Fotosinteza â Fotosinteza â
Fotosinteza â Fotosinteza â Fotosinteza â Fotosinteza â
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006 Fotosinteza Fotosinteza – učenčeva nočna mora ali učiteljev skriti zaklad? Barbara Vilhar Univerza v Ljubljani Biotehniška fakulteta Oddelek za biologijo barbara.vilhar@bf.uni-lj.si http://botanika.biologija.org • kaj je fotosinteza • povezave z učnimi temami • delavnica Program za učitelje naravoslovja, Rogaška Slatina, 19. februar 2006 Kakšne barve so Zemljani? Ali so Zemljani zeleni? Zemljani so zelo zeleni. Zakaj so Zemljani tako zeleni? Kaj je to - klorofil? Zemljani opravljajo fotosintezo, pri čemer uporabljajo zeleno barvilo klorofil. R = -CH 3 : klorofil a R = -CHO: klorofil b 6CO 2 + 6H 2 O + svetloba klorofil C 6 H 12 O 6 + 6O 2 (sladkor) Kaj ta kemijska enačba pravzaprav pomeni? Richard Willstätter (1872-1942) Nobelova nagrada za kemijo 1915 “za raziskave rastlinskih barvil, predvsem klorofila” Hans Fischer (1881-1945) Nobelova nagrada za kemijo 1930 “za raziskave zgradbe hemina in klorofila in predvsem za sintezo hemina” 1
- Page 2 and 3: Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitel
- Page 4 and 5: Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitel
- Page 6 and 7: Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitel
- Page 8 and 9: Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitel
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
<strong>Fotosinteza</strong><br />
<strong>Fotosinteza</strong> –<br />
učenčeva nočna mora<br />
ali učiteljev skriti zaklad?<br />
Barbara Vilhar<br />
Univerza v Ljubljani<br />
Biotehniška fakulteta<br />
Oddelek za biologijo<br />
barbara.vilhar@bf.uni-lj.si<br />
http://botanika.biologija.org<br />
• kaj je fotosinteza<br />
• povezave z učnimi temami<br />
• delavnica<br />
Program za učitelje naravoslovja, Rogaška Slatina, 19. februar 2006<br />
Kakšne barve so Zemljani?<br />
Ali so Zemljani zeleni?<br />
Zemljani so zelo zeleni.<br />
Zakaj so Zemljani tako zeleni?<br />
Kaj je to - klorofil?<br />
Zemljani opravljajo fotosintezo,<br />
pri čemer uporabljajo zeleno barvilo klorofil.<br />
R = -CH 3 : klorofil a<br />
R = -CHO: klorofil b<br />
6CO 2 + 6H 2 O + svetloba<br />
klorofil<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
(sladkor)<br />
Kaj ta kemijska enačba pravzaprav pomeni?<br />
Richard Willstätter (1872-1942)<br />
Nobelova nagrada za kemijo 1915<br />
“za raziskave rastlinskih barvil,<br />
predvsem klorofila”<br />
Hans Fischer (1881-1945)<br />
Nobelova nagrada za kemijo 1930<br />
“za raziskave zgradbe hemina in klorofila<br />
in predvsem za sintezo hemina”<br />
1
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
Zakaj je klorofil zelen?<br />
Kje je v listu nameščen klorofil?<br />
svetlobni mikroskop<br />
Relativna absorpcija<br />
klorofil<br />
?<br />
400 500 600 700<br />
Valovna dolžina (nm)<br />
kloroplast: izraz skovan 1885<br />
delavnica<br />
Kako je zgrajen kloroplast?<br />
Kaj se dogaja na membrani kloroplasta?<br />
zunanja membrana<br />
notranja membrana<br />
dvojna<br />
membrana<br />
?<br />
NADPH<br />
* * * *<br />
stroma<br />
skladovnica<br />
membranskih vreč<br />
membrana<br />
klf klf klf<br />
elektronski mikroskop<br />
Allen (2003) Trends in Plant Science 8: 15-19<br />
Nobelova nagrada za kemijo 1988:<br />
Johann Deisenhofer, Robert Huber in Hartmut Michel<br />
za ugotovitev tridimenzionalne zgradbe fotosinteznega reakcijskega centra<br />
?<br />
Barber in sod. (2004) Science 303: 1831-1838<br />
Melvin Calvin<br />
(1911-1997)<br />
Nobelova nagrada za kemijo<br />
1961<br />
2
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
Kako poteka fotosinteza?<br />
kloroplast klorofil<br />
6CO 2 + 6H 2 O + svetloba C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
