ВВЕДЕНИЕ

Процесс фотосинтеза лежит в основе существования на Земле жизни вообще и человека в частности. Фотосинтез - это процесс преобразования поглощенной энергии света в химическую энергию органических соединений.

Изучение этого процесса, осознание роли его в биосфере, играет большое значение в биологическом образовании и экологическом воспитании школьников, в формировании у них бережного отношения к растительному миру.

Фотосинтез - единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению энергии биосферы за счет внешнего источника - Солнца - и обеспечивающий существование как растений, так и практически всех гетеротрофных организмов.

Глава 1. ИЗУЧЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ БИОЛОГИИ

Впервые фотосинтез изучается в 6 классе в теме “Лист”.

В учебнике В.А. Корчагиной фотосинтезу посвящено три параграфа, в которых отдельно рассматривается необходимость света для растений, процесс образования крахмала и процесс выделения кислорода. (§ 24-26) [6].

В учебнике Т.И. Серебряковой эта тема дается в большей связи с вопросом питания растения. Делается акцент на процесс фотосинтеза, как процесс воздушного питания растения, рассматривается процесс выделения кислорода листом и процесс накопления растением солнечной энергии. (§ 34-36) [9].

В учебнике Н.И. Сонина вопрос фотосинтеза рассматривается в теме “Питание и пищеварение”. Этому вопросу отводится один урок “Воздушное питание растений” и всего половина страницы текста учебника. На мой взгляд - это неоправданно мало.

При изучении этой темы, я использую замечательную книгу Ю.Чиркова “Сумма жизни”.

Материал строю иначе, чем в учебниках. Начинаю объяснение материала с постановки проблемы: вот человек питается разными продуктами из магазина, а чем же питаются растения? На такой вопрос средний шестиклассник отвечает: “Растения питаются землей” или предполагает “Может быть светом или углекислым газом”. После таких предположений я рассказываю об опыте Яна Гельмонта.

На самом деле много лет назад древнегреческий ученый и философ Аристотель учил, что растение - это животное, поставленное на голову: органы размножения у него на верху, а голова - внизу. С помощью корней, играющих роль рта, растение и извлекает из земли совершенно готовую пищу. Проверить предположение Аристотеля решил Ян Гельмонт. Он знал, что растениям нужна и почва, и вода, но что же важнее? Из чего растение строит свое тело? Ян Гельмонт посадил в горшок ветку ивы. И ветку, и землю он предварительно взвесил. Растение поливал только дождевой водой, а землю закрывал крышкой. Через пять лет Гельмонт взвесил выросшее растение и высушенную землю из горшка. Растение стало тяжелее на 164 фунта и 3 унции (примерно 65,3 кг), а земля потеряла в весе всего лишь 2 унции (60 г). Из этого опыта ученый сделал вывод, что основным источником пищи для растений является вода. Так возникла водная теория питания растений. Многие ученые повторяли этот опыт и поддерживали эту теорию, хотя она была совершенно неверная.

Но были ученые, которых не удовлетворило такое объяснение питания растений. Например, Михаил Ломоносов, задумываясь о том, как на скудных северных земля вырастают такие большие деревья, предполагал, что часть питания растения берут из воздуха, впитывая листьями. Во времена Ломоносова мысль о воздушном питании растений еще нельзя было подтвердить экспериментально, т.к. не была известна природа газов.

Английский химик Джозеф Пристли искал способ очистки воздуха, испорченного горением и дыханием людей и животных. Он помещал под колокол вместе с горящей свечой или живой мышью разные вещи. “рис.№1” Так под колокол попал пучок мяты, который там рос и делал воздух пригодным для горения и дыхания. Опыты Пристли произвели сильное впечатление. Шведский исследователь Карл Шееле, скромный аптекарь, попытался повторить опыты Пристли в своей домашней лаборатории, где он проводил эксперименты в свое свободное время - в основном по ночам. Но у него получилось, что растения не улучшали воздух, а делали его непригодным для горения и дыхания. На основании своих опытов Шееле обвинил Пристли в обмане. Пристли стал повторять опыты, и тут стало все непонятно. Растения то улучшали воздух, то нет. Причина неудач Пристли была в том, что ни он, ни Шееле не выяснили при каких внешних условиях растения очищают и портят воздух. Точку в этом вопросе поставил Ян Ингенхауз - личный врач австрийской императрицы Марии Терезии. Он проделал 500 опытов с веточкой элодеи. На солнечном свету из растения поднимались пузырьки газа. Ингенхауз собрал газ и проверил, что это чистейший кислород. Но оказалось, что пузырьки выделялись только на свету, причем незеленые части растений пузырьков не выделяли. Таким образом Ингенхауз доказал, что растения действительно улучшают воздух, но только на свету.

Но каким же образом углекислый газ превращается в кислород и при чем здесь питание растений?

Давайте рассмотрим листья гибискуса (китайской розы или бальзамина), на листьях можно увидеть капли сахарного сиропа (или крупинки сахара) их можно даже попробовать на вкус. Вот мы и подошли к вопросу о питании растений. Этим сахаром-то и питается растение. Откуда здесь взялся сахар? Оказывается, растение само создает сахар из углекислого газа и воды, используя для этого солнечную энергию. Кислород же выделяется при этом, как побочный продукт.

Процесс образования сахара и крахмала из углекислого газа и воды на свету называется фотосинтез. В растительной клетке этот процесс идет в хлоропластах, т. е . только в зеленых частях растения.

Здесь мы записываем определение фотосинтеза. Подробно разбираемся, что же означает само слово фотосинтез, вспоминаем однокоренные слова (например: фотография) и их значение, еще раз повторяем условия фотосинтеза.

Юлиус Майер - немецкий врач писал об этом чудесном процессе: “Природа поставила себе задачей перехватить на лету притекающий на Землю свет и превратить эту подвижнейшую из сил в твердую форму, сложив её в запас. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые живя, поглощают солнечный свет… этими организмами являются растения…”[10].

