Творческая работа учащегося по теме: "Исследование влияния комнатных растений на содержание углекислого газа в воздухе учебных аудиторий"

Введение Человек без пищи может прожить несколько недель, без воды несколько дней,   а   без   воздуха   несколько   минут.   Химический   состав   воздуха   имеет большое значение в жизни человека. Одним из показателей состава воздуха является содержание в нем углекислого газа СО2. Данная величина зависит от многих   факторов.   Например,   в   помещениях   ­   от   количества   комнатных растений. Всем   известно,   что   в   светлое   время   суток   (днем)   в   клетках   зеленых растений   протекает   процесс   фотосинтеза,   т.е.   происходит   поглощение углекислого газа и выделение кислорода. Однако, не все из нас помнят, что в темное время суток (ночью) в клетках зеленых растений протекает процесс дыхания (как у человека), т.е. происходит поглощение кислорода и выделение углекислого газа. Поэтому   для   своей   исследовательской   работы   я   выбрал   тему: «Исследование влияния комнатных растений на содержание углекислого газа в воздухе учебных аудиторий» Для реализации темы работы я поставил следующие задачи: 1. Изучить   научную   и   дополнительную   литературу   о   процессах фотосинтеза и дыхания в клетках зеленых растений. 2. Провести исследование по определению содержания углекислого газа в воздухе учебных аудиторий. 3. Установить, как изменяется концентрация углекислого газа в учебных аудиториях в зависимости от времени суток, т.е. днем и ночью. 3 1. Основная часть 1.1 Появилось чудо Чудо, как и положено, было морское, зеленое, имело большую голову и длинный хвост. Появилось чудо (молекула) в некоторых клетках; состояло оно из атомов углерода и азота, соединённых в сложное кольцо (Приложение 1). Кроме того, в центре кольца находился атом магния — голова, а ещё в молекулу входил спирт фитол, включающий цепь из 20 углеродных атомов — хвост.   Соединение   было   названо   хлорофиллом   (от   греч.   «хлорос»   — «зелёный» и «филон» — «лист»). Появление хлорофилла вызвало на Земле настоящую биохимическую революцию. При   участии   этого   пигмента   обыкновенная   вода   могла   на   свету разлагаться   на   ионы   водорода   и   молекулярный   кислород.   В   результате атмосфера насытилась кислородом. Большинство анаэробных организмов, для которых   кислород   оказался   ядом,   погибли,   зато   начали   появляться   новые аэробные,   научившиеся   использовать   именно   кислород   для   образования жизненной   энергии.   Постепенно   они   завоевали   всю   планету   и   успешно существуют до сих пор. Кислород до неузнаваемости изменил атмосферу: метан он превратил в углекислый газ, а, окисляя аммиак, обеспечил появление в воздухе огромного количества   азота.   Рыхлая   оболочка   Земли   стала   плотной,   состоящей   из кислорода и азота более чем на 80 %. Под действием  солнечного света в верхних слоях атмосферы образовался так называемый озоновый слой, или экран,   который   стал   активно   поглощать   излучаемый   ультрафиолет.   Жизнь начала бурно развиваться в гораздо более безопасной среде. Путь на сушу открылся для множества организмов. Но фотолиз (от  греч. «фотос» — «свет»  и «лизис» — «разложение») воды  —  лишь   один  из  многих   этапов  главного   процесса,   героем  которого 4 является хлорофилл. Этот процесс впоследствии назвали фотосинтезом (от греч.   «фотос»   —   «свет»   и   «сиптезис»   —   «соединение»).   Благодаря   ему организмы научились за считанные минуты и часы осуществлять то, над чем эволюция планеты трудилась как минимум сотни миллионов лет. Им удалось на основе поглощаемого из воздуха углекислого газа и воды с растворёнными в   ней   простыми   минеральными   соединениями   создавать   бесчисленное многообразие органических веществ. При этом лучистая солнечная энергия преобразовывалась в энергию химических связей. На земном шаре появилась армия   зелёных   «счастливчиков»   —   растений.   