Bidragskontrakt nr 226646 -CP- 1- 2005-1-IE-COMENIUS-C21 (2005-3264)
VÄXTERNAS ANDNING OCH FOTOSYNTES
Ämne: Biologi
Nivå: Högskola
Beräknad tid: 9 timmar (lektioner och utomhus aktiviteter)
Initiativtagare: L. Brancaleoni, O. De Curtis, U. Thun Hohenstein, M.C. Turrini
Abstrakt
Huvudsyftet med denna modul är att studera växternas andning och fotosyntes i relation
med miljöfaktorerna. Den här presentationen innebär direkta mätningar av gasväxlingar i
det interna strukturen av löven med hjälp av en datalogger anordning som visualiserar
processen genom att använda grafer.
Datainsamlingen som gjorts utomhus ska hjälpa eleverna att utveckla deras förmåga att
observera naturen och användningen av elektroniska fickanordingar ska låta dem att mäta
variablarna på ett vetenskapligt sätt.
Modulens aktiviteter skedde i Santa Giustina skogorna, en vaker plats i Regionalparken
Po Delta (Æmilia-Romagna området i nordöstra Italien).
Institution: Biologi och evolution avdelning, Ferrara Universitet, Land: Italien
DEN HUVUDIDÉN OCH FRÅGA
Kan problemet av den globala uppvärmningen bli löst med hjälp av växterna?
Finns det någon förändring under dagen och natten angående växternas fotosyntes och
andning?
Hur förändras växternas fotosyntes och andning med hänsyn till de olika temperatur och
humiditetsnivåer?
VARAKTIGHET
• 3 timmar för förberedelse lektion i klassrummet
• 3 timmar för utomhus aktiviteter
• 3 timmar för diskussioner i klass
NIVÅ – Högskola
PEDAGOGISK STRUKTUR
Majoriteten av lärarna tror att fotosyntes är den mest problematiska biologibegrepp
(Çapa, 2000; Eisen & Stavy, 1992). Liksom i många vetenskapsprocesser särskilt när de
är svåra och komplexa, får eleverna felaktiga ideer och föreställningar före att föstå
vetenskapliga informationer (Amir & Tamir, 1994).
På grund av sitt abstrakta natur, både undervisningen och inlärningen av fotosyntes är
svåra på alla skolnivåer (Storey, 1989; Bahar, Johnstone &Hansell, 1999). Dock är denna
process tillsammans med växternas andning, en vital och fundamental kodition i
ekologiska studier. Visserligen har växternas fotosyntes och andning en central roll för de
levande organismerna. Genom fotosyntes understödjar solljusenergin de metaboliska
processerna av alla levande varelser (Anderson, Sheldon & DuBay, 1990). Lärarna måste
hitta alternativa metoder för att undervisa dessa subjekt angående argumentationens
viktighet och deras svårighet. Datorer och tekniska anordningar kan och måste användas
angående detta pedagogiskt mål.
Denna modul innebär undersökning av växternas fotosyntes och andning som konkreta
processer som görs av växter i relation med miljöfaktorer. Vår presentation innebär
direkta inspelningar av gasväxlingen i lövens inre struktur som tillåter en jämforelse
mellan kursen av koldioxiden (CO2) och syret (O2) för små och stora växter och/eller för
olika organ eller fenologiska stadier (knoppar, mogna löv).
Experimentet
påpekar
alltså
effekterna
av
miljövariabler
särkilt
dem
av
luftstemperaturen och humiditet på gasväxlingen och hjälper eleverna att förstå påverkan
som miljön har på levande varelser och biologiska processer.
FÖRUTSÄTTNINGAR
Denna modul adresserar till elever som har grundkunskaper om växter och lövens
struktur, om miljövariabler (temperatur och humiditet) såsom grundkunskaper inom
kemi.
NÖDVÄNDIGA KUNSKAPER
Både små och stora växter uppsuger solljus som med hjälp av vatten och koldioxid
förvandlar i kemisk energi, i kolhydrater och syre. Genom fotosyntes förvandlas CO2 i
kolföreningar (särskilt sackarider) och vatten befriar syret. Medan aeroba organismer
förbrukar syre under andningen och befriar koldioxid under fotosyntes balanserar
fotosyntesen växternas andning genom att befria syre oavbrutet i atmosfär. De gröna
jordiska växter uppsuger CO2 från atmosfär genom öppningar som finns på lövens
underlag medan de akvatiska växter (särkilt alger) uppsuger CO2 smält i vatten. Genom
dessa öppningar penetrerar koldioxiden löven och med hjälp av humiditeten (t.ex. vatten
som uppsugs av rötter) absorberas och kommer i celler. Denna fästningsprocess av CO2
förklaras av den följande ekvationen:
nCO2 + 2nH2O + fotoner → (CH2O)n + nH2O + O2↑
koldioxid + vatten + ljusenergi → kolhydrater + vatten + fritt syre
där (CH2O)n är den allmäna formel för en kolhydrat.
