Метод основан на различной растворимости пигментов в спирте и бензине. Каротин растворим в бензине, хлорофилл после обработки щелочью — в спирте. Желтые пигменты со щелочью не реагируют. Спирт и бензин при сливании не смешиваются и образуют две фазы: верхняя легкая — бензин и нижняя — спирт. Благодаря этому разделяются и компоненты смеси пигментов листа.
COOC20H39 COONa
MgN4OH30C32 + 2NaOH→MgN4OH30C32 + C20H39OH+CH3OH
COOCH3 COONa
Ход работы:
1. В пробирку с 2 мл спиртовой вытяжки пигментов прилить 1 мл 20 % раствора NаОН, взболтать, поместить в водяную баню на 1-2 мин. Затем пробирку вынуть и охладить.
2. К охлажденному раствору добавить равный объем бензина и 2 капли дистиллированной воды. Содержимое пробирки резко встряхнуть и дать отстояться.
3. Зарисовать и подписать полученную картину распределения пигментов в системе спирт-бензин:
Выводы:
Получение феофитина и обратное
Замещение водорода атомом металла
Атом магния сравнительно слабо удерживается в порфириновом ядре хлорофилла и при воздействии сильных кислот легко замещается двумя протонами, что приводит к образованию феофитина бурого цвета.
COOC20H39 COOC20H39
MgN4OH30C32 +2HCl→N4OH32C32 +MgCl2
COOCH3 COOCH3
Если на феофитин подействовать солями меди, цинка или ртути, то вместо двух протонов в ядро входит соответствующий металл и вновь восстанавливается зеленая окраска, так как восстанавливается металлорганическая связь в молекуле. Однако она несколько отличается от окраски хлорофилла. Обратное введение магния в феофитин происходит с большим трудом.
COOC20H39 COOC20H39
N4OH32C32 + Cu(CH3COOH)2→CuN4OH30C32 +2CH3COOH
COOCH3 COOCH3
Ход работы:
1. В две пробирки налить по 2 мл спиртовой вытяжки пигментов и прибавить по 2 капли 10 % раствора Hсl. Осторожно взболтать. Зеленая окраска у хлорофилла переходит в бурую.
2. В одну пробирку (другая пробирка — контроль) с побуревшей вытяжкой внести немного (на кончике скальпеля) ацетата меди. Другую пробирку оставить на рабочем столе в штативе (для сравнения).
3. Раствор нагреть на водяной бане до образования хлорофиллоподобного производного меди зеленого цвета.
4.Зарисовать пробирки с феофитином и медьпроизводным хлорофилла:
Выводы:
Контрольные вопросы.
1. Какие пигменты участвуют в процессе фотосинтеза у высших растений?
2. Что представляет собой хлорофилл по химической природе?
3. Чем отличается хлорофилл аот хлорофилла в?
4. Какими химическими и физическими свойствами обладает хлорофилл?
5. Каковы оптические свойства хлорофилла?
6. Каковы основные структурные компоненты молекулы хлорофилла? Какие функции выполняет каждая часть молекулы?
7. Какие функции выполняет хлорофилл в клетках высших растений?
8. Что такое феофитин? Какова его роль в растении?
9. Как меняется содержание феофитина в зависимости от возраста растений и условий внешней среды?
10. Какова химическая природа и структура каротиноидов?
11. Химические и оптические свойства каротиноидов.
12. Какие функции выполняют каротиноиды в растениях?
Записи при разборе темы:
Работа 8. Определение величины чистой
Продуктивности фотосинтеза
Продуктивность фотосинтеза зависит от многих показателей, в частности, от его интенсивности, размеров и продолжительности работы ассимиляционной поверхности.
В процессе фотосинтетической деятельности растения создают 90-95% сухого вещества урожая и только 5-10% формируется за счет питательных веществ, поступающих из почвы.
Ассимиляты – продукты фотосинтеза, образующиеся в результате фотохимических и биохимических процессов в хлоропластах. Ассимиляционная листовая поверхность является одним из наиболее изменчивых показателей фотосинтетической деятельности. Она – главный аппарат взаимодействия растений со средой, при помощи которого улавливается энергия солнечной радиации и в процессе фотосинтеза преобразуется в потенциальную энергию органического вещества. Размер и динамика развития листовой поверхности находится под воздействием многочисленных биологических, климатических и агротехнических факторов, таких как сортовые особенности, характер органо-образовательного процесса при прохождении фаз развития, температура, водный и пищевой режимы.
Чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) представляет собой прирост сухой массы растений в граммах за определенное время (сутки), отнесенный к единице листовой поверхности (м2). Ее учитывают периодическим отбором проб растений, у которых определяют общую массу, массу отдельных органов и площадь листьев. Далее ЧПФ рассчитывают по формуле:
ЧПФ = 
, где (1)
ЧПФ – чистая продуктивность фотосинтеза, г/м2*дн.;
В1 и В2 – сухая масса проб в начале и конце учетного периода, т/га;
Л1 и Л2 – площадь проб листьев в начале и конце периода, м2;
n - число дней в учетном периоде.
При использовании формулы (1) допускают, что листовая поверхность за время наблюдения нарастает равномерно, но в большинстве случаев площадь листьев увеличивается неравномерно. В связи с этим зарубежными исследователями предложена иная формула для определения чистой продуктивности фотосинтеза:
ЧПФ = 
, где (2)
lnЛ1 и lnЛ2 — натуральные логарифмы показателей площадей листьев в начале и в конце учитываемого периода;
остальные показатели те же, что и в формуле (1).
Уравнение (2) наиболее удовлетворительно выражает зависимость ЧПФ от прироста сухого вещества и динамики нарастания листовой поверхности, но проще пользоваться первой формулой. Оптимальное время между пробами составляют 7-10 дней, в периоды интенсивного роста растений оно может быть сокращено до 5 дней.
Показатели ЧПФ в природных условиях обычно колеблются от 0,1 до 20 г и более, сухого вещества на 1м2 площади листьев в сутки: у злаков в фазе интенсивного роста — 40-50, у основных сельскохозяйственных культур при благоприятных условиях — 4-10 г/м2 в сутки.
Сущность метода: ЧПФ - это расчетный показатель. Для его расчета предварительно определяют у исследуемых растений средние показатели суммарной площади листьев и сухой биомассы растений. Эти показатели определяют дважды с интервалом между определениями 10-24 дня (первое и второе определение). После этого приступают к расчету ЧПФ.
Определение площади листьев
Весовой метод.Для определения площади листа используют весовой метод. Вырезают из кальки квадрат в 100 см2 (10х10 см) и взвешивают на электронных весах. Затем лист растения накладывают на однородную бумагу и обводят контур остро отточенным карандашом, полученный контур листа вырезают и также взвешивают. По пропорции находят площадь контура (листа):
S= (100*B)/A,
где S — площадь листа бумаги, см2,
А — вес 100 см2 бумаги, г
В — вес контура листа, г.
Результаты
Определение площади листа по его параметрам. Метод основан на сопоставлении фигуры листа с некоторой простой геометрической фигурой, достаточно хорошо совпадающей с конфигурацией данного листа.
Лист вписывают в соответствующую фигуру, так чтобы основные параметры их были общими. Например, листья злаков легко вписываются в вытянутый прямоугольник.
Измерить ширину (а) и длину (в) такого прямоугольника, найти его площадь (S), которая равна: S=а*в.
Однако листовая пластинка не занимает всю площадь прямоугольника. Поэтому устанавливают поправочный коэффициент (К), равный отношению Sл/S.
Поправочный коэффициент можно определить весовым методом. Взвесить на весах построенную по длине и ширине листа соответствующую фигуру (Мф) и вырезанный из той же бумаги контур листа (Мл). К= Мл/Мф. Отсюда фактическая площадь листа злака будет равна Sл= а*в*К.
Так, например, поправочный коэффициент для кукурузы равен 0,68; ячменя, овса, пшеницы — 0,65; сахарной свеклы — 0,76; огурца — 0,56; сои — 0,75 (для левой и правой долек листа) и 0,668 (для средней доли тройчатого листа); для разных сортов яблони он колеблется от 0,62 до 0,74.
Аналогично предварительно вычисляют поправочные коэффициенты для листьев других растений, моделируя их с соответствующими простыми геометрическими фигурами. Причем коэффициент (К) получают на основании анализа многих листьев и несколько раз в течение вегетационного периода, так как нередко конфигурация листьев претерпевает значительные возрастные изменения.
