Fotosynteza
Rośliny pobierają z otoczenia wodę, sole mineralne i dwutlenek węgla. Na takiej „diecie” rosną i gromadzą substancje odżywcze, zapewniając jednocześnie pożywienie licznym konsumentom. Jak to jest możliwe?
każdy organizm potrzebuje do życia pokarmu;
pokarm jest źródłem substancji niezbędnych do budowy ciała i energii potrzebnej do przeprowadzania procesów życiowych;
organizmy różnią się sposobem zdobywania pokarmu – jedne są samożywne, inne są cudzożywne.
wyjaśniać, co to znaczy, że fotosynteza jest samożywnym sposobem odżywiania;
określać warunki wpływające na przebieg fotosyntezy;
prowadzić doświadczenie ilustrujące wpływ natężenia światła na intensywność fotosyntezy;
uzasadniać, że fotosynteza jest procesem kluczowym dla istnienia życia na Ziemi.
1. Samożywność roślin
Podstawowymi substancjami wykorzystywanymi przez rośliny do wytwarzania pokarmu są dwa proste związki nieorganiczne: woda i dwutlenek węgladwutlenek węgla. Wodę rośliny lądowe pobierają z gleby, dwutlenek węgla – z powietrza. Ze związków tych powstaje cukier prosty – glukoza. Proces przekształcania wody i dwutlenku węgla w glukozę zachodzi w obecności światła, dlatego jest nazywany fotosynteząfotosyntezą. Nazwa tego procesu pochodzi od greckich słów phos (światło) i sýnthesē (tworzenie).
Do przeprowadzenia fotosyntezy niezbędny jest zielony barwnik – chlorofilchlorofil, który pochłania światło, rozpoczynając ciąg reakcji chemicznych. Jedną z nich jest rozkład wody na wodór i tlen. Tlen, jako produkt uboczny, jest wydalany do atmosfery, z kolei wodór wraz z dwutlenkiem węgla służą do wytwarzania cukrów. Energia świetlna zostaje zmagazynowana w cząsteczkach glukozy. Wszystkie reakcje chemiczne zachodzą w odpowiednim tempie dzięki wyspecjalizowanym białkom – enzymomenzymom. Im bardziej intensywna jest fotosynteza, tym więcej substancji organicznych wytwarzają rośliny.
Substancjami potrzebnymi do fotosyntezy, czyli jej substratamisubstratami, są woda i dwutlenek węgla, produktami tego procesu są zaś glukoza i tlen.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Film przedstawia animację, opisującą proces fotosyntezy.
Na tempo fotosyntezy mają wpływ zarówno zewnętrzne warunki środowiskowe życia roślin, jak i elementy ich budowy wewnętrznej. Intensywność tego procesu zależy od ilości światła, zawartości dwutlenku węgla w powietrzu, dostępności wody i soli mineralnych oraz temperatury otoczenia. Wśród czynników wewnętrznych, które decydują o przebiegu fotosyntezy, ważna jest przede wszystkim zawartość chlorofilu i enzymów.
Siedemnastowieczny naukowiec Jan Baptista van Helmont zasadził młodą sadzonkę wierzby w donicy pełnej ziemi, a wcześniej zważył donicę wraz z ziemią. Następnie uprawiał w niej roślinę, dostarczając jej potrzebną ilość wody. Po pięciu latach usunął kilkumetrową już wierzbę i ponownie zważył donicę z ziemią – okazało się, że była lżejsza tylko o 53 gramy. Jan Baptista van Helmont wywnioskował więc, że wierzba rośnie dzięki wodzie. Czy wniosek naukowca był słuszny?
Czy rośliny pobierają z otoczenia jedynie wodę? Jakie doświadczenie trzeba przeprowadzić, żeby wykazać, że rośliny tworzą swoje ciało (materię organiczną), wykorzystując dwutlenek węgla?
Niektóre bakterie żyjące w glebie, w głębinach oceanów i w pobliżu ujść gorących źródeł wulkanicznych prowadzą proces chemosyntezychemosyntezy. Polega on – podobnie jak fotosynteza – na tworzeniu związków organicznych z dwutlenku węgla i wody. Energia niezbędna do tej syntezy jest jednak uzyskiwana nie ze światła, ale z rozkładu związków nieorganicznych, jak amoniak, siarkowodór czy metan.
