Fotosyntese Åndning Kulstofkredsløb

Transkript

1 Maila Walmod Klasse 1.3 Biologirapport Fotosyntese Åndning Kulstofkredsløb Maila Walmod, 1.3 HTX i Roskilde I gruppe med Ann-Sofie N. Schou, Nicklas Dyrvig, Nicolai L. Sørensen og Ulrik S. Hansen Afleveringsdato: 07/01/08 1

2 Indholdsfortegnelse: 1 Formål: s. 3 2 Teori: 2.1 Plantecellens opbygning s Mitochondrier s Grønkorn s Almindelige fotosyntese og respiration s Todelt fotosyntese s. 5 3 Forsøg: 3.1 Materialer s Bronthymolblåt s Forsøgsbeskrivelse s Forventede resultater s. 7 4 Resultater: 4.1 Diskusion af resultater af forsøg s Glas 1 s Glas 2 s Glas 3 s Glas 4 s Glas 5 s Glas 6 s Glas 7 s Glas 8 s Fejlkilder s Konklusion s Forbruger en grøn plante kuldioxid, når den udsættes for lys? s Behøver en grøn plante lys for at kunne lave fotosyntese? s Optager eller udskiller en grøn plante CO 2? s. 9 5 Kildehenvisning: s. 10 2

3 1 Formål: På samme måde som planter på land skal vandplanter bruge lysenergi til at lave sukker ud fra vand og kuldioxid. Dette kaldes fotosyntese og er den process, der foregår i alle grønne planter. Uden denne biokemsike process ville der ikke være noget liv på jorden. I denne rapport opserveres planten vandpest, elodea canadensis, i forskellige væsker i henholdsvis lys og mørke. En forsøgsrække analyseres, hvorved det er muligt at besvare følgende spørgsmål: Forbruger en grøn plante kuldioxid, CO 2, når den udsættes for lys? Behøver en grøn plante lys for at kunne lave fotosyntese? Og optager eller udskiller en grøn plante CO 2, når der ikke er lys? 2 Teori: For at kunne forstå forsøget på bedst mulig måde, er det vigtigt at have baggrundsviden om de kemiske processer der foregår i planten. Derfor er her gennemgået plantecellen samt fotosyntese og respiration: 2.1 Plantecellen: Fotosyntesen, som er en biokemisk proces, foregår i planternes grønkorn. Grønkornene ligger i plantecellen, som til forskel fra dyrecellen, der kun har cellemembran, har en cellevæg. Inden for denne ligger en plasmamembran, som i opbygning ligner alle de andre membraner, der findes i cellen; endoplasmatisk reticulum. Endoplasmatisk reticulum er i eukariote celler et netværk af sække og rør, der hjælper til med membransyntese og metabolske processer. De deles op i to typer, kaldet ru, hvor ribosomerne er bundne, og en kaldet glat, hvor der ikke er ribosomer. Den ru endoplasmatiske reticulum hjælper ved syntese af proteiner, modificering af proteiner og dannelse af membran, hvor den glatte i stedet er aktiv ved syntese af lipider, afgiftning og metabolisme af kulhydrater 1. Plasmamembranen er permeabel, hvilket betyder, den kontrollerer molekylers, ioner, hormoner og andre signalstoffers trafik ind og ud af cellen. Inden i denne ligger cytoplasmaen, der omgiver cellekernen. Denne cytoplasma er i konstant bevægelse, hvorved organellerne hele tiden bevæger sig rundt i substansen. En del af cytoplasmaen kaldes cytosolen, som er den væske, der befinder sig inde i cellen rundt om kerne og organeller. Denne omgiver alle organellerne samt et hulrum i midten af cellen kaldet valcuole. Samlet er cytoplasmaen så cytosolen, organeller (med undtagelse af kernen), et cytoskelet (en slags cellulært skelet opbygget af forskellige fibre) og næringsdepoter. Kernen som er en af de organeller, der findes i cytoplasmaet og cytosolen, indeholder cellens arvemasse, DNA et. DNA et bærer informationerne til dannelse af alle celler, men ikke alle dele af DNA et er aktivt, hvorved forskellige planteceller har forskellige funktioner. Cellekernen er adskildt fra cytosolen af en meget tynd kernehinde, der har nogle små porer, hvor forskellige molekyler kan passere. I cytoplsmaet, ligger også ribosomer, mitochondrier, golgiapparat og kloroplaster. Den ru endoplasmatiske reticulum bærer ribosomer, der danner en del af cellens proteiner. Frie ribosomer, der befinder sig i cytosolen sørger for en anden del af proteinerne. Man kan sammenligne ribosomer med en fabrik, der producerer proteinerne ud fra et sæt instruktioner, der ligger i arvemassen. 1: 3

4 2.1.1 Mitochondrier: Mitochondrierne er ligesom nogle små kraftværker i alle eukaryote celler 2, og de er enten cirkulere eller ovale omgivet af en ydre membran (2). Inden i ligger endnu en membran, den indre membran, (1), der er foldet så det danner en fingerlignenede struktur, der kaldes cristae. Disse foldninger giver mitochondrierne et meget stort overfladeareal indvendigt i forhold til organellens egentlige volume. Desuden deles mitokondrien op i to adskilte rum af den indre membran. Et ydre rum, der ligger mellem den ydre og den indre membran, kaldes intermembran-rummet, (3), og et indre rum kendt som matrix, (4). Intermembran-rummet er ækvivalent med cytosolen, hvilket vil sige at de har samme egenskaber og har samme indvirkning på molkyler, der er små nok til at gå igennem den ydre membran. I matrix findes enzymer af forskellig art, der er en del af citronsyrecyklusen, der kort sagt indenfor cellebiologi er en række kemiske reaktioner, der ender ud med dannelsen af energibærende molekyler fra organiske molekyler, der har undergået oxidation (iltning). I intermembran-rummet, er der aflange hulrum, som ligner fingre, kaldet crista er. det skyldes måden hvorpå den indre membran er foldet, og i hver af disse crista er finder elektrontransporten sted samt der foregår sidste del af respirationen ( se afsnit om dette, 2.4). Elektrontransportkæden 3 er biokemiske processer, der producerer ATP. ATP, adenosintriphophat, levere energi til alle processer i en celle, og denne foregår som nævnt i mitochondrierne, i den indre membran, der resulterer i reduktion af oxygen-molekyler, O 2, til vand, H 2 O. Mitokondrier har ligesom kloroplaster (se næste afsnit om dette, 2.2) deres eget DNA, i form af et lille cirkulært kromosom 4. Golgiapperatet 5, der har fået det noget spektakulære navn efter dets opdager, Camillo Golgi, er et membransysten af flade sække og kanaler, hvis primære funktioner i en celle er at færdiggøre polypeptider. Polypeptider er et peptid, der består af mindst 10 aminosyrer, der er bundet sammen med peptidbindinger 6. De fleste polypeptidkæder, der sendes fra det ru endoplasmatiske reticulum, havner i golgiapparatet, hvor de færdiggøres. Den sidste og nok også vigtigste organel, der kan nævnes i forbindelse med plantecellen er grønkorn, som beskrives i næste afsnit Grønkorn: Grønkorn kaldes også i fagsprog for kloroplaster, og de har deres eget DNA. Der er flere teorier om hvordan disse organeller er opstået, men det tyder på, at kloroplaterne kommer fra prokaryote celler, der enten gradvist har udviklet sig til eukaryote celler. Eller også menes det, at de er kommet fra en vægløs prokaryot-type, hvor cellens DNA er blevet indkapslet af membran. Da både mitokondrier og kloroplaster i opbygn- ing minder om forskellige prokaryoter, men begge har eget DNA, kan det tænkes, at denne vægløse prokaryot celle er blevet optaget i en primitiv eukaryot celle, hvor de har været i symbiose. Efterhånden er prokaryoten blevet integreret i cellens organisation og stofskifte, og den eukaryote celle har overtaget det meste den prokaryote celles DNA. Udviklingen fra symbiont til organel er blevet styret af, hvor meget af symbiontens gen og DNA, der i stedet kodes i værtcellens kerne. Denne teori kaldes for endosymbiont teorien 6. 2: 3: 4: 5: 6: 4

5 Kloroplaster er omgivet af en dobbelt membran, kaldet en ydre og en indre membran, samt en såkaldt en thylakoidmembran. De to førstnævnte membraner afgrænser et væskefyldt rum kaldet stroma, og de er begge gennemtrængelige, men den inderste af disse to indeholder også stoffer, der muliggør transport af små molekyler gennem membranerne. Thylakoidmembranen omgiver thylakoider, der en form for struktur eller rum, der er organiseret i flade, sækkeligende strukturer, der er lavdelte. I stakke kaldes de grana, der er forbundet med et lamelsystem. Thylakoiderne indeholder de proteiner og protein-pigmenter, der er en del af fotosyntesen, og det er i thylakoidmembranen at fotosyntesen foregår. Membranen er blandt andet dækket af en række pigmenter beregnet til at indfange sollyset, en af disse er klorofyl. Dette stof giver planter deres grønne farve og absorberer sollys og omdanne det til kemisk energi i foto- syntesen. Det er et komplekst molekyle, der kan deles op i forskellige typer alt efter hvilke bølgelængder af sollys, det opfanger, og hvilke planter der har hvilken type. Uden om dette er stromaet. Stromaet indeholder en masse enzymer, der gør det muligt at coverterer CO 2 til molekyler som glukose i mørkeprocessen (Calvin Cyklus en, se afsnit om todelt fotosyntese), samt flere identiske, cirkulære DNA-molekyler, ribosomer og fedtdråber. 2.2 Almindelig fotosyntese og respiration: Normalt læres fotosyntesen som: 6 CO H 2 O + lysenergi C 6 H 12 O 6 + O 2 Men planten har også brug for energi til vedligeholdelse af de vigtigste processer som vækst, stofoptagelse og formering, selvom der ikke er sollys. Derfor bruger cellen noget af den energi, der er i planten ved at nedbryde glukosemolekyler og oxygenmolekyler, der så bliver til carbondioxid, vand og energi i form af ATP. Denne proces foregår i cellens mitochondrier. Formlen for dette ser således ud: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 38 ATP + varme Todelt fotosyntese: Men fotosyntesen er mere kompleks end som så. Den kan deles op i to, hvor man snakker om den lysafhængige og en lysuafhængig del, der kaldes Calvin Cyklus eller mørkeprocessen 7. I den lysafhængige del bliver solens lysenergi opfanget og ved en række kemiske reaktioner omdannet til ATP og NADPH. ATP er forkortelsen for adenosintriphosphat, som er et molekyle opbygget af et adonesinmolekyle, hvortil der er bundet tre fosfatgrupper. Når en af fosfatgrupperne spaltes fra, frigives energi og ATDP bliver til ADP, adeosindiphosphat. I lysprocessen oplades ADP erne til ATP er og der føres samtidig hydrogen og elektroner fra vandet over til NADP+, så de bliver til NADPH. Den resterende oxygen udsendes som O 2. Calvin cyklu- 7: 5

6 sen, der ikke behøver lys, bruges energien fra ATP og NADPH til at lave CO 2 til sukkerstof, C 6 H 12 O 6, da NADPH afgiver hydrogenen til carbondioxiden. Den kemiske reaktion som bruttoformel skrives som følgende: 6 CO NADPH + 12 H 2 O + 18 ATP C 6 H 12 O NADP ADP + 18 P Som det ses på illustrationen, opfanges lysenergien og i thylakoiderne, hvor der så laves ATP fra ADP og overføres elektroner og hydrogen fra vandmolekylet, H 2 O, til NADP +. Calvinprocessen foregår derimod i stromaet i kloroplasterne. 3 Forsøg: 3.1 Materialer: Til forsøget skal der bruges: 8 reagensglas Bromthymolblåt-opløsning (BTB) Vandpest (Elodea canadensis) Stanniol Demineraliseret vand Danskvand Bromthymolblåt: Bromthymolblåt (BTB) er en ph-indikator 8. Det er et farvestof, der i sure opløsninger er gul og i en basisk er blå. Omslagningspunktet ligger omkring 6,8 og intervallet omkring dette, 6,0-7,5, er grønligt. Farven af ph-indikatoren er altså betinget af koncentrationen af H+-ioner, og farven afspejler ændringer i denne. Når CO 2 en opløses i vand dannes kulsyre H 2 CO 3, men denne omdannes med det samme til bikarbonation og en hydrogenion. Formlen ser ud som følgende: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 HCO H + Det er derfor mængden af CO 2, der afgør, hvor stor koncentrationen af H + -ioner, da en øget mængde CO 2 forskyder kulsyreligevægten, så der dannes flere H + -ioner. Under fotosyntesen forbruger planter CO 2, men under deres respiration dannes CO 2, som vil kunne ses med BTB. 3.2 Forsøgsbeskrivelse: Der hældes ca. 2 ml vand i fire reagens glas og 2 ml danskvand i de resterende fire. Der puttes vandpest i to af reagensglassene med vand og to med danskvand. Der dryppes noget bromthymolblåt-indikator i hvert glas hvorefter der sættes noget madfilm henover åbningen, så det slutter tæt. Fire af glassene - to med vand, hvor en er med vandpest, og to med danskvand, hvor en er med vandpest - pakkes ind i staniol, mens de fire andre stilles under en lampe. Ved at pakke fire glas ind i staniol kan det undersøges om fotosyntesen kan foregå i mørke. Herefter stilles de otte reagensglas under en lampe, hvor de fire af dem så belyses mens de fre andre, der er indpakket i staniol, er i mørke. Her står de i en uge (normalt bare et par dage), hvorefter slutfarven noteres. 8: 6

7 3.3 Forventede resultater: 4 Resultater: Her ses resutatet af forsøget men rækkefølgen er anderledes. Her er glas 1 med vandpest og danskvand, glas 2 med danskvand, glas 3 med vand og vandpest, glas 4 med almindeligt vand, glas 5 med danskvand og vandpest i mørke, glas 6 med danskvand i mørke, glas 7 med vand og vandpest i mørke og glas 8 med almindeligt vand i mørke. Dette er ikke et fotografi fra vores eget forsøg, da farverne var så svage Diskusion af resultater: Glas 1: Her er der kun vand og ingen vandpest, så der er ingen proces, selvom glasset står i lys. Da vandet er en smule basisk er startfarven blå, og den forbliver også blå. 9: Jeg har taget dette billede, da jeg vurderede at siden virkede pålidelig samtidig med, at det på en fin måde viser de rigtige resultater så man bedre visuelt kan forstå det. 7