Вот, оказывается, каково предназначение растений: превращать энергию солнечного луча в иную форму энергии - химическую, запасенную в листьях кустарников и трав, в стеблях и стволах деревьев, в торфе и каменном угле. (Вспомните “Кладовую солнца” Пришвина).

Урок - сказка о загадочном появлении капель сахарного сиропа на листьях китайской розы обычно захватывает даже самых шустрых шестиклассников и запоминается надолго.

Второй раз с процессом фотосинтеза учащиеся встречаются в 10 классе в курсе “Общей биологии”.

Обычно они легко вспоминают определение процесса и его суть. Задачей учителя на уроке является раскрыть механизмы этого сложного процесса в доступной ученикам форме.

В разных учебниках материал дается по разному:

В учебнике Л.В. Высоцкой и др. для классов с углубленным изучением биологии дается подробное описание сложного процесса фотосинтеза, включая описание двух фотосистем и цикла Кельвина [2].

В учебниках Д.К. Беляева и др; В.Б. Захарова и С.Г. Мамонтова для обычных классов дается сходное упрощенное описание этой же теории фотосинтеза, но оно упрощено настолько, что потеряна логика изложения и просто не понятно, что из чего следует.[1], [4], [7].

В учебнике Полянского, на мой взгляд, этот вопрос рассмотрен наиболее понятно для среднего ученика в обычном классе. Объяснение сопровождается понятной схемой.[7] “рис. №2”

Квант света (здесь уместно вспомнить что это такое) попадает на молекулу хлорофилла, которая находится в мембране тилакоида в хлоропласте. Хлорофилл, получив порцию энергии, возбуждается и эту лишнюю энергию выбрасывает вместе со своим электроном за пределы мембраны в строму хлоропласта. Но, потерявшая энергию молекула хлорофилла стремится возместить свою потерю и отбирает электрон у молекулы воды, которая при этом распадается на кислород и протон. Происходит фотолиз воды. Кислород выделяется в атмосферу, а протоны собираются внутри тилакоида. Теперь возникает ситуация очень напоминающая конденсатор (вспоминаем, что это такое). Мы имеем накапливающиеся “+” и “-” заряды, разделенные слоем диэлектрика - мембраной. Могут ли заряды накапливаться до бесконечности? Конечно, нет. При определенной разности потенциалов произойдет пробой изолятора, т.е. протоны пройдут сквозь мембрану и соединятся с электронами. При этом выделится энергия (в случае конденсатора в виде искры). Для этой цели в мембране предусмотрен специальный канал, в котором находится фермент АТФаза, поэтому выделяющаяся энергия не превращается в свет, а расходуется на синтез АТФ. Таким образом, энергия света превращается в энергию макроэргических связей АТФ. В строме хлоропласта атомарный водород вступает в химическую реакцию с углекислым газом и образуется глюкоза. На эту реакцию тратится энергия АТФ, т.е. энергия АТФ превращается в энергию химических связей в молекуле глюкозы.

Таким образом, в интерпретации этого автора опускается подробное описание переносчиков электронов, но смысл световой фазы сохраняется. Хорошо показана роль мембраны в синтезе АТФ, что дает возможность сравнивать процесс синтеза АТФ в световую фазу фотосинтеза и процесс синтеза АТФ при дыхании в митохондриях и делать вывод о сходстве в строении хлоропласта и митохондрии в связи со сходными функциями. Связь процессов дыхания и фотосинтеза, сравнивание механизмов, некоторое сходство этих процессов позволяет лучше усвоить их учащимся. Позволяет не просто вызубрить, а понять процессы хотя бы в общих чертах.

При изучении темы “Фотосинтез” в 10 классе можно использовать межпредметные связи с физикой и химией, рассматривая процесс с точки зрения и биологии, и физики, и химии, показать превращение солнечной энергии в энергию химических связей органических молекул. И, конечно, еще раз подчеркивается роль процесса фотосинтеза для биосферы, для жизни на Земле.

Глава 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ПО ТЕМЕ «ФОТОСИНТЕЗ»

2.1 Урок-лекция на тему: «Фотосинтез»

Однако и Ингенгуз, и Пристли рассматривали вопрос об изменении состава воздуха в результате жизнедеятельности растений, главным образом, с гигиенической точки зрения. Научное разъяснение сущности этого процесса принадлежит поэтому не им, а швейцарскому ученому Сенебье. Он первый попытался разобраться в физической и химической стороне явлений, открытых Пристли.

Сенебье не был ученым, он был скромным библиотекарем в Женеве. Посвятив много лет постановке различных физических и химических опытов, он подошел к вопросу о газообмене у растений во всеоружии современной ему техники научного эксперимента. Результаты своих исследований он изложил в работах: «Физико-химические заметки», «Исследования о влиянии солнечного света на превращение «связанного воздуха» в чистый», «Об искусстве наблюдать и ставить опыты» и «Физиология растений».

Сенебье начал свои работы с повторения опытов Бонне, но только применил к выделявшимся при этих опытах пузырькам воздуха приемы химического анализа газов. Он погружал листья в воду в сосуде, имевшем форму опрокинутой воронки с глухой узкой частью: в этой глухой, т.е. закрытой сверху, трубочке и собирался газ, выделявшийся с поверхности листьев.

Сенебье знал, что для того, чтобы на листьях появлялись пузырьки, вода должна содержать воздух. Но какой? Проведя ряд опытов, он убедился, что для выделения листьями «чистого воздуха» (кислорода) необходимо, чтобы в воде содержалось некоторое количество «связанного воздуха», т.е. углекислоты.

Сенебье повторял и варьировал свои опыты в различных направлениях и пришел к заключению, что с увеличением содержания в воде углекислоты увеличивается и количество выделяемых листьями пузырьков «чистого воздуха» (кислорода). Он показал далее, что пузырьки выделяются не на поверхности листьев, а как бы выходят из глубины тканей, из зеленой мякоти листа. Стало ясно, что листья перерабатывают, превращают один газ в другой. Но в чем же состоит это превращение? Исследования Лавуазье открывали путь к разрешению этой загадки.