2. Dwutlenek węgla i woda – substraty fotosyntezy
Dwutlenek węgla jest podstawowym substratem fotosyntezy. Jego stężenie w atmosferze wynosi około 0,04%. Głównym źródłem tego gazu są procesy rozkładu martwej materii organicznej w glebie, przeprowadzane przez bakterie i grzyby. Ilość dwutlenku węgla w powietrzu wpływa na intensywność fotosyntezy – tym samym wzrost jego stężenia prowadzi do zwiększenia masy roślin. Intensywność procesu rośnie jednak tylko do określonego poziomu wysycenia rośliny tym gazem. Po jego osiągnięciu ustala się stałe tempo fotosyntezy, które jest zależne od innych czynników, głównie od szybkości reakcji przeprowadzanych przez enzymy komórkowe.
Jak ilość dwutlenku węgla wpływa na tempo fotosyntezy?
Im więcej dwutlenku węgla w wodzie, tym proces fotosyntezy u moczarki kanadyjskiej zachodzi intensywniej.
3 szklane zlewki,
3 szklane probówki,
3 jednakowej długości pędy moczarki kanadyjskiej,
woda wodociągowa gazowana COIndeks dolny 22 o temperaturze pokojowej,
woda wodociągowa niegazowana o temperaturze pokojowej,
woda wodociągowa przegotowana o temperaturze pokojowej,
lampa używana do doświetlania roślin,
sekundnik lub inny czasomierz.
Przygotuj i podpisz trzy zestawy doświadczalne o różnej zawartości dwutlenku węgla w wodzie:
zlewka z wodą wodociągową gazowaną,
zlewka z wodą wodociągową,
zlewka z przegotowaną wodą wodociągową.
Do każdej z trzech zlewek nalej odpowiedni rodzaj wody i umieść w niej probówkę wypełnioną tą samą wodą z gałązką moczarki kanadyjskiej. Postaraj się, żeby każda gałązka miała taką samą liczbę liści. Probówkę odwróć dnem do góry, aby nie było w niej powietrza.
Wszystkie zestawy ustaw w odległości 30 cm od źródła światła.
Temperatura wody w każdym zestawie powinna być taka sama.
Po upływie 20 minut zacznij liczyć, ile pęcherzyków gazu wydziela każda roślina w ciągu 5 minut. Liczba pęcherzyków świadczy o intensywności fotosyntezy. Pamiętaj o dokładnym zapisywaniu uzyskanych wyników.
Powtórz doświadczenie od trzech do pięciu razy.
Zanotuj w tabeli wyniki i na ich podstawie sformułuj wniosek.
R8f5sAk1SnjMp1 
Źródło: Anna Jasnos, licencja: CC BY 3.0.
Jeśli liczba pęcherzyków zliczonych w ciągu 5 minut w zestawie z wodą gazowaną różni się wyraźnie od liczby pęcherzyków zliczonych w tym samym czasie w zestawie z wodą niegazowaną, możemy wnioskować, że intensywność fotosyntezy u moczarki kandyjskiej zależy od zawartości dwutlenku węgla w wodzie.
Wyjaśnij, dlaczego w doświadczeniu 1. miarą intensywności fotosyntezy jest tempo wydzielania pęcherzyków gazu.
Woda – obok dwutlenku węgla – jest podstawowym substratem służącym roślinom do produkcji glukozy. Zawartość wody w roślinie wpływa na otwieranie i zamykanie się szparek – otworków w skórce liścia prowadzących do przestrzeni między komórkami wypełnionych chloroplastami. Znaczny niedobór wody powoduje zamknięcie szparek, hamuje dopływ dwutlenku węgla i ogranicza intensywność fotosyntezy. Rośliny przez dłuższy czas pozbawione wody więdną i usychają.
Rośliny mogą przetwarzać dziesięciokrotnie więcej dwutlenku węgla, niż jest go w atmosferze. Właściwość tę wykorzystuje się w uprawach szklarniowych, sztucznie zwiększając stężenie dwutlenku węgla. Dzięki temu można uzyskać obfitsze plony.
