Solun toiminta II Solun toiminta
7. Fotosynteesi tuottaa ravintoa eliökunnalle 1. Avainsanat 2. Fotosynteesi eli yhteyttäminen 3. Viherhiukkanen eli kloroplasti 4. Fotosynteesin reaktiot 5. Mitä kasvit tekevät syntyneelle sokerille? 6. Fotosynteesin tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä 7. Kemosynteesi 8. Tehtävät 9. Kuvat
Avainsanat: Auringon säteilyenergia Kemiallinen energia Fotosynteesi Kloroplasti Klorofylli Karotenoidit Valoreaktio Hiilen yhteyttämis- eli pimeäreaktio Fotosynteesiin vaikuttavat tekijät Kemosynteesi
Fotosynteesi eli yhteyttäminen Tapahtumapaikkana kasvisolujen viherhiukkaset Reaktion kaava: 6CO2 + 6H2O + valoenergia → C6H12O6 + 602 hiilidioksidi + vesi + valoenergia → sokeri + happi Syntyneestä glukoosista valmistetaan hiilihydraatteja, rasvoja ja proteiineja Fotosyntetisoivat eliöt: vihreät kasvit levät osa bakteereista ja alkueliöistä Kuva kirjan sivulta 72
Viherhiukkanen eli kloroplasti Kaksoiskalvon muodostama soluelin Sisällä on litteitä kalvopusseja ja niiden välitilaa. Eniten lehtien yläpinnalla Elävät soluissa itsenäisinä yksiköinä: lisääntyvät itsenäisesti sisältävät omia geenejä voivat vaihtaa paikkaa solujen sisällä. Sisältää lehtivihreää eli klorofyllia ja karotenoideja Absorboivat eri aallonpituuksia Kuva kirjan sivulta 72
Fotosynteesin reaktiot Valoreaktio Tapahtumapaikka: viherhiukkasten yhteyttämiskalvosto Syntyy vetyä ja happea Energia sitoutuu ATP:hen Hiilen yhteyttämisreaktio (pimeäreaktio) Tapahtumapaikka: viherhiukkasten nestemäinen välitila Syntyy glukoosia Tarvitaan hiilidioksidia ja vetyä (tuotettu valoreaktiossa) ATP (saatu valoreaktioista) luovuttaa energiaa Ei tapahdu pimeässä, vaan välittömästi valoreaktion jälkeen Kuva kirjan sivulta 72
Mitä kasvit tekevät syntyneelle sokerille? Energianlähde omiin elintoimintoihin (soluhengitys) Erilaisten yhdisteiden valmistus Varastointi tärkkelyksenä hedelmiin ja siemeniin Energianlähde toisenvaraisille eliöille Kuva kirjan sivulta 72
Fotosynteesin tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä Ilmakehän hiilidioksidipitoisuus Valon määrä Valon laatu Lämpötila Maaperän kosteus Maaperän ravinteet Kuva kirjan sivulta 72
Kemosynteesi Epäorgaanisten yhdisteiden hapettaminen. Omavaraiset eli autotrofiset bakteerit hyödyntävät kemosynteesiä. Esimerkki reaktiosta: Hiilidioksidista, hapesta ja vetysulfidista valmistetaan sokeria, rikkiä ja vettä. Kuva kirjan sivulta 72
Tehtävät Täydennä kaavio Sivun 54 kuvien tarkastelu Vesirutto koeputkessa Fotosynteesin lähtöaineiden kulkureitti Sokerimolekyylin alkuperä Paju ruukussa Levävyöhykkeet Valon absorptio viherhiukkasissa Fotosynteesin nopeus (YO-tehtävä S-06) Kahden eri kasvilajin CO2:n kulutus (YO-tehtävä K-05)
1. Täydennä kaavio Täydennä fotosynteesin reaktioita kuvaava kaavio.
2. Sivun 54 kuvien tarkastelu Tarkastele sivun 54 kuvia. Miksi kuvan 54D elinympäristössä ei elä fotosynteesiin kykeneviä eliöitä? Minkä eliöryhmien edustajia ovat kuvien 54A, 54B ja 54C tuottajat?
3. Vesirutto koeputkessa Oheisessa kokeessa vesiruton kappale on laitettu koeputkeen, jossa on vettä. Mitä kaasua syntyvissä kuplissa on? Selitä lyhyesti kaasukuplien muodostumisen aiheuttava reaktio.
4. Fotosynteesin lähtöaineiden kulkureitti Kerro fotosynteesin lähtöaineiden kulkureitti kasvissa viherhiukkaseen.
5. Sokerimolekyylin alkuperä Mistä aineesta sokerimolekyylin (C6H12O6) hiili-, vety- ja happiatomit ovat peräisin? Hapen osalta asiaa tutkittiin aikoinaan hapen isotoopin happi-18 (18O2 ) avulla. Kerro tutkimusmenetelmä ja tulokset. Miten valon voimakkuuden vaikutusta reaktioon voidaan tutkia?