zunanja membrana<br />
notranja membrana<br />
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?<br />
kloroplast<br />
6CO 2 + 6H 2 O + svetloba<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
svetlobna<br />
energija<br />
CO 2 O 2<br />
H 2 O<br />
sladkorji<br />
Calvinov<br />
cikel<br />
sinteza ogljikovih hidratov<br />
sladkorji<br />
reakcije pretvorbe energije reakcije vezave ogljika<br />
(tilakoidna membrana) (stroma)<br />
fotosinteza<br />
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?<br />
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?<br />
celična stena<br />
(celuloza)<br />
plazmalema<br />
kloroplast<br />
mitohondrij<br />
plazmodezme<br />
vakuola<br />
jedrce<br />
jedro<br />
peroksisom<br />
gladki ER<br />
kloroplast<br />
6CO 2 + 6H 2 O + svetloba<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
mitohondrij<br />
6CO 2 + 6H 2 O + energija (ATP)<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
CO 2 O 2<br />
H 2 O<br />
sladkorji<br />
O 2 CO<br />
sladkorji<br />
2<br />
H 2 O<br />
amiloplast<br />
Golgijevo telesce<br />
grobi ER<br />
vezikli<br />
citoskelet<br />
ribosom<br />
rastlinska celica<br />
sinteza ogljikovih hidratov<br />
fotosinteza<br />
razgradnja ogljikovih hidratov<br />
celično dihanje<br />
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?<br />
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?<br />
svetlobna<br />
energija<br />
ogljikovi hidrati<br />
energetsko<br />
bogati<br />
svetlobna<br />
energija<br />
ogljikovi hidrati<br />
energetsko<br />
bogati<br />
celično dihanje<br />
fotosinteza<br />
+ O 2<br />
CO 2 + H 2 O<br />
energetsko<br />
reven<br />
celično dihanje<br />
gradbeni material<br />
surovine za sintezo<br />
ATP<br />
za poganjanje življenjskih<br />
procesov in sintezo snovi<br />
fotosinteza<br />
+ O 2 CO 2 + H 2 O<br />
energetsko<br />
reven<br />
gradbeni material<br />
surovine za sintezo<br />
ATP<br />
za poganjanje življenjskih<br />
procesov in sintezo snovi<br />
ogljikovi hidrati, beljakovine, maščobe, nukleinske kisline<br />
vitamini, alkalodi, eterična olja, barvila, ...<br />
3
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
Rastline in živali<br />
Rastline in živali<br />
plazmalema<br />
mitohondrij<br />
živalska celica<br />
migetalke<br />
peroksisom<br />
jedro<br />
jedrce<br />
grobi ER<br />
gladki ER<br />
stena<br />
(celuloza)<br />
plazmalema<br />
kloroplast<br />
mitohondrij<br />
plazmodezme<br />
rastlinska celica<br />
vakuola<br />
jedrce<br />
jedro<br />
peroksisom<br />
gladki ER<br />
svetlobna<br />
energija<br />
ogljikovi hidrati<br />
energetsko<br />
bogati<br />
celično dihanje<br />
citoskelet<br />
ribosom<br />
lizosom<br />
centriol<br />
Golgijevo telesce<br />
vezikli<br />
amiloplast<br />
Golgijevo telesce<br />
grobi ER<br />
vezikli<br />
citoskelet<br />
ribosom<br />
fotosinteza<br />
+ O 2<br />
CO 2 + H 2 O<br />
energetsko<br />
reven<br />
gradbeni material<br />
surovine za sintezo<br />
ATP<br />
za poganjanje življenjskih<br />
procesov in sintezo snovi<br />
ogljikovi hidrati<br />
+ O 2<br />
CO 2 + H 2 O<br />
Rastline in živali<br />
energija<br />
hranilne snovi<br />
toplota<br />
toplota<br />
svetlobna<br />
energija<br />
celično dihanje<br />
svetlobna<br />
energija<br />
ogljikovi hidrati<br />
energetsko<br />
bogati<br />
svetlobna<br />
energija<br />
fotosinteza<br />
(proizvajalci)<br />
dihanje<br />
(potrošniki,<br />
razkrojevalci)<br />
fotosinteza<br />
ATP<br />
celično dihanje<br />
fotosinteza<br />
+ O 2<br />
CO 2 + H 2 O<br />
energetsko<br />
reven<br />
gradbeni material<br />
surovine za sintezo<br />
ATP<br />
za poganjanje življenjskih<br />
procesov in sintezo snovi<br />
anorganske<br />
snovi<br />