3. Oddziaływanie światła na proces fotosyntezy
Do procesu fotosyntezy niezbędna jest energia świetlna. Rośliny wykazują wiele przystosowań do skutecznego korzystania ze światła, którego natężenie zmienia się w ciągu dnia i w ciągu roku, a także zależy od stopnia zanieczyszczenia powietrza. Różne gatunki roślin mają odmienne wymagania co do ilości światła. Rośliny światłolubneświatłolubne – np. zboża, rośliny pustyń, stepów i wysokich gór – potrzebują go dużo, dlatego rosną w miejscach nasłonecznionych. Rośliny cienioznośnecienioznośne, np. występujące w runie leśnym, wykazują zdecydowanie mniejsze zapotrzebowanie na energię świetlną.
Przy zwiększaniu natężenia światła wzrasta intensywność fotosyntezy, ale tylko do pewnego poziomu. Przy zbyt dużej ilości światła chlorofil „nie nadąża” z przetwarzaniem go, dalszy wzrost intensywności oświetlenia nie przyspiesza więc już procesu. Zbyt intensywne światło może nawet uszkodzić cząsteczki chlorofilu, co powoduje zahamowanie fotosyntezy. W nocy – z braku dostępu do światła – fotosynteza w ogóle nie zachodzi.
W lesie natężenie światła jest inne w każdej warstwie roślinności. Ulistnione korony drzew otrzymują najwięcej światła i są tak zwarte, że do runa dociera jedynie niewielka część promieniowania słonecznego. Wyjaśnij, w jaki sposób rośliny dna lasu przystosowały się do panujących tam warunków świetlnych.
O jakiej porze roku natężenie światła w warstwie dna lasu jest największe? Kiedy na drzewach pączkują liście? Czy kwitnienie roślin runa leśnego zależy od czasu rozwoju liści na drzewach?
Światło słoneczne, zwane białym, w rzeczywistości składa się z promieni o różnych barwach. Można się o tym przekonać, obserwując tęczę. Chlorofil wykorzystuje promieniowanie o różnych barwach z wyjątkiem zielonej – tę część światła chlorofil odbija, dlatego jego kolor i kolor liści są odbierane przez obserwatora jako zieleń.
4. Wpływ temperatury na aktywność enzymów
Duże znaczenie dla przebiegu fotosyntezy ma temperatura powietrza – w przedziale od 0 do 40°C jej wzrost powoduje zwiększenie tempa tego procesu. W naszej strefie klimatycznej fotosynteza przebiega najintensywniej w temperaturze 20–30°C. U większości roślin w temperaturze powyżej 40°C enzymy wspomagające proces fotosyntezy ulegają uszkodzeniu, poniżej 0°C dochodzi zaś u wielu gatunków do zamarznięcia wody w komórkach i uszkodzenia chloroplastów. Po przekroczeniu obu tych granic następuje zatrzymanie fotosyntezy.
Jakie czynniki wpływają na intensywność fotosyntezy?
U moczarki kanadyjskiej intensywność fotosyntezy zależy od temperatury.
3 szklane zlewki,
3 szklane probówki,
3 termometry,
3 jednakowej długości pędy moczarki kanadyjskiej,
lód,
woda o temperaturze pokojowej (20°C),
woda o temperaturze 50°C,
lampa używana do doświetlania roślin,
sekundnik lub inny czasomierz.
Przygotuj i podpisz trzy zestawy doświadczalne o różnej temperaturze wody:
zlewka z lodem,
zlewka z wodą o temperaturze 20°C,
zlewka z wodą o temperaturze 50°C.
W każdej zlewce umieść termometr i probówkę z wodą, w niej zaś – gałązkę moczarki kanadyjskiej.
Wszystkie zestawy ustaw w takiej samej odległości od źródła światła (około 30 cm).
Przez 5 minut licz pęcherzyki gazu ulatniające się w każdej probówce. Liczba pęcherzyków świadczy o intensywności fotosyntezy.
Powtórz doświadczenie od trzech do pięciu razy.
RVJaI1xBYsV0z1 
Źródło: Anna Jasnos, licencja: CC BY 3.0.
Jeśli liczba wydzielanych pęcherzyków tlenu przynajmniej w jednym zestawie była wyraźnie różna niż w pozostałych zestawach, możemy wnioskować, że intensywność fotosyntezy u moczarki kanadyjskiej zależy od temperatury otoczenia.