Det gäller om en nedgångsprocess i vilken C (kol), H (hydrogen) och O (syre) har
procenten av glukos, och fritt syre kommer från de två molkeuler av vatten.
Fotosyntesen förekommer i två etapper och bestämmer olika typer av reaktioner.
I den första etapp reaktioner består i att solljusen tillverkar energibärande molekyler
(ATP – adenosintrifosfat och NADPH – reducerad nikotinamid-adenin-dinukleotidfosfat); i den andra etapp reaktionen (kallad Calvin-Benson-Bassham cykel) tar plats
nånstans där ljus finns och använder element från den första etapp för att minska
koldioxiden till organiska molekyler (kolhydrater).
Visserligen producerar ljusen en räcka av reaktioner i vilka den tillgägliga energin (i form
av fosforiska kedjor i ATP) tillverkas genom att befria syre, protoner och elektroner från
vatten som bestämmer minskning av koldioxiden och produktionen av glukos.
Inre celler framträder fotosyntes i kloroplaster där klorofylen och de aktiva färgämnena
transporterar energin tillverkad av ljus från reaktionsplatsen till kedjor av kemiska
reaktioner.
Reaktionens som behöver ljus tar plats i kloroplasternas tylakoider och tillverkar ATP
(energi) och NADPH (transportör av elektroner).
Reaktioner i den mörka Calvins cykel utom direkt inblandning av ljus äger rum i
kloroplastens stroma och använder ATP och NADPH för att fästa koldioxiden som
förvandlar i kolhydrater. Cyklen Calvin-Benson-Bassham fäster en molekyl av CO2 och
det behövs att denna process ska äga rum 6 gånger för att tillverka 6 monosackarider av
kol, t.ex. glukos.
6CO2 + 12H2O → (C6H12O6) + 6O2 + 6H2O
Dessutom är andningen molekylers oxidering av enzymer genom koldioxidens befrielse.
Andningen är en vital process för växter. Det behövs för syntesen av kolhydrater,
aminosyror, fettsyror såsom för transport av mineraler och andra substanser upplösande
mellan celler. Det förtär mellan 25% och 75% av kolhydrater som tillverkas under
fotosyntes vid en normal ökningstakt (Lambers&Ribas-Carbo, 2005).
MATERIAL
-
LabQuest
-
LoggerPro 3.6 Software
-
Gassensorn CO2 med bärbar kamera
-
En svart material för att skapa ett mörkt rum för att mäta andningen
-
Termohygrometer
-
Påsar för samlingen av växter och löv för prov
-
GPS
-
Digitalkamera
SAMMANHANG
Studien av fotosyntes kan göras i skolans trädgård eller i en allmän park var som helst
växter finns. Detta är en viktig aspekt som gör modulen en flexibel verktyg för lärare.
Studien kan tillämpas på olika platser beroende på lektion och där skolan beläggs. Men vi
rekommenderar att provet ska göras i en skog därför man hittar där träd, buskar, gräs och
det är möjligt att prova och jämföra olika typer av växter.
Modulen provades i Santa Giustina skogarna en vaker plats i Regionalparken Po Delta
(Italien). Parken finns på ett stor underlag i Æmilia-Romagna område. Det börjar från Po
di Goro älv, södra grenen av Po Delta, sträcker sig i söder och innehåller den hela
historiska deltat av PO älv såsom munnen av några älv i Apenniner. Det är ett område
rikt på kärr och videsläktet, som finns längs Adriatiska kusten, inre kärr, lövskogar och
barrskogar. Det finns också många historiska byggnader, kloster, artificiella sjöar och
gamla städer.
Skogen där modulen provades finns i söder Po Delta, i provinsen Ferrara mellan Po di
Goro och Po di Volano älvar.
Santa Giustina skogsland (känd också som Fasanara skog) finns på gamla dyner och
sträcks på över 200 ha. Den är resten av en större skogsland från 1000 året. Växtligheten
kännetecknas av mediteranska djurater med Quercus Ilex (trädet som är alltid grön) som
dominerande träd i skogsområdet och tallsläktet t.ex. vitavenbok och stjälkek. Buskernas
kategori innehåller ensläktet, taggar / kvannesläktet (ruscus aculeatus), vild sparris och
phyllirea buskar. I skogens finns många mesar, trastar och duvor. Fåglarna som inte
utvandrar är fasaner och koltrastar. Däggdjur är vildkaniner, grävlingar och vesslor.
