Úžasné rostliny

1         Úkol

1.1       Základní úkoly

1.1.1        Zjistěte, zda se bude měnit intenzita fotosyntézy vodních rostlin se změnou teploty. Zjištěné výsledky zapište, z výsledků ostatních skupin vypočítejte průměry zjištěných hodnot a sestavte graf závislosti intenzity fotosyntézy na teplotě, zformulujte závěr.

1.1.2        Zjistěte závislost syntézy škrobu v listech na intenzitě jejich osvětlení.

2         Časová dotace

2.1       Základní časová dotace

Fotosyntéza v závislosti na změně teploty            1–2 hodiny

Důkaz syntézy škrobu v listech                              2 hodiny

3         Pomůcky a materiál

3.1       Pomůcky a materiál pro sledování závislosti fotosyntézy na teplotě

Vodní rostliny, kádinky, skleněné nálevky, skleněné tyčinky, teploměry, vysoké lahve, sodovka, (0,1% roztok hydrogenuhličitanu sodného), voda, zkumavky, stojany se svorkami, (zápalky, špejle – k důkazu kyslíku).

3.2       Pomůcky a materiál pro důkaz škrobu v listech

Rostliny s širší, hladkou a tenkou listovou čepelí (lichořeřišnice, pelargónie), černé PE sáčky, šablonky z papíru (příp. kontrastní negativ černobílé fotografie), kancelářské sponky, silný černý papír, alkohol, jodjodkalium (Lugolův roztok), destilovaná voda, kádinky, Petriho misky

4         Hlavní a dílčí cíle

4.1       Základní cíle

4.1.1        Seznámit se s principem fotosyntézy, její závislosti na světelné energii a jejím významem pro rostliny.

4.2       Vedlejší cíle

4.2.1        Být schopen provést jednoduchý pokus k ověření faktorů ovlivňujících fotosyntézu.

5         Mezipředmětové vztahy a přesahy

Tento materiál svým obsahem přesahuje předmět biologie, propojuje znalosti z oborů chemie (principy práce v laboratoři, práce s chemikáliemi), fyziky, ekologie a vzhledem k nutnosti zpracování získaných dat také matematiky.

6         Obecný úvod k tématu

6.1       Fotosyntéza

Fotosyntéza je základní proces umožňující život na Zemi. Už před více než 2,5 miliardami let začaly v prvních primitivních organismech působením slunečního světla chemické přeměny organických sloučenin. Z hlediska fyziky je fotosyntéza děj, při kterém si rostliny vyměňují látky a energii se svým okolím. V listech rostlin se část energie slunečního záření (jen asi 1–2 %) mění na chemickou energii, která se ukládá do molekul sacharidu. Za přítomnosti světla tvoří zelené části rostlin z oxidu uhličitého a vody organické sloučeniny a kyslík.

Hlavními orgány fotosyntézy u rostlin jsou listy. Výměna plynů mezi pletivem listu a atmosférou je zajištěna průduchy (stomaty). Vodu, přijatou kořeny, přivádějí do listu cévy. Cévy také dopravují vyrobený cukr do ostatních částí rostliny. Pletiva listů (mezofyl) obsahují buňky s chloroplasty, to jsou organely, kde probíhá fotosyntéza. Chloroplasty jsou obaleny dvěma membránami. Uvnitř jsou tylakoidy (měchýřky), obsahující zelené barvivo – chlorofyl. Sloupečky z tylakoidů tvoří grana. Chlorofyl pohlcuje světlo a jeho energie pak zajišťuje tvorbu organických látek v chloroplastu. Přibližně polovina organického materiálu vzniklého při fotosyntéze je v mitochondriích rostlinných buněk spotřebována jako surovina pro buněčné dýchání. V nezelených buňkách slouží sacharidy v metabolických drahách, které vyrábějí proteiny, tuky aj. Velké množství sacharidů je v podobě molekul glukózy využito na tvorbu polysacharidu celulózy, hlavně v buňkách, které rostou a dozrávají. V celosvětovém měřítku je odhadováno, že fotosyntézou vzniká ročně přibližně 160 tun sacharidů. Organické látky vyrobené fotosyntézou poskytují energii a suroviny pro celou biosféru.

