XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Растения – фабрики кислорода
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность исследования. Несколько миллионов лет назад атмосфера Земли была без кислорода и она, следовательно, не могла способствовать развитию жизни на суше. Постепенно растения стали заселять сушу и наполнять воздушную оболочку кислородом. Это происходило благодаря фотосинтезу. Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету, с выделением кислорода.
Фотосинтез – один из важных для всего живого на Земле биологических процессов. В результате фотосинтеза живые организмы получают кислород, необходимый для дыхания, а сами растения создают (синтезируют) органическое вещество, необходимое им для жизнедеятельности.
Ежегодно на Земле в ходе фотосинтеза производится около 200 млрд. тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий нашу планету от ультрафиолетовой радиации. [5]
Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на Земле была бы невозможной.
Мы считаем, что тема нашего исследования актуальна на современном этапе. Растения являются настоящими и единственными естественными фабриками кислорода, т.к. в их зелёных частях происходит фотосинтез, конечным продуктом которого является кислород. Но в ходе хозяйственной деятельности человека производится вырубка лесов. Во время многочисленных лесных пожаров выгорают миллионы гектаров растительного покрова. Всё это снижает поступление кислорода в атмосферу Земли, а, следовательно, обрекает всё живое на гибель.
Гипотеза: растения – «фабрики кислорода», но если уменьшится площадь растительного покрова Земли, то сократится количество кислорода, поступающего в атмосферу, на планете возникнет «кислородное голодание» и большинство живых организмов погибнет.
Цель: аргументировать тезис:«Растения – фабрики кислорода».
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задачи:
1. Собрать, изучить и проанализировать информацию по теме исследования.
2. Ознакомиться с механизмом фотосинтеза.
3. Выявить и аргументировать роль растений в процессе фотосинтеза и в создании условий для жизни на Земле.
4. Предложить пути решения проблемы сохранения растительного покрова планеты.
Методы исследования: изучение источников информации, анализ, синтез, обобщение, сравнение, наблюдение, эксперимент.
1. Освоение суши растениями и насыщение атмосферы кислородом
До появления на нашей планете фотосинтезирующих клеток атмосфера Земли была лишена кислорода.
Нам известно, что жизнь на Земле зародилась в воде. Первые клетки, способные использовать энергию солнечного света, появились на Земле примерно около 3 млрд. лет тому назад в архейскую эру. Это были одноклеточные сине – зелёные водоросли, первые растения нашей планеты. Так было в архейскую и протерозойскую эры. До девонского периода палеозойской эры растения были распространены в водной среде, в которой помимо сине – зелёных водорослей был богатый животный мир. Животные могли жить в воде благодаря тому, что дышали они жабрами и растворённым в воде кислородом. Таким образом, уже тогда происходил процесс фотосинтеза, в воду выделялся кислород. [2,3]
В девонский период начался активный выход растений на сушу. Объясняется это тем, что в течение ордовикского и силурийского периодов палеозойской эры изменился облик поверхности Земли: моря освободили огромные пространства и площадь суши очень разрослась. Резко изменился климат планеты. Растения, в клеточных органоидах которых происходил фотосинтез, постепенно появляются на суше. Потребовалось ещё около 1,5 млрд. лет для насыщения атмосферы Земли кислородом и возникновения аэробных клеток, способных использовать кислород для получения энергии. [2]
Первые наземные растения были представлены разными видами от простейших безлистных псилофитов до лиственных первопапоротников. Влажные болотистые области и морские побережья покрылись густым растительным покровом. [3]
Таким образом, роль растений в развитии и поддержании жизни на нашей планете велика: они превращают энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений, которая далее используется всеми остальными живыми существами в процессе питания; они насыщают атмосферу Земли кислородом.
В след за растениями, на сушу стали выходить отдельные виды животных – костные рыбы, которые делились на двоякодышащих, кистепёрых и лучепёрых. Кистеперых рыб считают предками наземных позвоночных. В позднем девоне появились первые наземные позвоночные – стегоцефалы.