Prowadzące fotosyntezę rośliny emitują niewidoczne promieniowanie podczerwone, które zostało zarejestrowane przez satelity Ziemi. Na filmie jasna zieleń oznacza obszary, na których fotosynteza zachodzi intensywnie. Ciemnozielony kolor dotyczy regionów o niskim lub niemierzalnym natężeniu fotosyntezy, czyli takich, gdzie odnotowano słabą emisję podczerwieni (lub jej nie odnotowano). Zmiany zabarwienia z upływem czasu odpowiadają zmianom pór roku.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Animacja przestawia mapę świata. Zmieniają się pory roku. Gdy jest lato na półkuli pólnocnej, to lądy robią się tam zielone. Gdy lato jest na półkuli południowej, pólkula północna blednie, zielenieje pólkula południowa.
Wiosenne warzywa, tzw. nowalijki, są uprawiane w szklarniach. Wyjaśnij, dlaczego wczesną wiosną gruntowa uprawa warzyw w polskich warunkach klimatycznych się nie udaje.
Jakie temperatury powietrza panują wczesną wiosną? Czy rośliny mogą pobierać wodę z zamarzniętej gleby? Dlaczego w naszej strefie klimatycznej fotosynteza najintensywniej przebiega latem?
5. Sole mineralne
Wraz z wodą roślina pobiera niezbędne dla jej rozwoju sole mineralne. Są one wykorzystywane do budowy związków organicznych wchodzących w skład komórek, regulują również pracę enzymów. Brak soli mineralnych w podłożu jest czynnikiem bezpośrednio ograniczającym fotosyntezę. Do budowy enzymów regulujących przebieg tego procesu niezbędny jest azot. Z kolei niedobór magnezu, który jest składnikiem chlorofilu, hamuje syntezę tego barwnika.
Przypomnij sobie doświadczenie Jana van Helmonta. Dlaczego z donicy, w której przez kilka lat rosła posadzona przez niego wierzba, ubyły 53 gramy substancji? Co się z nią stało?
6. Chlorofil
Fotosynteza przebiega we wszystkich częściach rośliny, które zawierają zielony barwnik – chlorofil, czyli w liściach, zielonych łodygach, młodych pędach i niedojrzałych owocach.
ChloroplastyChloroplastyregulują ilość docierającego do nich światła. Mają zdolność przemieszczania się w komórkach i zmieniania swojego położenia w zależności od natężenia światła. Aby otrzymać większą dawkę światła, przesuwają się w kierunku jego źródła. Jeśli światło jest zbyt intensywne, przemieszczają się w głąb komórki. W ciemności chloroplasty są w komórce rozmieszczone równomiernie.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Film przedstawia zielone chloroplasty w komórkach liści moczarki kanadyjskiej. W intensywnym świetle szybko krążą w każdej komórce. Nagranie przyspieszono dziesięć razy.
W liściach roślin oprócz zielonego chlorofilu znajdują się inne barwniki – karotenoidy. One także są zaangażowane w proces fotosyntezy i pochłaniają tę część światła, której nie może pobrać chlorofil. Ponadto chronią chloroplasty, rozpraszając światło. W lecie pomarańczowa i żółta barwa karotenoidów jest maskowana zielenią chlorofilu. Jesienią, gdy liście się starzeją, chlorofil jest rozkładany – wtedy ujawnia się obecność innych barwników.
W mieszkaniach uprawia się rośliny doniczkowe o ozdobnych liściach. Wyjaśnij, do jakich warunków świetlnych są przystosowane rośliny o intensywnie zielonych liściach i rośliny, które mają na liściach białe plamy.
Jak roślina może zrekompensować sobie małą ilość światła? Dlaczego rośliny, które dobrze znoszą cień, przeważnie mają ciemnozielone liście?
7. Produkty fotosyntezy
Głównym produktem procesu fotosyntezyproduktem procesu fotosyntezy jest glukoza. Cukier ten przy udziale enzymów jest przekształcany w inne związki organiczne, m.in. w skrobię, celulozę, tłuszcze i białka, albo zostaje wykorzystany jako źródło energii w procesie oddychania komórkowego. Rośliny używają wytworzonych w wyniku fotosyntezy związków organicznych do budowy komórek i magazynowania energii. Nadmiar tych substancji gromadzą w korzeniach, łodygach, liściach lub nasionach. Gdy potrzebują glukozy, czerpią ją z substancji zapasowych.
Tlen jest produktem ubocznym fotosyntezy. W dzień rośliny produkują znacznie więcej tlenu, niż potrzebują. Nadmiar tego gazu jest uwalniany przez szparki do atmosfery i wykorzystywany przez inne organizmy do oddychania. Nocą rośliny nie wytwarzają tlenu.
Wykrywanie tlenu wydzielanego przez roślinę.
zlewka,
szklany lejek,
probówka,
pędy moczarki kanadyjskiej,
woda,
zapałki,
źródło światła.
Na dnie zlewki umieść kilka pędów moczarki kanadyjskiej.
Nakryj pędy moczarki odwróconym szklanym lejkiem.
Do zlewki nalej tyle wody, aby zakrywała wylot lejka.
Probówkę wypełnij w całości wodą, zamknij ją kciukiem, odwróć i umieść nad wylotem lejka w taki sposób, żeby nie dostało się do niej powietrze.
Tak przygotowany zestaw ustaw w oświetlonym miejscu.
Kiedy probówka wypełni się gazem, zdejmij ją z lejka i przytrzymaj kciukiem jej wylot.
Zapal zapałkę i ostrożnie wsuń ją do probówki z zebranym gazem.
RJ4rk6F9H3eUN1 
Źródło: Anna Jasnos, licencja: CC BY 3.0.
Obecność tlenu przyspiesza spalanie substancji. Jeśli płomień zapałki wsuniętej do probówki jest jasny i żywy, możemy wnioskować, że w probówce zgromadziło się dużo tlenu.
W XVIII i XIX wieku naukowcy – zaintrygowani zdolnością roślin do życia i wzrostu jedynie dzięki obecności powietrza, wody, światła, i substancji mineralnych pobieranych z gleby – postanowili zbadać ich właściwości. W 1780 roku angielski chemik Joseph PriestleyJoseph Priestley przeprowadził pewne doświadczenie. Jego wyniki przedstawiono na ilustracji 17.
Sformułuj problem badawczy i hipotezę, którą sprawdzał doświadczalnie Joseph Priestley.
8. Znaczenie fotosyntezy dla życia na Ziemi
Fotosynteza jest warunkiem istnienia życia na Ziemi. Prowadzące ją rośliny i inne organizmy samożywne (autotroficzne) są głównymi producentami substancji organicznych. Część tych substancji zużywają na własne potrzeby, znaczna ich ilość jest jednak wykorzystywana przez organizmy cudzożywne (heterotroficzne) jako pokarm. Substancje organiczne wytwarzane przez organizmy samożywne stanowią więc podstawę życia i rozwoju wszystkich istot na Ziemi.
Podczas fotosyntezy organizmy samożywne pochłaniają z atmosfery dwutlenek węgla i wydalają tlen. Dzięki temu regulują zawartość tych gazów w powietrzu. Gdyby ustała fotosynteza, wówczas w atmosferze szybko nagromadziłaby się duża ilość dwutlenku węgla, spadłaby zaś zawartość tlenu, co doprowadziłoby do wyginięcia większości organizmów żyjących na Ziemi.
Wyobraź sobie, że na Ziemi ustałaby fotosynteza. Jakie byłyby w takiej sytuacji losy roślinożerców i drapieżników?
Podsumowanie
Fotosynteza jest procesem, podczas którego z wody i dwutlenku węgla – przy udziale energii słonecznej – powstają związki organiczne i tlen.
Substancje organiczne wytworzone podczas fotosyntezy są pokarmem dla roślin.
Tlen powstający w procesie fotosyntezy rośliny wykorzystują podczas oddychania, nadmiar tego gazu wydalają zaś do atmosfery.
Fotosynteza jest przeprowadzana przez organizmy zawierające zielony barwnik – chlorofil.
1. Wymień czynniki niezbędne do przebiegu procesu fotosyntezy. Podziel je na zewnętrzne – oddziałujące na roślinę w jej środowisku i na wewnętrzne – związane z funkcjonowaniem komórek przeprowadzających fotosyntezę.
