм (рис.1). В живом зеленом листе спектр поглощения хлорофиллов более широкий и выровненный. Лучи в области 400 - 750 нм, т. е. в зоне поглощения хлорофилла, можно назвать фотосинтетически активными. У хлорофилла а поглощение в синих лучах примерно в 1,3 раза больше, чем в красных, а у хлорофилла b в 3 раза.

Величина квантов и их энергетический потенциал изменяются при этом слева направо: кванты синих лучей значительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлорофилла, часть энергии квантов рассеиваются в виде тепла, поэтому отраженные кванты несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Поэтому мы видим красное свечение при освещении хлорофилла белым светом, то есть явление флюоресценции.

Фотопериодизм и группы растений по типу фотопериодической реакции

Важнейшая характеристика светового режима фотопериод, т.е. продолжительность дня (или точнее, соотношение длины светлой и темной частей суток), которая неодинакова в течение года. Длина дня не безразлична для растений. Очень многие виды переходят от вегетативного развития к генеративному (цветение и плодоношение) только в том случае, если они развиваются при фотопериоде, не превышающем (или - в других случаях - не ниже) определенной критической величины. Способность растений реагировать на длину дня получила название фотопериодической реакции (ФПР), а круг явлений, регулируемых длиной дня, именуются фотопериодизмом. Фотопериодизм был открыт в 1920 г. В. Гарнером и Н. Аллардом.

Очень большое значение для фотосинтеза имеет содержание углекислого газа в окружающем растение воздухе. Средняя концентрация углекислоты в воздухе составляет 0,03% (по объему). Понижение содержания углекислого газа неблагоприятно влияет на урожай, а его повышение, например до 0,04% может повысить урожай почти в 2 раза. Более значительное повышение концентрации вредно для многих растений: например, при содержании углекислого газа около 0,1% растения томатов заболевают, у них начинают скручиваться листья. В оранжереях и теплицах можно повысить содержание углекислого газа, выпуская его из специальных баллонов или давая испаряться сухой углекислоте.

Методика проведения опытов

В работе была  использована цифровая лабораторию «Архимед» 

Опыт №1

Влияние интенсивности света на интенсивность фотосинтеза

Оборудование

§  Элодея канадская

§  Лампа с отражателем 150 Вт

§  Колба (250 мл) – 2шт

§  Резиновые пробки с отверстиями -2шт

§  Стеклянные трубки – 2шт

§  Силиконовые трубки -2шт

§  Плоский стеклянный сосуд объемом 1 л

§  Датчик давления – 2шт

§  Датчик освещенности

§  Датчик температуры

§  Соединительные провода для датчиков

§  Nova

Ход эксперимента

1. Налить в две колбы по 200 мл 0,5%-ного раствора бикарбоната натрия. В одну из них поместить 20 г элодеи канадской.

2. Колбы закрыть резиновыми пробками с отверстием, в которое вставлена стеклянная трубка с присоединенной к ней силиконовой трубкой.

3. К силиконовым трубкам присоединить датчики давления.

4. Датчики давления подсоединить к регистратору  NOVA 5000.

5. Рядом с колбами установить датчик освещенности, соединенный с регистратором.

6. Так как на колбы действует свет от лампы, при помощи датчика температуры следить, чтобы температура раствора в колбе оставалась постоянной (повышение температуры увеличивает интенсивность фотосинтеза).

7. Источник света (лампу с отражателем) поместила на расстоянии 45 см от колб. Между колбами и лампой плоский сосуд, заполненный водой, уменьшающий вероятность нагревания содержимого колб.

8. Установки регистратора:

а) замеры каждую секунду

б) замеров 5000

9.Замерить давление в колбах:

а) расстояние до источника света 45см

б) расстояние до источника света 35см

в) расстояние до источника света 25см

Рис. 2 Влияние освещенности на интенсивность фотосинтеза.

Данные измерений в таблице №1

Расстояние до источника света, см	Давление в колбе с элодеей, кПа	Давление в контрольной колбе , кПа
45	102,86	101,96
35	103,04	101,96
25	103,74	101,96

Вывод  При увеличении освещенности, давление в колбе с элодеей увеличивается, т.к. увеличивается количество кислорода, выделяемого при фотосинтезе, следовательно увеличивается интенсивность фотосинтеза.

Опыт №2

Влияние концентрации углекислого газа на интенсивность фотосинтеза

Оборудование

§  Элодея канадская

§  Лампа с отражателем 150 Вт

§  Колба (250 мл) – 2шт

§  Резиновые пробки с отверстиями -2шт

§  Стеклянные трубки – 2шт

§  Силиконовые трубки -2шт

§  Плоский стеклянный сосуд объемом 1 л

§  Датчик давления – 2шт

§  Датчик температуры

§  Соединительные провода для датчиков

§  Nova

§  Растворы бикарбоната натрия с концентрацией 0,5 %; 1%; 1,5%; 2%.

Ход эксперимента

1. Налить в две колбы по 200 мл 0,5%-ного раствора бикарбоната натрия. В одну из них поместить 20 г элодеи канадской.