В каменноугольный период из растений господствовали папоротникообразные и обычные папоротники, вечнозелёные широколиственные растения. Появляются разнообразные животные – наземные беспозвоночные и позвоночные, среди которых особенно выделялись насекомые: пауки, тысяченожки, стрекозы, тараканы и др., более 1000 видов. Из позвоночных широко распространились земноводные и пресмыкающиеся. [3]
В дальнейшие геологические эры и периоды шёл эволюционный процесс развития растений и животных.
Таким образом, роль растений в развитии и поддержании жизни на нашей планете велика: они превращают энергию солнечного света в энергию химических связей для получения органических соединений, которые используется всеми остальными живыми существами в процессе питания; растения насыщают атмосферу Земли кислородом, благодаря чему воздушная оболочка стала жизнеспособной для живых организмов.
С увеличением площадей и видового разнообразия растительности эволюционируют и животные. Всё это стало возможным в условиях наполнения кислородом атмосферного воздуха.
2. Фотосинтез. Выделение кислорода растениями
Фотосинтез - это процесс, происходящий в зелёных растениях на свету, когда из углекислого газа и воды образуется глюкоза и выделяется кислород. Общая формула фотосинтеза выглядит так:
хлорофил
6СО2 + 6Н2О = = С6Н12О6 + 6О2 [1]
свет
Для осуществления процесса фотосинтеза в зеленых частях растений необходимы следующие условия: наличие хлоропластов, находящихся в клетках растений, свет (естественный или искусственный), углекислый газ, вода, положительная температура.
У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах – пластидах, имеющих овальную форму, содержащих пигмент хлорофилл, благодаря зелёному цвету которого части растения также имеют зелёный цвет. [5]
У водорослей хлорофилл содержится в хроматофорах (пигментосодержащие и светоотражающие клетки). У бурых и красных водорослей, обитающих на значительной глубине, куда плохо доходит солнечный свет, имеются другие пигменты.
При фотосинтезе кислород выделяется в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из него образуются озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, благодаря чему жизнь смогла выйти из моря на сушу.
Фотосинтезирующие организмы находятся в самом низу пищевой цепочки, в экологии их называют продуцентами, так как они синтезируют органические вещества из неорганических. Поэтому они являются источниками пищи для всего живого на планете.
Кислород необходим для дыхания растений и животных. При окислении глюкозы с участием кислорода в митохондриях запасается почти в 20 раз больше энергии, чем без него. Это делает использование пищи более эффективным, что привело к высокому уровню обмена веществ у птиц и млекопитающих.
Первым изучению растений посвятил свои исследования Ван Гельмонт. В ходе своей работы он доказал, что растения берут питание не из почвы, но также питаются углекислым газом. Спустя почти три века Фредерик Блэкман при помощи исследования доказал существование процесса фотосинтеза. Блэкман не только определил реакцию растений в ходе вырабатывания кислорода, но также и установил, что в темное время суток растения дышат кислородом, поглощая его. [6]
Немецкий химик, ботаник, физиолог В. Пфеффер в 1877 году назвал процесс преобразования растениями солнечного света в энергию химических связей фотосинтезом. [5]
2.1. Механизм фотосинтеза
Процесс фотосинтеза начинается с попадания света на хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зелёный пигмент. Под действием света хлоропласты начинают потреблять воду из почвы, расщепляя её на водород и кислород. Часть кислорода выделяется в атмосферу, часть идет на окислительную процессы в растении. Содержащийся в пиреноидах (белковых гранулах, окруженных крахмалом) углекислый газ смешивается с водородом, образуя молекулы сахара. В результате этой реакции также выделяется кислород.
Сахар соединяется с поступающими из почвы азотом и фосфором, таким путем зелёные растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.
