Цель урока: углубить знания учащихся о способах питания в органическом мире через изучение особенностей процесса фотосинтеза; обосновать космическую роль зеленых растений; раскрыть значение фотосинтеза.

Ход урока. 

I. Проверка знаний

Установите соответствие, вписав в столбцы таблицы номера характеристик этапов дыхания:

подготовительный бескислородный кислородный

1. Может происходить вне клеток.

2. Количество выделившейся энергии равно 0.

3. Необходимы пищеварительные ферменты.

4. Количество выделившейся энергии равно 36 АТФ.

5. Происходит в митохондриях.

6. Может происходить в лизосомах клеток.

7. Происходит в цитоплазме клеток.

8. Необходим кислород.

9. Нет необходимости в кислороде.

10. Химическим результатом может быть глюкоза; аминокис¬лота или глицерин и жирные кислоты.

11. Химическим результатом может быть вода, углекислый га¬з и азотсодержащие соединения.

12. Химическим результатом может быть пировиноградная кис¬лота или молочная кислота.

13. Характерен для всех растений и большинства животных и микроорганизмов.

14. Характерен для организмов, обитающих в бескислородной среде.

15. Необходимы ферменты гликолиза.

16. Необходимы молекулы-переносчики и митохондриальные ферменты.

17. Анаэробный этап.

18. Аэробный этап.

19. Гликолиз.

20. Биологическое окисление в митохондриях.

 

II. Приглашение к размышлению: определите тему урока.

Сегодня мы с вами познакомимся с одним биологическим процессом, уникальным по множеству позиций на нашей планете. Я вам буду их перечислять, а вы догадайтесь, о чем идет речь.

• Огромные успехи в изучении механизмов этого процесса были достигнуты лишь во второй половине XX столетия.

• Если бы для биологических процессов и явлений существовала Книга рекордов Гиннеса, то он занял бы там не один десяток страниц

• Это практически единственный процесс в живой природе, где происходит преобразование одного вида энергии в другую.

• Благодаря этому процессу, существует весь органический ми на нашей планете.

• Благодаря этому процессу создается и поддерживается состав среды, необходимый для обитания всех живых организмов.

• Этот процесс способствует предохранению поверхности Земли от парникового эффекта и образованию защитного озонового экрана вокруг планеты.

• Этот процесс включает в себя, по крайней мере, три важнейших этапа: фотофизический, фотохимический и биохимический.

• В результате этого процесса образуются сложные органические вещества.

• Это единственный процесс, который снабжает кислородом атмосферу и, следовательно, обеспечивает существование аэробных организмов.

• О нем писал в своей книге «Солнце, жизнь и хлорофилл» К.А. Тимирязев.

ФОТОСИНТЕЗ

 

III. Объяснение нового материала

         Фотосинтез характерен только для клеток автотрофных организмов. В клетках растений имеются микроскопические образования — хлоропласты. Именно в них происходит захват световой энергии и превращение ее в энергию химических связей молекул органических соединений. Внутри хлоропластов содержится хлоро¬филл — сложное органическое вещество, способное улав¬ливать энергию света для использования ее в процессах биосинтеза органических веществ. Молекулы хлорофилла и других вспомо¬гательных пигментов располагаются в мембранах тилакоидов хлоро¬пластов.

      В процессе фотосинтеза выделяют две фазы: свето¬вую и темновую. Вторая из них может протекать в тем¬ноте. Однако для того, чтобы это осуществлялось, необ¬ходим предварительный синтез органических веществ (например, АТФ). А этот процесс осуществляется в све¬товой фазе фотосинтеза. Поэтому световая фаза пред¬шествует темновой и является инициатором последней, а также важнейшим условием ее нормального протека-ния. В дальнейшем световая и темновая фазы могут осуществляться одновременно.

 

Световая фаза

Процесс фотосинтеза начинается с освещения хлоропласта видимым светом . Фотон, попав в молекулу хлорофилла, приводит ее в возбужденное состояние: ее электроны перескаки¬вают на высшие орбиты, т. е. на орбиты, более удаленные от ядра. Благодаря этому облегчается отрыв электронов от моле¬кулы. Один из таких возбужденных электронов переходит на молекулу-переносчика, который уносит его и переправляет на другую сторону мембраны. Молекула хлорофилла восстанавливает потерю электрона, отбирая его от молекулы воды.

