XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние длины световой волны на скорость фотосинтеза

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рафиков В.А. 1

---

1ГБОУ школа №294 г. Санкт-Петербург

Деребезова Любовь Николаевна 1

---

1ГБОУ школа №294 г. Санкт-Петербург

Работа в формате PDF

697.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение:

А. Тимирязев писал: «Дайте самому лучшему повару сколько угодно свежего воздуха, сколько угодно солнечного света и целую речку чистой воды и попросите, чтоб он из всего этого приготовил вам сахар, крахмал, жиры и зерно, - и он решит, что вы над ним смеетесь. Но то, что кажется смешным человеку, беспрепятственно совершается в зеленых растениях».

Тема исследовательского проекта «Влияние длины световой волны на скорость фотосинтеза».

Физика создает основу для правильного понимания почти всех биологических процессов. Физика является теоретической базой современной медицинской техники, объяснением разных процессов в клетках, в том числе помогает понять процессы фотосинтеза. К сожалению, очень много людей не понимают, как можно связать физику и биологию напрямую, и думают, что эти две науки идут порознь и нигде не переплетаются. До определенного момента я тоже был таким человеком, но в один момент времени, мне стало интересно, действительно ли процесс фотосинтеза зависит от длины волны света.

Актуальность темы:

Мы, все живущие на Земле, зависим от фотосинтезирующих растений. Без фотосинтеза жизнь на нашей Земле не была бы возможной, поэтому необходимо знать, от чего зависит интенсивность фотосинтеза. Мы знаем, фотосинтез происходит под действием света, а свет — это не что иное, как электромагнитная волна. Причем каждый цвет имеет определенную длину волны, значит, важно знать, зависит ли скорость фотосинтеза от длины световой волны. Поэтому тема проекта, выбранная мною, актуальна.

Проблема проекта:

Проблема данного проекта заключается в изучении взаимосвязи длины волны света и процессом фотосинтеза проходящем в клетках растения.

Цель проекта:

Экспериментально показать взаимосвязь длины волны света и скорости фотосинтеза.

Задачи проекта:

Изучить соответствующую литературу, Интернет- ресурсы о механизме фотосинтеза с биологической и физической точек зрения.

Экспериментальным путем установить зависимость скорости фотосинтеза от длины световой волны

Провести анализ полученных результатов исследования и результат представить в виде диаграмм.

Сделать вывод.

Методы исследования:

Работа с Интернет - ресурсами и литературными источниками.

Проведение эксперимента с помощью измерительных приборов.

Математическая обработка данных, сравнение и анализ полученных результатов.

Предмет исследования:

Процесс фотосинтеза в листьях китайской розы и влияние на него длины волны света.

Объект исследования:

Китайская роза

Гипотеза исследования:

скорость фотосинтеза у растений зависит от длины световой волны: при увеличении длины волны скорость фотосинтеза возрастает, а при уменьшении – замедляется.

Теоретическая часть.

Фотосинтезисвет:

Под воздействием лучей света в листьях растений происходят уникальные фотохимические процессы, благодаря которым они живут, растут, цветут и образуют плоды. Растения преобразуют энергию света в свою энергию за счет процесса фотосинтеза.

Фотосинтез – процесс, происходящий в растениях на свету, когда из углекислого газа и воды выделяется кислород.

Пигменты, участвующие в фотосинтезе:

Пигменты локализованы в мембранах хлоропластов. В хлоропласте содержится около 400 молекул хлорофилла. Хлоропласты обычно располагаются в клетке так, чтобы их мембраны находились под прямым углом к источнику света, что гарантирует максимальное поглощение света (они могут перемещаться в клетке, в зависимости от того, как падает свет).

Хлорофилл:

У растений в фотосинтезе участвует пигмент хлорофилл, который содержится в хлоропластах на мембранах тилакоидов. Хлорофилл придает хлоропластам и всему растению зеленую окраску. Хлорофилл обладает уникальным свойством: он умеет поглощать энергию солнечного света, переходя в возбужденное состояние.

Хлорофиллы поглощают главным образом красную и сине-фиолетовую часть спектра. Зеленую часть спектра они отражают и потому придают растениям характерную зеленую окраску, если только ее не маскируют другие пигменты.

Свет в оптике – это электромагнитное излучение. Его способен воспринимать человеческий глаз.

Солнце – это звезда, в которой постоянно протекают сложные термоядерные реакции с высвобождением света. Высвобождаются фотоны или кванты света. Солнце как будто стреляет этими частичками во все стороны. Они вылетают на огромной скорости и обладают запасом энергии.

Именно их мы и можем наблюдать. Запаса энергии хватает, чтобы долететь до нас с вами.

Цвет света определяет его длина волны. Именно поэтому одни объекты красные, а другие синие. Белый свет можно легко разложить на спектр благодаря дисперсии света.

Основы фотосинтеза

С точки зрения биологии:

Фотосинтез делиться на 2 фазы:

Световая

Темновая

Мы рассмотрим световую фазу фотосинтеза, ибо именно на эту фазу и направлен наш исследовательский проект.

Световая фаза:

Хлорофиллы объединяются в фотосистемы. Каждая фотосистема состоит из светособирающего комплекса, реакционного центра и переносчиков электронов. В них происходит возбуждение электрона, переход его по цепочке переносчиков, синтез АТФ (Аденозинтрифосфосфат) и выделение О2 как побочного продукта . Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов в хлоропластах исключительно при участии света.

Возбуждение хлорофиллов и перемещение электрона:

Есть два типа фотосистем. Различаются они тем, что принимают разную длину волны света. Фотосистема II поглощает волны 680 нм за счет хлорофилла P680, а фотосистема I - свет длиной 700 нм за счет хлорофилла P700.
Молекулы хлорофилла фотосистем поглощают квант света. Один электрон каждой из них переходит на более высокий энергетический уровень (возбуждается) и перемещается далее по цепи переносчиков.
Молекулы хлорофилла, потерявшие электроны, становятся нестабильными и стремятся заполнить образовавшуюся «дыру». Фотосистема I восполняет потерю электронов через систему переносчиков электронов от фотосистемы II. Фотосистема II забирает электрон у воды в процессе фотолиза.

Фотолиз воды и образование кислорода:

Одновременно с работой фотосистем происходит процесс распада воды под действием солнечного света. Этот процесс называется фотолиз.
В результате фотолиза образуются свободные электроны, кислород, ионы водорода. Электроны восполняют фотосистему II. Кислород выделяется в атмосферу. Ионы водорода накапливаются в полости тилакоидов.
В полости тилакоида накапливается большой избыток ионов водорода, что приводит к созданию на мембране тилакоида градиента концентрации этих ионов.

Важные факторы фотосинтеза:

Скорость фотосинтеза неодинакова и меняется в зависимости от условий окружающей среды

Длина волны

Наиболее интенсивно процесс протекает под действием волн сине- фиолетовой и красной частей спектра. Также зависит от степени освещенности. До определённого значения изменения прямо пропорциональны, далее зависимость от интенсивности света теряется.

Вода

Вода – один из важнейших факторов фотосинтеза, ведь именно из нее путем фотолиза и получается молекулярный кислород.

Углекислый газ

Чем выше концентрация углекислого газа, тем интенсивнее идёт процесс фотосинтеза. Обычно недостаток CO2 - главный ограничивающий фактор.

Фотосинтез с точки зрения физики:

Британские ученые обнаружили очередное свидетельство того, что процесс фотосинтеза с точки зрения физики нельзя объяснить только лишь при помощи ее классических законов, что говорит о квантовом характере этого феномена.

Вот их вывод: «Особые вибрационные движения хромофоров, «световых антенн», содействуют переносу энергии в макромолекулах фотосинтезирующего комплекса. Хромофоры, которые представляют собой особые пигментные молекулы, поглощающие фотоны и передающие их энергию в остальные части системы фотосинтеза»(Александра Олайя Кастро из университетского колледжа Лондона (Великобритания)).

То есть энергия поглощенного фотона порождает электронное возбуждение, которое удивительно быстро и эффективно передается в реакционный центр фотосистем. Этот процесс работает столь слаженно за счет квантовой когерентности промежуточных возмущений. Эффект квантовой когерентности – один из базовых принципов квантовой механики, который означает присутствие одной и той же частицы в нескольких местах одновременно.

1

Science.spb.