Результаты
Метод высечек. Отбирают среднюю пробу растений, быстро срезают листья и определяют их массу. Затем из каждого листа выбивают сверлом определенного диаметра несколько высечек, объединяют вместе и устанавливают их массу. Диаметр сверла выбирают в зависимости от размеров листовой пластинки и ее поверхностной плотности. Площадь листьев определяют по формуле:
S=(a*c)/b,
где а — общая масса сырых листьев, г
b — общая масса сырых высечек, г
с — общая площадь высечек, см2.
Результаты
Выводы:
Контрольные вопросы:
1. Какие методы определения площади листовой поверхности вы знаете?
2. В чем заключается сущность метода отпечатков, в каких случаях его нельзя использовать?
3. Что такое чистая продуктивность фотосинтеза? В каких случаях он эффективен?
Записи при разборе темы
Задания в тестовой форме по разделу «Фотосинтез»
1. Физиологическая роль фотосинтеза сводится к тому, что фотосинтез обеспечивает растения:
а) водой б) органическими веществами
в) минеральными веществами г) энергией
2. Исходными продуктами в балансовом уравнении фотосинтеза являются:
а) кислород б) углекислота
в) глюкоза г) вода
3. Какие структуры листа обеспечивают транспорт воды в фотосинтезирующие клетки:
а) ксилема б) устьица
в) флоэма г) межклетники
4. Конечными продуктами темновой реакции фотосинтеза являются:
а) углекислота б) глюкоза
в) активированный водород г) кислород
5. Процесс фотосинтеза локализован в следующих локусах клетки:
а) ядро б) вакуоль
в) хлоропласт г) эндоплазматическая сеть
6. Наиболее эффективными для фотосинтеза являются кванты света:
а) красного б) синего
в) желтого г) зеленого
д) оранжевого
7. Какие участки спектра солнечного света особенно активно поглощаются хлорофиллом:
а) сине-фиолетовый
б) желто-зеленый
в) красный
г) ультрафиолетовый
8.Какие участки спектра солнечного света особенно активно поглощаются каротиноидами:
а) фиолетовый
б) синий
в) красный
г) желтый
9.Спектр видимого (белого) света включает в себя кванты света с длиной волны от ..... до ..... нанометров:
а) 4-7 б) 40-70
в) 400-700 г) 4000-7000
10.Вклад фотосинтеза в продукционный процесс определяется тем, что фотосинтез обеспечивает формирующиеся продуктивные органы:
а) минеральными веществами б) углекислотой
в) органическими веществами г) энергией
Задачи
Задача 1. Растение с площадью листьев 10 дм2 усвоило 330 СО2 за 6 часов. Рассчитайте интенсивность фотосинтеза данного растения.
Решение. Интенсивность процесса фотосинтеза представляет собой количество углекислого газа, поглощенного за единицу времени единицей листовой поверхности растения. Интенсивность фотосинтеза рассчитывается по формуле:
I= 
,
где - АСО2 количество СО2, поглощенного растением,
t — время в часах,
S — площадь листовой поверхности растения в дм2. Следовательно,
I= 
= 5,5 мг/дм2*ч.
Задача 2.За 1ч в процессе фотосинтеза растение усвоило 250 мг СО2 и накопило 0,1 г сухой массы. Вычислите коэффициент эффективности фотосинтеза.
Решение. Коэффициент эффективности фотосинтеза — отношение количества ассимилированного угекислого газа к количеству накопленного органического вещества за определенную единицу времени. Переводим сухую массу в мг (100мг) и рассчитываем коэффициент эффективности фотосинтеза:
K= 
= 2,5
Задача 3. энергетический выход процесса фотосинтеза равен 0,12. рассчитайте запасенную энергию, если поглощенная энергия составляет 640 ккал.
Решение. Энергетический выход процесса фотосинтеза представляет собой отношение запасенной энергии к поглощенной:
Е= 
,
следовательно, запасенная в процессе фотосинтеза энергия равна
езап= Е*епогл= 0,12*640= 76,8 ккал
Задача 4. За 10 суток в процессе фотосинтеза растение с площадью листьев 650 дм2 накопило 156 г сухой массы. Вычислите чистую продуктивность фотосинтеза.
Решение. Чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) — количество граммов сухого вещества, накопленного в растении за сутки в пересчете на 1 м2 листовой поверхности. Чистая продуктивность фотосинтеза высчитывается по формуле:
ЧПФ= 
,
где m — масса накопленного сухого вещества в граммах,
t — время в сутках,
S — площадь листовой поверхности растения в м2.
