Физика_в_растениях2

ФИЗИКА В РАСТЕНИЯХ.
ЧАСЫ РАСТЕНИЙ
Работа выполнена ученицей 9 класса Б
средней школы №1251 Хавиной
Анастасией.
Работа представлена ученицей 9 класса
Б средней школы №1251 Пронской
Анастасией.
Цели и задачи исследовательской работы
• Рассмотреть физические процессы, лежащие в основе жизни
растений.
• Изучение суточного ритма растений.
• Определить роль капиллярности.
• Выяснить физические аспекты фотосинтеза.
Суточный ритм растений
Суточный ритм – ритм, который
приспосабливает организмы к смене дня и
ночи
Причина:
Движение Земли вокруг своей оси
Цветочные часы
Карл Линней (1707-1778).
Великий шведский естествоиспытатель,
наблюдая за растениями, заметил
что одни цветки являются вестниками
восходящего солнца. А другие – вестники
заходящего солнца. Такая закономерность
происходила благодаря тому, что в разные
часы выделяется различного количество
тепла и света.
Он предложил создать
необычные цветочные часы.
Что такое свет?
Свет это - оптическое излучение,
электромагнитные волны
Закрывание и открывание цветка
Рост растений
Суточный ритм движения лепестков – результат
неравномерного роста их верхней и нижней стороны.
Фотосинтез
Фотосинтез - процесс образования
органических веществ из углекислого газа и
воды на свету при участии фотосинтетических
пигментов
Изучение фотосинтеза
Джозеф Пристли (1733-1804 гг.) британский священник-диссентер,
естествоиспытатель, философ,
общественный деятель. Вошёл в
историю прежде всего как
выдающийся химик, открывший
кислород и углекислый газ.
Изучение фотосинтеза.
Опыт Пристли
Изучение фотосинтеза.
Образование крахмала на свету
Крахмал представляет собой природный
полимер, причем крахмал не
индивидуальное вещество, а смесь двух
полимеров
Изучение фотосинтеза
Климент Аркадьевич Тимирязев (1843-1920 гг.)
Русский естествоиспытатель, физиолог,
основоположник русской и британской
научных школ физиологов растений,
историк науки, профессор Московского
университета.
Член-корреспондент Российской академии
наук (1890).
Член Лондонского королевского общества
c 1911.
Почётный доктор Кембриджа,
университетов Женевы и Глазго.
Академия К.А. Тимирязева
Российский государственный аграрный
университет имени К. А. Тимирязева, или
«Тимирязевская академия» — высшее аграрное
учебное заведение, одно из старейших высших
учебных заведений России.
Изучение фотосинтеза
Корнелис Бернардус ван Ниль (1897-1985)американский микробиолог, член
Американской академии наук и искусств и
Национальной академии наук
Изучение фотосинтеза
Александр Павлович Виноградов (18951975)
— советский геохимик, организатор и
директор Института геохимии и
аналитической химии АН СССР,
основатель и руководитель первой
отечественной кафедры геохимии, вицепрезидент, академик АН СССР.
Изучение фотосинтеза
Роберт Хилл (1899—1991) –
британский биохимик.
Изучение фотосинтеза
Даниэль Арнон Изра́иль (1910-1994)—
американский биохимик и физиолог растений.
Изучение фотосинтеза
Мелвин Эллис Ка́лвин (1911-1997) американский биохимик, член
Национальной академии наук в
Вашингтоне
Физика фотосинтеза
• Частицы света под названием фотоны, исходящие от
Солнца, бессистемно попадают в молекулы
хлорофилла и другие поглощающие свет антенные
пигменты, которые концентрируются внутри клеток
каждого листа, а также внутри каждой
фотосинтезирующей бактерии. Но как только энергия
фотона внесена, он перестает быть бессистемным. Тем
или иным образом он направляется в постоянный
поток, идущий по направлению к фотосинтетическому
реакционному центру клетки, где в дальнейшем
используется с максимальной эффективностью для
превращения углекислоты в сахарозы.
• С 1930-х годов ученые признавали, что этот путь
следует описывать при помощи квантовой механики,
которая указывает, что частицы, такие как электроны,
часто действуют как волны. Фотоны, ударяясь об
антенные молекулы, поднимают рябь из заряженных
электронов – экситонов, как камень,
разбрызгивающий воду в луже. Эти экситоны далее
передаются от одной молекулы следующей, пока не достигают реакционного центра. Но является
ли их путь бессистемными и неконтролируемыми скачками, как изначально полагали ученые? Может
ли их движение быть более организованным? Некоторые современные исследователи указали, что
экситоны могут быть когерентными, и их волны могут распространяться на более чем одну
молекулу, при этом они продолжают следовать согласованно и усиливать друг друга.