Увеличивать   массу   тела   и размножаться они могли без помощи каких­либо других организмов — живых, мёртвых   или   их   органических   остатков.   Углекислый   газ,   минеральные вещества, вода и свет — вот рацион, достаточный для того, чтобы расти и создавать следующие поколения. 1.2 Молекулярная основа процесса фотосинтеза Фотосинтез   это   процесс   поглощения   организмами   световой   солнечной энергии и преобразования ее в химическую энергию.  При фотосинтезе (Приложение 2) под действием света с обязательным участием   пигментов   (хлорофилла   —   у   высших   растений   и бактериохлорофилла — у фотосинтезирующих бактерий) из углекислого газа и воды образуется органическое вещество. У зеленых растений выделяется при этом кислород. Все   фотосинтезирующие   организмы   называются   фототрофами, поскольку для получения энергии они используют солнечный свет. За счет энергии   этого   уникального   процесса   существуют   все   остальные, гетеротрофные организмы на нашей планете (Автотрофы, Гетеротрофы). Процесс   фотосинтеза   идет   в   пластидах   клетки   хлоропластах. Компоненты   фотосинтеза   пигменты   (зеленые   —   хлорофиллы   и   желтые 5 каротиноиды),   ферменты   и   другие   соединения   —   упорядоченно располагаются в мембране тилакоидов или строме хлоропласта. Молекула   хлорофилла   имеет   систему   сопряженных   двойных   связей, благодаря   чему   при   поглощении   кванта   света   она   способна   перейти   в возбужденное   состояние,   т.   е.   один   из   ее   электронов   изменяет   свое положение,   поднимаясь   на   более   высокий   энергетический   уровень.   Это возбуждение   передается   так   называемой   основной   молекуле   хлорофилла, которая способна к разделению заряда: отдает электрон акцептору, который отправляет  его по  системе переносчиков в электронно­транспортную цепь, где электрон отдает энергию в окислительно­восстановительных реакциях. За счет этой энергии протоны водорода «перекачиваются» с внешней стороны мембраны   тилакоидов   на   внутреннюю.   Образуется   разность   потенциалов водородных   ионов,   энергия   которой   идет   на   синтез   АТФ (Аденозинтрифосфорная кислота). Образование АТФ в процессе фотосинтеза называется фотофосфорилированием. Молекула   хлорофилла,   отдавая   электрон,   окисляется.   Возникает   так называемая   электронная   недостаточность.   Чтобы   процесс   фотосинтеза   не прерывался, она должна быть возмещена другим электроном. Откуда же он берется? Оказывается, источник электронов, а также протонов (помните, они создают   разность   потенциалов   по   обе   стороны   мембраны)   —   вода.   Под действием солнечного света, а также с участием особого фермента зеленое растение способно фотоокислять воду: Полученные   таким   образом   электроны   заполняют   электронную недостаточность в молекуле хлорофилла, протоны же идут на восстановление НАДФ (активной группы ферментов, транспортирующих водород), образуя еще один энергетический эквивалент НАДФ­ Н в дополнение к АТФ. Помимо электронов и протонов при фосфоокислении образуется кислород, благодаря 6 которому атмосфера Земли пригодна для дыхания. 7 1.3 Молекулярная основа процесса дыхания Различают внешнее дыхание — совокупность процессов, обеспечивающих поступление в организм кислорода и удаление углекислого газа, и клеточное, или тканевое, дыхание — использование кислорода клетками и тканями для окисления органических веществ с освобождением энергии, необходимой для жизнедеятельности   клеток.   Дыхание   характерно   для   клеток   человека, животных,  растений,  грибов  и  многих   микроорганизмов.  