Из работ Лавуазье было известно, что углекислый газ образуется при горении и тлении за счет соединения горючего вещества с кислородом воздуха. Отсюда легко было сделать вывод, что при обратном процессе, когда углекислота деятельностью растения перерабатывается опять в кислород, горючее начало должно оставаться, отлагаться в растении. Но это горючее вещество ведь и есть то самое вещество, из которого состоит растение, следовательно, процесс этот должен быть и процессом питания растения.

Сам Сенебье рассуждал следующим образом: «Вещество растения должно происходить из окружающей его среды, но из какой части этой среды из земли, из воды или из воздуха? Что оно берется не из почвы, это доказывали еще классические опыты Ван Гельмонта, выяснившие полную возможность воспитания растения в воде. Что не из воды - это доказывалось ничтожностью того твердого вещества, которое растворено в воде, а также фактом, что кактусы и некоторые другие растения могут долго существовать без воды. Остается только воздух, т.е. его углекислота. Таким образом, становится понятной возможность существования растительности на бесплодной каменистой почве, становится понятно, почему два растения, из которых одно выращено в почве, а другое - в воде, не отличаются одно от другого по составу - в том и другом случае они черпают пищу из одного и того же источника - из воздуха».

Наблюдения, проведенные Сенебье, встретили возражения со стороны аббата Фонтаны, который утверждал, что громадное большинство растений своими листьями приходит в соприкосновение с атмосферой, а не с водой, как то было в опытах Сенебье. А между тем, как утверждал Фонтана, ему при исследовании около 700 растений никогда не удавалось обнаружить поглощение листьями углекислоты из воздуха.

Преемник Сенебье в его исследованиях, тоже уроженец Женевы, Теодор Соссюр постарался разъяснить это недоразумение путем точного количественного учета прихода и расхода газообразных и твердых веществ в процессе воздушного питания растений.

В труде «Химические исследования над произрастанием растений» Соссюр так формулировал задачи своих опытов: «Пристли впервые показал, что листья обладают способностью улучшать воздух, испорченный горением или дыханием, но он не дошел до объяснений причин этого явления. Сенебье открыл, что листья разлагают углекислый газ, усваивая себе при этом углерод и освобождая кислород. Он заметил, что свежие листья, погруженные в ключевую воду или в воду, содержащую некоторое количество углекислого газа, и выставленные на солнечный свет, выделяют кислород до тех пор, пока весь содержащийся углекислый газ не исчезнет. Но продукты разложения углекислого газа еще не были анализированы, точно так же не было определено, каково количество выделенного кислорода - больше ли оно, меньше ли или равно тому количеству, которое входит в состав углекислого газа. Решению этих вопросов посвящены мои опыты».

В то время как Сенебье проводил свои исследования над листьями в сосудах с водой, т.е. в самой наглядной форме (по методу Бонне), Соссюр поставил своей задачей исследовать процесс воздушного питания растений в замкнутых объемах воздуха. Для этого он избрал более сложный и трудоемкий, но зато и несравненно более точный, так называемый эвдиометрический, метод (эвдиометр - прибор для измерения объема газа).

Дополнив результаты объемного анализа газов данными о массах обугленных остатков растений до и после опыта, Соссюр показал, что:

1) поглощение растениями углекислоты из воздуха и ее разложение с выделением кислорода не только имеет место, но и сопровождается увеличением сухого веса растений;

2) увеличение веса растений после опыта происходит благодаря отложению углерода, удерживаемого растением при разложении углекислоты воздуха;

3) привес сухой массы растений всегда превышает привес углерода, из чего Соссюр сделал заключение, что отложение углерода в растении всегда сопровождается присоединением элементов воды в процессе образования органического вещества.

Особую заслугу Соссюра составляет первое в истории науки определение концентрации углекислоты в воздухе. Хотя оно и не было точным, однако показало ничтожно малое содержание этого газа в обычном атмосферном воздухе, окружающем растение. Это обстоятельство вызвало новые сомнения у ученых-скептиков - может ли растение улавливать и разлагать углекислый газ, так скупо рассеянный в природе? Это еще предстояло доказать.

Эту задачу, требовавшую методов еще более тонких и точных, через 30 с лишним лет после Соссюра, (в 1840 г.), решил Жан-Батист Буссенго. Для доказательства способности растений улавливать углекислоту из воздуха и разлагать ее он поставил следующий опыт.

В большой стеклянный шар с тремя отверстиями через нижнее отверстие он просовывал молодой побег виноградной лозы с зелеными листьями. Побег сохранял свою связь с растением и, следовательно, находился в нормальных условиях минерального питания. При помощи особого засасывающего прибора через стеклянный шар и соединенную с ним систему изогнутых трубок постоянно и медленно прокачивался атмосферный воздух. Буссенго измерял, сколько было пропущено воздуха через шар в течение всего опыта.

Зная, сколько воздуха было пропущено через шар с растением и сколько этот воздух содержал углекислоты до входа в шар и после выхода из него, Буссенго легко определил, сколько углекислоты, было поглощено и разложено листьями. Для определения содержания углекислоты в выходящем из шара воздухе Буссенго использовал систему коленчатых трубок. Часть этих трубок содержала сухую едкую щелочь, способную поглощать углекислоту. Взвесив ее до и после опыта, по прибыли в весе легко узнать, сколько не поглощенной растением углекислоты осталось в токе воздуха.

Оказалось, что при благоприятных условиях освещения из шара выходил воздух, почти лишенный углекислоты. Ничтожного, казалось бы, содержания углекислоты в атмосферном воздухе достаточно, чтобы покрыть довольно значительную потребность растения в углероде.

До какой степени точны были измерения Буссенго, можно уяснить из его рассказа об этих опытах.

«Мы предприняли исследование вместе с Дюма, но так, что каждый производил взвешивания и вел журнал опытов отдельно, не сообщая другому, для того, чтобы лучше контролировать полученные результаты. Сначала все шло хорошо: растение, как и следовало ожидать, разлагало углекислоту. Вдруг картина изменилась. Несмотря на ясные солнечные дни, оно закапризничало и вместо того, чтобы разлагать углекислоту, стало ее выделять.

