Процесс фотосинтеза лежит в основе существования на Земле жизни вообще и человека в частности. Изучение этого процесса, осознание роли его в биосфере, играет большое значение в биологическом образовании и экологическом воспитании школьников, в формировании у них бережного отношения к растительному миру.
Впервые фотосинтез изучается в 6 классе в теме “Лист”.
В учебнике В.А. Корчагиной фотосинтезу посвящено три параграфа, в которых отдельно рассматривается необходимость света для растений, процесс образования крахмала и процесс выделения кислорода. (§ 24–26) [6]
В учебнике Т.И. Серебряковой эта тема дается в большей связи с вопросом питания растения. Делается акцент на процесс фотосинтеза, как процесс воздушного питания растения, рассматривается процесс выделения кислорода листом и процесс накопления растением солнечной энергии. (§ 34–36) [9]
В учебнике Н.И. Сонина вопрос фотосинтеза рассматривается в теме “Питание и пищеварение”. Этому вопросу отводится один урок “Воздушное питание растений” и всего половина страницы текста учебника. На мой взгляд – это неоправданно мало.
При изучении этой темы, я использую замечательную книгу Ю. Чиркова “Сумма жизни”.
Материал строю иначе, чем в учебниках. Начинаю объяснение материала с постановки проблемы: вот человек питается разными продуктами из магазина, а чем же питаются растения? На такой вопрос средний шестиклассник отвечает: “Растения питаются землей” или предполагает “Может быть светом или углекислым газом”. После таких предположений я рассказываю об опыте Яна Гельмонта.
На самом деле много лет назад древнегреческий ученый и философ Аристотель учил, что растение – это животное, поставленное на голову: органы размножения у него на верху, а голова – внизу. С помощью корней, играющих роль рта, растение и извлекает из земли совершенно готовую пищу. Проверить предположение Аристотеля решил Ян Гельмонт. Он знал, что растениям нужна и почва, и вода, но что же важнее? Из чего растение строит свое тело? Ян Гельмонт посадил в горшок ветку ивы. И ветку, и землю он предварительно взвесил. Растение поливал только дождевой водой, а землю закрывал крышкой. Через пять лет Гельмонт взвесил выросшее растение и высушенную землю из горшка. Растение стало тяжелее на 164 фунта и 3 унции (примерно 65,3 кг), а земля потеряла в весе всего лишь 2 унции (60 г). Из этого опыта ученый сделал вывод, что основным источником пищи для растений является вода. Так возникла водная теория питания растений. Многие ученые повторяли этот опыт и поддерживали эту теорию, хотя она была совершенно неверная.
Но были ученые, которых не удовлетворило такое объяснение питания растений. Например, Михаил Ломоносов, задумываясь о том, как на скудных северных земля вырастают такие большие деревья, предполагал, что часть питания растения берут из воздуха, впитывая листьями. Во времена Ломоносова мысль о воздушном питании растений еще нельзя было подтвердить экспериментально, т.к. не была известна природа газов.
Английский химик Джозеф Пристли искал способ очистки воздуха, испорченного горением и дыханием людей и животных. Он помещал под колокол вместе с горящей свечой или живой мышью разные вещи. “рис.№1” Так под колокол попал пучок мяты, который там рос и делал воздух пригодным для горения и дыхания. Опыты Пристли произвели сильное впечатление. Шведский исследователь Карл Шееле, скромный аптекарь, попытался повторить опыты Пристли в своей домашней лаборатории, где он проводил эксперименты в свое свободное время – в основном по ночам. Но у него получилось, что растения не улучшали воздух, а делали его непригодным для горения и дыхания. На основании своих опытов Шееле обвинил Пристли в обмане. Пристли стал повторять опыты, и тут стало все непонятно. Растения то улучшали воздух, то нет. Причина неудач Пристли была в том, что ни он, ни Шееле не выяснили при каких внешних условиях растения очищают и портят воздух. Точку в этом вопросе поставил Ян Ингенхауз – личный врач австрийской императрицы Марии Терезии. Он проделал 500 опытов с веточкой элодеи. На солнечном свету из растения поднимались пузырьки газа. Ингенхауз собрал газ и проверил, что это чистейший кислород. Но оказалось, что пузырьки выделялись только на свету, причем незеленые части растений пузырьков не выделяли. Таким образом Ингенхауз доказал, что растения действительно улучшают воздух, но только на свету.
Но каким же образом углекислый газ превращается в кислород и при чем здесь питание растений?
Давайте рассмотрим листья гибискуса (китайской розы или бальзамина), на листьях можно увидеть капли сахарного сиропа (или крупинки сахара) их можно даже попробовать на вкус. Вот мы и подошли к вопросу о питании растений. Этим сахаром-то и питается растение. Откуда здесь взялся сахар? Оказывается, растение само создает сахар из углекислого газа и воды, используя для этого солнечную энергию. Кислород же выделяется при этом, как побочный продукт.
Процесс образования сахара и крахмала из углекислого газа и воды на свету называется фотосинтез. В растительной клетке этот процесс идет в хлоропластах, т. е . только в зеленых частях растения.
Здесь мы записываем определение фотосинтеза. Подробно разбираемся, что же означает само слово фотосинтез, вспоминаем однокоренные слова (например: фотография) и их значение, еще раз повторяем условия фотосинтеза.
Юлиус Майер – немецкий врач писал об этом чудесном процессе: “Природа поставила себе задачей перехватить на лету притекающий на Землю свет и превратить эту подвижнейшую из сил в твердую форму, сложив её в запас. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые живя, поглощают солнечный свет… этими организмами являются растения…”[10]
Вот, оказывается, каково предназначение растений: превращать энергию солнечного луча в иную форму энергии – химическую, запасенную в листьях кустарников и трав, в стеблях и стволах деревьев, в торфе и каменном угле. (Вспомните “Кладовую солнца” Пришвина).
Урок – сказка о загадочном появлении капель сахарного сиропа на листьях китайской розы обычно захватывает даже самых шустрых шестиклассников и запоминается надолго.
Второй раз с процессом фотосинтеза учащиеся встречаются в 10 классе в курсе “Общей биологии”.
Обычно они легко вспоминают определение процесса и его суть. Задачей учителя на уроке является раскрыть механизмы этого сложного процесса в доступной ученикам форме.
В разных учебниках материал дается по разному:
В учебнике Л. В. Высоцкой и др. для классов с углубленным изучением биологии дается подробное описание сложного процесса фотосинтеза, включая описание двух фотосистем и цикла Кельвина.[2]
В учебниках Д.К. Беляева и др; В.Б. Захарова и С.Г. Мамонтова для обычных классов дается сходное упрощенное описание этой же теории фотосинтеза, но оно упрощено настолько, что потеряна логика изложения и просто не понятно, что из чего следует.[1], [4], [7].
В учебнике Полянского, на мой взгляд, этот вопрос рассмотрен наиболее понятно для среднего ученика в обычном классе. Объяснение сопровождается понятной схемой.[7] “рис. №2”
Квант света (здесь уместно вспомнить что это такое) попадает на молекулу хлорофилла, которая находится в мембране тилакоида в хлоропласте. Хлорофилл, получив порцию энергии, возбуждается и эту лишнюю энергию выбрасывает вместе со своим электроном за пределы мембраны в строму хлоропласта. Но, потерявшая энергию молекула хлорофилла стремится возместить свою потерю и отбирает электрон у молекулы воды, которая при этом распадается на кислород и протон. Происходит фотолиз воды. Кислород выделяется в атмосферу, а протоны собираются внутри тилакоида. Теперь возникает ситуация очень напоминающая конденсатор (вспоминаем, что это такое). Мы имеем накапливающиеся “+” и “–” заряды, разделенные слоем диэлектрика – мембраной. Могут ли заряды накапливаться до бесконечности? Конечно, нет. При определенной разности потенциалов произойдет пробой изолятора, т.е. протоны пройдут сквозь мембрану и соединятся с электронами. При этом выделится энергия (в случае конденсатора в виде искры). Для этой цели в мембране предусмотрен специальный канал, в котором находится фермент АТФаза, поэтому выделяющаяся энергия не превращается в свет, а расходуется на синтез АТФ. Таким образом, энергия света превращается в энергию макроэргических связей АТФ. В строме хлоропласта атомарный водород вступает в химическую реакцию с углекислым газом и образуется глюкоза. На эту реакцию тратится энергия АТФ, т.е. энергия АТФ превращается в энергию химических связей в молекуле глюкозы.
Таким образом, в интерпретации этого автора опускается подробное описание переносчиков электронов, но смысл световой фазы сохраняется. Хорошо показана роль мембраны в синтезе АТФ, что дает возможность сравнивать процесс синтеза АТФ в световую фазу фотосинтеза и процесс синтеза АТФ при дыхании в митохондриях и делать вывод о сходстве в строении хлоропласта и митохондрии в связи со сходными функциями. Связь процессов дыхания и фотосинтеза, сравнивание механизмов, некоторое сходство этих процессов позволяет лучше усвоить их учащимся. Позволяет не просто вызубрить, а понять процессы хотя бы в общих чертах.
При изучении темы “Фотосинтез” в 10 классе можно использовать межпредметные связи с физикой и химией, рассматривая процесс с точки зрения и биологии, и физики, и химии, показать превращение солнечной энергии в энергию химических связей органических молекул. И, конечно, еще раз подчеркивается роль процесса фотосинтеза для биосферы, для жизни на Земле.
Использованная литература:
- Беляев Д.К. и др. Общая биология. – 2-е изд.– М.: Просвещение, 1992.
- Высоцкая Л.В. и др. Общая биология. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2001.
- Гюнтер Э. и др. Основы общей биологии: Пер с нем. – М.: Мир, 1982.
- Захаров В.Б. и др. Общая биология.– 2-е изд. – М.: Дрофа, 1999.
- Кемп П., Армс К. Введение в биологию: Пер. с англ. – М.: Мир, 1988.
- Корчагина В. А. Биология: растения,бактерии, грибы, лишайники: – 21-е изд.– М.: Просвещение, 1989.
- Мамонтов С.Г. и др. Основы биологии. – М.: Просвещение, 1992.
- Полянский Ю. И. Общая биология. – 17-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1987.
- Серебрякова Т. И. Биология: растения, бактерии, грибы, лишайники. – М.: Просвещение, 1994.
- Чирков Ю. Г. Сумма жизни. – М.: Дет. лит.,1987.