В  зависимости   от типа дыхания различают аэробные и анаэробные микроорганизмы, многие из них способны переходить от одного типа дыхания к другому. У   целого   растения   наиболее   активно   дышат   листья,   стебли,   корни. Повышенная   интенсивность   дыхания   присуща   светолюбивым   растениям,   а также высокогорным растениям, адаптированным к пониженному давлению О2.   Дыхание   усиливается   с   повышением   температуры   окружающей   среды, возрастая   в   2—3   раза   при   потеплении   на   каждые   10°.   Однако,   достигнув определенного максимума, дыхание начинает ослабевать и при температуре 45° практически прекращается. При низких значениях температуры дыхание растений   резко   снижается,   но   в   тканях   их   зимующих   органов   (почки) происходит слабое дыхание. Слабое дыхание наблюдается в семенах, а при прорастании увеличивается в сотни раз. Молекулярная   основа   этих   процессов   —   ступенчатое   окисление углерода   органических   молекул   до   СО2  и   воды.   Свободная   энергия клеточного   топлива   запасается   в   форме   энергии   фосфатных   связей   АТФ (Аденозинтрифосфорная   кислота).   Выделившаяся   энергия   используется клеткой   для   выполнения   работы:   активного   транспорта   веществ   через мембраны, механического движения, синтеза новых соединений и т. д. Процесс дыхания складывается из нескольких этапов (Приложение 3). Сначала   происходит   гидролиз.   Углеводы,   аминокислоты,   жиры   Окисление   начинается   с подвергаются   окислительному   распаду. 8 бескислородного   расщепления   глюкозы   —   гликолиза.   Продукты   обмена гликолиза   включаются   в   так   называемый   цикл   Кребса   —   замкнутый   цикл последовательных   биохимических   реакций.   При   этом   образуются   СО2  и водород (протон + электрон). СО2  выводится из клетки, а водород идет в «дыхательную цепь» — цепь последовательных реакций переноса водорода и электронов. Ферменты, обслуживающие «дыхательную цепь», располагаются на внутренней мембране митохондрий. Энергия, выделяющаяся при переносе водорода и электронов в этой цепи, используется для образования АТФ в ходе окислительного фосфорилирования. Образующиеся внутри митохондрии молекулы АТФ переносятся в цитоплазму, обмениваясь на молекулы АДФ (аденозиндифосфорная кислота), находящиеся вне митохондрии. Аэробные клетки большую часть энергии получают за счет дыхания. Это очень   сложный,   но   наиболее   экономичный   путь.   При   окислении   глюкозы освобождается энергии в 13 раз больше, чем при анаэробном расщеплении. При   бескислородном   расщеплении   1   молекулы   глюкозы   синтезируются   2 молекулы   АТФ,   а   при   расщеплении   1   молекулы   глюкозы   в   присутствии кислорода образуется 36 молекул АТФ, т. е. в 18 раз больше! 1.4 Фотосинтез и дыхание Жизнь   на   Земле   в   наше   время   в   энергетическом   смысле   зависит   в конечном счете от Солнца. При фотосинтезе солнечная энергия запасается в результате   образования   новых   связей   в   молекулах   синтезируемых питательных   веществ.   Исходными   соединениями   для   фотосинтеза   служат простые   бедные   энергией   неорганические   вещества   ­   двуокись   углерода   и вода. Из этих простых соединений строятся более сложные богатые энергией питательные   вещества.   В   качестве   побочного   продукта   фотосинтеза   осуществляющие образуется   молекулярный   кислород. фотосинтез, принято называть автотрофами («самопитающимися»), поскольку   Организмы, 9 для   удовлетворения   своих   потребностей   в   энергии   они   не   нуждаются   в получении питательных веществ от каких­нибудь других организмов. Среди бактерий есть и такие автотрофы, для которых источником энергии служат различные   химические   реакции.   