Переводим площадь листьев из дм2 в м2 (6,5м2 ) и рассчитываем чистую продуктивность фотосинтеза
ЧПФ= 
= 2,4 г/м2*сут
Задача 5.Как скажется: а) понижение концентрации кислорода, б) повышение концентрации углекислого газа на продуктивности С3- и С4-пути фотосинтеза? Объясните.
Решение:
а) при понижении концентрации кислорода продуктивность С3-фотосинтеза увеличится, т.к. снизится процесс фотодыхания. При повышении концентрации углекислого газа продуктивность С3 -фотосинтеза также возрастет, т.к. усилится фиксация СО2 во время темновой фазы и увеличится выход сахаров;
б) при понижении концентрации кислорода продуктивность С4-фотосинтезе не изменится, т.к. у этих растений не наблюдается процесс фотодыхания. При повышении концентрации СО2 продуктивность С4-фотосинтеза возрастет, т.к. усилится фиксация СО2 и образование малата и, в итоге увеличится выход сахаров.
Задачи и вопросы для самостоятельного решения
1.За 30 минут побег, площадь листьев которого составляла
240 см2 поглотил 32 мг СО2. Определите интенсивность фотосинтеза(мг СО2/м2*ч ).
2.В начале цветения картофеля сухая масса растений составила 3280 кг/га, а площадь листьев — 29 тыс. м2/га. Через 10 суток эти показатели составили 5360 кг/га и 33 тыс. м2/га. Определите чистую продуктивность фотосинтеза (в г/м2 в сутки).
3. Если поместить под стеклянный колпак по одному растению С3- и С4-типов, то С3 — растение вероятно погибнет раньше, чем С4-растение. Почему это может произойти?
5.У растений гороха в период цветения — формирования бобов при отборе проб 22 июня сухая масса растений составила 4,48 г/растение, а площадь листьев — 420 см2 на растение. 10 июля эти показатели составили 6,82 г/растение и 580 см2/растение соответственно. Определите чистую продуктивность фотосинтеза (в г/м2 в сутки).
6. сколько органического вещества вырабатывает растение за 15 минут, если известно, что интенсивность фотосинтеза составляет 20 мг/дм2*ч, а площадь листовой поверхности равна 2,5 м2?
7. Какого рода опыты вы бы поставили для того, чтобы определить принадлежность растения к С3- или С4-типу?
8. Как объяснить отмирание нижних ветвей деревьев в сомкнутом насаждении? У каких пород процесс очищения ствола от сучьев происходит быстрее: лиственница, пихта, сосна, ель? Почему?
9. Два одинаковых листа в течение трех дней были закрыты светонепроницаемыми чехлами, а затем освещены: первый лист — красным, а второй — желтым светом одинаковой интенсивности. У какого листа будет более высокое содержание крахмала? Почему?
10.Почему сорта с относительно тонкими листьями в посевах более предпочтительны, чем сорта с большей удельной поверхностной плотностью?
11.У растений, растущих на почвах, в которых не хватает определенных веществ, фотосинтез часто замедлен. Укажите вещества, недостаток которых мог бы вызвать такой эффект.
12. При фотодыхании образуются аминокислоты. Почему же в таком случае считают, что это неэффективный процесс и что материал в нем расходуется впустую?
Вопросы для контрольной работы
1. Что такое фотосинтез? И в чем его космическая и планетарная роль?
2. Перечислить основные этапы формирования представлений о природе фотосинтеза.
3. Назвать фотосинтетические пигменты растений, какова их роль? В чем заключается явление хроматической адаптации?
4. На чем основано деление процесса фотосинтеза на световую и темновую фазы?
5. Составьте схему преобразования энергии в процессе фотосинтеза.
6. Дать определение фотосинтетического фосфорилирования. Какие виды фотофосфорилирования Вам известны?
7. Назвать основные продукты световой фазы фотосинтеза.
8. Что такое темновая фаза фотосинтеза? Как связаны световая и темновая фазы?
9. Какие пути ассимиляции СО2 в растениях Вам известны?
10. В чем сходство и различие ферментов рибулозодифосфаткарбоксилазы и фосфоенолпируваткарбоксилазы?
11. Назвать основной фермент, регулирующий темновую фазу фотосинтеза.
12. Что такое экология фотосинтеза? Какой из экологических факторов является определяющим для процесса фотосинтеза?
