Фотосинтез. 11-й класс

Цели урока:

1. Учащиеся должны усвоить понятия “световая и темновая фазы фотосинтеза, цикл Кальвина, фотолиз воды, фотосинтетическое фотофосфорилирование, фотосистемы I и II”; знать сущность фаз фотосинтеза, особенности разных типов фотосинтеза, значение в природе и жизни человека.

2. Учащиеся должны уметь устанавливать причинно-следственные связи между строением хлоропласта и хлорофилла и их функцией, работать с информацией (анализировать, критически оценивать, отбирать главное), давать устный аргументированный ответ, делать выводы.

3. Способствовать формированию научного мировоззрения у обучающихся, коомуникативной компетенции.

Оборудование: рабочие листы, мобильный класс (13 ноутбуков), ИД (мультимедийная система и экран), Intrnet, презентация “Фотосинтез”.

Технология: крупноблочная лекционно-семинарская технология

Ход занятия

Свет – вечно натянутая пружина, приводящая в действие механизм земной жизни.

Одна из сторон жизни клетки – энергообеспечение. Являясь открытыми системами, клетки используют внешние источники энергии: энергию пищи, света (презентация, сл. 2). Эта энергия предварительно преобразуется в универсальную форму АТФ, которая затем используется на различные процессы, протекающие в клетке. На прошлом занятии мы выяснили механизмы такого преобразования – дыхание и брожение. В ходе этих процессов происходит окислительное фосфорилирование.

– В чём сущность реакций фосфорилирования?

Ещё один способ запасания энергии АТФ, происходящее в клетках растений, бактерий-фотосинтетиков, цианобактерий. В этом процессе используется энергия света.

– Как называется этот процесс?

(Презентация, сл. 3). Фотосинтез – совокупность физических и химических процессов, в ходе которых происходит преобразование энергии света в энергию химических связей органических веществ.

Тема семинара “Фотосинтез” (презентация, сл. 4).

1. История изучения фотосинтеза – рассказ учителя, 5 мин (презентация, сл. 5).

Механизм фотосинтеза изучается более 300 лет:

• работы Ван Гельмонта,
• Д. Пристли (1771 г, “растения исправляют испорченный дыханием воздух” – особое дыхание растений);
• Я. Ингегауз (1779 г, доказал, что условием удачного опыта Пристли является свет);
• Ж Сенебье, Т. Соссюр (1804 г., процесс углеродного питания растений);
• Хлорофиллы были впервые выделены в 1818 П. Ж. Пелетье и Ж. Кавенту.
• Пфеффер (1877 г, термин “фотосинтез”);
• К.А. Тимирязев (конец 19 – начало 20вв, опыты по изучения влияния различных областей спектра на эффективность фотосинтеза).
• Окислительно-восстановительную сущность фотосинтеза постулировал Корнелис ван Ниль. В 1937 г. Роберт Хилл установил, что процесс окисления воды (и выделения кислорода), а также ассимиляции CO₂ можно разобщить. В 1954—1958 Д. Арнон установил механизм световых стадий фотосинтеза, а сущность процесса ассимиляции CO₂ была раскрыта М. Кальвином в конце 1940-х, за эту работу в 1961 ему была присуждена Нобелевская премия.
• Ю. С. Карпилов и М. Д. Хэтч и К. Р. Слэк (1960 – 1966 гг., описали С₄ фотосинтез)

Главную роль в этом процессе играют пигменты растений, содержащиеся в хлоропластах.

2. Особенности строения хлоропластов – устный ответ, обсуждение (презентация, сл. 6).
3. Пигменты фотосинтеза – самостоятельная работа уч-ся, 10 мин (презентация, сл. 7, 8).

В растениях кроме хлорофиллов содержатся и другие пигменты – каротиноиды и фикобилины.

Задание 1 (см РАБОЧИЙ ЛИСТ, приложение 1) Вы – учёный-биофизик, изучаете фотосинтезирующие пигменты растений. В ходе исследований Вы получили некоторые данные. Изучите эту информацию, составьте графическую схему “Спектры поглощения фотосинтезирующими пигментами”, проанализируйте её. Какова роль разных видов пигментов в процессе фотосинтеза?