INSTRUKTIVA AKTIVITETER
Lektionen 1 – inom klassrummet
Varaktighet – 3 timmar
Syfte – Att lära några grundkunskaper om växternas fotosyntes och andning, att använda
en portabel anordning och att göra bekant med några fornlämningar.
Först måste läraren upptäcka de vanligaste missförstånd och felaktig information som
studenterna kan ha i förhållande till andning och fotosyntes i växter. Då ska han / hon
presentera de huvudreaktioner som inträffar under fotosyntesen och mekanismerna
bakom denna process med hjälp av en DVD eller en dokumentärfilm.
Eleverna presenteras en inledning angående användningen av LabQuest med sensorer för
att spåra CO2. Sedan förklarar läraren egenskaperna av den naturliga miljön som ska
besökas. Egenskaperna är: geografisk placering, naturliga egenskaper, naturreservats
egenheter.
Det är nödvändigt att betona ämnes betydelse under terrängarbeten för att undvika
eventuella problem och för att minnas de försiktighetsmått i fall av potentiell fara (t.ex.
giftiga växter eller farliga insekter).
Lektionen 2 – utomhus
Varaktighet – 3 timmar
Mål – Kunskaper angående fotosyntes och andning i växter ska utveckla elevernas
förmåga att observera naturen och att mätta parameterna exakt och vetenskapligt.
Grupparbete ska hjälpa till kooperation.
De disciplinerade eleverna ska utveckla deras gemenskapsandan.
Om aktiviteterna kommer att äga rum i ett skyddat område, måste läraren uppfylla alla
formaliteter för att få tillåtelse att besöka och / eller ta prover.
När de kommer till destination påminner läraren de uppföranderegler i ett skyddat
område.
Sedan samlar eleverna information om växternas fotosyntes och andning i grupper.
Först måste lokaliseras provens insamlingspunkt med hjälp av GPS och
luftstemperaturen och humiditeten ska inspelas med en termohygrometer. Sedan väljer
man 3 olika växter från olika typer av vegetation. Dessa är: ett träd, en buske, gräs och
några blad från varje växt för att göra ett experiment med hjälp av Lab Quest och
gassensorer. Varje grupp gör anteckningar angående inspelningen av gasutbytet i olika
växter.
Eleverna måste använda sensorn kallad ”det ljusa rummet” för att inspela fotosyntesens
värden och sedan ”det mörka rummet” för att mätta andningen. De olika egenskaper av
gasutbytet är nödvändiga för att förstå växternas hälsa i relation till luftstemperatur och
humiditet.
Figur 1 – Det ljusa rummet och användning av datalogger
Under tiden kan de andra elever ta bilder på miljön där experimentet utförs och på
växten. Sådana bilder kan hjälpa till klassdiskutioner och till terrängarbetets presentation.
Lektionen 3 – Inom klassrummet (follow-up)
Varaktighet – 3 timmar
Mål – Förståelse av modulen huvudidén och svar på frågorna som baseras på tolkningen
av insamlade data.
Eleverna frågas att jämföra de insamlade data om beteendet av olika växter (fotosyntes
och andning), t.ex. träd, buskar och gräs, för att återhämta fotosyntesen och andningens
sätt i skogen för växter som valts ut genom att använda luftstemperatur och humiditet
tillstånd vid mätningarnas tidpunkt.
Eleverna kan göra en presentation i PowerPoint och förklara alla etapper av experimentet
och graferna som gjorts med hjälp av LabQuest under terrängarbetet.
Läraren uppmuntrar dem att diskutera och analysera data som de hade fått. Reagerar de
olika växter på samma sätt? Hur skiljer sig processen av fotosyntes och andning?
Påverkar luftstemperatur och/eller humiditet växternas fotosyntes och andning?
Mål:
I slutet av modulen kommer elever att förstå:
-
fotosyntes processen i olika växtvarelser i olika miljöer;
-
processerna av fotosyntes och andning genom grafer av faktiska
mätningar;
-
hur tolkas den insamlade data;
-
den direkta påverkan av miljön på gasuybytet;
-
användning av teknologi (anordning för datainspelning och miljösensorn
för att inspela data);
-
hur jämföras och diskuteras data som de hade fått för varje växt eller del
av en växt;
Dessutom kommer de att utveckla deras förmåga:
-
att iaktta naturen;
-
att mätta parameter vetenskapligt;
-
att arbeta i grupp.
EVENTUELLA FÖRLÄNGNINGAR
Santa Giustina skog är diversifierad eftersom den har olika slag av träd, buskar, gräs och
mossor. Därför mätning av gas utbyte kan observeras i flera typer av växter:
-
höga växter (träd, buskar, gräs) och småväxter (mossor och lavar);
-
växter med olika fenologiska stadier
-
murgröna löv som växter i skuggan (sciaphilous) och de som växer i solen
(eliophilous);
-
unga eklöv (sällan) och vuxna (oftast);
Gasutbytet kan också mätas för svampar för att se att de har inte fotosyntes men bara
andning (de är inte växter).