Это интересно

Самые эффективные цвета:

Каждый спектр характеризуется определенной длиной волны. Самая короткая длина волны у фиолетового цвета (380-440 нм), самая длинная – у красного (625-740 нм). Свет с длиной волны менее 380 нм относится к ультрафиолетовому излучению, а с длиной волны 740нм и более – к инфракрасному.

Если растение растет и развивается под влиянием цветового спектра, неудивительно предположить, что если какой-то цвет окажется более эффективным, то только его и нужно направить на растение. Если синий цвет самый "жирный", достаточно засвечивать растения только им и получать отличный урожай круглый год.

Как мы видим из графика с боку, средними пиковыми точками поглощения для хлорофиллов А и В явились показатели в 400 и 700 нм, это спектральный диапазон (диапазон фотосинтетически активного излучения или ФАР-диапазон (PAR), который используется растениями в процессе фотосинтеза. Для сравнения: спектральный диапазон глаза человека составляет 555 нм.

Практическая часть

Проведение эксперимента

Гипотеза:скорость фотосинтеза у растений зависит от длины световой волны: при увеличении длины волны скорость фотосинтеза возрастает, а при уменьшении – замедляется.

Оборудование:

Аквариум объемом 2 литра

Светодиодная лампа

Светофильты ( красный, синий, зеленый )

Датчик СО2 от фирмы «ДАджет»

Для эксперимента нам понадобится:

Аквариум

Светодиодная лампа

Светофильтры света трех разных длин волн.

Растение

Датчик СО2

Когда я приступил к выполнению эксперимента, я столкнулся с одной проблемой: прибор, с помощью которого я измерял количество углекислого газа, показывал в единицах измерения PPM. Для того чтобы облегчить себе дальнейшую работу, я буду пользоваться конвертером единиц.

Эксперимент №1

1.Первый эксперимент я решил провести с зеленым спектром видимого света: 550 нм. До начала эксперимента я решил измерить количество углекислого газа в аквариуме. Прибор показал 21 PPM, но так как прибор измеряет количество углекислого газа в одном литре газов, я удваиваю эти показания на 2 и получаю 42 PPM. Затем перевожу это число в процентные объемные доли: 0,0042 %, теперь переведем объемные доли в мл и получим 0,000042 л

2.После эксперимента я измерил количество углекислого газа в аквариуме и прибор показал 19 PPM, но так как аквариум двухлитровый, то количество углекислого газа составляет 38 PPM, что в процентных объемных долях составит 0,0038 %, теперь переведем объемные доли в литры и получим 0,000038 л

3 .Для того чтобы высчитать количество кислорода после эксперимента, нам нужно вспомнить состав воздуха:

состав воздуха:

азот (N2) – 78%

кислород (О2) – 21%

другие газы + углекислый газ – 1%

Неизменяемые газы:

Азот

Другие газы

Изменяемые газы:

Кислород

Углекислый газ

Найдем количество других газов:

V(других газов ) = 0,02 – 0,000042 = 0,019958 л

Найдем количество кислорода до проведения эксперимента:

2л – (Vco2(изначального) + V(другие газы) + VN2) = 2л – ( 0,000042 л + 0,019958 л + 1,56 л ) = 0,42 л

Найдем количество кислорода после проведения эксперимента:

2л – (Vco2(измененного) + V(другие газы) + VN2) = 2л – ( 0,000038 л + 0,019958 л + 1,56 л ) =0,4200004 л

Найдем, насколько изменилось количество кислорода:

Vо2 = Vизм – Vисх = 0,4200004 – 0,42 = 0,0000004 л = 0,0004 мл

Вывод: При проведении эксперимента с зеленым спектром света количество кислорода практически не изменилось.

Эксперимент №2

1.Второй эксперимент я решил провести с красным спектром видимого света: 625 нм. До начала эксперимента я, как и в предыдущем, измерил количество углекислого газа, и прибор показал 28 PPM. Переводя в эти числа в объемные доли, я получаю 0,0056%, что в литрах будет 0,000056 л

2.После эксперимента я измерил количество углекислого газа в аквариуме и прибор показал 21 PPM, но так как аквариум двухлитровый, то количество углекислого газа составляет 42 PPM, что в объемных долях составит 0,0042%, что в литрах будет 0,000042 л

Найдем количество других газов:

V(других газов ) = 0,02 – 0,000056 = 0,019944 л

Найдем количество кислорода до проведения эксперимента:

2л – (Vco2(измененного) + V(другие газы) + VN2) = 2л – ( 0,000056 л + 0,019944 л + 1,56 л ) =0,42 л

Найдем количество кислорода после проведения эксперимента:

2л – (Vco2(измененного) + V(другие газы) + VN2) = 2л – ( 0,000042 л + 0,019944 л + 1,56 л ) =0,420014

Найдем, насколько изменилось количество кислорода:

Vо2 = Vизм – Vисх = 0,420014 – 0,42 = 0,000014 л = 0,014 мл

Вывод: количество кислорода во втором эксперименте увеличилось. Значит, действительно, длина волны влияет на объем кислорода, выделяемого во время фотосинтеза. Но для точности проведем еще один эксперимент

Э ксперимент №3

1.Последний эксперимент я решил провести с синим спектром видимого света: 440 нм. До начала эксперимента я, как и в предыдущих двух, измерил количество углекислого газа, и прибор показал 27 PPM. Переводя эти числа в объемные доли, я получаю 0,0054 %, что в литрах составить 0,000054 л

2.После завершения эксперимента я получил такой результат:

количество углекислого газа после эксперимента: 0,0044%, что в литрах составит 0,000044 л

Найдем количество других газов:

V(других газов ) = 0,02 – 0,000054 = 0,019946 л

Найдем количество кислорода до проведения эксперимента:

2л – (Vco2(измененного) + V(другие газы) + VN2) = 2л – ( 0,000054 л + 0,019946 л + 1,56 л ) =0,42 л

Найдем количество кислорода после проведения эксперимента:

2л – (Vco2(измененного) + V(другие газы) + VN2) = 2л – ( 0,000044 л + 0,019946 л + 1,56 л ) =0,42001

Найдем, насколько изменилось количество кислорода:

Vо2 = Vизм – Vисх = 0,42001 – 0,42 = 0,00001 л = 0,01 мл

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОД:

ВЫВОД: Проведя 3 эксперимента, я делаю вывод, что моя гипотеза подтвердилась. Количество выделяемого кислорода напрямую зависело от длины волны света. Чем больше длина волны света, тем больше выделяется кислород.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Из всего вышесказанного следует, что количество кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза, напрямую зависит от длины волны света. Лучше всего процесс фотосинтеза идет под действием синего и красного спектра цветов. Действительно, фотосинтез играет большую роль в жизни человека, ведь благодаря этому процессу выделяется ничто иное как кислород, который так необходим каждому из нас, а особенно в нем нуждаются люди, имеющие заболевания дыхательной системы. Считаю, что цель, поставленная в начале моей работы, достигнута, задачи – решены. Моя работа имеет теоретическую и практическую значимость.

Таблица 1 (приложение 1)

Таблица 2 (приложение 2)

Диаграммы (приложение 3)

Приложения:

Приложение 1

Таблица 1 концентрации углекислого газа в 3-х экспериментах

Приложение 2

Таблица2 концентрации выработанного кислорода

Приложение 3

Диаграммы:

Используемые источники:

Литература

https://ussrvopros.ru/zanimatelnaya-fiziologiya-rastenij-artamonov-1991-god-starye-uchebniki

( Вадим Иванович Артамонов Занимательная физиология растений © ВО "Агропромиздат" Москва 1991 )

https://www.studmed.ru/voskresenskaya-n-p-fotosintez-i-spektralnyy-sostav-sveta_873771fd080.html

(Воскресенская Н.П. Фотосинтез и спектральный состав света)

Интернет – ресурсы:

https://externat.foxford.ru/polezno-znat/wiki-biologiya-fotosintez?ysclid=ld233dlng6438280656

https://nvkz-tub.ru/stati/fotosistemy-biohimiya-fotosinteza-istochnik-kisloroda.html

https://multiurok.ru/files/fotosintez-fazy-protsessy-i-znachenie.html

https://infourok.ru/lekciya-po-biologii-na-temu-fotosintez-10-klass-4176175.html

https://multiurok.ru/files/fizika-kratkii-konspekt-a4-po-optike.html?ysclid=ld23eg3fwf258263031

https://uchitel.pro/введение-в-оптику/?ysclid=ld23extewr392283951