6.2       Závislost fotosyntézy rostlin na změně teploty

Průběh fotosyntézy ovlivňuje řada faktorů. Mezi vnější faktory patří světlo, teplota, koncentrace oxidu uhličitého, voda. Teplota obecně urychluje průběh reakcí. Teplota, mimo fotosyntézy, ovlivňuje i další fyziologické procesy (např. dýchání). Rostliny fotosyntetizují pomalu při nízkých teplotách, se zvyšující se teplotou rychlost fotosyntézy roste až po dosažení hranice teplotního optima a potom pomalu klesá, až se zastavuje (obr. 1). U rostlin mírného pásu je teplotní optimum mezi 25 až 30 °C. Vliv má také intenzita světla a také typ rostliny (C3 nebo C4).

Obr. 1 Graf závislosti rychlosti fotosyntézy a dýchání na teplotě.

6.3       Závislost syntézy škrobu na intenzitě osvětlení

Experiment důkazu syntézy škrobu je založen na jednoduchém principu – při fotosyntetické asimilaci jsou v osvětlených částech listu syntetizovány sacharidy a z nich následně škrob. V neosvětlených částech nejsou sacharidy syntetizovány, protože zde nedošlo ke světelné fázi fotosyntézy a tím ani k následné fixaci CO₂. Zakryjeme-li část listu (na rostlině, která byla minimálně 12 hodin ve tmě) šablonou, případně negativem fotografie, a vystavíme-li ji na jeden den na světle, je možno získat jod-škrobovou reakcí na listu otisk šablony, případně „pozitiv“ fotografie.

7         Pracovní postup

7.1       Závislost fotosyntézy na změně teploty

• Uřízněte několik výhonků vodních rostlin (každý by měl mít nepoškozený vrchol) a dejte je do kádinky (z poloviny naplněné vodou) pod nálevku tak, že seříznutými konci směřují do hrdla nálevky (obr. 2, 3).
• Nálevku postavte na tyčinky položené na dně kádinky. Doplňte vodu v kádince přidáním 0,1% roztoku hydrogenuhličitanu sodného nebo použijte vodu ponechanou 3–4 dny stát na vzduchu (případně sodovku).
• Na stopku nálevky připevněte vodou naplněnou zkumavku (do svorky stojanu nebo jenom navléknout). Naplněnou zkumavku zazátkujte palcem, převraťte a teprve pod vodou palec uvolněte a zkumavku upevněte na stopku nálevky. Neměla by se tam dostat ani bublinka vzduchu.
• Takto připravte tři kádinky. Postavte je do vysokých lahví, ponechte je na přímém slunečním světle (nebo pod umělým osvětlením). Kádinky jsou postaveny v lahvích a přiléváním studené nebo teplé vody v první lahvi udržujte teplotu roztoku v kádince na 10 °C, v druhé na 20 °C a ve třetí na 35 °C.
• Zjistěte množství uvolněného kyslíku ve zvolených časových intervalech (např. 30 min, 60 min, 90 min). Množství uvolněného kyslíku zjistíte tak, že si označíte na zkumavce výši hladiny roztoku za zvolenou časovou jednotku. Po skončení pokusu naplníte pipetou zkumavku po značku. Na pipetě odečtete pokles sloupce vody v ml, jejíž objem se rovná objemu uvolněného kyslíku při fotosyntéze.
• Pokud chcete provést důkaz kyslíku – provádí se doutnající třískou. Po vstrčení do zkumavky s najímaným plynem vzplane.
• Jednodušší úprava pro sledování intenzity fotosyntézy: Intenzitu fotosyntézy můžete posoudit také podle počtu uvolněných bublinek plynu, např. za 1 min. Vodní rostliny vložte do zkumavky s vodou, vystavte přímému světlu a ponořujte do kádinek s výše uvedenou teplotou. Dbejte na dostatečný časový interval pozorování.

Obr. 2 Aparatura pro jednodušší variantu sledování fotosyntézy vodních rostlin v závislosti na teplotě. Foto RNDr. Stanislava Mayerová

Obr. 3 Aparatura pro sledování fotosyntézy vodních rostlin v závislosti na teplotě.  Kresba Mgr. Michaela Jízbová

7.2       Důkaz syntézy škrobu v závislosti na intenzitě osvětlení

7.2.1        Příprava rostliny na důkaz syntézy škrobu

• Pokusnou rostlinu alespoň na 12 hodin zatemněte (černý PE sáček, uzavření do temné komory), tím se prodýchá většina škrobu v listech.
• Na plochu listové čepele připevněte pomocí kancelářských sponek šablonu (obr. 4) nebo negativ černobílé fotografie (na spodní stranu listu dejte černý papír). Pozor na poškození listu sponkami!
• Rostlinu vystavte na jeden den světlu. Následující den se provádí zkouška přítomnosti škrobu.

