Фотосинтез

Биология 6 · Урок 20

Откуда растение берёт органические вещества, если оно ничего не ест, и что для этого нужно: свет, зелёный цвет листа, углекислый газ и вода.

Главный вопрос

Всё, что ты ешь, когда-то было живым: хлеб испечён из зёрен, молоко дала корова, а корова питалась травой. Чем же питается сама трава? Растение ничего не ест, но растёт, цветёт и даёт плоды. Откуда в нём берутся органические вещества — те, из которых построены листья, стебель, корни и семена?

Сначала вспомним то, что уже известно. Минеральное питание — это поступление из почвы через корни воды и растворённых в ней минеральных солей. Но вода и соли — вещества неорганические, то есть из неживой природы. Значит, органические вещества растение добывает как-то иначе.

Пригодятся ещё три знания. Хлоропласты — мелкие зелёные тельца в клетках листа; зелёный цвет им даёт хлорофилл, особое красящее вещество. Устьица — крошечные щели в кожице листа, через которые в него входит и выходит воздух. Жилки — «трубопроводы» листа: по ним в лист приходит вода, а растворы веществ уходят из него.

Выясним, что нужно растению для создания органических веществ и как это доказали.

Загадка ивы

В XVII веке врач и естествоиспытатель Ян Баптиста ван Гельмонт поставил опыт, который продолжался пять лет. Он посадил иву в кадку с землёй и поливал её только дождевой водой. Землю он заранее высушил и взвесил.

Через пять лет учёный взвесил иву и землю. Ива потяжелела примерно с 2,3 кг до 76,7 кг. Прибавка: 76,7 − 2,3 = 74,4 кг. А земля стала легче всего примерно на 57 г — это почти в 1300 раз меньше, чем прибавила ива.

Ван Гельмонт сделал вывод: растение строит себя из одной воды, ведь ничего другого он ему не давал. Вывод был верен лишь отчасти. Вода действительно нужна, но учёный не учёл воздух: часть вещества дерева взята из углекислого газа, который растение поглощает из воздуха. Любопытно, что слово «газ» придумал именно он, но роль газа в питании растений осталась для него незамеченной.

Оговорка

Старинные меры пересчитаны в килограммы и граммы и округлены, поэтому числа приблизительные. Важен порядок величин: прибавка огромная, земля почти не убыла.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — образование органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии света; при этом выделяется кислород. Слово составлено из двух греческих: «фотос» — свет и «синтез» — соединение. Получается «сборка при помощи света»: из простых веществ собирается более сложное.

Фотосинтез идёт в клетках, где есть хлоропласты, а в них — хлорофилл. Хлорофилл улавливает свет, и энергия света запасается в новых веществах. Главное из них — глюкоза, сладкое органическое вещество из группы сахаров.

Словесная схема

углекислый газ + вода → (свет, хлорофилл) → глюкоза + кислород

Это схема словами, без формул: она показывает, что во что превращается, но не сколько.

Опыт: нужен ли свет

Нужен ли свет, чтобы в листе появились органические вещества? Проверим опытом. Проверять будем по крахмалу — запасному органическому веществу растения. Раствор йода — коричневатая жидкость: в присутствии крахмала она синеет, а без крахмала остаётся жёлтой или коричневатой.

1. Комнатное растение (герань-пеларгонию или примулу) трое суток держат в тёмном шкафу. За это время питательные вещества оттекают из листьев, и опыт начинается с «чистого» листа.
2. Один лист закрывают с двух сторон чёрной бумагой. В верхней бумаге вырезана фигура или слово, например звезда.
3. Растение на 8–10 часов выставляют на яркий свет.
4. Лист срезают и опускают в кипящую воду.
5. Затем на несколько минут помещают лист в горячий спирт. Хлорофилл растворяется, спирт зеленеет, а лист обесцвечивается. Это нужно, чтобы зелёный цвет не скрыл синий.
6. Лист промывают водой, расправляют в чашке Петри и добавляют слабый раствор йода.

Вывод: крахмал образуется только на свету. Опыт честный: оба участка на одном листе, различается только свет.

Безопасность

Спирт горюч. Его нагревают только на водяной бане, без открытого огня, и этот опыт делает учитель. Кипяток и горячий спирт обжигают.

Глюкоза и крахмал

Крахмал — не первое вещество, которое образуется в листе. Сначала в хлоропластах образуется глюкоза. Затем она превращается в крахмал и другие органические вещества, из которых растение строит свои клетки.

Крахмал не растворяется в воде, поэтому его удобно хранить: как зерно в амбаре, он лежит на месте и не уходит вместе с водой. Когда веществ нужно больше, нерастворимый крахмал снова превращается в глюкозу. Её раствор по жилкам оттекает из листьев в другие органы: стебель, корни, плоды и семена.