<strong>Fotosinteza</strong> poganja življenje na Zemlji<br />
<strong>Fotosinteza</strong> poganja življenje na Zemlji<br />
50x<br />
vlak tovornih vagonov, napolnjenih s sladkorjem,<br />
dolg 50-krat do Lune in nazaj<br />
Letna planetarna proizvodnja ogljikovih hidratov s fotosintezo:<br />
240 milijard ton<br />
Letni učinek fotosinteze: vezava 105 milijard ton ogljika<br />
približno polovica na celinah in polovica v oceanih<br />
(gram ogljika na m 2 na leto)<br />
Field in sod. (1998) Science 281: 237-240<br />
4
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
<strong>Fotosinteza</strong> poganja življenje na Zemlji<br />
Od kod je prišla energija, ki me greje<br />
ob ognju?<br />
gozd listavcev<br />
1%<br />
travišča<br />
zmernega pasu<br />
2%<br />
mešani gozd<br />
3%<br />
gozd iglavcev<br />
4%<br />
grmi na golih<br />
tleh tundra<br />
1% 1%<br />
puščava<br />
0%<br />
svetlobna<br />
energija<br />
ogljikovi hidrati<br />
+ O 2 CO 2 + H 2 O<br />
celično dihanje<br />
kmetijske<br />
površine<br />
8%<br />
ocean<br />
47%<br />
fotosinteza<br />
ATP<br />
savana<br />
16%<br />
6CO 2 + 6H 2 O + svetloba<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
tropski deževni<br />
gozd<br />
17%<br />
Field in sod. (1998) Science 281: 237-240<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
6CO 2 + 6H 2 O + energija<br />
nafta, zemeljski plin, premog, oglje, biodizel, etanol<br />
Od kod je prišla energija, ki poganja<br />
moje telo?<br />
Od kod je prišel kisik, ki ga diham?<br />
svetlobna<br />
energija<br />
ogljikovi hidrati<br />
6CO 2 + 12H 2 O + svetloba<br />
kloroplast<br />
+ O 2 CO 2 + H 2O<br />
celično dihanje<br />
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2<br />
fotosinteza<br />
ATP<br />
6CO 2 + 6H 2 O + svetloba<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
C 6 H 12 O 6 + 6O 2<br />
6CO 2 + 6H 2 O + energija<br />
Nasad koruze, velik 30 m 2 , sredi rastne<br />
sezone proizvede toliko kisika na dan,<br />
kot ga na dan porabi en človek.<br />
Od kod so prišli atomi, ki sestavljajo<br />
moj lesen stol in mojo bombažno majico?<br />
koncentracija CO 2<br />
v ozračju:<br />
0,037% ali<br />
3-4 molekule na<br />
fibrila<br />
10000 molekul<br />
celična stena<br />
celuloza<br />
celuloza: (C 6 H 10 O 5 ) x<br />
masa: C 72g + H 10 g + O 80 g = 162 g<br />
6CO 2 + 12H 2 O + svetloba<br />
C in O iz plinastega (!) CO 2 : 94% mase!<br />
kloroplast H iz vode: 6% mase<br />
Zelo posplošeno:<br />
C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2 <strong>Fotosinteza</strong> spreminja plin v trdno snov!<br />
5
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
Kroženje ogljika<br />
Kaj pokažejo meritve količine<br />
CO 2 v ozračju?<br />
Globalna količina ogljika ( izražena v giga tonah = 10 12 ton)<br />
CO 2 v ozračju<br />
740<br />
fotosinteza dihanje izgorevanje<br />
rastlinstvo<br />
560<br />
razgradnja<br />
dihanje<br />
raztopljene<br />
organske snovi<br />
1000-3000<br />
globoki ocean<br />
42 000<br />
razgradnja<br />
usedline<br />
60 000<br />
humus<br />
1000-3000<br />
fosilna goriva<br />
4000<br />
Mauna Loa (Havaji)<br />
najdaljše nepretrgane meritve CO 2 v ozračju (od 1958 dalje)<br />
Kaj pokažejo meritve količine<br />
CO 2 v ozračju?<br />
Količina CO2 (ppm)<br />
450<br />
400<br />
350<br />
300<br />
250<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
1958: 316 ppm<br />
predindustrijsko<br />
obdobje:<br />
280 ppm<br />
45 let<br />
Razlika: povečanje za 60 ppm ali 20%<br />
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010<br />
Leto<br />
2003: 376 ppm<br />
hladnejše ozračje<br />
toplota (IR)<br />
toplogredni plin<br />
CO 2<br />
segrevanje površja<br />
svetlobna energija<br />
površina Zemlje<br />
segrevanje površja<br />
