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

barbara.vilhar@bf.uni-lj.sihttp://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