Лучше всего фотосинтез идет под воздействием солнечного света, однако некоторые растения могут довольствоваться и искусственным освещением.
2.1.1. Как происходит процесс фотосинтеза
Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях, листьях или плодах растений. Особенно большое их количество - в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, намного больше энергии для процесса фотосинтеза.
После поглощения света хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза. Эти органические вещества используют сами растения для питания разных его частей, а также для поддержания нормальной жизнедеятельности. Кроме того, эти вещества также получают животные, питаясь растениями. Люди тоже получают эти вещества, употребляя в пищу продукты животного и растительного происхождения.
Фазы фотосинтеза. Световая фаза (Рис. 1)
Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внутри хлоропластов на особых маленьких органах - тилакоидах. В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода. [1,2,5]
АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой. Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме.
Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ - углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа.
В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного. Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II - P680, а в фотосистеме I - P700. Они поглощают свет именно такой длины волны (680 и 700 нм).
По схеме более понятно, как все выглядит и происходит во время световой фазы фотосинтеза.
Итак: обе молекулы хлорофилла двух фотосистем поглощают квант света и возбуждаются. Электрон е- (на рисунке красный) у них переходит на более высокий энергетический уровень.
Возбужденные электроны обладает очень высокой энергией, они отрываются и поступают в особую цепь переносчиков, которая находится в мембранах тилакоидов – внутренних структур хлоропластов. По рисунку видно, что из фотосистемы II от хлорофилла Р680 электрон переходит к пластохинону, а из фотосистемы I от хлорофилла Р700 – к ферредоксину. В самих молекулах хлорофилла на месте электронов после их отрыва образуются синие дырки с положительным зарядом.
Чтобы восполнить недостачу электрона молекула хлорофилла Р680 фотосистемы II принимает электроны от воды, при этом образуются ионы водорода. Кроме того, именно за счет распада воды образуется выделяющийся в атмосферу кислород. А молекула хлорофилла Р700, как видно из рисунка, восполняет недостачу электронов через систему переносчиков от фотосистемы II.
В общем, как бы ни было сложно, именно так протекает световая фаза фотосинтеза, ее главная суть заключается в переносе электронов. Также по рисунку можно заметить, что параллельно транспорту электронов происходит перемещение ионов водорода Н+ через мембрану, и они накапливаются внутри тилакоида. Так как их там становится очень много, они перемещаются наружу с помощью особого сопрягающего фактора, который на рисунке оранжевого цвета, изображен справа и похож на гриб.
В завершении мы видим конечный этап транспорта электрона, результатом которого является образование вышеупомянутого соединения НАДН. А за счет переноса ионов Н+ синтезируется энергетическая валюта – АТФ (на рисунке видно справа).
Итак, световая фаза фотосинтеза завершена, в атмосферу выделился кислород, образовались АТФ и НАДН. Дальше наступает темновая стадия, которая заключается, главным образом, в химических процессах. [1,2,5]
Темновая фаза фотосинтеза (Рис.1)
Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.
В ходе световой фазы у большинства растений СО2 связывается с пятиуглеродным органическим соединением (которое представляет собой цепочку из пяти молекул углерода), в результате чего образуются две молекулы трехуглеродного соединения (3-фосфоглицериновая кислота). Т.к. первичным результатом являются именно эти трехуглеродные соединения, растения с таким типом фотосинтеза получили название С3-растений.
Дальнейший синтез, происходящий в хлоропластах, довольно сложен. В конечном итоге образуется шестиуглеродное соединение, из которого потом могут синтезироваться глюкоза, сахароза или крахмал. Именно в виде этих органических веществ растение накапливает энергию. Только небольшая их часть остается в листе и используется для его нужд. Остальные же углеводы путешествуют по всему растению и поступают именно туда, где больше всего нужна энергия, например, в точки роста. [1,2,5]
Рис. 1- Фазы фотосинтеза
2.1.2. Как происходит выделение кислорода растениями
Фотосинтез – сложный процесс, включающий в себя две фазы: световую, которая всегда происходит на свету, и темновую. Все процессы происходят внутри хлоропластов на особо маленьких органах – тилакодиах.