8 4.1.2 Glas 2 I glas 2 er der almindeligt vand og vandpest i lys. Startfarven er blå på grund af det almindelige vand, og efter en uge skulle vandet være blevet blåt, da der ikke er CO 2 i vandet. Selvom der har foregået respiration er den CO 2, der er blevet dannet, derefter blevet brugt til fotosyntese. Vandet har altså samme slutfarve som startfarve: blå. Vandet havde ikke nogen farve efter en uge, og vi mener det skyldes den ret lange venteperiode, og BTB en kan godt blive svagere efter så lang tid. Da vi så til vores glas efter ugen, var der i de glas med vandpest nærmest overtryk, hvor filmen var spændt helt ud. Dette tyder på, at planten måske er begyndt at gå en smule i forrådnelse, og så stopper processerne i planten Glas 3: her var der kun danskvand i lys. Der er CO 2 og kulsyre i danskvand, og derfor bliver vandet gult, når indikatoren tilsættes. Efter en uge er farven den samme, da der ikke er foregået nogle processer i vandet Glas 4: I dette glas er der både danskvand og vandpest, der står i lys. Startfarven er gul på grund af kulsyren i danskvandet. Efter en uge bliver vores vand i overensstemmelse med den forventede slutfarve blåt. Dette skyldes at planten har brugt CO 2 en i danskvandet til fotosyntese, hvorved vandet er blevet svagt basisk Glas 5: Her er der kun vand og ingen vandpest ligesom i glas 1, men dette glas står i mørke. Vandet er en smule basisk er startfarven blå, og der er ingen proces, så det forbliver også blå Glas 6: I glas 6 er der almindeligt vand og vandpest, der står i mørke. Startfarven er blå, da vandet ikke indeholder CO 2, og den forventede slutfarve er gul. Vandet i vores 6. glas havde ingen farve, og dette mener vi på samme måde som glas 2, er der nok for lidt BTB i vandet samtidig med at planten så småt er begyndt forrådnelsesprocessen. Grunden til at det forventedes at få gult vand, når man efter en uge tog staniolen af glasset er, at der her er foregået respiration. Manglende lysenergi gjorde at lysafhængig fotosyntese ikke kunne foregå, men respiration kunne planten godt foretage for at opretholde essentielle funktioner Glas 7: I dette glas, der stod i mørke, var der kun danskvand. Danskvandet gjorde at startfarven var gul, og den forblev gul, fordi der ikke forbruges noget CO Glas 8: I vores sidste glas var der danskvand og vandpest pakket ind i staniol, så det stod i mørke. danskvandet gjorde at startfarven var gul. Da vi efter en uge så til det, kunne vi på samme måde som i glas 6 og 2 ikke så nogen farve, og holder fast i, at der var en smule forrådnelse i planten, fordi vi kunne se at der var overtryk. BTB en var også her efter en uge faded ud, så den slet ikke kunne ses. Slutfarven forventedes til at være gul som startfarven. Dette skulle ikke være fordi, der ikke havde været nogle proces i vandet, tvært imod skulle der som resultat af respiration være dannet mere CO 2, der bare har gjort vandet mere surt. 8

9 4.2 Fejlkilder: Vores vands farve var meget svag eller slet ikke til at se, hvilket skyldes for lidt indikator som stod i for lang tid, så farven forsvandt. Dette gjorde os ude af stand til at bedømme farven på tre glas, og blev nødt til at holde os til teorien og den forventede slutfarve. Forsøget er nemt at udføre og såfremt resultaterne kan ses, er de nemme at aflæse, da det blot handler om observation af farve frem for en specifik værdi. Derfor er det kun farven og mængden af lys samt tiden, der er reele fejlkilder. Den lange periode, glssene skulle stå i, gjorde at tre af vores planter så småt var begyndt at gå i forrådnelse, og mængden af lys kan selvfølgelig have effekt på den lysafhængige del af fotosyntesen i glassene. Det eneste ellers, er blot at holde tungen lige i munden, så man ikke får byttet om på glassene! 4.3 Konklusion: Efter forsøget samt gennemgangen af teori omkring respiration og fotosyntese, er vi i stand til at besvare spørgsmålene Forbruger en grøn plante kuldioxid, når den udsættes for lys? I glas 4 sås det tydligt at en plante under fotosyntesen forbruger CO 2. Dette stemmer overens med teorien omkring fotosyntese (se afsnit 2.2 Almindelig fotosyntese/respiration) Behøver en grøn plante lys for at kunne lave fotosyntese? En grøn plante har brug for lys til den lysafhængige del af fotosyntesen, men kan godt foretage de andre processer uden. Den ikke lysafhængige del af fotosyntesen, behøver - som navnet indikerer - ikke lys og respirationen, får energi fra sukkerstoffet i planten og behøver derfor ikke lysets energi Optager eller udskiller en grøn plante CO2, når der ikke er lys? En grøn plante, der står i mørke udskiller CO 2 som et resultat af respirationen. dette ses i glas 8, hvor vandet er blevet mere surt, fordi planten har lavet respiration og udskilt CO 2. 9

10 Kildehenvisning: Biologibogen s

11 Hej Svend Erik. Så er den klar og i hvert fald mere færdig end den ellers ville have været. Tak fordi du vil tage imod den. - Maila,