13. В зонах с умеренным климатом концентрация СО2 в атмосфере меняется на протяжении года циклическим образом: зимой она бывает примерно на 1,5% выше, чем летом. Объяснить это явление.
14. Почему поглощающим пигментом при фотосинтезе считается хлорофилл, хотя лист содержит также ряд других пигментов, поглощающих свет? Какова функция этих пигментов?
15. У растений, растущих на почвах, в которых не хватает определенных минеральных веществ, фотосинтез часто замедлен. Указать вещества, недостаток которых мог бы вызвать такой эффект.
16. Что такое гетеротрофный и автотрофный тип питания? Какие источники энергии могут быть использованы для построения органического вещества гетеротрофами и автотрофами?
17. Каковы особенности поступления углекислого газа из атмосферы к зеленым пластидам? Что способствует и что затрудняет этот процесс?
18. В чем сходство и различие химического состава, структуры и ультраструктуры митохондрий и хлоропластов? Что обозначают термины: ламелы, тилакоиды, граны, строма? Как мембранная организация хлоропластов связана с их функциями?
19. Назовите известные вам типы пластид. Какова их взаимосвязь?
20. Как можно доказать, что существует цитоплазматическая пластидная наследственность?
21. Объясните, почему хлоропласты являются полуавтономными органеллами. Выделите сходные черты в организации генетического аппарата хлоропластов с бактериями и с эукариотами?
22. Что такое пигменты? Какова их физиологическая роль?
23. Химическое строение молекулы хлорофилла.
24. Этапы образования хлорофилла.
25. Что такое спектр поглощения и спектр действия? В чем значение работ К.А. Тимирязева?
26. Какова физиологическая роль каратиноидов, фикобилинов? Что такое хроматическая адаптация?
27. Какова зависимость использования энергии в разных лучах спектра? Почему в процессе эволюции растение приобрело зеленый цвет?
28. Кратко охарактеризуйте основные этапы фотосинтеза. Какие существуют доказательства, что фотосинтез включает световые и темновые реакции?
29. Что такое светособирательный комплекс (ССК), где локализован, какие пигменты в него входят? Каковы его функции и значение?
30. В чем состоит эффект «усиления» Эмерсона? Какой вывод следует из него?
31. Фотосистемы один и два.
32. Циклическое и нециклическое фотофосфорилирование.
33. Что определяет расположение отдельных переносчиков в фотосинтетической электрон транспортной цепи? Какие переносчики в ней участвуют?
34. Какова роль марганца фотохимических реакциях?
35. Цикл Кальвина. Назовите и охарактеризуйте основные фазы цикла Кальвина
36. Какой фермент называют Rubisco? В чем двойственность его функций?
37. С чем связано название путей превращения углерода в процессе фотосинтеза: С3- и С4 – путь? Перечислите их различия.
38. Цикл Хэтч-Слэка-Карпилова.
39. Что такое фотодыхание?
40. Охарактеризуйте основные особенности САМ-пути фотосинтеза.
41. Приведите примеры взаимного влияния внешних факторов на интенсивность фотосинтеза.
42. Что такое компенсационная точка, как она меняется у светолюбивых и теневыносливых растений?
43. От каких параметров фотосинтетического процесса зависит продуктивность сельскохозяйственных растений?
Перечень тем для написания рефератов (см. Приложение Г):
1. История изучения фотосинтеза
2. Фотосинтетический аппарат растений
3. Механизм влияния засухи на фотосинтетическое усвоение СО2
4. Донорно-акцепторные отношения в растении
5. Фотосинтез как процесс углеродного питания растений
6. Эволюция фотосинтеза
7. Особенности химизма фотосинтеза
8. Фотосинтез как основа продукционного процесса
9.Фотосинтез бактерий
10. Особенности фотосинтеза Толстянковых
11. С4- фотосинтез
12. Фотосинтез как окислительно-восстановительный процесс
13. Транспорт ассимилянтов в растении
14. Фотосинтез и урожай
РАЗДЕЛ 4. ДЫХАНИЕ РАСТЕНИЙ
Дыхание — это окислительный распад органических веществ, синтезированных в процессе фотосинтеза, идущий с участием кислорода. Дыхание присуще всем живым организмам. А.С. Фаминцин рассматривал фотосинтез и дыхание как две последовательные фазы питания растений: фотосинтез готовит углеводы, дыхание перерабатывает их в биомассу растения.
Дата: 2016-10-02, просмотров: 1009.