С недоумением подводили мы в своих записных книжках вечерние итоги, бросая друг на друга немые вопросительные взгляды. Обоим невольно приходила на память неудача, испытанная Пристли, когда он хотел повторить свой знаменитый опыт. Так продолжалось несколько дней.

Наконец, в одно прекрасное утро Реньо (знаменитый физик), внимательно за нами следивший, видя наши вытянутые физиономии, разразился неудержимым хохотом и покаялся нам, что причиной нашего горя был он: каждый день, когда мы уходили завтракать, он подкрадывался к прибору и немного в него дышал. «Для того чтобы убедиться, - как он выразился, - что вы не шарлатаните, а действительно можете учитывать такие малые количества углекислоты».

Таким образом, в результате ряда блестящих опытов Пристли, Соссюра, Сенебье и Буссенго было установлено явление воздушного питания растений с усвоением ими углерода из углекислоты воздуха.

Задачей последующих исследований было выяснение дальнейшей судьбы углерода, удержанного растением. Мы знаем уже о гениальных догадках Соссюра и Буссенго, указывавших, что удержанный растениями в процессе воздушного питания углерод входит затем в состав органического вещества, образующегося в растении. Соссюр и Буссенго указывали, что это первичное органическое вещество, образующееся в растении в результате процесса фотосинтеза, должно быть соединением трех элементов: углерода, заимствуемого растением из углекислоты воздуха, кислорода и водорода, получаемых с водой. Иначе говоря, это соединение должно быть углеводом типа крахмала или сахара.

Однако этим ученым не удалось проследить процесс образования крахмала или сахара в растении. Это открытие пришло с развитием метода микроскопических исследований в ботанике.

Присутствие крахмала в зернах хлорофилла было обнаружено еще в первой половине XIX в. Мульдером. При этом Мульдер полагал, что «зерна крахмала, постепенно зеленея, превращаются в зерна хлорофилла». X.Моль в 1845 г. подтвердил присутствие крахмала в зернах хлорофилла, но, в отличие от Мульдера, утверждал, что не зерно хлорофилла образуется из крахмала, а, наоборот, крахмал отлагается в зерне хлорофилла.

Несколько позже Артюр Гри констатировал, что при перенесении растений в темное помещение наблюдавшиеся в их хлорофилловых зернах частицы крахмала исчезают. Связь процессов образования и исчезновения частиц крахмала в зернах хлорофилла с наличием или отсутствием света была тщательно исследована Саксом.

Предметом его наблюдений были листья табака, настурции и герани. У этих растений, выращиваемых в обычных условиях на солнечном свете, Сакс отрезал от листовой пластинки каждого из этих растений маленькие кусочки, которые и исследовал под микроскопом.

В зеленых клетках хлорофилла он всегда находил частицы крахмала. Затем он переносил свои растения в темное помещение, где через определенные промежутки времени снова отрезал от тех же листовых пластинок маленькие кусочки.

Сакс обнаружил, что чем дольше растения оставались в темноте, тем меньше заключали они крахмала в зернах хлорофилла. По прошествии нескольких суток в хлорофилловых зернах листовой ткани растений, содержащихся в темноте, исчезали последние следы крахмала. При обратном перемещении «обескрахмаленных» растений на свет уже через несколько часов можно было убедиться в присутствии крахмала в зернах хлорофилла.

Сакс пришел к совершенно верному выводу о зависимости образования и исчезновения крахмала в зернах хлорофилла от воздействия на них света и указал на крахмал как на один из первых продуктов ассимиляции.

Саксу же принадлежит идея чрезвычайно наглядного приема демонстрации зависимости образования в листьях крахмала от воздействия на них света. Прием этот, вошедший теперь в школьную демонстрационную практику, заключается в частичном закрытии листовой пластинки светонепроницаемым материалом (фольгой, черной бумагой и т.п.) и экспозиции такого полузакрытого листа на солнце. Невидимые в начале скопления крахмальных зерен в незатененной части листа затем проявлялись под воздействием слабых растворов йода на предварительно убитые горячей водой и обесцвеченные спиртом клетки листа. Получались так называемые амилограммы. По степени посинения или почернения можно было приблизительно судить о количестве образовавшегося крахмала. Эта так называемая йодная проба была впервые предложена Саксом.

Вскоре после первых опытов Сакса русский ученый А.С. Фаминцын (1835-1918) произвел ряд опытов, имевших целью выяснить влияние искусственного света на образование крахмала в зеленой растительной ткани. В качестве объекта своих наблюдений он избрал пресноводную нитчатую водоросль спирогиру. Каждая тончайшая нить этой водоросли состоит, как известно, из одного ряда клеток, сросшихся своими концами. Характерную особенность внутреннего строения этих клеток составляют зеленые спирали, или ленты, хлорофилла. Каждая из клеток вполне самостоятельна и может при отделении от соседних клеток легко разрастись в новую длинную нить.

Опыты Фаминцына дали два важных результата. Во-первых, способность растений образовывать крахмал связана с наличием в их клетках хлорофилла и не зависит от формы тех телец, в которые он включен. Во-вторых, рост и размножение клеток зависят от образования крахмала.

Особую задачу представляло собой выяснение деталей процесса синтеза углеводов при воздушном питании растений. Утверждение Сакса, что крахмал является первичным продуктом ассимиляционной деятельности растений, с самого начала вызвало сомнения и возражения у целого ряда ученых. Начиная с 70-х гг. XIX в. этот вопрос был одним из основных и наиболее спорных в области изучения процессов обмена веществ у растений.

В 1874 г. Бем обнаружил, что проростки высших растений могут образовывать крахмал и в отсутствие света за счет органических соединений, отложенных в семени. Далее выяснилось, что обескрахмаленные листья, положенные в раствор сахара, также могут накапливать крахмал в хлоропластах при полном отсутствии света. Поэтому Бем сделал заключение, что первым продуктом фотосинтеза должен быть не крахмал, а сахар, из которого крахмал образуется в качестве вторичного продукта.