Obr. 4 Způsob upevnění šablon na listovou čepel. Foto Mgr. Veronika Kaufnerová

7.2.2        „Vyvolání“ obrázku na listu

• Odstřihněte list, odstraňte šablonu a vhoďte list na dvě minuty do vroucí destilované vody (usmrcení buněk).
• Vložte list na cca 10 min. do horkého ethanolu (obr. 5), zahřátého ve vodní lázni – dojde k vyluhování chlorofylu.

Obr. 5 Vyluhování chlorofylu ze spařeného listu v horkém ethanolu. Foto Mgr. Veronika Kaufnerová

• List následně přemístěte do malého množství destilované vody (obnoví se vláčnost listu, ztvrdlého působením alkoholu) a přilijte přiměřené množství Lugolova roztoku. Lugolův roztok specificky barví škrob, který se vytvořil v místech listu, jež byla vystavena světlu (obr. 6–7).

Obr. 6 – 7 Výsledná listová fotografie na listu pelargonie po obarvení Lugolovým roztokem. Foto Mgr. Tomáš Kučera

7.3       Odpovězte na následující otázky.

1. Čím více CO₂ voda obsahuje, tím ....................................................  je intenzita fotosyntézy.
2. Zelené rostliny využívají CO₂ ze vzduchu jako zdroj ..............................................................
3. Volný kyslík v atmosféře, nezbytný pro dýchání organismů, vznikl a udržuje se převážně

................................................................................................................................................

1. Hlavním zdrojem energie na Zemi je ....................................................................................
2. Podstatou fotosyntézy je přeměna CO₂ na ............................................................................
3. Fotosyntéza je základní .....................................................  (anabolický,katabolický) proces.
4. Rostliny při fotosyntéze využívají světlo v rozmezí vlnových délek ................................  nm.
5. Světelná energie pohlcená chlorofylem se v tzv. primárních procesech fotosyntézy přeměňuje na energii ................................................................................................................................................
6. Tzv. sekundární procesy fotosyntézy zahrnují vázání CO₂ a proces jeho přeměny na sacharidy. Tento děj se nazývá ....................................................................................................................................
7. Vytvořený cukr je zapojen do řady reakcí a je výchozí látkou pro vznik dalších organických látek, např.     

8         Metodické poznámky

Pro úspěšný průběh pokusů je nezbytné zajistit vodní rostliny v dostatečném množství (k pokusu je vhodný vodní mor kanadský). Pokus je vhodné provádět nejlépe při osvětlení přímým sluncem (lze použít Meotar). Dále je nezbytné zajištění patřičné teploty vody.

Pokus je potřeba provádět po předchozím seznámení žáků se základním principem fotosyntézy nebo zároveň při výkladu.

Před zahájením pokusu:

• Zapište sumární rovnici fotosyntézy a doplňte důležité podmínky průběhu (k šipce).
• Vysvětlete, proč jsou listy rostlin zelené.
• Uveďte, jak byste dokázali, že rostliny fotosyntetizují.
• Uveďte, podle čeho byste stanovili intenzitu fotosyntézy.
• Uveďte, které vnější faktory mohou ovlivňovat průběh fotosyntézy.

9         Použitá literatura a další zdroje

Boháč, I. 1983. Cvičení z biologie.1.vyd. SPN. Praha.

Campbell, N. 2006. Biologie. 1.vyd. Computer Press,a.s., Brno.

Dvořák, P. 1991. Cvičení z fyziologie rostlin. Univerzita Karlova. Praha.

Hadač, E. a kol. 1967. Praktická cvičení z botaniky. SPN. Praha.

Kincl, M. 1955. Letní praktikum fysiologie rostlin. SPN, Praha.

Molisch, H. a Biebl, R. 1975. Botanická pozorování a pokusy s rostlinami bez přístrojů. SPN. Praha.

Prát, S. a Řetovský, R. 1951. Praktikum rostlinné fysiologie. Přírodovědecké nakladatelství. Praha.

Procházka, S. Macháčková, I., Krekule, J., Šebánek, J. a kol. 1998. Fyziologie rostlin. Academia. Praha.