Однако   их   вклад   в   синтез   питательных веществ   на   Земле   ничтожен,   поскольку   имеющиеся   в   их   распоряжении ресурсы химической энергии крайне малы по сравнению с огромным потоком солнечной энергии, изливающимся на Землю. При клеточном дыхании происходит расщепление питательных веществ и выделяется запасенная в них энергия, так что клетка может использовать ее для выполнения  различной  работы. У  автотрофных организмов  в  процессе дыхания   расщепляются   те   питательные   вещества,   которые   в   них   же   и синтезировались. Организмы, неспособные создавать свою собственную пищу, вынуждены   получать   ее   от   других   организмов;   их   называют   поэтому гетеротрофами («питающимися за счет других»). Для полного расщепления питательных веществ при дыхании необходим кислород.  Конечными   продуктами   дыхания   являются   двуокись   углерода   и вода   плюс   высвободившаяся   энергия   (живым   организмам,   разумеется,   не очень выгодно, что энергии высвобождается гораздо меньше, чем ее было в свое   время   запасено   в   процессе   фотосинтеза).   Эти   конечные   продукты дыхания служат исходными соединениями для фотосинтеза. Поэтому можно сказать, что дыхание в конечном счете сводит работу фотосинтеза на нет. С одной,   впрочем,   важной   оговоркой:   количество   полезной   энергии, извлеченной   в   процессе   дыхания,   оказывается   гораздо   меньше   количества солнечной энергии, уловненной в процессе фотосинтеза. Поток   вещества   (черные   стрелки)   и   энергии   (цветные   стрелки)   в биосфере (Приложение 4). Зеленые растения улавливают лучистую энергию Солнца и используют ее для того, чтобы синтезировать из воды и двуокиси углерода   питательные   вещества,   в   первую   очередь   глюкозу.   В   качестве 10 побочного продукта фотосинтеза выделяется молекулярный кислород (О2). Все организмы для получения энергии расщепляют органические соединения в процессе клеточного дыхания. При дыхании потребляется О2 и образуются СО2  и   вода,   которые   могут   быть   вновь   использованы   для   фотосинтеза. Вещество может совершать такой круговорот сколь угодно долго, вовлекаясь попеременно то в фотосинтез, то в дыхание. 11 2. Практическая часть Исследование влияния комнатных растений на содержание углекислого газа в воздухе учебных аудиторий Цель:  рано   утром   провести   исследование   по   сравнению   содержания углекислого газа в составе воздуха учебных аудиторий. Оборудование и реактивы: линейка, карандаш, шприц вместимостью 20 мл, колба плоскодонная 50 мл с резиновой пробкой (внутри игла от шприца); раствор аммиака — 25%, этиловый спирт, фенолфталеин. Приготовление рабочих растворов: а) 1% раствор фенолфталеина ­ один грамм фенолфталеина растворяют в 80 мл этанола и доводят до 100 мл водой; б) поглотительный раствор ­ к 500 мл дистиллированной воды добавляют 0,04   мл   25%   раствора   аммиака   и   одну   или   две   капли   1%   раствора фенолфталеина. 1. Выбор 2­х учебных аудиторий Ход работы. Мною были выбраны аудитории № 153 В – кабинет химии и биологии и №   133   В   –   кабинет   немецкого   языка.   Эти   кабинеты   имеют   одинаковую площадь и по отношению к сторонам света расположены тоже одинаково. 2. Вычисление площади поверхности листьев комнатных растений, находящихся в кабинетах № 153 В и № 133 В. Методика:  Для   вычисления   площади   поверхности   листьев   комнатного   растения сначала   линейкой   измеряют   длину   и   ширину   самого   большого   и   самого маленького листьев. Причем длину измеряют, отступая от краев листа на 1 см.   Затем   вычисляют   среднюю   площадь   2­х   листьев   и   умножают   на количество листьев данного комнатного растения. 