Там глюкоза может опять стать крахмалом. Вспомни клубень картофеля: капля йода на его срезе синеет. Этот крахмал когда-то образовался в листьях картофеля на свету и пришёл в клубень в виде раствора глюкозы.

Роль хлорофилла

Свет нужен, но нужно и то, что его улавливает. Проверим это на герани окаймлённой. По краю её листа проходит белая кайма: в клетках каймы нет хлорофилла и зелёных хлоропластов, а середина листа зелёная.

Растение, как и раньше, выдерживают в темноте, затем на свету; лист обесцвечивают горячим спиртом и добавляют йод. Синеет только зелёная часть листа. Белая кайма остаётся жёлтоватой.

Свет падал на весь лист одинаково, значит, различие создал хлорофилл. Вывод: органические вещества образуются только в клетках с хлоропластами. Этот опыт, как и прошлый, выполняет учитель.

Нужен ли углекислый газ

Чтобы выяснить, нужен ли углекислый газ, берут растение, которое заранее выдержали в темноте. Веточку с листьями помещают под стеклянный колпак на стекле, а края колпака смазывают вазелином, чтобы воздух снаружи не проникал внутрь. Рядом с веточкой ставят стакан с раствором едкой щёлочи: она поглощает углекислый газ, и под колпаком его не остаётся.

Через двое суток лист срезают, обесцвечивают спиртом и добавляют йод. Лист не синеет: крахмала в нём нет. Вывод: для образования органических веществ необходим углекислый газ. Он входит в лист через устьица, а воду поглощают корни.

Теперь можно ответить на загадку ивы. Её прибавка в 74,4 кг взята из воды и из углекислого газа воздуха, а земля дала лишь крошечную часть.

Честный опыт. В опыте можно менять только одно условие. Если под вторым колпаком, без щёлочи, оставить то же растение при том же свете и той же температуре, лист там посинеет: значит, разницу создал именно газ. Если же менять сразу свет и газ, будет непонятно, что повлияло.

Безопасность

Едкая щёлочь разъедает кожу и глаза. С ней работает только учитель.

Кислород и пузырьки

Два стеклянных сосуда с веточками зелёного растения наполняют углекислым газом и плотно закрывают. Один ставят на яркий свет, другой — в темноту. Через сутки в каждый сосуд вносят горящую лучинку. В первом она продолжает ярко гореть: там накопился кислород, который поддерживает горение. Во втором лучинка гаснет.

Вывод: зелёные растения выделяют кислород только на свету. Водные растения тоже. Веточку элодеи, водного растения для аквариума, накрывают стеклянной воронкой, а на её узкий конец надевают пробирку с водой. Под лампой с веточки поднимаются пузырьки газа и собираются в пробирке. Лучинка вспыхивает в этом газе: это кислород.

Разберём пример с условными числами. Лампу ставят на разном расстоянии от элодеи и считают пузырьки за минуту.

Расстояние выросло с 10 до 40 см, света стало меньше, а пузырьков — с 20 до 3. Сначала падение самое резкое (20 − 11 = 9), потом всё мягче (11 − 6 = 5, затем 6 − 3 = 3). Вывод: чем дальше лампа, тем меньше света и тем меньше пузырьков, то есть тем медленнее идёт фотосинтез.

Оговорка: числа условные, придуманы для разбора. В настоящем опыте пузырьки считают несколько раз на каждом расстоянии и берут среднее. Лампа ещё и греет воду, поэтому следят, чтобы температура не менялась.

Лист и фотосинтез

Лист как будто создан для фотосинтеза: у каждой его части своя задача.

Листья расположены так, чтобы не заслонять друг друга. Это называют листовой мозаикой. Черешки — стебельки листьев — изгибаются и поворачивают пластинки к свету, а мелкие листья занимают просветы между крупными. Хорошо видно у клёна и у одуванчика.

Значение для планеты

Органические вещества нужны самому растению: из них оно строит корни, стебель и листья. Их используют и все, кто питается растениями и друг другом. Кислород нужен почти всем живым существам для дыхания.

По оценкам учёных, зелёные растения ежегодно поглощают около 600 млрд тонн углекислого газа и выделяют около 400 млрд тонн кислорода. Это оценки, а не точные измерения.

Дрова и каменный уголь — остатки растений. В них запасена энергия света, которую растения уловили очень давно.

У растения два способа питания, и они связаны.

Без воды и солей фотосинтез не идёт, а без фотосинтеза растение не получит органических веществ.

Типичные ошибки

• «Растение берёт органические вещества из почвы». Правильно: из почвы приходят вода и соли, а органические вещества растение само создаёт в листьях на свету.
• «Фотосинтез — это дыхание растений». Правильно: это разные процессы; дыхание — отдельная тема, она следующая.
• «Кислород выделяется и в темноте». Правильно: без света фотосинтез не идёт, и в тёмном сосуде лучинка гаснет.
• «Йод окрашивает хлорофилл». Правильно: йод синеет от крахмала; хлорофилл заранее убирают спиртом, чтобы синий цвет был виден.
• «Крахмал образуется во всех клетках листа». Правильно: только в клетках с хлоропластами и только на свету, как показала белая кайма герани.
• «Для фотосинтеза нужен только свет». Правильно: нужны ещё углекислый газ, вода и хлорофилл.

