z Fotosinteza – zpovezave z učnimi temami č...
Transcript of z Fotosinteza – zpovezave z učnimi temami č...
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
1
Fotosinteza –učenčeva nočna mora
ali učiteljev skriti zaklad?
Fotosinteza –učenčeva nočna mora
ali učiteljev skriti zaklad?Barbara Vilhar
Univerza v LjubljaniBiotehniška fakultetaOddelek za biologijo
[email protected]://botanika.biologija.org
Program za učitelje naravoslovja, Rogaška Slatina, 19. februar 2006
Fotosinteza
kaj je fotosinteza
povezave z učnimi temami
delavnica
Kakšne barve so Zemljani?
Zemljani so zelo zeleni.
Ali so Zemljani zeleni?
Zakaj so Zemljani tako zeleni?
Zemljani opravljajo fotosintezo, pri čemer uporabljajo zeleno barvilo klorofil.
Kaj ta kemijska enačba pravzaprav pomeni?
6CO2 + 6H2O + svetloba C6H12O6 + 6O2klorofil
(sladkor)
Kaj je to - klorofil?
R = -CH3: klorofil aR = -CHO: klorofil b
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”
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
2
Zakaj je klorofil zelen?
Rel
ativ
na a
bsor
pcija
Valovna dolžina (nm)400 500 600 700
klorofil
delavnica
Kje je v listu nameščen klorofil?
svetlobni mikroskop
kloroplast: izraz skovan 1885
?
Kako je zgrajen kloroplast?
zunanja membrananotranja membrana
dvojnamembrana
stroma skladovnicamembranskih vreč
elektronski mikroskopAllen (2003) Trends in Plant Science 8: 15-19
membrana
NADPH* * **
klf klf klf
Kaj se dogaja na membrani kloroplasta?
?
Barber in sod. (2004) Science 303: 1831-1838
Nobelova nagrada za kemijo 1988:Johann Deisenhofer, Robert Huber in Hartmut Michel
za ugotovitev tridimenzionalne zgradbe fotosinteznega reakcijskega centra
Melvin Calvin(1911-1997)
Nobelova nagrada za kemijo1961
?
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
3
zunanja membrananotranja membrana
sladkorji
svetlobnaenergija
reakcije pretvorbe energije(tilakoidna membrana)
reakcije vezave ogljika(stroma)
Calvinovcikel
Kako poteka fotosinteza?
6CO2 + 6H2O + svetloba C6H12O6 + 6O2
klorofilkloroplast
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?
CO2 O2
sinteza ogljikovih hidratov
fotosinteza
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
kloroplast+ svetloba
sladkorjiH2O
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?
rastlinska celica
celična stena(celuloza)
plazmodezme
vakuola
kloroplast
amiloplast
plazmalema
mitohondrij
citoskelet
Golgijevo telescevezikli
peroksisom
jedrojedrce
grobi ER
gladki ER
ribosom
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?
CO2 O2
sinteza ogljikovih hidratov
fotosinteza
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2
kloroplast+ svetloba
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2+ energija (ATP)
sladkorjiH2O
mitohondrij
O2 CO2
razgradnja ogljikovih hidratov
celično dihanje
sladkorji H2O
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
energetskobogati
energetskoreven
za poganjanje življenjskih procesov in sintezo snovi
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?
gradbeni materialsurovine za sintezo
Zakaj rastlina potrebuje fotosintezo?
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
energetskobogati
energetskoreven
za poganjanje življenjskih procesov in sintezo snovi
gradbeni materialsurovine za sintezo
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
energetskobogati
energetskoreven
za poganjanje življenjskih procesov in sintezo snovi
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATPATP
energetskobogati
energetskobogati
energetskoreven
energetskoreven
za poganjanje življenjskih procesov in sintezo snovi
gradbeni materialsurovine za sintezo
ogljikovi hidrati, beljakovine, maščobe, nukleinske kislinevitamini, alkalodi, eterična olja, barvila, ...