В результате потери электронов молекулы воды разлагаются на протоны и атомы кислорода. Из атомов кислорода образуется молекулярный кислород, который диффундирует через мембрану и выделяется в атмосферу. Протоны же неспособны к диффузии через мембрану и накапливаются в гране. Таким образом, по одну сторону мембраны собираются положительно заряженные протоны, по другую — частицы с отрицательным зарядом.

По мере накопления по обеим сторонам мембраны противопо¬ложно заряженных частиц нарастает разность потенциалов (про¬тонный потенциал). Так же как в мембраны митохондрий, в мембраны гран встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ (АТФ-синтетаза). Внутри АТФ-синтетазы имеется канал, через который могут пройти протоны. Когда величина протонного потенциала достигает критического уровня, сила электрического поля проталкивает протоны через канал в молекуле АТФ-синте¬тазы. Освобождающаяся при этом энергия тратится на синтез АТФ. Образовавшаяся АТФ переправляется в те места хлоро¬пласта, где происходит синтез углеводов.

Протоны, оказавшиеся на другой стороне мембраны, встре¬чаются здесь с электронами, доставленными молекулами-пере¬носчиками. Они превращаются в атомы водорода, которые пере¬правляются в те места хлоропласта, где идет синтез углеводов.

Таким образом, энергия солнечного излучения порождает три процесса: образование молекулярного кислорода в результате разложения воды, синтез АТФ, образование атомарного водоро¬да. Эти три процесса происходят на свету и являются составляю¬щими световой фазы фотосинтеза.

 

Темновая фаза 

Дальнейшие реакции фотосин¬теза связаны с образованием углеводов. Они протекают как на свету, так и в темноте и называются темновой фазой. Темновая фаза фотосинтеза представляет собой ряд последовательных реакций. В результате этих реакций из оксида углерода (IV) и воды образуются углеводы.

Для темновых реакций в хлоропласт непрерывно поступают исходные вещества и энергия. Оксид углерода (IV) поступает в лист из окружающей атмосферы, водород образуется в световую фазу фотосинтеза в результате расщепления воды. Источником энергии служит АТФ, которая синтезируется в световую фазу фотосинтеза. Все эти вещества транспортируются в хлоропласт, где и осуществляется синтез углеводов.

6СО2 + 6Н2О        С6Н12О6 + 6О2

 

Значение фотосинтеза для живой природы. 

В изучение роли света и хлорофилла в процессе усвоения углекислого газа — ок¬сида углерода (IV) — при фотосинтезе большой вклад внес круп¬нейший русский ученый К. А. Тимирязев. Непревзойденный популяризатор знаний по фотосинтезу, он писал так: «Это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете». Такое утверждение вполне обосно¬ванно, так как фотосинтез — основной поставщик не только орга¬нических соединений, но и свободного кислорода на Земле.

Общая продуктивность фотосинтеза громадна: ежегодно рас¬тительность Земли связывает 1,7- 108 т углерода. Помимо того, растения вовлекают в синтез миллиарды тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других элементов. В результате   ежегодно синтезируется около 4- 107 т органических веществ.

    При всей грандиозности масштабов природный фотосинтез — медленный и малоэффективный процесс: зеленый лист использует для фотосинтеза всего около 1% падающего на него солнечного излучения. Продуктивность фотосинтеза составляет примерно 1 г органических веществ на 1 м2 площади листьев в час. Таким образом, летом за сутки 1 м2 листвы вырабатывает примерно 15—16 г органических веществ. Повысить эффективность фото¬синтеза можно вследствие улучшения освещенности, водоснаб¬жения растений и других условий.

Следует напомнить, что растительные клетки, как и все дру¬гие клетки, постоянно дышат, т. е. поглощают кислород и выде¬ляют оксид углерода IV. Днем наряду с дыханием растительные клетки преобразуют световую энергию в химическую: они синте¬зируют органические вещества. При этом в качестве побочного продукта реакции выделяется молекулярный кислород. Количество кислорода, выделяемого растительной клеткой в процессе фото¬синтеза, в 20—30 раз больше, чем кислорода, поглощаемого в одновременно идущем процессе дыхания.