Урок-лекция Фотосинтез. 10-й класс

Развивающие задачи:

  • формирование навыков анализа информации;
  • расширение кругозора и объема знаний учащихся;
  • развитие навыков самостоятельного освоения
    специальной литературы;
  • выработка навыков работы на уроке;
  • Образовательные задачи:

  • закрепление и проверка знаний, полученных в
    ходе изучения данной темы;
  • формирование понятия «экологическая
    безопасность»;
  • формирование связей между знаниями,
    информацией, полученных в разные годы обучения;
  • формирование межпредметной связи: биология,
    химия, экология.
  • Воспитательные задачи:

  • воспитание ответственного отношения к
    окружающей среде;
  • Оборудование:

    таблица «Фотосинтез», «Типы
    питания», самодельная схема фотосинтеза:
    фотосистема I и фотосистема II, выставка книг о
    фотосинтезе, портреты ученых К.А.Тимирязева,
    М.Кальвина, стенгазета «Интересные факты»,
    электронный урок «Фотосинтез», компьютер,
    мультимедийный экран.

    Ход урока

    I. Организационный момент

    II. Повторение пройденного материала -
    фронтальный опрос.

    Что такое метаболизм?

    - Из каких взаимнопротивоположных процессов он
    состоит?

    Что такое анаболизм, катаболизм?

    - Где протекают процессы катаболизма?

    - Какие условия необходимы для этих процессов?

    - Кто такие доноры, акцепторы? Приведите
    примеры.

    - Кто такие переносчики электронов,
    аккумуляторы энергии? Приведите примеры.

    На какие стадии делится энергетический обмен?

    - Приведите краткую характеристику
    подготовительного этапа.

    - Где протекает гликолиз?

    - Какие вещества участвуют в этом процессе?

    - До каких веществ окисляется глюкоза?

    - Какие вещества запасают энергию на этой
    стадии?

    Какие условия необходимы для дальнейшего
    окисления глюкозы?

    - Как называется этот этап биологического
    окисления?

    - Что является самым важным результатом
    процессов, происходящих в цикле Кребса?

    - Какую роль они выполняют?

    III. Сегодня мы с вами познакомимся с одним
    биологическим процессом, уникальным по многим
    свойствам на нашей планете. Догадайтесь, о чем
    идет речь:

    • это практически единственный процесс в живой
      природе, где происходит преобразование одного
      вида энергии в другую;
    • этот процесс способствует предохранению
      поверхности Земли от парникового эффекта и
      образованию защитного озонового экрана вокруг
      планеты;
    • в результате этого процесса образуются сложные
      органические вещества;
    • это единственный процесс, который снабжает
      кислородом атмосферу и, следовательно,
      обеспечивает существование аэробных организмов.

    IV. Изложение нового материала.

    Основным источником энергии для всех живых
    существ, населяющих нашу планету, служит энергия
    солнечного света, которую аккумулируют
    непосредственно только зеленые растения, в том
    числе водоросли, редкие простейшие, зеленые и
    пурпурные бактерии. Их клетки за счет энергии
    солнечного света способны синтезировать
    органические соединения: углеводы, жиры, белки и
    др. За счет энергии света в фотосинтезирующих
    клетках образуется АТФ, играющая роль
    своеобразного аккумулятора энергии. Еще одним
    аккумулятором энергии помимо АТФ является
    сложное органическое соединение НАДФ+ (окисленная
    форма). Это соединение захватывает возбужденные
    светом электроны и ион H (протон) и
    восстанавливается в результате этого до НАДФ*Н.

    За счет энергии АТФ и при участии НАДФ
    происходит восстановление СО2 до С6Н12О6.

    Вопросы учащимся:

    - Где происходят все эти сложные процессы? (Правильный
    ответ — хлоропласты).

    - Какое строение они имеют? (Внутренняя мембрана
    образует уложенные стопками плоские
    пузырьки-тилакоиды. Стопки тилакоидов называют
    гранами. В гранах находятся все
    фотосинтетические структуры. Ферменты,
    восстанавливающие СО2 до С6Н12О6
    находятся в основном в строме).

    Световая фаза

    - Почему Граны в хлоропластах расположены в
    шахматном порядке? (На каждую из них таким
    образом падает больше света).

    Помимо хлорофилла, в хлоропластах клеток
    разных видов высших растений содержатся и другие
    вспомогательные рецепторы световой энергии,
    такие как желтые каротиноиды и красные или синие
    фикобиллины.