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
4
živalska celica
migetalke
centriollizosom
plazmalema
mitohondrij
citoskelet
Golgijevo telescevezikli
peroksisomjedrojedrce
grobi ERgladki ER
ribosom
rastlinska celica
stena(celuloza)
plazmo-dezme
vakuola
kloroplast
amiloplast
plazmalema
mitohondrij
citoskelet
Golgijevo telescevezikli
peroksisom
jedrojedrce
grobi ER
gladki ER
ribosom
Rastline in živali
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
energetskobogati
energetskoreven
za poganjanje življenjskih procesov in sintezo snovi
Rastline in živali
gradbeni materialsurovine za sintezo
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
energetskobogati
energetskoreven
za poganjanje življenjskih procesov in sintezo snovi
Rastline in živali
gradbeni materialsurovine za sintezo
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATPATP
energijahranilne snovi
toplota toplota
fotosinteza(proizvajalci)
dihanje(potrošniki,
razkrojevalci)
anorganskesnovi
svetlobnaenergija
Fotosinteza poganja življenje na Zemlji
50x
vlak tovornih vagonov, napolnjenih s sladkorjem, dolg 50-krat do Lune in nazaj
Letna planetarna proizvodnja ogljikovih hidratov s fotosintezo:240 milijard ton
Fotosinteza poganja življenje na Zemlji
Field in sod. (1998) Science 281: 237-240
Letni učinek fotosinteze: vezava 105 milijard ton ogljikapribližno polovica na celinah in polovica v oceanih
(gram ogljika na m2 na leto)
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
5
ocean47%
tropski deževni gozd17%
savana16%
gozd listavcev1%
grmi na golih tleh1%
tundra1%
puščava0%
mešani gozd3%
travišča zmernega pasu
2%
gozd iglavcev4%
kmetijske površine
8%
Fotosinteza poganja življenje na Zemlji
Field in sod. (1998) Science 281: 237-240
Od kod je prišla energija, ki me greje ob ognju?
nafta, zemeljski plin, premog, oglje, biodizel, etanol
6CO2 + 6H2O + svetloba
C6H12O6 + 6O2
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATPATP
C6H12O6 + 6O2
6CO2+ 6H2O + energija
Od kod je prišla energija, ki poganja moje telo?
6CO2 + 6H2O + svetloba
C6H12O6 + 6O2
C6H12O6 + 6O2
6CO2+ 6H2O + energija
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATP
svetlobnaenergija
fotosinteza
celično dihanje
ogljikovi hidrati+ O2
CO2 + H2OATPATP
Od kod je prišel kisik, ki ga diham?
Nasad koruze, velik 30 m2, sredi rastne sezone proizvede toliko kisika na dan, kot ga na dan porabi en človek.
6CO2 + 12H2O + svetloba
kloroplast
C6H12O6 + 6H2O + 6O2
Od kod so prišli atomi, ki sestavljajo moj lesen stol in mojo bombažno majico?
celična stena
fibrila
celuloza
celuloza: (C6H10O5)xmasa: C 72g + H 10 g + O 80 g = 162 g
C in O iz plinastega (!) CO2: 94% mase!H iz vode: 6% mase
Zelo posplošeno:Fotosinteza spreminja plin v trdno snov!
6CO2 + 12H2O + svetloba
kloroplast
C6H12O6 + 6H2O + 6O2
koncentracija CO2v ozračju:0,037% ali 3-4 molekule na 10000 molekul
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
6
Kroženje ogljikaGlobalna količina ogljika ( izražena v giga tonah = 1012 ton)
fotosinteza dihanje izgorevanje
razgradnja
razgradnja
dihanje
CO2 v ozračju740
rastlinstvo560
usedline60 000
fosilna goriva4000
humus1000-3000
globoki ocean42 000
raztopljeneorganske snovi
1000-3000
Kaj pokažejo meritve količineCO2 v ozračju?
Mauna Loa (Havaji)najdaljše nepretrgane meritve CO2 v ozračju (od 1958 dalje)
Kaj pokažejo meritve količineCO2 v ozračju?
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
Leto
Kol
ičin
a C
O2 (
ppm
)
2003: 376 ppm
1958: 316 ppm
45 let
Razlika: povečanje za 60 ppm ali 20%
predindustrijskoobdobje: 280 ppm
topl
ejše
ozr
ačje
svet
lobn
a en
ergi
ja
topl
ota
(IR)
toplogredni plinCO2
topl
ota
(IR)površina Zemlje
segrevanje površjasegrevanje površja segrevanje površja
segrevanje površja
hlad
nejš
e oz
račj
e
Učinek tople grede
Venera450ºC
Zemlja15ºC
Mars– 60ºC
Učinek tople grede ni škodljiv pojav – vzdržuje temperaturo na našem planetu v območju, primernem za življenje
Ojačanje učinka tople grede zaradi dovajanja dodatnih količin toplogrednih plinov v ozračje lahko poruši stabilnost podnebja na planetu.
Ali nas bi moralo naraščanje količine CO2 v ozračju skrbeti?
Antarktika
postajaVostok
vrtanje izvrtka ledu1970 – 1998
Rusija, Francija, ZDA
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
7
Ali nas bi moralo naraščanje količine CO2 v ozračju skrbeti?
globina izvrtka3623 m
Ali nas bi moralo naraščanje količine CO2 v ozračju skrbeti?
štetje letplastovitost ledene odeje (menjava letnih časov)tudi druge metode
sestava tedanje atmosferekemijska analiza v led ujetih zračnih mehurčkov
rekonstrukcija temperatureizotopi vodika in kisika (izhlapevanje vode)
rekonstrukcija sestave ozračja in temperature na Antarktikiza 420 000 let v preteklost!
globina izvrtka3623 m
Ali nas bi moralo naraščanje količine CO2 v ozračju skrbeti?
420 000 let
Nature 399: 429-435 (1999)
CH4
CO2
Temperatura
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
8
EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica
3060 m = 650 000 let
Dome Concordia (Dome C)
EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica
VostokDome C
EPICA - European Project for Ice Coring in Antarctica
10. junij 2004
25. november 2005
Antropocen
nova geološka doba – vpliv človeka !
Paul Crutzen
začetek: konec 18. stoletja= začetek naraščanja količine CO2 in CH4 v ozračju (polarni led)
James Watt – 1784 parni stroj→ industrijska revolucija
Crutzen PJ (2002). Geology of mankind. Nature 415: 22-23
Nobelova nagrada za kemijo 1995“za raziskave atmosferske kemije,
predvsem nastajanja in razgradnje ozona”
Barbara Vilhar: Fotosinteza Učitelji naravoslovja, 19. februar 2006
9
Kako debelo je v resnici “ozračje”? Kako debelo je v resnici “ozračje”?
Kako debelo je v resnici “ozračje”?
obseg Zemlje = 40 000 kmpremer Zemlje = 13 000 km
debelina ozračja (troposfera) = 10 km= 0,08% premera Zemlje
“V resnici je naše ozračje v primerjavi z velikostjo našega planeta sorazmerno debelo samo toliko, kolikor je debela plast laka na globusu.”Carl Sagan (Billions and Billions, 1997)
globus s premerom 40 cm:ozračje = 0,3 mm= debelina 3 listov papirja
40 cm
Sodobna “biologija”
zgradba delovanje
okolje
evolucija
od molekule do planeta
= naravoslovje
kemijafizika
matematika
interdisciplinarnost !
Sodobna “biologija”
Zupančič G (2005). Pomen znanja biologije v sodobnem svetu. Proteus 68(2): 94
Fotosinteza poganja življenje na planetu Zemlja (lovljenje energije, sinteza organskih snovi).Stranski produkt fotosinteze je kisik, ki omogoča energetsko učinkovito celično dihanje.Fotosinteza sodeluje pri uravnavanju učinka tople grede.Iz kisika, ki nastaja pri fotosintezi, se obnavlja ozonska plast (življenje na kopnem).Človek uporablja produkte fotosinteze za svoje biološke potrebe (prehrana, dihanje) in kot tehnološki vir energije in surovin.
http://botanika.biologija.org/zeleni-skrat/index.htm