Последующие исследования А. Мейера показали, что среди однодольных существует ряд растений, которые в нормальных условиях накапливают в своих листьях не крахмал, а сахар. На основании этих фактов некоторые ботаники стали делить растения на две физиологические группы: крахмалистые и сахаристые. Крахмал - полисахарид, т.е. полимер, состоящий из моносахаридов, которые естественно считать начальными продуктами фотосинтеза.

Новый вклад в решение этого вопроса внесли знаменитые исследования по органическому синтезу, произведенные русским химиком Бутлеровым. В 1861 г. ему удалось при кипячении растворов формальдегида, смешанных с известковой и баритовой водой, получить сладкий сироп, который он назвал метиленитаном. Повторяя опыты Бутлерова в 1886 г., химик Лёв обнаружил в сладком сиропе Бутлерова формозу - настоящий, но не поддерживающий брожения сахар. На основании опытов Бутлерова Бейер в 1870 г. построил свою знаменитую теорию, согласно которой первичным продуктом фотосинтеза в листьях растений является именно формальдегид, а не сахар. В этом его убеждали опубликованные в 1869 г. опыты химика Гофмана, которому удалось синтезировать и сам формальдегид из простых неорганических соединений. Гофман получал формальдегид из окиси углерода или из углекислоты воздействием на них едкого или металлического калия. Продолжая опыты Гофмана и Бутлерова, в 1890 г. известный германский химик Эмиль Фишер получил, наконец, искусственным (синтетическим) путем настоящий виноградный сахар, взяв исходными материалами воду и углекислоту.

«Раз это достигнуто, - заявил Фишер, - то можно сказать, что химическое воспроизведение остальных сложных углеводов - крахмала, клетчатки, гумми и инулина - является только вопросом времени».

В ответ на первые успехи синтетической химии из лагеря ученых-консерваторов и виталистов сейчас же раздались возражения, что, мол, если современная химия и может синтезировать простейшие углеводы, то синтез более сложных органических соединений (жиров и особенно белков) составляет «тайну жизни». Необходимо было выяснить те факторы, под влиянием которых из простейших органических соединений могут образовываться сложнейшие органические молекулы.

Разгадку этой «тайны природы» принесло в 1898 г. открытие английского химика Крофт-Гиля. Исследуя работу различных растительных ферментов, он обнаружил, что один и тот же фермент, при известных условиях разлагающий сложное соединение, может в несколько измененных условиях способствовать обратному образованию первоначального сложного соединения из продуктов его распада.

Открытие Крофт-Гиля придало ферментам совершенно новое и весьма существенное значение. До этого за ферментами была признана лишь роль факторов разрушающих, теперь же они приобрели значение и факторов, созидающих сложные соединения. Данные Крофт-Гиля были затем подтверждены выдающимся английским ученым Бейлисом и известным французским химиком Е. Буркло.

Теория Крофт-Гиля прошла широкую проверку в лабораториях крупнейших научных учреждений Европы. Она оказалась верной не только по отношению к ферментам, расщепляющим углеводы, но и к ферментам, вызывающим разложение жиров. Наконец и в третьей (физиологически самой важной) группе белковых веществ рядом исследователей описаны явления, истолкованные как синтетические ферментные процессы. Поэтому в современной науке укрепилось представление о том, что все основные превращения веществ в организмах совершаются с помощью ферментов.

Дальнейшей задачей науки стало раскрытие всей сложной цепи химических превращений простых неорганических соединений в органическое вещество, совершающихся в клетках зеленого листа. Наиболее близко к разрешению поставленной задачи современной науке удалось подойти в связи с изучением хлорофилла. Это изучение было начато еще в первой половине XIX в. французскими химиками Пельтье и Каванту.

Эти ученые впервые получили из растертых с песком листьев спиртовую вытяжку изумрудно-зеленого цвета с сильной кроваво-красной флюоресценцией. Они же дали красящему веществу листьев название «хлорофилл».

2.2 Урок на тему: «Фотосинтез»

Поперечный срез листа

2.2.1 О том, что мы будем изучать

Сохранение жизни зависит от способности организмов использовать различные источники энергии. Какие же источники энергии используют живые организмы?

(Можно предоставить учащимся дать ответ на этот вопрос. Как правило, ответы бывают довольно разнообразные, их лучше записать на доске.)

При всем своем разнообразии организмы используют в основном два источника энергии: энергию химических связей органических веществ и энергию солнечного света.

(Здесь нужно вернуться к ответам учащихся, записанным на доске, и распределить их на две группы в соответствии с источником энергии. Необходимо упомянуть, что есть особая группа живых организмов, которые используют в качестве источника энергии химические связи неорганических веществ. Учащиеся могут сами назвать некоторые из организмов, относящихся к этой группе.)

2.2.2 Вопросы учащимся

1. Какие организмы используют энергию солнца и как они называются?

2. Как называются организмы, которые используют энергию химических связей органических веществ, и кто к ним относится?

Организмы, которые используют энергию органических веществ (совокупность всех органических веществ, используемых организмом, называется пищей), называются органотрофами. Все остальные организмы называют литотрофами. Эти названия для нас новые, однако обозначаемые этими терминами организмы нам хорошо знакомы: литотрофы относятся к автотрофам, а органотрофы - это гетеротрофы.

Автотрофные организмы используют для питания соединения, не представляющие энергетической ценности, такие как предельные окислы углерода (СО₂) или водорода (Н₂О), поэтому они нуждаются в дополнительном источнике энергии. Этим источником энергии для большинства автотрофных организмов является солнечный свет.

Автотрофные организмы используют СО₂ в качестве единственного или главного источника углерода и обладают как системой ферментов для ассимиляции СО₂ , так и способностью синтезировать все компоненты клетки. Автотрофы делятся на две группы:

- фотоавтотрофы - зеленые растения, водоросли, бактерии, способные к фотосинтезу;

- хемоавтотрофы - бактерии, использующие окисление неорганических веществ (водород, сера, аммиак, нитраты, сероводород и др.). К ним относятся, например, водородные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии, метанобразующие бактерии.