12 Полученные результаты: Кабинет немецкого языка Кабинет химии и биологии № 133 В № 153В Таблица 1 Название растения Молочай Сансевьера (3) Спатифиллум Толстянка (2) Традесканция (2) Хлорофитум (5) 14 цветов S в см2 S в м2 Название растения 497 20441 563 782 248 1086 Драцена Лилия 0,5 20,44 0,56 Молочай Плющ (2) 0,78 0,25 Папоротник (3) Сансевьера (2) 1,1 Спатифиллум Фикус (2) Хлорофитум (4) Эвкалипт 18 цветов 23,63 S в см2 4359 222 6552 3320 1574 19528 738 6997 1407 441 S в м2 4,36 0,22 6,55 3,32 1,57 19,53 0,74 7,0 1,4 0,44 38,13 Вывод: В   результате   представленных   измерений   установлено,   что   площадь поверхности листьев комнатных растений в учебном кабинете № 153 В в 1,6 раза   больше,   чем   площадь   поверхности   листьев   комнатных   растений   в учебном кабинете № 133 В. 3. Сравнение содержания углекислого газа СО2 в учебных аудиториях № 133 В и №153 В Методика:  В   колбу   наливают   10   мл   поглотительного   раствора   и   закрывают резиновой пробкой, которую заранее прокалывают иглой от шприца. Воздух забирают шприцом до метки 20 мл и под давлением вводят через иглу в колбу с   поглотительным   раствором.   Не   отпуская   поршня,   колбу   энергично взбалтывают до поглощения углекислого газа из воздуха. Эти манипуляции 13 проводят   до   начала   (или   полного)   обесцвечивания   раствора.   Записывают количество шприцев, пошедших на обесцвечивание раствора. В основу определения положена химическая реакция: NH4OH + CO2 = NH4HCO3 При   пропускании   углекислого   газа   через   поглотительный   раствор концентрация   аммиачного   раствора   уменьшается,   поэтому   фенолфталеин обесцвечивается. Полученные результаты: Таблица 2 Кабинет № 133 В № 153 В Объем воздуха (количество шприцов) После занятий 15.00. До занятий 7.00. 120 мл (6) 180 мл (9) 180 мл (9) 280 мл (14) Вывод: По результатам измерений установлено следующее: 1. Концентрация   углекислого   газа   в   учебных   аудиториях   находится   в противоположной   зависимости   от   площади   поверхности   листьев комнатных растений, находящихся в кабинете. 2. Концентрация углекислого газа в учебных аудиториях в ночное время суток не уменьшается, а увеличивается. 14 Заключение Итак,   два   противоположных   процесса   –   фотосинтез   и   дыхание поддерживают   на   нашей   планете   равновесие,  необходимое   для   жизни   всех живых   организмов.   Они   вовлекают   в   круговорот   множество   элементов   и химических веществ. Квадратный   метр   поверхности   листьев   в   течение   одного   часа продуцирует около одного грамма сахара; это значит, что все растения, по приблизительной оценке, изымают из атмосферы от 100 до 200 млрд. тонн С в год. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется 150 млрд. тонн органического   вещества   и   выделяется   около   200   млн.   тонн   свободного кислорода, в результате процесса дыхания поглощается кислорода гораздо меньше.   Благодаря   этому   мы   имеем   на   Земле   атмосферу   пригодную   для жизни. Работая над темой своей работы, я изучил дополнительную литературу, научился работать с новой информацией, проводить исследования и делать выводы. Считаю, что все поставленные задачи, я выполнил успешно. В   дальнейшем   хочу   продолжить   работу   над   этой   темой.   Например, провести дополнительные исследования о влиянии содержания углекислого газа в учебных аудиториях на успеваемость учащихся­кадетов и представить результаты на итоговой аттестации. 15 Список литературы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Биология. Справочник школьника. / Сост. З.А. Власова. – М.: Филолог, «Слово», 2001. Грин Н., Стаут У. Биология: В 3­х т. Т.1.: Пер. с англ. / Под ред. Р. Сопера. – М.: Мир, 1999. Кемп П., Армс К. Введение в биологию: Пер. с англ. – М.: Мир, 1999. Энциклопедия для детей. Т. 2. Биология. – 5­е изд. / Глав. ред. М.Д. Аксенова. – М.: Аванта +, 1999. Таршис   Л.Г.,   Таршис   Г.И.   Словарь   –   справочник   по   биологии   для школьников. – Екатеринбург, У­Фактория, 2003. Энциклопедический словарь юного биолога. / Сост. М.Е. Аспиз. – М.: Педагогика, 2000. Ресурсы Internet 16