методика исследования фотосинтеза

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение лицей №22 города Белово имени К. Д. Ушинского

Влияние на фотосинтез содержания СО₂

_{(исследовательская работа)}

      Выполнила Сидорова Маргарита,

ученица 10 “А” класса

Руководитель Майорова И. Н.,

учитель биологии

                                                     2024 г.

Оглавление

1

Введение

В связи с ростом населения на Земли, происходит повышение потребления товаров и услуг, повышение добычи и использования полезных ископаемых, и в первую очередь топливных ресурсов. Сжигание всех видов топлива приводит к повышению выделения в атмосферу парниковых газов, что в свою очередь вызывает увеличение выделения углекислого газа в атмосфере. По мнению ученых парниковый эффект приводит к повышению температуры воздуха и изменению циркуляции воздушных масс, изменению климата Земли, таянию ледников и повышению уровня мирового океана. Растения – единственные организмы на Земле, которые могут поддерживать состав атмосферы поглощая углекислый газ и используя его для процесса фотосинтеза.

 Мы предполагаем, что увеличение CO₂ будет влиять на увеличение интенсивности фотосинтеза. Это приведет к увеличению растительной массы на Земле и увеличению выработки кислорода. Таким образом, мы предполагаем, что природа сама способна разрешить проблему парникового эффекта, ей нужно только не мешать. В процессе нашего эксперимента мы попробуем это доказать.

2

Цель: изучение зависимости интенсивности фотосинтеза от концентрации CO₂ в воздухе.

Задачи:

1.     Найти информацию о влиянии концентрации CO₂ на интенсивность процесса фотосинтеза у растений;

2.     Поставить эксперимент по выращиванию растений в условиях различного содержания CO₂;

3.     Провести анализ результатов и сформулировать выводы.

Обьект исследования - процесс фотосинтеза.

Предмет исследования - интенсивность фотосинтеза.

Методы исследования:

·        Эксперимент

·        Наблюдение

·        Сравнение

·        Анализ

Гипотеза: при повышении концентрации углекислого газа повышается интенсивность фотосинтеза и скорость нарастания зеленой массы растения.

3

1.    Теоретический материал

1.1.Фотосинтез — это процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Рис. 1. Схема фотосинтеза

Как работает фотосинтез?

         В процессе фотосинтеза выделяют две фазы: световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

1.     Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II.

4

2.     Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.

3.     Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона. (1)

Для темновой фазы фотосинтеза обязательными компонентами являются АТФ и НАДФ*Н (из световой фазы), углекислый газ (из атмосферы) и вода. Происходит в строме хлоропласта. В темновой фазе с участием АТФ и НАДФ*Н происходит восстановление до глюкозы. Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции.

Растение постоянно поглощает углекислый газ из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры — устьица.

5

 Когда они открываются, поступает внутрь листа, растворяется в воде и восстанавливается до глюкозы с помощью НАДФ и АТФ. Избыток глюкозы запасается в виде крахмала. Именно в виде этих органических веществ растение накапливает энергию. Только небольшая их часть остается в листе и используется для его нужд. Остальные же углеводы путешествуют по ситовидным трубкам флоэмы по всему растению и поступают именно туда, где больше всего нужна энергия, например в точки роста. (2)

        1.2.  Парниковый эффект — это процесс повышения температуры поверхности Земли за счет того, что парниковые газы задерживают солнечное тепло, которое в противном случае ушло бы в космос. По сути эти газы "окутывают" нашу планету, помогая поддерживать высокую температуру у ее поверхности.

          Парниковые газы — углекислый газ (СО₂), метан (CH₄), озон (O₃), водяной пар.

Рис. 2. Схема парникового эффекта

6

Парниковые газы играют решающую роль в сохранении на Земле температуры, подходящей для жизни. Без естественного парникового эффекта средняя температура на планете составила бы около минус 20°C вместо нынешних около 15°С. Ученые полагают, что энергетический баланс Земли с комфортной для многочисленных видов живых организмов температурой был нарушен с началом промышленной революции. Люди начали активно сжигать ископаемое топливо, что привело к масштабному выбросу углекислого газа и других парниковых газов в атмосферу. Десятилетиями уровень CO2 в атмосфере растет, удерживает лишнее тепло у поверхности Земли, что вызывает общее повышение температуры.  

Парниковый эффект возникает естественным путем. Однако деятельность человека усиливает процесс, при котором Земля поглощает часть энергии Солнца в своей атмосфере, а остальную часть отражает обратно в космос. Эта захваченная энергия нагревает поверхность Земли. Производство и потребление ископаемого топлива увеличили количество парниковых газов в атмосфере и способствовали глобальному потеплению

 В 2011 году Лесная служба США провела исследование, которое показало, что леса Земли поглощают треть углекислого газа, ежегодно выделяемого при сжигании ископаемого топлива. Деревья и другие растения накапливают углерод и значительно снижают количество углекислого газа в атмосфере. Растения в тропических регионах оказывают наибольшее влияние на парниковый эффект.

7

Поскольку они получают больше солнечного света, чем растения в умеренных и субполярных регионах, они больше фотосинтезируют. Когда растения умирают, содержащийся в них углерод возвращается в углеродный цикл. Углекислый газ постоянно перемещается из атмосферы в почву и океаны и обратно в атмосферу. Деятельность человека, такая как сжигание ископаемого топлива, вносит дополнительный углерод в этот цикл. Обезлесение, которое приводит к разложению большого количества растительного материала, способствует парниковому эффекту двумя способами. Углерод, содержащийся в срубленных деревьях, возвращается в углеродный цикл, и деревья больше не способны удалять углекислый газ из атмосферы посредством фотосинтеза. (3)

1.2.          Факторы среды

Таблица 1.

Факторы среды, влияющие на интенсивность фотосинтеза

Температура - фотосинтез чувствителен к более высоким температурам, поскольку высокие температуры вызывают задержку белков.

8

Интенсивность света - фиолетовые и синие лучи спектра способствуют более интенсивному протеканию фотосинтеза, формируются более крепкие саженцы.

Содержание СО₂ в воздухе - обогащение воздуха этим газом увеличивает урожай в 2-2,5 раза.

Минеральное питание - необходимо для формирования фотосинтетического аппарата (пигментов, хлоропластов, структурных и транспортных белков), а также для его обновления и функционирования.

Влажность - с помощью опытов установлено, что интенсивность фотосинтеза понижается в сухом воздухе и повышается во влажном.

Отток ассимилянтов - процесс синтеза соединений с образованием энергии, необходимой для фотосинтеза.

Содержание хлорофилла - высокое содержание этого пигмента позволяет растениям синтезировать больше органических веществ.

Возраст листа - в ходе роста листа интенсивность фотосинтеза увеличивается, после окончания роста листа она постепенно снижается.

Степень открытости устьиц - устьица контролируют приток углекислого газа и позволяют выходить избытку кислорода.

Хлорофилл — это зеленый пигмент, присутствующий в листьях. Он поглощает солнечную энергию, которая помогает преобразовывать CO₂ и O_2. Таким образом, его концентрация напрямую влияет на скорость фотосинтеза.

Ассимилянты — это сложные органические соединения, образующиеся в растении благодаря процессу фотосинтеза.

Устьица — это небольшие поры, расположенные на поверхности листьев и стеблей растений, облегчающие газообмен. (4)

9

2. Исследование

1.3.          План проведения исследования

1.     Высадить два ростка герани в идентичные условия, но с разным содержанием CO₂.

2.     Собрать герметичную установку для одного ростка герани.

3.     Установить источник CO₂ к установке

4.     Следить за питанием и ростом растений.

5.     Периодически измерять концентрацию CO₂ внутри установки.

6.     По окончании эксперимента взвесить опытные растения и сделать вывод о том, как концентрация CO₂ повлияла на интенсивность фотосинтеза.

1.4.          Оборудование

Источник углекислого газа:

Реакция между мрамором и раствором соляной (или лимонной) кислоты.

Нормальным содержанием углекислого газа для растений является диапазон от 1200 до 1500 ppm.

10

Датчик двуокиси углерода — это датчик, предназначенный для определения концентрации углекислого газа в окружающем воздух.

Рис. 3. Цифровой датчик двуокиси углерода

Измерения выполняются с помощью программы МyLab. Для начала измерения необходимо подключить датчик к ноутбуку, с установленной программой. После войти в приложение MyLab, выбрать раздел “Биология” и датчик сразу же начнет измерение.

Измерение производится в такой единице измерения, как ppm (или миллионная доля - единица измерения концентрации и других относительных величин, аналогична по смыслу проценту, представляет собой одну миллионную долю).