6. Paju ruukussa Tutkija istutti pajun kasviruukkuun, jossa oli 90 kg multaa. Viiden vuoden kuluttua pajusta oli kasvanut pieni puu, joka painoi 76 kg. Ruukun multamäärästä oli samana aikana hävinnyt vain 0,05 kg. Mitä tuloksista voi päätellä?
7. Levävyöhykkeet Itämeren kalliorannoilla on erotettavissa viher-, rusko- ja punalevävyöhykkeet siirryttäessä rantavedestä syvemmälle. Miksi?
8. Valon absorptio viherhiukkasissa Eri pigmenttien kykyä pyydystää valon eri aallonpituuksia mitataan spektrofotometrillä, jolla voidaan selvittää klorofylli-a:n, klorofylli-b:n ja karotenoidien absorptiospektrit. Kuvaile valon absorptiota viherhiukkasissa. Millaisia eroja on valon absorptiokyvyssä sinisenvihreillä klorofylli-a:illa, keltaisenvihreillä klorofylli-b:illä ja keltaisenoransseilla karotenoideilla?
9. Fotosynteesin nopeus (YO-tehtävä S-06) Lämpötila vaikuttaa fotosynteesin nopeuteen pinaatinlehdissä oheisen kaavion mukaan. a) Määrittele fotosynteesi. (1p.) b) Kuvaile ja selitä lämpötilan vaikutusta fotosynteesin nopeuteen. (3p.) c) Miten muut ympäristötekijät vaikuttavat fotosynteesin nopeuteen? (2p.)
10. Kahden eri kasvilajin CO2:n kulutus (YO-tehtävä K-05) Oheiset kuvat esittävät kahden eri kasvilajin (A ja B) hiilidioksidin (CO2) kulutusta ja tuotantoa vuorokauden aikana. Laji A kasvaa lauhkealla vyöhykkeellä, laji B lämpimän vyöhykkeen aavikolla. Tutki diagrammeja ja selvitä kummankin lajin osalta, a) miten ja miksi hiilidioksidin kulutus vaihtelee b) milloin kasvit tuottavat hiilidioksidia ja mihin tämä perustuu.
Kuvat Napsauta kuva suuremmaksi!
VASTAUS 1: Täydennä kaavio Auringon valo viherhiukkanen: kalvopussit valoreaktio vesi hiilidioksidi hiili happi viherhiukkanen: kalvopussien välitila (strooma) hiilen yhteyttämisreaktio glukoosi (C6H12O6) 6H20 + 6CO2 C6H12O6 + 6CO2 42
VASTAUS 2: Sivun 54 kuvien tarkastelu a) Syvänmeren pohjalle ei riitä auringon valoa. Ympäristö on pimeä. b) 54A levien, 54B bakteerien (syanobakteeri), 54C kasvien. 43
VASTAUS 3: Vesirutto koeputkessa a) Happea. b) Valossa viherhiukkasen valoreaktiossa vesi hajoa vedyksi ja hapeksi. Happi vapautuu (kuplat), vety siirtyy hiilen yhteyttämisreaktion rakennusaineeksi. 44
VASTAUS 4: Fotosynteesin lähtöaineiden kulkureitti Vesi kulkee maaperästä juurien kautta johtosolukkoon. Johtojänteiden puuosassa vesi nousee lehtiin, jossa esimerkiksi yhteyttämissolukon puoliläpäisevän solukalvon läpi (osmoosi) viherhiukkasen luo. Hiilidioksidi tulee lehteen ympäröivästä ilmasta ilmarakojen kautta ja siirtyy diffuusion avulla yhteyttävän solun solukalvon läpi. 45
VASTAUS 5: Sokerimolekyylin alkuperä a) Ilman hiilidioksidista. b) Vesimolekyyleistä. c) Ilman hiilidioksidimolekyyleistä (veden happi vapautuu ilmaan). d) Fotosynteesiä tutkittiin kahdenlaisella koejärjestelyllä. Toisessa kokeessa lähtöaineista vain veden happi oli isotooppia 18, toisessa vain hiilidioksidin happi oli isotooppia 18. Kasvien tuottaman hapen isotoopista nähtiin, kummasta lähtöaineesta ilmaan vapautuva happi on peräisin. e) Mitataan eri valonvoimakkuuksissa tietyssä ajassa vapautuvan hapen määrä. 46
VASTAUS 6: Paju ruukussa Pääosa kasvin biomassasta on rakentunut kaasusta ja/tai vedestä. Ravinteita kasvuun oli tarvittu 0,05kg. 47
VASTAUS 7: Levävyöhykkeet Valon eri aallonpituudet kulkevat eri matkan vedessä. Eriväriset levät hyödyntävät eri aallonpituuksia tehokkaimmin. Punalevät kykenevät käyttämään syvimmälle vedessä tunkeutuvaa sinivihreää valoa. 48
