Metodický pokyn = učitel

Tematické zařazení experimentu

• energie, přeměny forem energie
• interakce elektromagnetického záření a hmoty
• sluneční energie - podmínka života na Zemi
• metabolismus rostlin a energie

Cíl experimentu

• Cílem experimentu je demonstrovat fotosyntézu rostliny pomocí měření koncentrace kyslíku v uzavřeném objemu vzduchu.

Poznámky k realizaci experimentu

• Výhodou uzavřeného systému je jednoduchost měření, nevýhodou nemožnost dosáhnout konstantní koncentraci CO₂. Měnící se koncentrace CO₂ ovlivňuje otevřenost průduchů v listech a tím i rychlost výměny CO₂ a vodních par. S poklesem jeho koncentrace se snižuje i rychlost fotosyntézy. Pod 0,01% CO₂ fotosyntéza neprobíhá. Proto je lépe rostlinu uzavřít s takovým objemem vzduchu, aby měla dostatek oxidu uhličitého.
• Dalšími faktory ovlivňujícími rychlost fotosyntézy jsou spektrální složení a intenzita světla (=fotosynteticky zvláště účinné je světlo červené a modrofialové), voda (=její nedostatek způsobuje uzavření průduchů), teplota a přítomnost minerálních látek. U většiny rostlin v našich zeměpisných šířkách se fotosyntéza zastavuje při -1 ° C, v případě tropických rostlin je to +4 až +8 ° C.
• Optimální teplota fotosyntézy závisí na koncentraci oxidu uhličitého ve vzduchu. Například pro brambory při 0,03% koncentraci CO₂ je optimální teplota pouze 17 ° C, při koncentraci 1,2% CO₂ je to již 25 ° C.
• Při cca 40 ° C dochází u většiny rostlin k výraznému poklesu fotosyntézy.

Návod na zpracování dat

• V tomto experimentu je snadné určit z grafu nebo z tabulky maximální i minimální hodnotu koncentrace kyslíku.
• V experimentu použijte stínomilná rostlinu, protože světlomilné rostliny jsou na kvantitu dopadajícího světla velmi náročné.

Závěry z experimentu

• Při měření závislosti koncentrace kyslíku na čase, kterou znázorňujeme pomocí grafu, byla rostlina asi jednu hodinu umístěna na slunečním světle. Koncentrace kyslíku se během hodiny v důsledku fotosyntézy zvýšila z 19% na 23%, tedy o čtyři procenta.

Žákovské aktivity

• Při realizaci experimentu třeba vzít v úvahu, že jeho příprava i uskutečnění jsou časově náročné. Experiment je vhodné využít k demonstraci fotosyntézy během výkladu, avšak třeba počítat s minimálně dvouhodinovou časovou dotací.
• Žáci se mohou přímo podílet na přípravě, realizaci i vyhodnocení experimentu.
• Pokud převodník umožňuje připojení více senzorů, žáci mohou kromě kyslíku případně měřit i teplotu uzavřeného objemu vzduchu.

Trochu teorie

• Veškerý kyslík ve vodě a ve vzduchu má ve skutečnosti biologický původ. Vznikl v zelených rostlinách, procesem, který nazýváme fotosyntéza. Fotosyntéza je složitý proces, kterým sinice a zelené rostliny pomocí světelné energie syntetizují organické látky z oxidu uhličitého a vody za přítomnosti slunečního záření:
• Nezbytnou podmínkou fotosyntézy je světelné záření, dodávající energii potřebnou na proces fotosyntézy. Opačný proces, tedy spalování organického materiálu s kyslíkem, uvolňuje energii.
• Pokusme se zaznamenat změny koncentrace kyslíku v průběhu fotosyntézy.
• Kyslík nelze vidět, očichat ani ochutnat. Bez kyslíku by nikdo z nás nežil déle než několik minut. Máme však štěstí, že je nejběžnější látkou na Zemi. Obrovská množství kyslíku (=O₂) se nacházejí v atmosféře, je rozpuštěný ve světových oceánech a povrchových vodách. Svou podstatou je to velmi reaktivní plyn. Snadno se spojuje s jinými látkami a v tomto procesu se často prudce uvolňuje energie (=tehdy mluvíme o hoření). Bez kyslíku nic nehoří. V mimozemském prostoru není vzduch ani kyslík, takže tam se oheň nedá zapálit. Raketové motory kosmické lodi potřebují kyslík k tomu, aby spalováním pohonných hmot poháněly raketu. Kosmická loď si proto s sebou nese zásoby čistého kyslíku, který se v raketovém motoru mísí s palivem. Když něco hoří v čistém kyslíku, vzniká velmi horký plamen. V některých svařovacích přístrojích se spaluje směs určitého plynu (=acetylén, vodík) a čistého kyslíku, přičemž vzniká horký plamen, který dokáže roztavit i kov.
• Pokud je kyslík takto reaktivní, jak je potom možné, že se ho velké množství nachází v atmosféře?
• Víte, proč kyslík už dávno nezreagoval s ostatními prvky a naše planeta nezůstala pustá a bez života?

Souvislost se životem, přírodou a praxí

• Fotosyntézou se vytvářejí organické látky, které slouží pro výživu heterotrofních organismů. Zároveň se z atmosféry spotřebovává oxid uhličitý a uvolňuje se kyslík, čímž se udržuje rovnováha těchto dvou plynných složek ve vzduchu. V procesu fotosyntézy se hromadí obrovské množství energie a vzniká mnoho látek potřebných pro člověka (=polysacharidy, tuky, celulóza, dřevo, kaučuk, bavlna, i nejdůležitější energetické zdroje - uhlí a ropa).
• Před třemi miliardami let se kyslík v atmosféře prakticky nevyskytoval. Fotosyntéza se začala asi před dva a půl miliardami let a geochemicky významné množství kyslíku se objevilo v atmosféře až před dvěma miliardami let (=svědčí o tom červené vrstvičky minerálů železa, které byly vystaveny atmosféře obsahující kyslík). Obsah O₂ v atmosféře dosáhl 2% současného stavu asi před 800 miliony let a 20% před 580 miliony let. Posledních 50 milionů let zůstala koncentrace kyslíku v atmosféře přibližně stejná.
• Kyslík se v přírodě nachází také ve sloučeninách (=voda, horniny, minerály, půdy). Horniny obsahují asi 45,5 hmotnostních procent kyslíku.