Мы будем рассматривать только фотоавтотрофные организмы.

Можно предложить учащимся подготовить доклады или рефераты о хемоавтотрофах.

Поглощенный солнечный свет используется фотоавтотрофами для синтеза органических веществ. Поэтому можно дать следующее определение фотосинтеза.

Фотосинтез - это процесс преобразования поглощенной энергии света в химическую энергию органических соединений.

Фотосинтез - единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению энергии биосферы за счет внешнего источника - Солнца - и обеспечивающий существование как растений, так и практически всех гетеротрофных организмов.

2.2.3 Немного истории

Началом эры исследования фотосинтеза можно считать 1771 г., когда английский ученый Д. Пристли поставил классические опыты с растением мяты. Он помещал мяту под стеклянный колпак, под которым до того горела свеча. При этом «испорченный» горением свечи воздух становился пригодным для дыхания. Определяли это следующим образом. В одном случае под стеклянный колпак вместе с растением помещали мышь, в другом, для сравнения, - только мышь. Через некоторое время под вторым колпаком животное погибало, а под первым продолжало нормально себя чувствовать (рис. 1).



Рис. 1. Опыт Пристли. А - свеча, горящая в закрытом сосуде, через некоторое время гаснет. Б - мышь погибает, если оставить ее в закрытом сосуде. В - если вместе с мышью поместить в сосуд растение, то мышь не погибнет

Благодаря этим и другим опытам Д. Пристли в 1774 г. открыл кислород (одновременно с К.В. Шееле). Название этому газу дал французский ученый А.Л. Лавуазье, повторивший открытие год спустя. Дальнейшее изучение растений показало, что в темноте они, как и другие живые существа, выделяют не пригодный для дыхания газ СО₂.

В 1782 г. Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, одновременно поглощают двуокись углерода. Это позволило ему предположить, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав двуокиси углерода.

Австрийский врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку ивы в воду и наблюдал на свету образование на листьях пузырьков кислорода. Если листья находились в темноте, пузырьки не появлялись.

Дальнейшие опыты показали, что органическая масса растения формируется не только за счет углекислого газа, но и за счет воды. Обобщая результаты перечисленных опытов, немецкий ученый В. Пфеффер в 1877 г. дал описание процесса поглощения СО₂ из воздуха при участии воды и света с образованием органического вещества и назвал его фотосинтезом.

Большую роль в выявлении сущности фотосинтеза сыграло открытие закона сохранения и превращения энергии Ю.Р. Майером и Г.Гельмгольцем.

Для развития межпредметных связей рекомендуется, чтобы ученики дома письменно ответили на вопрос: почему открытие закона сохранения и превращения энергии имело большое значение для выявления сущности фотосинтеза?

Для дальнейшего изучения фотосинтеза, как показывает наш опыт, необходимо, чтобы учащиеся вспомнили материал по следующим вопросам из химии и физики (повторение материала можно дать как домашнее задание):

- строение атома;

- виды орбиталей;

- энергетические уровни;

- окислительно-восстановительные реакции.

Дальнейшее изучение фотосинтеза строится по следующему плану:

- физико-химические основы фотосинтеза;

- состав и строение фотосинтетического аппарата;

- фазы и процессы фотосинтеза;

- виды фотосинтеза.

3.2.4 Физико-химические основы фотосинтеза

В общих чертах физико-химическую суть фотосинтеза можно описать следующим образом.

Молекула хлорофилла поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние, характеризующееся электронной структурой с повышенной энергией и способностью легко отдавать электрон. Такой электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, - он также приобретает дополнительную потенциальную энергию. Электрон, как по ступеням, перемещается по цепочке сложных органических соединений, встроенных в мембраны хлоропласта. Эти соединения отличаются друг от друга своими окислительно-восстановительными потенциалами, которые к концу цепи повышаются. Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Растративший свою энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает молекулу хлорофилла. Электрон снова проходит по тому же пути, расходуя свою энергию на образование новых молекул АТФ, и весь цикл повторяется.

В этом описании выделены ключевые понятия, разбор которых поможет учащимся глубже понять суть процесса фотосинтеза.

Что же представляет собой главный «герой» фотосинтеза - квант света? Солнечный свет - это электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме с максимально возможной скоростью (с). Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, амплитудой и частотой. Свойства электромагнитного излучения сильно зависят от длины волны (рис. 2).

Рис. 2. Шкала электромагнитного излучения. Ангстрем - единица длины, равная 10^-8 см

Видимый свет занимает очень маленькую часть электромагнитного спектра, но именно ее используют растения для фотосинтеза.

Электромагнитные волны излучаются и поглощаются не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (фотонами). Каждый квант света несет определенное количество энергии, которая находится в обратной зависимости от длины волны :

Е=hc/,

т.е. чем больше длина волны, тем меньше энергия кванта (h - постоянная Планка).

От длины волны зависит не только энергия кванта, но и его цвет (рис.2).

Попадая на какую-либо поверхность, квант света отдает ей свою энергию, в результате чего поверхность нагревается. Но в некоторых случаях при поглощении кванта света молекулой его энергия не сразу превращается в тепло и может привести к различным изменениям внутри молекулы. Например, под действием света происходит фотолиз воды:

Н₂О ^свет> Н⁺ + ОН-,

т.е. вода диссоциирует на ион водорода и ион гидроксила. Затем ион гидроксила теряет свой электрон, и радикалы гидроксила образуют воду и кислород:

2ОН- = Н₂О + О-.

Что же происходит в молекуле под действием кванта света? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить строение атома. В атоме электроны находятся на различных орбиталях и обладают различной энергией (рис. 3).



Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней электронных оболочек

Энергия поглощенного кванта света в атоме или молекуле передается электрону. За счет этой дополнительной энергии он может перейти на другой, более высокий энергетический уровень, оставаясь по-прежнему в молекуле. Такое состояние атома или молекулы называют возбужденным. Молекула в возбужденном состоянии нестабильна - она «стремится» отдать лишнюю энергию и перейти в стабильное состояние с наименьшей энергией. От избытка энергии молекула может избавиться разными путями: изменением спина электрона, выделением тепла, флуоресценцией, фосфоресценцией. Если энергия кванта слишком велика, возможно «выбивание» электрона из молекулы, которая превращается в катион.

Вернемся к фотосинтезу. Следующим «героем» фотосинтеза является молекула хлорофилла, основная функция которой состоит в поглощении кванта света (рис. 4).



Рис. 4. Строение молекулы хлорофилла

Хлорофилл - зеленый пигмент. Основу молекулы составляет Мg-порфириновый комплекс, состоящий из четырех пирольных колец. Пирольные кольца в молекуле хлорофилла образуют систему сопряженных связей. Такая структура облегчает поглощение кванта света и передачи энергии света электрону хлорофилла.

Существует несколько типов хлорофиллов, различающихся строением, а следовательно, и спектрами поглощения. Все растения имеют два вида хлорофилла: основной, присутствует у всех растений, это хлорофил a и дополнительный, который у разных растений разный: у высших растений и зеленых водорослей это хлорофилл b, у бурых и диатомовых - хлорофилл с, у красных водорослей - хлорофилл d. У фототрофных бактерий присутствует аналог хлорофилла - бактериохлорофилл.

Кроме хлорофилла, в растениях присутствуют и другие пигменты. К желтым пигментам, каротиноидам, относятся оранжевые или красные пигменты - каротины, желтые - ксантофиллы. На фоне хлорофилла каротиноиды в листе не заметны, но осенью после разрушения хлорофилла придают листьям желтую и красную окраску. Как и хлорофилл, каротиноиды принимают участие в поглощении света при фотосинтезе, но хлорофилл является основным пигментом, а каротиноиды - дополнительными. Каротиноиды выполняют роль стабилизаторов фотосинтеза, защищая хлорофилл от самоокисления и разрушения.

Все пигменты, участвующие в фотосинтезе, находятся в специальных органоидах растительной клетки - хлоропластах.

3.2.5 Состав и строение фотосинтетического аппарата

Перед изучением этого раздела рекомендуется дать домашнее задание на повторение строения листа.

Хлоропласты являются внутриклеточными двумембранными органоидами, в которых осуществляется фотосинтез.

У высших растений хлоропласты находятся преимущественно в клетках палисадной и губчатой тканей мезофилла листа. Они присутствуют также в замыкающих клетках устьиц эпидермиса листьев.

Хлоропласты сосудистых растений имеют форму двояковыпуклой, плоско-выпуклой или вогнуто-выпуклой линзы с круглым или эллипсоидным контуром. Внутренняя структура всех хлоропластов (рис. 5) характеризуется наличием системы мембран, называемых также ламеллами, погруженных в гидрофильный белковый матрикс, или строму.

Рис. 5. Строение хлоропласта

Основной субъединицей этой мембранной структуры является тилакоид - пузырек, образованный одинарной мембраной (рис. 6).



Рис. 6. Часть тилакоидной системы

Хлоропласты зрелых клеток имеют максимально развитую тилакоидную систему. Ее структура в хлоропластах разных растений различна и связана главным образом с отношением данного вида растений к свету: хлоропласты светолюбивых растений содержат много мелких гран, хлоропласты теневыносливых - меньшее количество гран, но крупных.

В клетке хлоропласты постоянно перемещаются с током цитоплазмы или самостоятельно, ориентируясь по отношению к свету. Если падающий на лист поток света имеет высокую интенсивность, то хлоропласты располагаются вдоль световых лучей и занимают боковые стенки клеток. Если свет слабый, то хлоропласты ориентируются перпендикулярно световому потоку, тем самым увеличивая площадь поглощения света. Это проявление фототаксиса у хлоропластов.

2.3 Урок Путешествие Незнайки в Хлорофилловом царстве, Фотосинтезовом государстве

2.3.1 Подготовка к уроку

Заранее выбираются две команды, участники которых получают задания:

- подготовить пантомиму, изображающую один из жизненных процессов растений: испарение воды, всасывание воды корнями, листопад, деление клеток, фотосинтез, прорастание семян;

- собрать информацию об одном из комнатных растений: его родина, естественные места обитания, особенности строения, размножения, история разведения, правила ухода.

Выбираются исполнители ролей Незнайки и принцессы Ботанэ.

2.3.2 ХОД УРОКА

После организационного момента начинается инсценировка.

Незнайка. Где это я? Что это все зеленое-то?

Принцесса Ботанэ. Ты в царстве Хлорофилла, в государстве Фотосинтеза. А я принцесса Ботанэ.

Незнайка. Кто-кто?

Принцесса Ботанэ. Ты что, не знаешь, что такое ботаника?

Незнайка. Нужна мне ваша ботаника. Я и так все знаю!

Принцесса Ботанэ. Знаешь, говоришь? Тогда ответь мне на вопросы.

Незнайка. Пожалуйста, могу и ответить!

Принцесса Ботанэ. Что такое фотосинтез?

Незнайка. Это... фотография синего цвета.

Принцесса Ботанэ. А что такое хлоропласты?

Незнайка. Это такие штучки белые.

Учитель. Может, ты знаешь, где солнечная энергия скрыта? Каким ученым она открыта? Кто на Земле и воздух очищает, и все живущее питает?

Незнайка. Значит, так. Солнечная энергия нигде не скрыта. Она на Солнце. Солнце вон как ярко светит, что ему скрывать-то. Солнечную энергию открыл, конечно, ученый-солнечник. Так ведь? Как его еще назовешь? Воздух в комнате очищается с помощью форточки, а кормит нас дома всегда мама. Вот так!

Принцесса Ботанэ. О, ужас, позор! Я неучей подобных не встречала.

Незнайка. Почему это я неуч? Я в школе учусь, в шестом классе уже.

Учитель. И это ты называешь учением? Не всяк учен, кто в школу ходит.