Квантовая когерентность волн
• Если действительно так, то в этом есть поразительный вывод. Когерентные квантовые волны могут
существовать в двух состояниях в одно и то же время, таким образом, когерентные экситоны могут
двигаться через лес антенных молекул одним или двумя маршрутами одновременно. Фактически
они могут синхронно находить множество возможных вариантов и автоматически выбирать самый
эффективный путь к реакционному центру.
• Двум группам ученых под руководством Граама Флеминга, химика в Калифорнийском университете
Беркли, удалось получить экспериментальное подтверждение этой гипотезы. Одна группа
использовала последовательность очень коротких лазерных пульсаций, чтобы испытать
фотосинтетический аппарат зеленой серобактерии Chlorobium tepidium. Исследователи должны
были охладить образцы до 77К при помощи жидкого азота, но данные лазерных испытаний
продемонстрировали явное доказательство когерентных состояний экситона. Вторая группа
проводила схожее испытание пурпурной бактерии Rhodobacter sphaeroides и обнаружила ту же
электронную когерентность при температуре до 180К.
• В 2010 году исследователи первой группы обнародовали доказательства квантовой когерентности в
бактериальном комплексе при температуре окружающей среды, и это продемонстрировало, что
когерентность не только не искусственный продукт, создаваемый лишь в криогенных лабораторных
условиях, но может в действительности быть важным для фотосинтеза в реальном мире. Примерно
в то же время группа под руководством Грегори Шолеса, химика Университета Торонто, Канада,
также сообщала об эффектах когерентности при температуре окружающей среды, и в этот раз не в
бактериях, а в фотосинтетических водорослях-криптофитах, эволюционно отдельных организмах,
тесно связанных с растениями и животными и использующих совершенно другие поглощающие
свет химические группы.
Почему не разрушается когерентность?
• Но как может квантовая когерентность длиться
достаточно долго, чтобы быть полезной при
фотосинтезе? Большинство физиков
предположили бы, что при температуре
окружающей среды окружающий
молекулярный хаос в клетке почти мгновенно
разрушает когерентность.
• Компьютерное моделирование, проведенное
Ллойдом и некоторыми из его коллег,
предлагает ответ: бессистемный шум в
окружающей среде может скорее увеличить
эффективность передачи энергии в
фотосинтезе, чем уменьшить. Оказалось, что
экситон может иногда попадать в ловушку в
определенных местах фотосинтетической цепи,
но моделирование указывает, что шум
окружающей среды может достаточно
аккуратно его встряхнуть, не уничтожая
когерентность. Таким образом, по словам
Ллойда, окружающая среда освобождает
экситон и дает ему возможность продолжить
путь.
Сет Ллойд
Что такое капиллярность?
Поверхность налитой в сосуд жидкости в
своей средней части горизонтальна, у
стенок же сосуда она всегда искривлена.
Вогнутая или выгнутая часть жидкости на
поверхности воды называется мениском.
В широких сосудах мениски,
захватывающие только небольшую
поверхность у самых стенок, не изменяют
давления жидкости. В узких же сосудах,
например в тонких трубочках -капиллярахмениск захватывает всю поверхность и
влияет таким образом на давление
жидкости, которое меняется под кривой
поверхностью.
Вогнутый
мениск
Выгнутый
мениск
Капиллярные явления в растениях
Питание растений обусловлено
всасыванием из почвы влаги и питательных
веществ, что возможно благодаря
наличию капилляров в корневой системе и
стеблях растения.
Учета капиллярности необходимо при
обработке почвы. Например, для того
чтобы происходило более интенсивное
испарение влаги из почвы, необходимо
уплотнять его. В этом случае в почве
образуются капилляры и влага
поднимается по ним вверх и испаряется.
Чтобы уменьшить испарение, почву
рыхлят, разрушая при этом капилляры, и
влага дольше остается в почве.
ФОТОСИНТЕЗ
Выводы: Световая фаза фотосинтеза очень сложный
физиологический процесс преобразования энергии,
которая протекает в хлоропластах (на тилакоидах
гран). Известно, что солнечная энергия не может
непосредственно участвовать в образовании
органического вещества, так вот в преобразовании
этой нескончаемой энергии, и заключается основной
биологический смысл световой фазы. Энергия солнца
запасается в связях химических соединений (АТФ и
НАДФ*Н), которые в последующем смогут
участвовать в других процессах фотосинтез
(темновая фаза). Световая фаза фотосинтеза очень
сложный биологический процесс, требующий
понимания законов физики и химия. А так же их
последующая интеграция в биологическую науку,
только в свете ее мы сможем полностью понять и
осознать значение данного процесса для биосферы
нашей планеты.
Выводы
Благодаря проведенной исследовательской работе, мы узнали,
насколько важны такие физические процессы, как
Капиллярность
Испарение
И особо важное значение играет Фотосинтез.