2. Opisz, jak zmienia się intensywność fotosyntezy w zależności od temperatury, dostępu do światła i ilości dwutlenku węgla.
3. Zaplanuj doświadczenie, w którym będzie można wykazać, że woda jest niezbędna do procesu fotosyntezy.
Słowniczek
proces syntetyzowania związków organicznych z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii chemicznej
związek organiczny; zielony barwnik – główny składnik chloroplastów – umożliwiający wykorzystanie energii świetlnej
składnik komórek roślin i glonów (samożywnych protistów) zawierający chlorofil, w którym zachodzi proces fotosyntezy
rośliny potrzebujące umiarkowanej ilości światła
gazowy związek węgla i tlenu; substrat fotosyntezy, produkt oddychania komórkowego
białka przyspieszające przebieg reakcji chemicznych w komórce
proces syntetyzowania związków organicznych z dwutlenku węgla i wody, zachodzący w organizmach samożywnych pod wpływem światła, z udziałem chlorofilu i enzymów
Joseph Priestley
Był angielskim chemikiem, filozofem i duchownym. Odkrył tlen, amoniak, tlenek węgla, chlorowodór, kwas siarkowy.
glukoza i tlen; substancje chemiczne, które powstają w wyniku procesu fotosyntezy
substancje, które wejdą ze sobą w reakcję chemiczną
woda i dwutlenek węgla; substancje chemiczne, które ulegają przemianie w trakcie procesu fotosyntezy
rośliny potrzebujące dużej ilości światła
Zadania
Uzupełnij luki, wybierając brakujące elementy z listy.
związki nieorganiczne, związków organicznych, związki organiczne, energii chemicznej, tlen, energii świetlnej, dwutlenek węgla, związków nieorganicznych
Fotosynteza jest procesem, podczas którego ze .................................................... przy udziale .................................................... powstają .................................................... oraz .....................................................
Zaznacz nazwy dwóch organizmów samożywnych.
- paproć
- muchomor
- sarna
- jodła
- pszenica
- ślimak
- słonecznik
- pchła
Określ, które ze związków chemicznych są substratami, a które produktami fotosyntezy. Przyporządkuj nazwy związków chemicznych do odpowiedniej kategorii.
dwutlenek węgla, woda, tlen, glukoza
| substraty fotosyntezy | |
|---|---|
| produkty fotosyntezy |
Uzupełnij luki, wpisując brakujące wyrazy.
Głównym produktem fotosyntezy, niezbędnym organizmom jako źródło energii, jest ............... Produktem ubocznym tego procesu, usuwanym do atmosfery, jest .............
Wskaż zakres temperatur, który jest najbardziej odpowiedni dla procesu fotosyntezy w Polsce.
- 0°C-15°C
- 15°C-20°C
- 20°C-30°C
- 30°C-50°C
Oceń prawdziwość zdań i zaznacz odpowiedź Prawda lub Fałsz.
| Prawda | Fałsz | |
| Pobieranie dwutlenku węgla przez roślinę zależy między innymi od rozwarcia szparek w liściu. | □ | □ |
| Intensywność fotosyntezy rośnie wraz ze wzrostem stężenia dwutlenku węgla w powietrzu. | □ | □ |
*Uzasadnij swój wybór poprzedniego zadania, wybierając jedno ze stwierdzeń.
- Chlorofil odbija światło niebieskie, a pochłania światło zielone i czerwone.
- Chlorofil odbija światło czerwone, a pochłania światło zielone i niebieskie.
- Chlorofil odbija światło zielone, a pochłania czerwone i niebieskie.
Dobierz w pary nazwy związków organicznych powstające z glukozy i odpowiadające im opisy.
celuloza, glukoza, skrobia
| cukier gromadzony w bulwach ziemniaka | |
| cukier prosty, źródło energii | |
| składnik ścian komórkowych, który nie rozpuszcza się w wodzie |
Wskaż konsekwencje ustania fotosyntezy.
- Organizmy cudzożywne wyginęłyby po wyczerpaniu zapasów pokarmu.
- Organizmy samożywne przeżyłyby, gdyż są samowystarczalne.
- Organizmy roślinożerne wyginęłyby z braku pokarmu roślinnego.
- Organizmy cudzożywne, odżywiając się organizmami samożywnymi, byłyby niezagrożone.