Примеры и самопроверка

Разобранный пример 1. Во сколько раз прибавка ивы больше убыли земли? Сначала приведём единицы к одним: 57 г = 0,057 кг. Прибавка ивы 76,7 − 2,3 = 74,4 кг. Делим: 74,4 : 0,057 ≈ 1300. Прибавка примерно в 1300 раз больше убыли земли, значит, почти вся она пришла не из земли.

Разобранный пример 2. Сколько пузырьков выделит элодея за 5 минут при лампе на 30 см, если скорость не меняется? По таблице 6 в минуту, значит, 6 × 5 = 30. При лампе на 10 см получится 20 × 5 = 100. Разница 100 − 30 = 70. Помни: числа условные, важна закономерность.

Что такое фотосинтез?

Образование органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии света; при этом выделяется кислород.

Что выяснил ван Гельмонт и в чём он не учёл главное?

Ива прибавила около 74,4 кг, а земля убыла примерно на 57 г. Он решил, что растение строится из воды, но не учёл углекислый газ воздуха.

Зачем растение перед опытом держат трое суток в темноте?

Чтобы крахмал оттёк из листьев и опыт начался с «чистого» листа.

Зачем лист обесцвечивают горячим спиртом перед добавлением йода?

Спирт растворяет хлорофилл; без зелёного цвета синий цвет крахмала хорошо виден.

Что показал опыт с геранью окаймлённой?

Органические вещества образуются только в клетках с хлоропластами: синеет лишь зелёная часть листа.

Зачем под колпак ставят раствор щёлочи?

Он поглощает углекислый газ: так проверяют, нужен ли он растению.

Как доказать, что растение выделяет кислород на свету?

В сосуде на свету горящая лучинка продолжает ярко гореть, в тёмном сосуде гаснет; у элодеи под лампой поднимаются пузырьки.

Какие два типа питания у растения и как они связаны?

Минеральное питание (вода и соли из почвы) и фотосинтез (органические вещества из углекислого газа и воды на свету). Без воды и солей фотосинтез не идёт.

Наблюдение на неделю

Поставь комнатное растение у окна и не поворачивай горшок. Каждый день отмечай, куда повёрнуты пластинки листьев: они тянутся к свету. В первый и в последний день зарисуй растение сверху и сбоку. Записи делай в таблице.

Сравни два рисунка. Это настоящее наблюдение: сайт его не заменяет. Записывай то, что видишь, даже если результат не совпал с ожиданием.

Заметки учителю

Цели и ожидаемые результаты

Ученик определяет фотосинтез и называет исходные вещества и продукты; объясняет, как опытом доказано участие света, хлорофилла и углекислого газа; различает глюкозу и крахмал; связывает строение листа с фотосинтезом; читает таблицу данных и делает осторожный вывод.

Ход занятия, 40–45 минут

Урок устроен как один день растения от рассвета до ночи: страница прокручивается сверху вниз. Остановки: «Загадка ивы», «Солнечная печать», «Честный опыт под колпаком», «Внутри листа», «Листовая мозаика», «Пузырьки и лампа», «Проследи завтрак до Солнца», «Собери определение». За одно занятие удобно пройти первые четыре–пять остановок, остальные оставьте на второе.

Примерно: 5 минут — вопрос «чем питается трава?»; 8 — загадка ивы; 12 — солнечная печать и вывод о крахмале; 10 — опыт под колпаком и честный опыт; 5–10 — лист и самопроверка. Опыты со спиртом и щёлочью проводит только учитель, ученики наблюдают.

Вопросы для обсуждения

Почему ван Гельмонт сделал неточный вывод, хотя взвешивал аккуратно? Почему листья перед йодом обесцвечивают? Откуда берётся энергия, которую мы получаем из хлеба и картофеля?

Трудные места

Считают, что растение питается землёй; путают фотосинтез с дыханием; принимают йод за краситель хлорофилла; не замечают, что в честном опыте меняется только одно условие; воспринимают условные числа как точные.

Признаки понимания

Ученик пересказывает словесную схему своими словами, объясняет, почему закрытая часть листа осталась жёлтой, и называет три условия фотосинтеза: свет, углекислый газ и вода при наличии хлорофилла.

Упростить и усложнить

Проще: ограничьтесь опытом с чёрной бумагой и словесной схемой. Сложнее: предложите придумать контрольный опыт на кислород и объяснить, какое одно условие в нём меняется, а какие остаются прежними.

Объяснения написаны для урока. Иллюстрации — самостоятельные учебные изображения, а не фотографии опытов и не микрофотографии; размеры и пропорции условны.