toplota (IR)<br />
toplejše ozračje<br />
Učinek tople grede<br />
Ali nas bi moralo naraščanje<br />
količine CO 2 v ozračju skrbeti?<br />
vrtanje izvrtka ledu<br />
1970 – 1998<br />
Rusija, Francija, ZDA<br />
postaja<br />
Vostok<br />
Venera<br />
450ºC<br />
Zemlja<br />
15ºC<br />
Mars<br />
– 60ºC<br />
Učinek tople grede ni škodljiv pojav – vzdržuje temperaturo na<br />
našem planetu v območju, primernem za življenje<br />
Ojačanje učinka tople grede zaradi dovajanja dodatnih količin<br />
toplogrednih plinov v ozračje lahko poruši stabilnost podnebja na<br />
planetu.<br />
Antarktika<br />
6
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
Ali nas bi moralo naraščanje<br />
količine CO 2 v ozračju skrbeti?<br />
Ali nas bi moralo naraščanje<br />
količine CO 2 v ozračju skrbeti?<br />
globina izvrtka<br />
3623 m<br />
štetje let<br />
plastovitost ledene odeje (menjava letnih časov)<br />
tudi druge metode<br />
sestava tedanje atmosfere<br />
kemijska analiza v led ujetih zračnih mehurčkov<br />
rekonstrukcija temperature<br />
izotopi vodika in kisika (izhlapevanje vode)<br />
rekonstrukcija sestave ozračja in temperature na Antarktiki<br />
za 420 000 let v preteklost!<br />
globina izvrtka<br />
3623 m<br />
Ali nas bi moralo naraščanje<br />
količine CO 2 v ozračju skrbeti?<br />
420 000 let<br />
Nature 399: 429-435 (1999)<br />
CH 4<br />
CO 2<br />
Temperatura<br />
7
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica<br />
Dome Concordia (Dome C)<br />
3060 m = 650 000 let<br />
EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica<br />
EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica<br />
Dome C Vostok<br />
10. junij 2004<br />
25. november 2005<br />
Antropocen<br />
nova geološka doba – vpliv človeka !<br />
začetek: konec 18. stoletja<br />
= začetek naraščanja količine<br />
CO 2 in CH 4 v ozračju (polarni led)<br />
James Watt – 1784 parni stroj<br />
→ industrijska revolucija<br />
Paul Crutzen<br />
Nobelova nagrada za kemijo 1995<br />
“za raziskave atmosferske kemije,<br />
predvsem nastajanja in razgradnje ozona”<br />
Crutzen PJ (2002). Geology of mankind. Nature 415: 22-23<br />
8
Barbara Vilhar: <strong>Fotosinteza</strong> Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006<br />
Kako debelo je v resnici “ozračje”?<br />
Kako debelo je v resnici “ozračje”?<br />
Kako debelo je v resnici “ozračje”?<br />
Sodobna “biologija”<br />
40 cm<br />
obseg Zemlje = 40 000 km<br />
premer Zemlje = 13 000 km<br />
debelina ozračja (troposfera) = 10 km<br />
= 0,08% premera Zemlje<br />
globus s premerom 40 cm:<br />
ozračje = 0,3 mm<br />
= debelina 3 listov papirja<br />
kemija<br />
fizika<br />
matematika<br />
okolje<br />
evolucija<br />
interdisciplinarnost !<br />
“V resnici je naše ozračje v<br />
primerjavi z velikostjo našega<br />
planeta sorazmerno debelo samo<br />
toliko, kolikor je debela plast laka<br />
na globusu.”<br />
Carl Sagan (Billions and Billions, 1997)<br />
zgradba<br />
delovanje<br />
od molekule do planeta<br />
= naravoslovje<br />
Sodobna “biologija”<br />
http://botanika.biologija.org/zeleni-skrat/index.htm<br />
Zupančič G (2005). Pomen znanja biologije v sodobnem svetu. Proteus 68(2): 94<br />
<strong>Fotosinteza</strong> poganja življenje na planetu Zemlja (lovljenje energije,<br />
sinteza organskih snovi).<br />
Stranski produkt fotosinteze je kisik, ki omogoča energetsko<br />
učinkovito celično dihanje.<br />
<strong>Fotosinteza</strong> sodeluje pri uravnavanju učinka tople grede.<br />
Iz kisika, ki nastaja pri fotosintezi, se obnavlja ozonska plast<br />
(življenje na kopnem).<br />
Človek uporablja produkte fotosinteze za svoje biološke potrebe<br />
(prehrana, dihanje) in kot tehnološki vir energije in surovin.<br />
9
Change language