VASTAUS 8: Valon absorptio viherhiukkasissa Klorofylli-a pyydystää klorofylli-b:tä ja karotenoideja paremmin näkyvän valon lyhimpiä sinisiä ja violetteja aallonpituuksia. Klorofylli-a absorpoi klorofylli-b:tä paremmin myös pidempiä valon aallonpituuksia, oranssia ja punaista valoa. Karotenoidit eivät pyydystä lainkaan keltaista tai punaista valoa, mikä selittää niiden keltaisen-oranssin värin. Yhteyttäminen on kaiken kaikkiaan tehokkainta sinisellä ja punaisella aaltoalueella. 49
VASTAUS 9a: Fotosynteesin nopeus (YO-tehtävä S-06) Fotosynteesi eli hiilidioksidin yhteyttäminen tarkoittaa veden ja ilmakehän vapaan hiilidioksidin sitomista sokeriksi (glukoosiksi) auringonvalon sisältämän energian avulla. Samalla vapautuu happea. Fotosynteesin kaava: 6CO2 + 6H2O + energiaa → C6H12O6 + 6O2. Fotosynteesi voidaan jakaa kahteen osaan valoreaktioon ja hiilen yhteyttämisreaktioon. Valoreaktiossa vesi hajotetaan auringon valoenergian avulla ilmaan vapautuvaksi hapeksi ja hiilen yhteyttämisreaktioon osallistuvaksi vedyksi. Hiilen yhteyttämisreaktiossa vety ja ilman hiilidioksidi yhtyvät (yhteytetään) sokeriksi. 50
VASTAUS 9b: Fotosynteesin nopeus (YO-tehtävä S-06) Lämpötilan kohotessa fotosynteesin tehokkuus kasvaa tiettyyn pisteeseen asti (n +27o C), mikä on tälle lajille optimilämpötila yhteyttämiselle. Optimilämpötilassa reaktioketjuun vaikuttavat lukuisat entsyymit toimivat parhaiten. Jos lämpötila nousee yli +30oC, fotosynteesin nopeus alkaa laskea. Syynä ovat: kasvin kiihtyvä soluhengitys, yli +40 oC lämpötiloissa monet entsyymit lakkaavat toimimasta, jolloin fotosynteesi hidastuu, lämpötilan nousu aiheuttaa kasvin lehdissä myös veden haihtumisen voimistumista, minkä takia ilmaraot voivat sulkeutua, mikä hidastaa fotosynteesiä, sillä hiilidioksidin saanti vähenee. 51
VASTAUS 9c: Fotosynteesin nopeus (YO-tehtävä S-06) Valon määrä vaikuttaa. Yleistäen voi sanoa, mitä valoisampaa sitä nopeampaa. Osa kasveista sopeutunut varjoisiin olosuhteisiin (varjokasvit) eivätkä siedä liiallista valoa. valon laatu vaikuttaa. Yhteyttämisen kannalta parhaat aallonpituudet ovat sininen ja punainen (ks. tehtävä 8) Hiilidioksidin ja veden määrä. Kuumissa ja kuivissa oloissa veden puute hidastaa, koska kasvien ilmaraot sulkeutuvat veden haihtumisen estämiseksi. Tällöin kaasujen vaihto ja myös hiilidioksidin saanti pysähtyy. (Kasvit pystyisivät hyödyntämään nykyistä korkeampia ilman hiilidioksidipitoisuuksia. Tätä käytetään hyödyksi kasvihuoneviljelyssä.) 52
VASTAUS 10: Kahden eri kasvilajin CO2:n kulutus (YO-tehtävä K-05) a) Kasvit kuluttavat hiilidioksidia yhteyttäessään valossa. Lauhkean vyöhykkeen kasvin (A) hiilidioksidin kulutus kasvaa valoisuuden mukaan. Pienet heilahtelut iltapäivällä johtunevat esimerkiksi ukkospilvistä. Aavikon kasvin (B) hiilidioksidin kulutus lakkaa päivän valoisimpina hetkinä. Syy on keskipäivän kuumuus. Kasvi sulkee ilmarakonsa (klo 1114) säästääkseen vettä, jolloin kaasut eivät vaihdu eikä vesi kulje kasvissa. b) Kasvit tuottavat hiilidioksidia soluhengityksessään kuten kaikki muutkin eliöt. Soluhengityksessä energiaa tuotetaan solun käyttöön sokerivarastoja polttamalla. Yöllä pimeässä kun kasvit eivät yhteytä ne tuottavat hiilidioksidia soluhengityksessään. Tämä näkyy kummankin kasvin osalta kuvaajan painumisena negatiiviselle puolelle auringon laskusta auringon nousuun. 53