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?
R509vH7usQLW9
Aby zrozumieć poruszane w tym materiale zagadnienia, przypomnij sobie:
czy każdy organizm potrzebuje do życia pokarmu;
że pokarm jest źródłem substancji niezbędnych do budowy ciała i energii potrzebnej do przeprowadzania procesów życiowych;
że organizmy różnią się sposobem zdobywania pokarmu – jedne są samożywne, inne są cudzożywne;
jak zbudowana jest komórka roślinna.
Twoje cele
Wyjaśnisz, co to znaczy, że fotosynteza jest samożywnym sposobem odżywiania.
Określisz warunki wpływające na przebieg fotosyntezy.
Przeprowadzisz doświadczenie ilustrujące wpływ dwutlenku węgla na intensywność fotosyntezy.
Przeprowadzisz doświadczenie ilustrujące wpływ temperatury na intensywność fotosyntezy.
Przeprowadzisz obserwację badającą, jaki gaz powstaje w procesie fotosyntezy.
Uzasadnisz, że fotosynteza jest procesem kluczowym dla istnienia życia na Ziemi.
iSctOS7RNy_d5e341
1. Samożywność roślin
Rośliny są samożywne, co oznacza, że same wytwarzają niezbędny im do przeżycia pokarm. Podstawowymi substancjami wykorzystywanymi przez rośliny do wytwarzania pokarmu są dwa proste związki: woda i dwutlenek węgladwutlenek węgladwutlenek węgla. Wodę rośliny lądowe pobierają z gleby, a dwutlenek węgla – z powietrza. Ze związków tych powstają substancje pokarmowe – cukry. Proces przekształcania wody i dwutlenku węgla w cukry zachodzi w obecności światła, dlatego jest on nazywany fotosynteząfotosyntezafotosyntezą. Nazwa tego procesu pochodzi od greckich słów phos [czyt.: fos], czyli światło, i sýnthesis [czyt.: sintezis] – łączenie.
R1bDCNzq64eJq1
Ważne!
Substancje potrzebne do fotosyntezy (czyli tzw. substratysubstratysubstraty) to woda i dwutlenek węgla, natomiast w wyniku tego procesu powstają tzw. produktyproduktyprodukty: cukry i tlen.
Do przeprowadzenia fotosyntezy niezbędny jest zielony barwnik roślin – chlorofilchlorofilchlorofil, który pochłania światło, co rozpoczyna ciąg reakcji chemicznych. Jedną z nich jest rozkład wody pobranej przez roślinę na wodór i tlen. Tlen jest wydalany do atmosfery, z kolei wodór wraz z dwutlenkiem węgla służą do wytwarzania cukrów.
Im bardziej intensywna jest fotosynteza, tym więcej substancji wytwarzają rośliny.
Niektóre bakterie żyjące w glebie, w głębinach oceanów i w pobliżu ujść gorących źródeł wulkanicznych prowadzą proces chemosyntezychemosyntezachemosyntezy. Polega on – podobnie jak fotosynteza – na tworzeniu związków pokarmowych z dwutlenku węgla i wody. Jednak energia niezbędna do tej syntezy jest uzyskiwana nie ze światła, ale z rozkładu związków, takich jak amoniak, siarkowodór czy metan.
iSctOS7RNy_d5e416
2. Czynniki wpływające na intensywność procesu fotosyntezy
Fotosynteza zachodzi u różnych roślin z różną intensywnością. Na tempo fotosyntezy mają wpływ zarówno warunki zewnętrzne – czyli warunki środowiska, w jakim żyją rośliny – jak i elementy budowy wewnętrznej roślin.
Do czynników zewnętrznych należą:
ilość światła;
zawartość dwutlenku węgla w powietrzu;
dostępność wody i soli mineralnych;
temperatura otoczenia.
Jeśli dany czynnik zewnętrzny występuje w nadmiarze albo niedoborze, zmniejsza się intensywność fotosyntezy. W niekorzystnych warunkach rośliny rosną słabiej, są mniejsze i bardziej podatne na choroby.
Wśród czynników wewnętrznych, które decydują o przebiegu fotosyntezy, ważna jest przede wszystkim zawartość chlorofilu.
Dwutlenek węgla jest niezbędny do fotosyntezy. Głównym źródłem tego gazu są procesy rozkładu martwej materii w glebie, przeprowadzane przez bakterie i grzyby. Ilość dwutlenku węgla w powietrzu wpływa na intensywność fotosyntezy – tym samym wzrost jego stężenia powoduje zwiększenie masy roślin.
1
Doświadczenie 1
Problem badawczy
Jak ilość dwutlenku węgla wpływa na tempo fotosyntezy u moczarki kanadyjskiej?