Процесс фотосинтеза заключается в следующем: на хлорофилл попадает солнечный свет, затем начинаются два процесса:
1. Процесс фотосистемы II. При столкновении фотона с 250-400 молекулами фотосистемы II энергия начинает скачкообразно возрастать, затем эта энергия передается молекулам хлорофилла. Начинаются две реакции. Хлорофилл теряет 2 электрона, а в это же момент расщепляется молекула воды. 2 электрона атомов водорода замещают потерянные электроны у хлорофилла. Затем молекулярные переносчики перекидывают «быстрый» электрон друг другу. Частично энергия затрачивается на образование молекул аденозинтрифосфата (АТФ).
2. Процесс фотосистемы I. Молекула хлорофилла фотосистемы I поглощает энергию фотона и передает свой электрон другой молекуле. Потерянный электрон замещается электроном из фотосистемы II. Энергия из фотосистемы I и ионы водорода уходят на образование новой молекулы-переносчика. В упрощенном и наглядном виде можно описать одной простой химической формулой:
СО2 + Н2О+свет →углевод +О2.
В раскрытом виде формула выглядит так:
6СО2 +6Н2О = С6Н12О6+6О2
Существует и темновая фаза фотосинтеза. Её также называют метаболической. В ходе темновой фазы происходит восстановление углекислого газа до глюкозы. [7]
Итак, физико – химические процессы, происходящие в ходе фотосинтеза, приводят к выделению кислорода растениями, поэтому их и называют «фабриками кислорода». Благодаря работе этих «фабрик» зародилась и процветает жизнь на нашей планете.
3. Экспериментальная часть. Выделение кислорода зелёными растениями на свету
Для доказательства выделения кислорода зелёными растениями на свету, мы провели несколько экспериментов:
1. Для проведения эксперимента мы использовали аквариумную элодею. Стебель элодеи длиной 5 – 6 см положили в стеклянную воронку срезанным концом стебля элодеи к узкому краю воронки. В стеклянную банку налили воду и добавили несколько кабель слабого раствора пищевой соды.
Воронку с элодеей опустили в банку с водой, чтобы широкая часть её лежала на дне. Пробирку, с налитой в неё водой, закрываем пальцем, опускаем вверх дном в банку с водой, убираем палец и надеваем пробирку на воронку. Полученный прибор (Рис.2) ставим на свет и наблюдаем выделение пузырьков в том месте, где был сделан порез на стебле элодеи. Когда газа набралось 1/2 -2/3 пробирки, её аккуратно снимаем с воронки, Закрываем пробирку пальцем, вынимаем из воды и переворачиваем. [7]
Рис. 2 – Прибор для сбора кислорода
В пробирку вносим тлеющую лучинку. Лучинка ярко вспыхивает, что указывает на наличие кислорода в пробирке. Кислород поддерживает горение В темноте, а также без углекислого газа в воде, выделение кислорода элодей не происходит в листьях растений происходит сложный процесс усвоения углекислого газа и воды с выделением кислорода, происходит фотосинтез.
2. Взяли две широкогорлые банки – опытную и контрольную. В опытную банку поместили сосуд с водой и 3 веточки герани, вторая, контрольная, банка – без растения. Небольшие кусочки свечей, укреплённые на проволоке, зажгли и опустили в банки, закрыв их пробками. Свечи потухли, т.к. воздух в банках стал непригодным для горения: в нём нет кислорода, но есть углекислый газ, выделяющийся при горении.
3. Опытную банку поместили на окно, где яркий солнечный свет, а контрольную банку поставили в тёмное место. Через 8 часов внесли в банки зажжённые свечи и увидели, что в опытной банке свеча горит, что означает: в ней появился кислород. [7]
Затем, поставили опытную банку в тёмное место. Через 8 часов внесённая свеча погасла: кислород не выделился.