    В процессе фотосинтеза различают световую и
    темновую фазы. При освещении растений энергия
    света преобразуется в энергию химических связей
    АТФ и НАДФ*Н. Энергия этих соединений легко
    освобождается и используется внутри клетки
    растения для разных целей, в первую очередь для
    синтеза С6Н12О6 и иных
    органических соединений. Поэтому такую
    начальную стадию фотосинтеза называют световой
    фазой.

    В составе хлоропластов содержатся две
    фотосистемы разного строения: фотосистема I и
    фотосистема II.

    В фотосистеме I имеется реакционный центр -
    молекула хлорофилла в комплексе с особым белком.
    Этот комплекс поглощает красный свет длиной
    волны 700 нм. Под действием света электрон в этом
    реакционном центре переходит в возбужденное
    состояние, «перескакивая» на высокий
    энергетический уровень молекулы хлорофилла, и
    идя по цепи переносчиков электронов, электроны
    переносятся на НАДФ+, восстанавливая его в
    НАДФ*Н. В молекулах хлорофилла фотосистемы I
    остаются при этом «дыры», незаполненные места
    электронов, перешедших в НАДФ*Н. Эти «дыры»
    заполняются электронами, которые образуются в
    фотосистеме II.

    В фотосистеме II также имеется реакционный
    центр — комплекс хлорофилла с белком, который
    поглощает свет с длиной волны 680 нм. Под действием
    света электрон хлорофилла в этом центре также
    переходит в возбужденное состояние и
    захватывается первым переносчиком длинной цепи,
    обозначаемым буквой Z. От этого акцептора
    электрон спускается по цепи переносчиков вниз и
    в конечном счете заполняет дыру, образовавшуюся
    в хлорофилле фотосистемы I. Но на этом пути
    энергия электронов опосредованно расходуется на
    «зарядку» универсального биологического
    аккумулятора: на фосфорилирование АДФ в богатую
    энергией АТФ. Таким образом, энергия света
    преобразуется и запасается в молекулах АТФ и
    расходуется далее на синтез углеводов, белков,
    нуклеиновых кислот и для иных жизненных
    процессов растений, а через них и других живых
    организмов, населяющих нашу планету. Этой же цели
    (синтез углеводов) служит НАДФ*Н, образующийся в
    фотосистеме I.

    Откуда берутся электроны в фотосистеме II для
    передачи их в фотосистеме I? Многочисленные
    исследования показали, что источником
    электронов в фотосистеме II является вода.
    Расщепление молекулы воды — фотолиз происходит
    благодаря энергии света. Катализирует этот
    процесс Мn — содержащий ферментный комплекс. При
    этом возникают электроны (e), протоны (h+) и в
    качестве побочного продукта кислород, который
    выделяется в атмосферу нашей планеты. Это тот О2,
    которым мы дышим и который необходим всем
    аэробным организмам. Уравнение фотолиза
    выглядит так:

    2О -> 4Н+ + 4e -> О2

    Темновая фаза

    В составе хлоропластов имеется фермент,
    который катализирует соединение молекулы СО2
    с производным пятиуглеродного сахара рибозы -
    рибулезодифосфатом при участии сложного
    фермента, который начинает превращение
    неорганического соединения СО2 в
    органические соединения — углеводы. В
    результате присоединения одной молекулы СО2
    к углеродному рибулезодифосфату образуется
    шестиуглеродное промежуточное, коротко живущее
    соединение, которое вследствие гидролиза
    распадается на две трехуглеродные молекулы
    фосфоглицериновой кислоты.

    Группа ферментов катализирует ступенчатое
    образование из двух таких трехуглеродных
    молекул одной молекулы шестиуглеродного сахара
    - фруктозо-6 фосфата, который
    далее превращается в глюкозу. В свою очередь,
    глюкоза может ферментативно полимеризоваться в
    клетках в крахмал, который служит энергетическим
    резервом. Глюкоза полимеризуется, образуя также
    молекулы опорных полисахаридов растений -
    целлюлозу.