Принцесса Ботанэ. Но я думаю, что еще не все потеряно. Я предлагаю тебе, Незнайка, отправиться в путешествие по нашему царству вместе с ребятами. Ну что, согласен?

Незнайка. Согласен.

Учитель. Команды готовы? Тогда в путь! Пристегнуть ремни.

Принцесса Ботанэ. Добрый день, уважаемые пассажиры! Командир корабля и его экипаж в составе... (называет членов жюри) приветствуют вас на борту нашего мыслелета. Наш полет будет проходить на высоте фантазии со скоростью полета мысли. На борту мыслелета запрещается шуметь и скучать! Разрешается принимать активное участие в программе полета, приветствовать участников аплодисментами.

А теперь внимание - поехали.

Учитель. Постойте. Ведь чтобы мы могли отправиться в путь, нужно знать код.

Принцесса Ботанэ. Да, Незнайка нам не поможет.

Учитель. А мы обратимся за помощью к ребятам. Командам предлагается разгадать кроссворд и узнать то волшебное слово, которое откроет ворота в государство Фотосинтеза.

Задание 1. разгадать кроссворд.

1. Наименьшая единица строения растения. 2. Видоизмененный главный корень. 3. Группа клеток, сходных по строению и выполняемой функции. 4. Пигмент зеленого цвета. 5. Образовательная ткань стебля. 6. Бесцветное вязкое вещество клетки. 7. Видоизмененный подземный побег.

(Ответы. 1. Клетка. 2. Корнеплод. 3. Ткань. 4. Хлорофилл. 5. Камбий. 6. Цитоплазма. 7. Луковица. Слово-код (по вертикали) - «Крахмал».)

Незнайка. Я знаю слово-код - это крахмал!

Принцесса Ботанэ. Вот теперь мы можем отправляться. Как видите, наше государство раскинулось на сотни тысяч километров. А вон там, на пригорке, - наш знаменитый дендропарк.

Незнайка. Дендро... дендро что?

Принцесса Ботанэ. Дендрология - это наука, которая изучает деревья. В нашем дендропарке собрана огромная коллекция со всего земного шара. Здесь есть и гигантские секвойи, и дынное дерево, и тысячелетние дубы, и, конечно же, деревья наших северных лесов.

Незнайка. Ух ты! А как вы их различаете? Ведь листьев и плодов у них сейчас нет!

Учитель. А деревья и кустарники можно определить и по расположению почек на побегах. И сейчас мы проверим, смогут ли участники команд это сделать.

Задание 2. определить полученные веточки деревьев и кустарников; в рассказе «Листопад» (приложение 1) найти и исправить пять ошибок.

Пока команды работают, болельщики отвечают на следующие вопросы.

· Для чего озеленяют города?

· Почему нельзя сжигать осеннюю листву, особенно в городах?

· Какой лес шумит, а какой - шелестит? (Шумит хвойный, шелестит лиственный.)

· Древесина какого дерева очень прочна и устойчива против гниения? (Лиственницы.)

· Древесина какого дерева используется в кораблестроении? (Сосны.)

· Какое дерево дает лучшую древесину для изготовления музыкальных инструментов? (Ель.)

· Из древесины какого дерева делают спички? (Осины.)

· Древесина каких деревьев идет на изготовление бумаги и искусственного шелка? (Сосны, ели.)

· Какое дерево весной подкрепляет нас своим соком? (Береза.)

· · Что нужно обязательно сделать после сбора березового сока?

Учитель. В наших лесах много загадок и тайн. Вон там, под елочкой, есть растение с темно-зелеными листьями в виде копытца и неприметным темно-бордовым цветком.

Принцесса Ботанэ. Это копытень европейский. Существует очень трогательная легенда, объясняющая это название.

В тенистом еловом лесу под пеньком среди зеленого мха жил маленький добрый гном. У него в домике постоянно горел светильник из крошечных трехзубчатых фонариков. Самым заветным желанием гномика было жить с людьми и служить им. Казалось, что осуществление его мечты совсем близко, но случилось непредвиденное. Богиня Флора, осматривая свои владения, проезжала на олене Золотое копытце рядом с тем местом, где проживал добрый гномик. Он осмелился обратиться к богине со своей просьбой. Богиня выслушала его внимательно и только хотела ответить, как Золотое копытце, испугавшись чего-то, отскочил в сторону и нечаянно наступил на маленького лесного человечка. На месте, где только что стоял гномик, оказалось лишь белое пятно. Остались только светильник и подставка, вдавленная в землю.

Богиня опечалилась, но вот ослепительный луч Солнца осветил место гибели гномика. Белое пятно вдруг стало темно-зеленым листом, по форме напоминающим копытце. Соки листа потекли в землю, оживили ножки гномика и стали корнями растения. Светильник превратился в цветок, в котором поселилась душа маленького лесного человечка. И заветное желание гномика все-таки исполнилось: он стал служить человеку в качестве лекарственного растения.

Учитель. Лекарственных растений у нас очень много. Незнайка, давай проверим, что знают о них участники команд.

Задание 3. Команды должны догадаться, о каком лекарственном растении идет речь в рассказе (приложение 2, рассказы читает учитель).

Принцесса Ботанэ. А знаешь ли ты, Незнайка, что путешествовать можно и не сходя с места?

Незнайка. Как это?

Принцесса Ботанэ. А ты внимательно посмотри на комнатные растения, они тоже путешественники. Одни прибыли к нам из Бразилии, другие - из тропических лесов Индии, с берегов Нила, из пустынь Африки и Мексики.

Незнайка. Вот это да!

Учитель. Чтобы убедиться в этом, я приглашаю экспертов по комнатным растениям из каждой команды. Они дадут нам квалифицированную информацию.

Задание 4. Команды представляют подготовленную информацию о комнатных растениях.

Незнайка. Как интересно! Обязательно заведу у себя дома комнатные растения.

Учитель. Советую тебе познакомиться с замечательной книгой Николая Михайловича Верзилина «Путешествие с домашними растениями».

Принцесса Ботанэ. А сейчас я предлагаю вам заглянуть внутрь растения, посмотреть, как оно живет.