Существует несколько видов хлорофиллов (a, b, c, d), отличающихся спектрами поглощения. Высшие растения и водоросли содержат в качестве основного пигмента хлорофилл a; в качестве дополнительного – хлорофилл b (зелёные водоросли), хлорофилл с (бурые и диатомовые водоросли), хлорофилл d (красные водоросли). Хлорофилл имеет две основные линии поглощения в красных и сине-фиолетовых лучах. При этом хлорофилл а имеет максимум поглощения 429 и 660 нм, тогда как хлорофилл b — 453 и 642 нм. Наряду с зелеными пигментами в хлоропластах и хроматофорах содержатся пигменты, относящиеся к группе каротиноидов. Каротиноиды — это желтые и оранжевые пигменты. Основными представителями каротиноидов у высших растений являются два пигмента — каротин (оранжевый) и ксантофилл (желтый). Каротин имеет два максимума поглощения, соответствующие длинам волн 482 и 452 нм. В отличие от хлорофиллов каротиноиды не поглощают красные лучи. В настоящее время установлено, что каротиноиды, поглощая определенные участки солнечного спектра, передают энергию этих лучей на молекулы хлорофилла. Тем самым они способствуют использованию лучей, которые хлорофиллом не поглощаются. Фикобилины — красные и синие пигменты, содержащиеся у цианобактерий и некоторых водорослей. Фикобилины поглощают лучи в зеленой и желтой частях солнечного спектра. Это та часть спектра, которая находится между двумя основными линиями поглощения хлорофилла. Фикоэритрин поглощает лучи с длиной волны 495— 565 нм, а фикоцианин — 550— 615 нм. Фикобилины поглощают энергию света и, подобно каротиноидам, передают ее на молекулу хлорофилла, после чего она используется в процессе фотосинтеза. Наличие фикобилинов у водорослей является примером приспособления организмов в процессе эволюции к использованию участков солнечного спектра, которые проникают сквозь толщу морской воды (хроматическая адаптация). Как известно, красные лучи, соответствующие основной линии поглощения хлорофилла, поглощаются, проходя через толщу воды. Наиболее глубоко проникают зеленые лучи, которые поглощаются не хлорофиллом, а фикобилинами.

Проверка выполнения.

(Презентация, сл. 9). Пигменты образуют фотосистемы (200 – 400 мол). В фотосистеме все молекулы поглощают фотоны, но только 1 молекула находится в реакционном центре. Значение центра – концентрация энергии света за счёт молекул-коллекторов и передача на 1 молекулу хлорофилла. Основная часть молекул хлорофилла (90%) входит в состав светособирающего комплекса (ССК). Светособирающий комплекс выполняет роль антенны, которая эффективно поглощает свет и переносит энергию возбуждения к реакционному центру. Каротиноиды и фикобилины увеличивают эффективность усвоения света за счет того, что они поглощают свет в тех областях спектра, в которых молекулы хлорофилла поглощают свет сравнительно слабо. Такое устройство позволяет значительно полнее использовать энергию света. В процессе эволюции в растениях выработался механизм, позволяющий наиболее полно использовать кванты света, падающие на лист подобно каплям дождя. Механизм этот заключается в том, что энергия квантов света улавливается 200—400 молекулами хлорофилла и каротиноидами ССК и как бы стекается к реакционному центру.

4. Механизм фотосинтеза

Процесс фотосинтеза состоит из двух последовательных фаз (презентация, сл. 10).

а) Световая фаза – устный ответ, обсуждение (презентация, сл. 11, 12).

б) Темновая фаза – устный ответ, обсуждение (презентация, сл. 13).

(Презентация, сл. 14). В ходе световой фазы синтезируется АТФ (в 10 раз больше, чем в ходе ЭО). Основная часть этой энергии используется на этапе темновой фазы (фиксация СО₂). В процессе фотосинтеза кроме моносахаридов (глюкоза и др.), которые превращаются в крахмал и запасаются растением, синтезируются мономеры других органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты.

Суммарное уравнение фотосинтеза (презентация, сл. 15):

свет
6СО₂ +6Н₂О ——————> С₆Н₁₂О₆ + 6О₂

Задание 2 (см РАБОЧИЙ ЛИСТ) Заполните таблицу “Сравнение световой и темновой фаз фотосинтеза” (презентация, сл. 16)

Проверка выполнения (презентация, сл. 17)

Существует и другие способы фиксации СО₂: путь С₄ , путь САМ-растений, бактериальный фотосинтез (презентация, сл. 18).

Задание 3 (см РАБОЧИЙ ЛИСТ) Определите особенности разных типов фотосинтеза, используя дополнительную информацию.

Работа в группах – 15 мин (+ ноутбуки на каждую парту)

1 группа – С₄ – фотосинтез

Проверка выполнения (презентация, сл. 19 – 21).

6. Значение фотосинтеза – устный ответ, обсуждение (презентация, сл. 22)

Давайте сравним процесс энергообмена и фотосинтеза (презентация, сл. 23).

Итак, несмотря на принципиальное сходство механизмов энергообеспечения у гетеро– и автотрофов, появление фотосинтеза было переломным моментом в эволюции. Благодаря фотосинтезу хлорофиллсодержащие клетки обеспечивают себя и все живое на Земле необходимыми органическими веществами и кислородом. Он послужил началом бурного развития громадного разнообразия форм и того расцвета жизни на Земле, который мы наблюдаем в настоящее время.

(Презентация, сл. 24) Проверим знания, которые вы приобрели в ходе семинара. (ЕК ЦОР)

IV. Д \ З. Подготовиться к см “Хемосинтез”, §12.

1. П.М. Бородин, Л.В. Высоцкий, Г.М. Дымшиц и др. Биология,10 – 11, профильный уровень, часть 1. М., “Просвещение”, 2006
2. Кольман я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. М., “Мир”, 2000.
3. http://www.fizrast.ru/fotosintez/etapy/prevrashenie-ugleroda/c4-put.html