Е. В. Макарова

Изучение фотосинтеза в школьном курсе биологии

Процесс фотосинтеза лежит в основе существования жизни на Земле. Изучение этого процесса, осознание роли его в биосфере имеет большое значение в биологическом образовании и экологическом воспитании школьников, в формировании у них бережного отношения к растительному миру.

Впервые фотосинтез изучается в 6-м классе в теме «Лист».

В учебнике В.А. Корчагиной (Корчагина В.А. Биология: растения, бактерии, грибы, лишайники. 21-е изд. – М.: Просвещение, 1989) фотосинтезу посвящено три параграфа (§24–26), в которых отдельно рассматривается необходимость света для растений, процесс образования крахмала и процесс выделения кислорода.

В учебнике Т.И. Серебряковой (Серебрякова Т.И. Биология: растения, бактерии, грибы, лишайники. – М.: Просвещение, 1994) эта тема дается в большей связи с вопросом питания растения (§34–36). Делается акцент на процесс фотосинтеза как процесс воздушного питания растения, рассматриваются процессы выделения кислорода листом и накопления растением солнечной энергии.

В учебнике Н.И. Сонина вопрос фотосинтеза рассматривается в теме «Питание и пищеварение». Этому вопросу отводится один урок «Воздушное питание растений» и всего половина страницы текста учебника. На мой взгляд, это неоправданно мало.

Я при изучении этой темы использую материалы замечательной книги Ю.Чиркова «Сумма жизни» (М.: Дет. лит.,1987).

Материал строю иначе, чем в учебниках. Объяснение начинаю с постановки проблемы: вот человек питается разными продуктами (из магазина, с огорода), а чем же питаются растения? На такой вопрос средний шестиклассник отвечает: «Растения питаются землей» или предполагает: «Может быть, светом или углекислым газом».

После таких предположений я начинаю рассказ.

Много лет назад древнегреческий ученый и философ Аристотель учил, что растение – это животное, поставленное на голову: органы размножения у него наверху, а голова – внизу. С помощью корней, играющих роль рта, растение и извлекает из земли совершенно готовую пищу. Проверить предположение Аристотеля решил Ян Гельмонт. Он знал, что растениям нужны и почва, и вода, но что же важнее? Из чего растение строит свое тело? Ян Гельмонт посадил в горшок ветку ивы. И ветку, и землю он предварительно взвесил. Растение поливал только дождевой водой, а землю закрывал крышкой. Через пять лет Гельмонт взвесил выросшее растение и высушенную землю из горшка. Растение стало тяжелее на 164 фунта и 3 унции (примерно 65,3 кг), а земля потеряла в весе всего лишь 2 унции (60 г). Из этого опыта ученый сделал вывод, что основным источником пищи для растений является вода. Так возникла водная теория питания растений. Многие ученые повторяли этот опыт и поддерживали эту теорию, хотя она была совершенно неверная.

Но были и ученые, которых не удовлетворило такое объяснение питания растений. Например, Михаил Ломоносов, задумываясь о том, как на скудных северных землях вырастают такие большие деревья, предполагал, что часть питания растения берут из воздуха, впитывая его листьями. Во времена Ломоносова мысль о воздушном питании растений еще нельзя было подтвердить экспериментально, т.к. не была известна природа газов.

Английский химик Джозеф Пристли искал способ очистки воздуха, испорченного горением и дыханием людей и животных. Он помещал под колокол вместе с горящей свечой или живой мышью разные вещи. Так под колокол попал пучок мяты, который там рос и делал воздух пригодным для горения и дыхания. Опыты Пристли произвели сильное впечатление. Шведский исследователь Карл Шееле, скромный аптекарь, попытался повторить опыты Пристли в своей домашней лаборатории, где он проводил эксперименты в свободное время – в основном по ночам. Но у него получилось, что растения не улучшали воздух, а делали его непригодным для горения и дыхания. На основании своих опытов Шееле обвинил Пристли в обмане. Пристли стал повторять опыты, и тут стало все непонятно. Растения то улучшали воздух, то нет. Причина неудач Пристли была в том, что ни он, ни Шееле не выяснили, при каких внешних условиях растения очищают, а при каках портят воздух. Точку в этом вопросе поставил Ян Ингенхауз – личный врач австрийской императрицы Марии Терезии. Он проделал 500 опытов с веточкой элодеи. На солнечном свету от находящегося в воде растения поднимались пузырьки газа. Ингенхауз собрал газ и установил, что это чистейший кислород. Но оказалось, что пузырьки выделялись только на свету, причем незеленые части растений пузырьков не выделяли. Таким образом Ингенхауз доказал, что растения действительно улучшают воздух, но только на свету.

Но каким же образом углекислый газ превращается в кислород и при чем здесь питание растений?

Давайте рассмотрим листья гибискуса (китайской розы) или бальзамина. На этих листьях можно увидеть капли сахарного сиропа (или крупинки сахара). Их можно даже попробовать на вкус. Вот мы и подошли к вопросу о питании растений. Откуда здесь взялся сахар? Оказывается, растение само создает сахар из углекислого газа и воды, используя для этого солнечную энергию. Кислород же выделяется при этом как побочный продукт.

Процесс образования сахара (а потом из него крахмала) из углекислого газа и воды на свету называется фотосинтезом. В растительной клетке этот процесс идет в хлоропластах, т.е. только в зеленых частях растения.