На практике, если датчик СО₂ показывает 1 ppm, то значит, что в 1 м³ воздуха содержится 1 см³ углекислого газа.

11

1.5.          Подготовка

Посадка растений:

  Рис. 4. Посадка растений

1.     В горшки засыпали дренаж на 3-5 см

2.     Засыпали землю

3.     Полили почву

4.     Ростки поместили в готовые лунки

5.     Присыпали землей

6.     Утрамбовали

Подготовка экспериментальной установки:

1.     В стеклянную камеру с крышкой поместили одно растение.

2.     По периметру обклеили гелевым скотчем (для герметичности и большей надежности).

3.     Подвели к установке трубку для подачи воды, трубку для подачи углекислого газа и провод от датчика двуокиси углерода.

12    

Рис. 5. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка в сборе состоит из:                                          

  Рис. 6. Начало эксперимента     

1.     Цветка, расположенного внутри стеклянной камеры.

2.     Цветка, расположенного в комнатных условиях.

3.     Колбы, внутри которой происходит непрерывная реакция.

4.     Датчика двуокиси углерода.

13

2.       Эксперимент

12.03.2024

Содержание CO₂ в окружающей среде - 990ппм.

Внутри установки - 1420ппм.

Норма - 1200-1500ппм.

13.03.2024

Содержание CO₂ внутри установки 5000ппм. Снизили до нормы.

15.03.2024

Содержание внутри установки упало до 900ппм.

Добавили мрамор и увеличили концентрацию раствора соляной кислоты.

22.03.2023

Полностью стабилизировали подачу углекислого газа.

10.04.2024

Изменили раствор соляной кислоты на раствор лимонной кислоты. Содержание CO₂ внутри установки стабильное.

19.04.2024

Провели первое сравнение внешних характеристик растений.

Продолжаем эксперимент.

19.04.2024

Провели второе сравнение внешних характеристик растений. Продолжаем эксперимент.

03.05.2024

Окончили эксперимент. Провели последние сравнения внешних характеристик.

14

Внешний вид растений 19 апреля

.

Дневник наблюдений

Таблица 2.

15

3.        Заключение

Выводы:

1.                 Первоначально растения, высаженные в разных условиях, имели одинаковую зеленую массу и размеры. В процессе эксперимента растения в несколько раз увеличили свои размеры.

2.                 По всем критериям наблюдения растение, растущее в условиях повышенного содержания углекислого газа, имеет более развитую зеленую массу, большую площадь и количество листьев.

3.                 Интенсивность фотосинтеза в камере с повышенным содержанием углекислого газа, куда было помещено первое растение оказалась выше, чем у растения, растущего в обычных атмосферных условиях.

Таким образом, можно констатировать подтверждение нашей гипотезы и интенсивность процесса фотосинтеза у растений находится в прямой зависимости от содержания углекислого газа в воздухе.

Рекомендации

Рекомендуем людям выращивающим культурные растения в условиях теплицы для повышения урожайности обогащать воздух углекислым газом.  

Для этих целей можно использовать известняк и лимонную кислоту.

16

Литература и источники

1.     Что такое фотосинтез/Почему фотосинтез важен для планеты/Световая фаза фотосинтеза//Текст: электронный//FOXFORD.RU: онлайн школа для учеников 1-11 класса//URL:Что такое фотосинтез: что происходит в растении в процессе фотосинтеза, строение хлоропластов — что выделяется в световую и темновую фазу (foxford.ru)

2.     Фотосинтез и хемосинтез/Фотосинтетические пигменты/Темновая фаза фотосинтеза//Текст: электронный//FOXFORD.RU: онлайн школа для учеников 1-11 класса//URL:Фотосинтез и хемосинтез • Биология, Растения и грибы • Фоксфорд Учебник (foxford.ru)

3.     Парниковый эффект и фотосинтез/Воздействие на окружающую среду/Круговорот углерода//Текст: электронный//SCIENCING.COM: Портал о науке и технологиях//URL: https://sciencing.com/greenhouse-effect-photosynthesis-3174.html

4.     Парниковый эффект//Причины возникновения парникового эффекта//Парниковые газы// Текст: электронный//RG.RU: Российская общественно-политическая газета//URL:Парниковый эффект: причины, последствия, парниковые газы - Российская газета (rg.ru)

17

Скачано с www.znanio.ru