Hipoteza
R173ByFDsSqCu
Co będzie potrzebne
3 szklane zlewki
3 szklane probówki
3 szklane lejki
3 jednakowej długości pędy moczarki kanadyjskiej
woda gazowana COIndeks dolny 22 o temperaturze pokojowej
woda wodociągowa niegazowana o temperaturze pokojowej
woda wodociągowa przegotowana o temperaturze pokojowej
lampa do doświetlania roślin
marker
stoper
Próba kontrolna
zlewka z wodą wodociągową i pędami moczarki kanadyjskiej
Próby badawcze
zlewka z wodą gazowaną i pędami moczarki kanadyjskiej
zlewka z przegotowaną wodą wodociągową i pędami moczarki kanadyjskiej
Instrukcja
Przygotuj i podpisz trzy zestawy doświadczalne o różnej zawartości dwutlenku węgla w wodzie:
I) zlewka z wodą gazowaną; II) zlewka z wodą wodociągową; III) zlewka z przegotowaną wodą wodociągową. Temperatura wody w każdym zestawie powinna być taka sama.
Do lejków włóż pędy moczarki kanadyjskiej.
Lejki włóż do zlewek tak, aby ich ujście było skierowane ku górze, a pędy moczarki były przykryte przez lejek.
Probówki napełnij odpowiednią wodą i nałóż na szyjki lejków tak, aby pod dnem probówki zebrało się jak najmniej powietrza.
Wszystkie zestawy ustaw w odległości 30 cm od źródła światła.
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 wyniki i na ich podstawie sformułuj wniosek.
R1FAmLSVmr18j
R1KQ2IUrVFnnO
Zastanów się, czy liczba pęcherzyków zliczonych w ciągu 5 minut w zestawie z wodą gazowaną wyraźnie się różni od liczby pęcherzyków zliczonych w tym samym czasie w zestawie z wodą wodociągową (próba kontrolna) i wodą przegotowaną. Z czego to wynika?
Wynik: Najwięcej pęcherzyków gazu uwalnia się w próbie z wodą gazowaną.
Wniosek: Ilość dwutlenku węgla ma wpływ na intensywność procesu fotosyntezy. Hipoteza 1 jest prawdziwa, a hipoteza 2 – fałszywa.
1
Ćwiczenie 2
R19UjrkPZdWfW
Zastanów się, co powstaje podczas fotosyntezy.
Im większa jest intensywność fotosyntezy, tym więcej produkowanego jest tlenu, który można zaobserwować w wodzie jako pęcherzyki wydzielającego się gazu.
Woda – obok dwutlenku węgla – jest podstawową substancją służącą roślinom do produkcji cukrów. Rośliny przez dłuższy czas pozbawione wody więdną i usychają.
Ciekawostka
Rośliny mogą przetwarzać dziesięciokrotnie więcej dwutlenku węgla, niż znajduje się w atmosferze. Właściwość ta wykorzystywana jest w uprawach szklarniowych, gdzie sztucznie się zwiększa stężenie dwutlenku węgla. Dzięki temu można uzyskać większe plony.
RHQ0fq7Xy1YA3
Światło – energia świetlna – jest kolejnym czynnikiem niezbędnym w procesie fotosyntezy. Rośliny wykształciły wiele przystosowań, by móc skutecznie korzystać z promieniowania słonecznego, którego natężenie zmienia się w ciągu dnia i w ciągu roku, a także w zależności od stopnia zanieczyszczenia powietrza. Różne gatunki roślin mają odmienne wymagania dotyczące ilości światła.
Rośliny światłolubnerośliny światłolubneRośliny światłolubne – np. zboża, roślinność pustyń, stepów i wysokich gór – potrzebują dużo światła, dlatego rosną w miejscach nasłonecznionych.
Rośliny cieniolubnerośliny cieniolubneRośliny cieniolubne – np. występujące w runie leśnym – wykazują zdecydowanie mniejsze zapotrzebowanie na energię świetlną.
iSctOS7RNy_d5e475
1
Ćwiczenie 3
Galeria zdjęć roślin rosnących w różnych warunkach oświetlenia
R1BVrK608M1Nr
RbbQXruQBB86V
R11ha1ytjI7ee
RSPCCQ00upZ2z
Przeanalizuj zawarte w galerii zdjęcia. Które z przedstawionych roślin występują w runie leśnym?
W runie leśnym występują głównie rośliny cieniolubne.
Warto wiedzieć
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, a tym samym kolor liści, jest widziany jako zieleń.
Temperatura powietrza ma duże znaczenie dla przebiegu fotosyntezy: zwiększenie tempa tego procesu zachodzi wraz ze wzrostem temperatury w przedziale od 0 do 40°C. W naszej strefie klimatycznej fotosynteza przebieganajintensywniej w temperaturze 20–30°C. U większości roślin w temperaturze powyżej 40°C specjalne białka wspomagające proces fotosyntezy ulegają uszkodzeniu, a poniżej 0°C u wielu gatunków dochodzi do zamarznięcia wody w komórkach i uszkodzenia chloroplastów. Po przekroczeniu obu tych granic następuje zatrzymanie fotosyntezy.
11
Doświadczenie 2
Problem badawczy
Jak temperatura wpływa na intensywność fotosyntezy u moczarki kanadyjskiej?
Hipoteza
R1dG8rPw0g1gr
Co będzie potrzebne
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 do doświetlania roślin
stoper
Próba kontrolna:
zlewka z wodą o temperaturze 20 °C i moczarką kanadyjską
Próby badawcze:
zlewka z lodem i moczarką kanadyjską
zlewka z wodą o temperaturze 50 °C i moczarką kanadyjską
Instrukcja
Przygotuj i podpisz trzy zestawy doświadczalne o różnej temperaturze wody:
I) zlewka z lodem; II) zlewka z wodą o temperaturze 20 °C; III) zlewka z wodą o temperaturze 50 °C.
W każdej zlewce umieść termometr i probówkę z wodą, a w wodzie – gałązkę moczarki kanadyjskiej.
Wszystkie zestawy ustaw w odległości 30 cm od źródła światła.
Przez 5 minut licz pęcherzyki gazu ulatniające się w każdej probówce. Liczba pęcherzyków świadczy o intensywności fotosyntezy.
Powtórz doświadczenie od trzech do pięciu razy.
RnMgdMJXEpY50
RxvnTpoIvJnDL
Zastanów się, czy liczba wydzielanych pęcherzyków tlenu przynajmniej w jednym zestawie wyraźnie się różni od liczby pęcherzyków zliczonych w tym samym czasie w pozostałych zestawach. Z czego to wynika?
Wyniki: Najwięcej pęcherzyków uwalnia się w próbie z wodą o temperaturze 20 °C.
Wnioski: U moczarki kanadyjskiej intensywność fotosyntezy zależy od temperatury. Hipoteza 1 jest prawdziwa, a hipoteza 2 – fałszywa.
Ciekawostka
Rośliny prowadzące fotosyntezę emitują niewidoczne promieniowanie, które zostało zarejestrowane przez satelity Ziemi. Na filmie jasna zieleń oznacza obszary, na których fotosynteza zachodzi intensywnie. Ciemnozielony kolor wskazuje regiony o niskim natężeniu fotosyntezy. Zmiany zabarwienia wraz z upływem czasu odpowiadają zmianom pór roku.
R1ItyQ9C8nuAo
iSctOS7RNy_d5e528
1
Ćwiczenie 4
RjT1lgTu6pMxC
Zastanów się, jaka temperatura powietrza panuje wczesną wiosną. Dlaczego w naszej strefie klimatycznej fotosynteza najintensywniej przebiega latem?
Wiosną w Polsce panuje niska temperatura i zdarzają się jeszcze przymrozki. Rośliny nie mogą pobierać wody z zamarzniętej gleby. Ponadto temperatura poniżej 0 °C powoduje zamarznięcie wody w roślinie oraz uszkodzenie chloroplastów i tym samym zahamowanie procesu fotosyntezy.
Sole mineralne – m.in. azot, fosfor, potas i magnez – są wykorzystywane przez roślinę do budowy związków organicznych wchodzących w skład komórek. Brak soli mineralnych w glebie jest czynnikiem ograniczającym fotosyntezę.
Galeria zdjęć roślin z objawami niedoboru soli mineralnych
R1Hm6EpuFh2Sm
R1cLpxW2y6UGx
1
Ćwiczenie 5
RFyYlLJF1CsMR
Zastanów się, czy rośliny pobierają z otoczenia jedynie wodę.
Wniosek naukowca był błędny, ponieważ nie zwrócił on uwagi na inne czynniki, które biorą udział w procesie fotosyntezy – światło słoneczne oraz dwutlenek węgla.
1
Ćwiczenie 6
R1v06XWc1tfIC
Zastanów się, co jest niezbędne roślinom do przeprowadzenia fotosyntezy.
W procesie fotosyntezy uczestniczą światło słoneczne, dwutlenek węgla, a także sole mineralne pobierane wraz z wodą z gleby, które były powodem ubytku 53 gramów z donicy.
iSctOS7RNy_d5e701
3. Chlorofil
Fotosynteza przebiega we wszystkich częściach rośliny, które zawierają zielony barwnik – chlorofil – czyli w liściach, zielonych łodygach, młodych pędach i niedojrzałych owocach.
ROVMvTE4iNJ9t
ChloroplastychloroplastChloroplasty regulują ilość docierającego do nich światła. Mają zdolnośćprzemieszczania się w komórkach i zmieniania swojego położenia w zależności od natężenia promieniowania słonecznego. Aby otrzymać większą dawkę energii świetlnej, przesuwają się w kierunku jej źródła. Jeśli światło jest zbyt intensywne, przemieszczają się w głąb komórki. W ciemności chloroplasty są w komórce rozmieszczone równomiernie.
R1QwHElFqjbrF
Ciekawostka
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. W lecie pomarańczowa i żółta barwa karotenoidów jest maskowana zielenią chlorofilu. Jesienią, gdy liście się starzeją, chlorofil ulega rozkładowi (i zanika) – wtedy ujawnia się obecność innych barwników.
R3GzrmoUdeaNM
iSctOS7RNy_d5e765
4. Produkty fotosyntezy
W procesie fotosyntezy powstają substancje pokarmowe, przede wszystkim cukry. Z nich może powstać glukoza, która jest przekształcana w inne związki, mogące być materiałem zapasowym do wykorzystania w trudnych warunkach (np. skrobia w bulwach ziemniaka) lub służyć do budowy i wzrostu rośliny. Cukry mogą być też wykorzystywane jako źródło energii w procesie oddychania komórkowegooddychanie komórkoweoddychania komórkowego.
W procesie fotosyntezy powstaje również tlen. W dzień rośliny produkują znacznie więcej tlenu, niż potrzebują. Nadmiar tego gazu jest uwalniany do atmosfery i wykorzystywany przez inne organizmy do oddychania. Nocą rośliny nie wytwarzają tlenu.
1
Obserwacja 1
Problem
Jaki gaz powstaje w procesie fotosyntezy?
Hipoteza
RhtbRegyUjoWJ
Co będzie potrzebne
zlewka
szklany lejek
probówka
pędy moczarki kanadyjskiej
woda
zapałki
źródło światła
Instrukcja
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 umieść 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.
RmWXOtGty0pgR
R1L6i7rPMiNBV
Zwróć uwagę, że obecność tlenu przyspiesza spalanie substancji, natomiast obecność dwutlenku węgla je tłumi.
Wyniki: Płomień zapałki wsuniętej do probówki jest jasny.
Wnioski: W procesie fotosyntezy powstaje tlen. Hipoteza 1 jest prawdziwa, a hipoteza 2 – fałszywa.
1
Ćwiczenie 7
R1PCqtvtUptEs
Zastanów się, do czego ludzie i zwierzęta wykorzystują ten gaz.
Tlen umożliwia oddychanie tlenowe.
iSctOS7RNy_d5e883
5. Znaczenie fotosyntezy dla życia na Ziemi
Fotosynteza jest warunkiem istnienia życia na Ziemi. Przeprowadzające ją rośliny i inne organizmy samożywne wytwarzają substancje pokarmowe. Część tych substancji zużywają na własne potrzeby, jednak znaczna ich ilość jest wykorzystywana przez organizmy cudzożywne jako pokarm. Substancje wytwarzane przez organizmy samożywne stanowią więc podstawę życia i rozwoju wszystkich istot.
Rpr2kRmRKnVAD
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, zmniejszyłaby się zaś ilość tlenu, co doprowadziłoby do wyginięcia większości organizmów żyjących na Ziemi.
1
Ćwiczenie 8
RUdNEJ7yQgRcR
Zastanów się, czym żywią się rośliny i zwierzęta.
Efektem ustania procesu fotosyntezy byłoby szybkie zmniejszenie się ilości tlenu w powietrzu i zwiększenie ilości dwutlenku węgla. Liczba roślin uległaby zmniejszeniu, co miałoby wpływ na życie zwierząt, którym zaczęłoby brakować pokarmu. W konsekwencji doprowadziłoby to do wyginięcia większości organizmów żyjących na Ziemi.
iSctOS7RNy_d5e933
Podsumowanie
Organizmy samożywne samodzielnie wytwarzają pokarm w procesie fotosyntezy.
Fotosynteza jest procesem, podczas którego z wody i dwutlenku węgla – z udziałem energii słonecznej – powstają związki pokarmowe i tlen.
Fotosynteza jest przeprowadzana przez organizmy zawierające zielony barwnik – chlorofil: rośliny, niektóre protisty i niektóre bakterie.