Здесь мы записываем определение фотосинтеза. Подробно разбираемся, что же означает само это слово, вспоминаем однокоренные слова (например, фотография) и их значение, еще раз повторяем условия фотосинтеза.

Юлиус Майер, немецкий врач, писал об этом чудесном процессе: «Природа поставила себе задачей перехватить на лету притекающий на Землю свет и превратить эту подвижнейшую из сил в твердую форму, сложив ее в запас. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет… этими организмами являются растения…» (цит. по Ю.Чиркову).

Вот оказывается, каково предназначение растений: превращать энергию солнечного луча в иную форму энергии – химическую, запасенную в листьях кустарников и трав, в стеблях и стволах деревьев, в торфе и каменном угле (вспомните «Кладовую солнца» М.Пришвина).

Урок-сказка о загадочном появлении капель сахарного сиропа на листьях китайской розы обычно захватывает даже самых шустрых шестиклассников и запоминается надолго.

Второй раз с процессом фотосинтеза учащиеся встречаются в 9-м классе в курсе «Общая биология». Обычно они легко вспоминают определение фотосинтеза и его суть. Задача учителя на уроке состоит в том, чтобы раскрыть механизмы этого сложного процесса (для самообразования могу порекомендовать пособия Гюнтер Э. и др. Основы общей биологии: Пер с нем. – М.: Мир, 1982; Кемп П., Армс К. Введение в биологию: Пер. с англ. – М.: Мир, 1988) в доступной ученикам форме.

В школьных учебниках этот материал дается по-разному.

В учебнике Л.В. Высоцкой и др. для классов с углубленным изучением биологии (Высоцкая Л.В. и др. Общая биология. 3-е изд. – М.: Просвещение, 2001) процесс фотосинтеза разбирается на весьма серьезном уровне, включая описание двух фотосистем и цикла Кельвина.

В учебниках Д.К. Беляева и др., В.Б. Захарова и др., С.Г. Мамонтова и др. для обычных классов (Беляев Д.К. и др. Общая биология. 2-е изд. – М.: Просвещение, 1992; Захаров В.Б. и др. Общая биология. 2-е изд. – М.: Дрофа, 1999; Мамонтов С.Г. и др. Основы биологии. – М.: Просвещение, 1992) описание фотосинтеза, напротив, упрощено настолько, что теряется логика изложения и зачастую просто непонятно, что из чего следует.

Наиболее понятно для среднего ученика в обычном классе, на мой взгляд, механизм фотосинтеза описан в учебнике Ю.Полянского (Полянский Ю.И. Общая биология. 17-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1987), где имеется и понятная схема.

При изложении этого материала подробное описание переносчиков электронов опускается, но внятно раскрывается сам смысл двух основных этапов процесса.

Квант света (при изложении материала уместно вспомнить, что это такое) попадает на молекулу хлорофилла, которая находится в мембране тилакоида в хлоропласте. Молекула хлорофилла, получив порцию энергии, возбуждается и эту лишнюю энергию выбрасывает вместе со своим электроном за пределы мембраны в строму хлоропласта. Потерявшая электрон молекула хлорофилла стремится возместить свою потерю и отбирает электрон у молекулы воды, которая при этом распадается на кислород и протон, – это называется фотолизом воды. Кислород выделяется в атмосферу, а протоны собираются внутри тилакоида. Теперь возникает ситуация, очень напоминающая конденсатор (вспоминаем, что это такое). Мы имеем накапливающиеся «+» и «–» заряды, разделенные слоем диэлектрика – мембраной. Могут ли заряды накапливаться до бесконечности? Конечно, нет. При определенной разности потенциалов произойдет пробой изолятора, т.е. протоны пройдут сквозь мембрану и соединятся с электронами. При этом выделится энергия – в случае пробоя на техническом устройстве в виде искры. А в мембране для этой цели предусмотрен специальный канал, в котором находится фермент АТФаза, поэтому выделяющаяся энергия не рассеивается, а расходуется на синтез АТФ. Таким образом, энергия света превращается в энергию химических связей. А протоны, соединившись с электронами, превращаются в полноценные атомы водорода.

Дальнейшие реакции происходят без участия света, энергия которого уже запасена в молекулах АТФ. Теперь эта энергия расходуется на осуществление химической реакции скопившегося в строме хлоропласта атомарного водорода с углекислым газом. В результате этой реакции образуется глюкоза. Таким образом, энергия света сначала запасается в макроэргических связях АТФ, а затем переводится в энергию химических связей в молекуле глюкозы.

При таком изложении уделяется внимание роли мембраны в синтезе АТФ, что дает возможность сравнивать процессы синтеза АТФ в световую фазу фотосинтеза и при дыхании и делать вывод о сходстве в строении хлоропласта и митохондрии в связи со сходными функциями. Связь процессов дыхания и фотосинтеза, сравнение их биологического смысла и механизмов позволяет учащимся лучше усвоить и тот и другой материал. Не просто вызубрить, а понять – хотя бы в общих чертах.

Разумеется, при изучении темы «Фотосинтез» в 9-м классе полезно задействовать межпредметные связи, рассматривая превращение солнечной энергии в энергию химических связей органических молекул с точки зрения и биологии, и физики, и химии. И, конечно, еще раз подчеркивать роль процесса фотосинтеза для биосферы, для жизни на Земле.

Рисунки из книги «Рассказы о науке и ее творцах», 1946.