Вывод: фотосинтез происходит на свету: растения поглощают из воздуха углекислый газ и выделяют кислород.
4. Меры по сохранению растительности на Земле
По оценке британских учёных, на земле сегодня обитает 390900 видов растений. В эту опись не попали водоросли и мхи. Учёные предупреждают, что около 20% мировой флоры находится под угрозой вымирания, прежде всего из-за вырубания лесов. Болезни и вредоносные насекомые также являются источником опасности.
В условиях постоянно растущих экологических проблем очень важно сохранить растительный покров планеты. С уничтожением растений мы обрекаем всё живое на неминуемую гибель от того, что нечем будет дышать и нечем будет питаться.
Мы предлагаем соблюдение следующих правил и мер по сохранению растительности планеты6
1.Установить жёсткий контроль за вырубкой лесов для промышленных и хозяйственных нужд.
2. Регулярно осуществлять в леса рубку ухода с целью уничтожения больных деревьев и оздоровления леса.
3. Проводить постоянные восстановительные работы в лесах: на место вырубленных или погибших деревьев высаживать новые.
4. Использовать вещества для борьбы с вредителями леса.
5. Проводить мониторинг пожаров и мероприятия по защите лесов от пожаров.
6. Создавать особо охраняемые территории (заповедники, заказники, национальные парки, памятники природы) с целью сохранения растительности.
7. Использовать макулатуру для производства бумаги.
8. Строго соблюдать Лесной кодекс страны.
9. Проводить просветительскую работу среди населения о сохранении растений, используя уличную рекламу, СМИ.
10. Организовывать субботники для ухода за лесопосадками. Проводить «Марш парков».
Заключение
1. С выходом растений на сушу в девонский период палеозойской эры, атмосфера Земли стала насыщаться кислородом и превращаться в жизнеспособную воздушную оболочку.
2. Фотосинтез происходит в зелёных частях растений (хлоропластах) и является очень древним процессом, благодаря которому стала развиваться наземная жизнь.
3. Фотосинтез – это процесс синтеза углеродов и других органических веществ из СО2 атмосферы и воды за счет энергии света, как побочный продукт фотосинтеза выделяется кислородом.
СО2 + Н2О+свет →углевод +О2.
4. Растения действительно являются «фабриками» кислорода. Это доказано нами экспериментально на примере опытов с водорослью эладеи и комнатного растения герани.
5. Все зеленые растения вырабатывают необходимый для жизни кислород. В зависимости от возраста и видового разнообразия растений, их физического состояния, количество выделяемого кислорода может меняться.
6. Считаем, что соблюдение мер по спасению растительности на Земле, позволит сохранить и увеличить количество и качество видов наземных растений, являющихся «фабриками кислорода» на нашей планете.
Таким образом, сохранение и расширение зеленого покрова Земли имеет большое значение для всех живых существ, населяющих нашу планету: растения поставляют в атмосферу кислород и синтезируют органические вещества.
Список используемых источников информации и литературы
1. Асанов Н.Г., Соловьева А.Р. Биология: Учебник для 10 кл. естественно-математ. направл. общеобразоват. шк. – 2-е издание., перераб. – Алматы: Атамура, 2014. С.129-133
2. Беляев Д.К., Рувинский А.О., Воронцов Н.Н. Общая биология: Учебник 10-11 кл.общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 1995. С. 47-51
3. Кузнецов С.С. Как считают историю Земли. Л., «Недра», 1973. С. 32-44
4. Нога Г.С. опыты и наблюдения над растениями. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1976. С. 80-82
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Фотосинтез
6. ttp://happyflora.ru/view_post3.php?latter=420
7. https://www.kakprosto.ru/kak-857565-kak-rasteniya-vyrabatyvayut-kislorod