Substancje wytworzone podczas fotosyntezy są pokarmem dla roślin.
Czynniki zewnętrzne wpływające na intensywność fotosyntezy to ilość światła, zawartość dwutlenku węgla w powietrzu, dostępność wody i soli mineralnych, temperatura otoczenia.
Czynnikiem wewnętrznym wpływającym na intensywność fotosyntezy jest zawartość chlorofilu.
Im więcej dwutlenku węgla w powietrzu, tym intensywniej zachodzi proces fotosyntezy.
W naszej strefie klimatycznej fotosynteza przebiega najintensywniej w temperaturze 20–30 °C.
W procesie fotosyntezy powstaje tlen, który rośliny wykorzystują podczas oddychania, a nadmiar tego gazu wydalają do atmosfery.
Fotosynteza jest warunkiem istnienia życia na Ziemi.
Praca domowa
11
Ćwiczenie 1
R15mr2s0gNdUS
Przypomnij sobie informacje zawarte w rozdziale 1: Samożywność roślin.
Czynniki zewnętrzne:
ilość światła;
zawartość dwutlenku węgla w powietrzu;
dostępność wody;
dostępność soli mineralnych;
temperatura otoczenia.
Czynnik wewnętrzny:
zawartość chlorofilu.
1
Ćwiczenie 2
RbC9qkm9v4NNd
Przypomnij sobie informacje zawarte w rozdziale 2: Czynniki wpływające na intensywność procesu fotosyntezy.
Fotosynteza zachodzi intensywniej wraz ze wzrostem temperatury w przedziale od 0 do 40 °C. Najintensywniejsza jest w temperaturze 20–30 °C.
Im więcej dwutlenku węgla w powietrzu, tym intensywniej zachodzi proces fotosyntezy.
1
Ćwiczenie 3
R15hVKiwjJeK3
Zanotuj problem badawczy. Postaw hipotezę. Określ, co będzie potrzebne do doświadczenia, i zapisz instrukcję jego wykonania.
Problem badawczy: Czy woda jest niezbędna do procesu fotosyntezy?
Hipoteza 1: Woda jest niezbędna do procesu fotosyntezy.
Hipoteza 2: Woda nie jest niezbędna do procesu fotosyntezy.
Co będzie potrzebne?
pędy moczarki kanadyjskiej
dwie zlewki
woda
Instrukcja
Do obu zlewek włóż pędy moczarki kanadyjskiej.
Do jednej zlewki wlej wodę.
Połóż obie zlewki na parapecie.
Po tygodniu sprawdź wyniki doświadczenia. Wyciągnij wnioski.
iSctOS7RNy_d5e997
Słownik
chemosynteza
chemosynteza
proces wytwarzania związków pokarmowych z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem energii chemicznej
chlorofil
chlorofil
zielony barwnik – główny składnik chloroplastówchloroplastchloroplastów – umożliwiający wykorzystanie energii świetlnej
chloroplast
chloroplast
składnik komórek roślin i glonów (samożywnych protistów) zawierający chlorofilchlorofilchlorofil; zachodzi w nim proces fotosyntezy
dwutlenek węgla
dwutlenek węgla
gazowy związek węgla i tlenu; bierze udział w procesie fotosyntezy, powstaje podczas oddychania komórkowego
fotosynteza
fotosynteza
proces wytwarzania związków pokarmowych z dwutlenku węgla i wody, zachodzący w organizmach samożywnych pod wpływem światła, z udziałem chlorofilu
oddychanie komórkowe
oddychanie komórkowe
proces rozkładu różnych substancji, dostarczający niezbędnej do życia energii; przejawem oddychania komórkowego jest pobieranie tlenu, wydalanie dwutlenku węgla i wydzielanie ciepła
produkty
produkty
substancje, które powstają w wyniku reakcji chemicznych
rośliny cieniolubne
rośliny cieniolubne
rośliny potrzebujące umiarkowanej ilości światła
rośliny światłolubne
rośliny światłolubne
rośliny potrzebujące dużej ilości światła
substraty
substraty
substancje, które wejdą ze sobą w reakcję chemiczną
iSctOS7RNy_d5e1295
Zadania
1
Pokaż ćwiczenia:
11
Ćwiczenie 1
R19amcZYX0hXK
1
Ćwiczenie 2
R10Hg5UMNtg6T
1
Ćwiczenie 3
RYboRafxV228t
zadanie interaktywne
zadanie interaktywne
Określ, które ze związków chemicznych są substratami, a które produktami fotosyntezy. Przyporządkuj nazwy związków chemicznych do odpowiedniej kategorii.