2. Колбы закрыть резиновыми пробками с отверстием, в которое вставлена стеклянная трубка с присоединенной к ней силиконовой трубкой.

3. К силиконовым трубкам присоединить датчики давления.

4. Датчики давления подсоединить к регистратору  NOVA 5000.

5. Так как на колбы действует свет от лампы, при помощи датчика температуры следить, чтобы температура раствора в колбе оставалась постоянной (повышение температуры увеличивает интенсивность фотосинтеза).

6. Установки регистратора:

а) замеры каждую секунду

б) замеров 5000

7.Замерить давление в колбах:

а) с концентрацией раствора бикарбоната натрия 0,5 %

б) с концентрацией раствора бикарбоната натрия 1 %

в) с концентрацией раствора бикарбоната натрия 1,5 %

г) с концентрацией раствора бикарбоната натрия  2 %

Данные измерений в таблице №2

Концентрация бикарбоната, %	Давление в колбе с элодеей, кПа	Давление в контрольной колбе, кПа
0,5	102,56	101,96
1	103,14	101,96
1,5	103,02	101,96
2	102,04	101,96

Вывод.  При увеличении концентрации бикарбоната натрия до 1,5 % интенсивность фотосинтеза увеличивается. При увеличении концентрации до 2 % интенсивность уменьшается, возможно, среда раствора становится щелочной, что ведет к снижению процессов жизнедеятельности растений.

Опыт №3

Влияние массы растения на интенсивность фотосинтеза

Оборудование

§  Элодея канадская

§  Лампа с отражателем 150 Вт

§  Колба (250 мл) – 2шт

§  Резиновые пробки с отверстиями -2шт

§  Стеклянные трубки – 2шт

§  Силиконовые трубки -2шт

§  Плоский стеклянный сосуд объемом 1 л

§  Датчик давления – 2шт

§  Датчик температуры

§  Соединительные провода для датчиков

§  Nova

§  Ход эксперимента

§  1. Налить в две колбы по 200 мл 0,5%-ного раствора бикарбоната натрия. В одну из них поместить 20 г элодеи канадской.

§  2. Колбы закрыть резиновыми пробками с отверстием, в которое вставлена стеклянная трубка с присоединенной к ней силиконовой трубкой.

§  3. К силиконовым трубкам присоединить датчики давления.

§  4. Датчики давления подсоединить к регистратору  NOVA 5000.

§  5. Так как на колбы действует свет от лампы, при помощи датчика температуры следить, чтобы температура раствора в колбе оставалась постоянной (повышение температуры увеличивает интенсивность фотосинтеза).

§  6. Установки регистратора:

а) замеры каждую секунду

б) замеров 5000

§  7.Замерить давление в колбах:

а) с элодеей массой 20 г

б) с элодеей массой 40 г

в) с элодеей массой 60 г

Данные измерений в таблице №3

Масса элодеи, г	Давление в колбе с элодеей, кПа	Давление в контрольной колбе кПа
20	102,56	101,96
40	103,48	101,96
60	103,96	101,96

Вывод . Чем больше масса растения, тем больше фотосинтезирующая поверхность, следовательно увеличивается интенсивность фотосинтеза

         Проведя исследования, я обнаружила, что:

а) при увеличении света интенсивность фотосинтеза увеличивается;

б)  при увеличении концентрации диоксида углерода до 1 % интенсивность фотосинтеза увеличивается, если концентрация углекислого газа 1,5 % и больше интенсивность фотосинтеза уменьшается;

в) при увеличении массы растения интенсивность фотосинтеза увеличивается.

.

Вывод

1.При увеличении освещенности, давление в колбе с элодеей увеличивается, т.к. увеличивается количество кислорода, выделяемого при фотосинтезе, следовательно увеличивается интенсивность фотосинтеза.

2.При увеличении концентрации бикарбоната натрия до 1,5 % интенсивность фотосинтеза увеличивается. При увеличении концентрации до 2 % интенсивность уменьшается, возможно, среда раствора становится щелочной, что ведет к снижению процессов жизнедеятельности растений.

3. Чем больше масса растения, тем больше фотосинтезирующая поверхность, следовательно увеличивается интенсивность фотосинтеза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Билич Г.Л., Крыжановский В.А. «Биология для поступающих в ВУЗы»-М.: Оникс, 2006

2. Билич Г.Л., Крыжановский В.А. «Биология. Полный курс», том 2 – М.: Оникс, 2005

3. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология в 3томах (т.1) –М.: Мир, 1996

4. Мамонтов С.Р., Захаров В.Б. «Основы биологии» - М.: Просвещение, 2004

5.Бондарев А.С., Дмитриева Н.В.  «Цифровая лаборатория «Архимед» в изучении биологии» (методисты ЦИТУО).

6. Ред. Мечева О.П. «Исследование физических явлений с помощью цифровой лаборатории «Архимед» (Информационные технологии в деятельности учителя – предметника), М., 2008.