    1 молекула С6Н12О6 образуется
    из 6 молекул СО2. При этом для синтеза
    молекулы гексозы требуется расходовать 18
    молекул АТФ и 12 молекул НАДФ*Н:

    6СО2 + 12Н -> С6Н12О6

    Фиксация СО2 и включение углерода в
    углеводы носит циклический характер, так как
    часть промежуточных углеводов претерпевает
    процесс конденсации и перестроек до
    рибулезодифосфата — первичного акцептора СО2,
    что обеспечивает непрерывную работу цикла.

    Впервые этот процесс подробно изучил
    американский биохимик М.Кальвин, в честь
    которого он и получил название — цикл Кальвина.

    Далее на мультимедийном экране
    демонстрируется видеоряд как закрепление
    материала.


    V. Выводы:

    Характеристика световой фазы фотосинтеза:

    Образование АТФ

    Поставка НАДФ*Н для биосинтеза

    Фотолиз воды

    Образование О2

    Темновая фаза:

    1. Темновая фаза осуществляется в цитоплазме
    прокариот и в строме хлоропластов у эукариот.

    2. В ходе темновых реакций происходит
    восстановление углекислого газа при участии
    протонов воды и АТФ. В результате образуется
    глюкоза.

    VI. Заключение.

    С точки зрения продуктивности нет ничего, что
    могло бы сравниться с фотосинтезом.

    В результате фотосинтеза на земле образуется 150
    млрд. т органического вещества и выделяется
    около 200 млрд.т. О2 в год. Для сравнения все
    заводы нашей планеты выпускают цемента — 300
    млн.т, а все сталелитейные заводы мира выпускают
    в год около 350 млн.т. стали.

    Фотосинтез создал (около 3 млрд. лет назад) и
    поддерживает состав атмосферы, необходимый для
    жизни на Земле. Он препятствует увеличению
    концентрации СО2 в атмосфере, предотвращая
    перегрев Земли (парниковый эффект).

    Созданная за счет фотосинтеза кислородная
    атмосфера защищает живое от губительного
    коротковолнового УФ-излучения (озоновый экран
    атмосферы).

    VII.

    Далее учитель с учениками обсуждает
    проблемный вопрос: Как можно увеличить
    эффективность фотосинтеза с целью повышения
    урожайности?

    Один из путей повышения общей продуктивности
    растений — усиление их фотосинтетической
    деятельности. Например, чтобы сформировать
    урожай пшеницы в 40 ц/га, растения должны усвоить
    около 20т СО2, фотосинтетически разложить
    около 7,3 т Н2О, выделить во внешнюю среду
    около 13т О2. Обычно за время вегетации
    растений в средних широтах (около 3-4 месяцев), в
    урожае биомассы в 10т запасается около 2%
    фотосинтетически активной радиации. Остальная
    энергия частично отражается, но в большей части
    превращается в тепло и вызывает испарение
    громадных количеств Н2О. таким образом для
    усиления фотосинтетической деятельности
    растений необходимо повысить коэффициент
    использования растениями солнечной радиации.
    Это достигается увеличением в посевах размеров
    листовой поверхности.

    • удлинением сроков активной деятельности
      листьев;
    • регулированием густоты стояния растений;
    • важное значение имеет способ размещения
      растений на площади (правильные нормы посева
      семян);
    • обеспечение их достаточным количеством СО2 в
      воздухе;
    • обеспечение растений достаточным количеством
      воды, элементов почвенного питания;
    • большая роль принадлежит селекции растений,
      созданию сортов, обладающих высокой
      интенсивностью ассимиляции СО2.

    VIII. Домашнее задание.

    При подготовке урока использована литература:

  • Общая биология. Учебник для 10-11 классов школ с
    углубленным изучением биологии / Под ред.
    А.О.Рувинского. М.: Просвещение. 1993. 544 с.
  • Пепеляева О.А., Сунцова И.В. Поурочные разработки
    по общей биологии: 9 класс. М.: ВАКО, 2006. 464 с.
  • Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник
    В.В.Биология. Введение в общую биологию и
    экологию: Учеб. для 9 кл. общеобразоват. учеб.
    завдений. — 3-е изд., стереотип. М.: Дрофа, 2002. 304 с.
  • Общая биология: учеб. для 10-11 кл. общеобразоват.
    учреждений / под ред. Д.К.Беляева, Г.М.Дымшица. — 5-е
    изд. М.: Просвещение, 2005. 304 с.
  • Большая Советская Энциклопедия. В 30 томах. Т. 27.
    М.: Советская энциклопедия, 1977. 624с.
  • Следующий: