Цель: познакомить учащихся с понятием фотосинтез, фазами фотосинтеза, хемотрофы, фототрофы, фотолиз воды, серобактерии, хемосинтез.

Задачи:

-         Расширить и углубить знания об группах организмов в зависимости от типа питания, о способах получения органических веществ клеткой, о группах гетеротрофных организмов и особенностях их питания, фазах фотосинтеза и хемосинтеза.

-         Формировать научное мировоззрение, профориентация.

-         Развитие  воображения, логического мышления, памяти, формирование межпредметных связей.

Методы и методические приемы: рассказ с элементами беседы, демонстрация, беседа.

Оборудование: доска, таблицы, рисунки учебника.

                      Ход урока.

1)    Проверка домашнего задания.

* К какой группе организмов по типу питания относится человек?

* Отличие гетеротрофов от автотрофов?

* Докажите на примере, что гетеротрофные организмы находятся в прямой зависимости от продуктов фотосинтеза?

* Какой способ питания характерен для бактерий?

* Этапы энергетического обмена.

·        Виды автотрофных организмов.

·        Виды гетеротрофных организмов.

2)    Объяснение нового материала:

1.    История открытия фотосинтеза :

В 1961 г. М.Кэлвину была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследование усвоения двуокиси углерода растениями». В общей сложности исследования в этом направлении ученым проводились порядка 20 лет, начиная с 1946 г. К 1956 г. им была окончательно сформирована циклическая схема процесса фотоассимиляции СО₂ при фотосинтезе, выяснена природа акцептора и первого промежуточного продукта в этом процессе.
История открытия фотосинтеза – процесса, благодаря которому зеленое растение за счет энергии солнечного света создает из неорганических соединений – углекислого газа и воды – органические соединения, – насчитывает более 200 лет.

К истории проблемы фотосинтеза

Уже во времена античности рядом натурфилософов высказывались мысли, что растения получают пищу из почвы. Наиболее четко эти представления были сформулированы в трудах Аристотеля (IV в. до н. э.) и практически без ревизии просуществовали до начала XVII в., пока в 1600–1605 гг. голландский естествоиспытатель Я. ван Гельмонт не поставил свой знаменитый опыт с выращиванием ивы. Он высказал идею о том, что все питательные вещества растения получают из воды.
В начале XVIII в. английский химик С.Гейлс и несколько позже российский ученый М.В.Ломоносов предположили, что растения получают питательные вещества из воздуха.
В 1771 г. английский химик Дж.Пристли поставил свой классический эксперимент: в замкнутом пространстве, где горит свеча, «портится воздух», а растение его «очищает». Ему впервые удалось обнаружить, что на свету растения выделяют кислород. Именно опыт Пристли ознаменовал собой начало экспериментальных исследований фотосинтеза.
Вскоре прямыми экспериментами нидерландского врача Я.Ингенхауза было показано, что растение выделяет кислород при освещении, а в темноте его поглощает. Швейцарский естествоиспытатель Ж.Сенебье, известный как один из первых исследователей фотохимического действия света, установил, что при этом растение поглощает углекислоту (распространенное название диоксида углерода) и выделяет кислород. Почти через 50 лет после опытов Пристли наконец-то было выделено зеленое начало растений – хлорофилл¹ (французскими химиками П.Ж.Пельтье и Ж.Б.Каванту, 1818 г.).
Большой вклад в выяснение механизма использования растением солнечной энергии и роли в этом процессе пигмента хлорофилла был внесен русским ученым К.А.Тимирязевым во второй половине XIX в. Тимирязев распространил закон сохранения энергии на органический мир – на растение, показав соответствие между поглощением света и производимой им химической работы. Он первым связал фотосинтез с фотосенсибилизацией², когда свет, поглощенный окрашенным хлорофиллом, используется для превращения неокрашенных воды и углекислоты.
Уже к 1870-м гг. было установлено, что основными веществами, образующимися в процессе фотосинтеза, являются углеводы (сахара и преимущественно крахмал). Но о путях их синтеза было известно очень мало. Дело в том, что эти процессы в растительном организме происходят очень быстро и промежуточные продукты плохо уловимы. Предположение известного немецкого ученого Ю.Либиха о том, что в синтезе углеводов участвует ряд органических кислот, сменила гипотеза А.Байера, имевшая долгое время широкое распространение, согласно которой углекислота на первом этапе фотосинтеза восстанавливается до формальдегида, который и превращается в сахара. Это соответствовало стехиометрии взаимодействия воды и углекислоты с выделением кислорода:

СО₂ + Н₂О = HCOH + O₂.

Подобные взгляды излагались в учебниках практически до начала 1940-х гг., пока применение углекислоты, меченной изотопами углерода, не внесло ясность в эту проблему.
Следует заметить, что важным этапом в развитии взглядов на процесс ассимиляции углекислоты и фотосинтез в целом являлись работы американского ученого Ван-Ниля, проведенные на фототрофных бактериях³ (1930-е гг.). Из полученных им данных следовало, что фотосинтез является окислительно-восстановительным процессом, при котором углекислота восстанавливается за счет водорода воды и, возможно, других субстратов. Таким образом, приведенное выше как основное уравнение процесса фотосинтеза отражает лишь его частный случай. В более общем виде применительно к фототрофным растениям и бактериям, фиксирующим углекислоту, этот процесс должен быть выражен другим уравнением:

СО₂ + 2Н₂А + свет = (HCOH) + Н₂О + 2А,

где Н₂А – донор водорода (электрона), (HCOH) – символ образуемых органических веществ.
Несколько позднее ученые Г.Фоглер и Т.Умбрайт показали, что ассимиляция углекислоты бактериями Thiobacillus thiooxidans связана с метаболизмом фосфора. Авторы высказали предположение, что важную роль в этом случае при усвоении углекислоты играет АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Эту точку зрения другие исследователи попытались распространить и на фотоассимиляцию растениями СО_2, но принята она была не сразу.
Указанные работы в значительной степени стали тем фундаментом, на котором смог позднее создать свою теорию усвоения углекислого газа в процессе фотосинтеза Кэлвин с сотрудниками.

2.    Обмен веществ. Световая фаза фотосинтеза.

Важнейшее свойство живых организмов - обмен веществ. Любой живой организм - открытая система, которая потребляет из окружающей среды различные вещества и использует их в качестве строительного материала, или как источник энергии и выделяет в окружающую среду продукты жизнедеятельности и энергию.

Совокупность реакций обмена веществ, протекающих в организме, называется метаболизмом, состоящим из взаимосвязанных реакций ассимиляции (пластического обмена, анаболизма) и реакций диссимиляции (энергетического обмена, катаболизма). Ассимиляция - совокупность реакций биосинтеза, протекающих в клетке, диссимиляция - совокупность реакций распада и окисления высокомолекулярных веществ, идущих с выделением энергии. Эти две группы реакций взаимосвязаны, реакции биосинтеза невозможны без энергии, которая выделяется в реакциях энергетического обмена, реакции диссимиляции не идут без ферментов, образующихся в реакциях пластического обмена.

Для поддержания различных процессов жизнедеятельности, например: для движения, для биосинтеза различных органических соединений; для поглощения веществ - организму необходима энергия. Одна группа организмов (фотоавтотрофы) использует солнечную энергию, вторая группа (хемоавтотрофы) использует энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ, третья группа организмов (хемогетеротрофы) окисляет органические вещества и использует выделяющуюся при этом энергию. Если организмы в зависимости от условий ведут себя как авто- либо как гетеротрофы, то их называют миксотрофами.

Метаболизм авто- и гетеротрофов различается. В качестве источника углерода автотрофы используют неорганические вещества (СО2), а гетеротрофы - органические. Различны и источники энергии: у автотрофов - энергия солнечного света или энергия, выделяющаяся при окислении неорганических соединений, у гетеротрофов - энергия окисления органических веществ. Фотосинтез - процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды за счет энергии све-та, при этом выделяется кислород.

6СО2 + 6Н2О + Q света С2Н12О6 + 6О2

Главным органом фотосинтеза является лист, в клетках которого имеются специализированные органоиды, ответственные за фотосинтез - хлоропласты.

В процессе фотосинтеза различают две фазы: световую и темновую. Световая фаза происходит только на свету в мембранах тилакоидов. Тилакоид представляет собой уплощенный мешочек, образованный мембрана-ми, содержащими молекулы хлорофилла, белки цепи переноса электронов и особые ферменты - АТФ-синтетазы.

Молекулы хлорофилла в мембранах тилакоидов организованы в фотосистемы, содержащие около 300 молекул. Более древняя фотосистема появилась у фотосинтезирующих бактерий - фотосистема-1, она способна отбирать электроны и протоны у сероводорода, при этом не происходит выделения О2:

СО2 + 2Н2S + световая энергия (СН2О) + Н2О + 2S

У сине-зеленых водорослей, а затем у всех настоящих растений, кроме фотосистемы-1, появляется фото-система-2, способная разлагать воду с выделением О2, способная отбирать электроны у водорода воды:

СО2 + 2Н2О + световая энергия (СН2О) + Н2О + О2

Под действием энергии кванта света электроны хлорофилла возбуждаются, покидают молекулу и попадают на внешнюю сторону мембраны тилакоида, которая в итоге заряжается отрицательно. Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, разлагая воду - отбирая электроны у водорода воды с помощью особого фермента, связанного с фотосистемой-2. Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются в "протонном резервуаре". Когда разность потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны тилакоида достигает 200 мВ, срабатывает фермент АТФ-синтетаза, протоны проталкиваются через его канал и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ, а атомарный водород идет на восстановление специфического переносчика НАДФ+ до НАДФ·Н2.

Таким образом, в световую фазу происходит фотолиз воды, который сопровождается тремя важнейшими процессами: 1 - образованием кислорода; 2 - образованием АТФ; 3 - образованием НАДФ·Н2.

3.    Темновая фаза фотосинтеза. Хемосинтез.

Темновая фаза протекает в другое время и в другом месте - в строме хлоропласта. Для ее реакций не нужна энергия света. Происходит фиксация углекислого газа, содержащегося в воздухе, причем акцептором углекислого газа является пятиуглеродный сахар рибулозобисфосфат.

Мелвин Кальвин, лауреат Нобелевской премии, показал, как происходит образование углеводов в темно-вую фазу фотосинтеза. Фермент РиБФ-карбоксилаза (самый распространенный в мире фермент) катализирует реакцию карбоксилирования рибулозобисфосфата с образованием 6-углеродного соединения. Затем происхо-дит цикл реакций, в которых через ряд промежуточных продуктов происходит образование глюкозы. В этих реакциях используется энергия АТФ и НАДФ·Н2, образованных в световую фазу, цикл этих реакций получил название "цикл Кальвина".

6СО2 + 24Н + АТФ С6Н12О6 + 6Н2О

Кроме глюкозы, в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений - аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды.

Благодаря фотосинтезу, ежегодно из атмосферы поглощаются миллиарды тонн углекислого газа, выделяются миллиарды тонн кислорода, фотосинтез является основным источником образования органических веществ. Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

При фотосинтезе зеленый лист использует лишь около 1% падающей на него солнечной энергии, продуктивность составляет около 1 г органического вещества на 1 м.2 поверхности в час. Кроме процесса фотосинтеза, в листьях протекает и противоположный процесс - дыхание, при котором поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Но при фотосинтезе выделяется кислорода в 20 - 30 раз больше, чем поглощается при дыхании.

Существует группа хемоавтотрофных организмов, использующих неорганический источник углерода и энергию окисления неорганических соединений. К ним относятся: нитрифицирующие бактерии, окисляющие аммиак до нитритов и нитратов: NH3 > NO2- > NO3-; полные уравнения:

2NH3 + 3О2 > 2НNO2 + 2Н2О + Энергия;

2НNO2 + О2 > 2НNO3 + Энергия

Железобактерии окисляют закисное железо в окисное: Fe2+ > Fe3+ + Энергия; серобактерии окисляют сероводород до серы или до серной кислоты: Н2S+1/2O2 > S+H22O + Энергия; H22S+2O2 > H2SO4 + Энергия. Хемо-синтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере, обеспечивая круговорот азота, серы.

Закрепление нового материала:

Заполнить таблицу:

Характеристика фотосинтеза

3)     Домашнее задание: & 2.11, вопросы после параграфа.