Mätningar kan göras vid olika tidpunkter på dygnet (t.ex. på morgonen eller
eftermiddagen); under dygn med olik väder eller olika årstider för att känneteckna
påverkan av klimatets variabler på gas utbyte.
Dessa mätningar kan också göras endast med hjälp av gassensorn O2 eller genom att
använda både sensorer CO2 och O2 för ett bättre förståelse och för mätningars
förstärkelse.
Läraren kan samarbeta med andra vetenskap lärare t.ex.:
-
geografiker, för att bygga kartor med hjälp av GPS koordinater;
-
fysiker, för att studera motståndskraften innanför / utanför löven som
blockerar införsel av CO2 och O2;
-
matematiker, för att bygga olika grafmodeller.
UTVÄRDERING
För elever
I små grupper kommer eleverna att presentera deras arbete till klassen med hjälp av
bildspel om det behövs för att känneteckna de följande:
-
den förståelse nivå av ett komplext samspel mellan en växt, de biologiska
och ekologiska processer;
-
färdigheter i de vetenskapliga parametrars mätning;
-
deras förmåga att iaktta naturen;
-
färdigheter vad som gäller användningen av en datainspelning och sensorn
anordning;
Presentationes kvalitet kan vara en bra indikator när det gäller elevernas förmåga att
arbeta i en grupp.
För att kontrollera den individuella förberedelsen kan läraren att:
-
begära om tolkingar av grafer som eleven har gjort genom att använda
terrängdata;
-
uppmuntra hypotesformuleringar angående den möjliga orienteringen av
grafer i stress konditioner på växter, t. ex. höga temperatur under sommaren
eller en hög koncentration av gasförorening i luften (SO2);
-
uppmuntra hypotesformuleringar angående faktorer som kan begränsa
gasutbytet eller växternas anpassning;
-
att begära upprepningen av experimentet i klassen med löv som plockats från
skolans trädgård;
-
att ge ett slutligt test.
För lärare och blivande lärare:
Vad som gäller denna modul vad tror ni om:
-
studenternas intresse nivå?
-
betydelsen för studieplanen?
-
förbindelsen med andra studieämnen?
-
anpassningsgrad till dina egna undervisningsmetoder?
Har ni kommentarer eller förslag?
Vad skulle ni förändra?
Skulle ni ändra aktiviteternas ordningen? Om svaret är ja, hur?
Tyckte ni lätt att undervisa denna modul i din skola? Om svaret är ja, varför?
Tror ni att aktiviteterna som föreslogs hjälpte dina elever att lära viktiga vetenskapliga
begrepp? Om svaret är ja, vilka begrepp tas upp och hur?
Tror ni att dina elever mötte vissa svårigheter angående några av de föreslagna
aktiviteterna? Om svaret är ja, vilka aktiviteter?
Hur skulle ni förfara i framtiden?
BIBLIOGRAFI
Referenser i modulens text:
Anderson, C.W., Sheldon, T.H. & DuBay, J. (1990). The Effect of Instruction on College
Nonmajors’ Conceptions of Photosynthesis and respiration. Journal of Research in
Science Teaching, 27(8), 761–776.
Amir, R., & Tamir, P. (1994). In-depth Analysis of Misconceptions as a Basis for
Developing Research-based Remedial Instruction: the Case of Photosynthesis. The
American Biology Teacher,56(2), 94–100.
Bahar, M., Johnstone, A.H., & Hansell, M.H. (1999). Revisiting Learning Difficulties in
Biology, Journal of Biological Education, 33(2), 84-86.
Çapa, Y. (2000). An Analysis of 9th Grade Student’s Misconceptions Concerning
Photosynthesis and Respiration in Plants. Unpublished Master Dissertation, Middle East
Technical University, Turkey.
Eisen, Y., & Stavy, R. (1992). Material Cycles in Nature, a New Approach to Teaching
Photosynthesis in Junior High School. The American Biology Teacher, 54(6), 339–342.
Lambers, H., & Ribas-Carbó, M. (Eds.). (2005). Plant Respiration: From Cell to
Ecosystem (Advances in Photosynthesis & Respiration). Dordrecht: Kluwer Academic
Publishers.
Storey, R.D. (1989). Textbook Errors & Misconceptions in Biology: Photosynthesis.
American Biology Teacher, eric.ed.gov EJ392816, ERIC Home.
Referenser för fotosyntes: (från http://en.wikipedia.org/wiki/Photosynthesis, förändrat):
Bryant, D.A., & Frigaard, N.U. (2006). Prokaryotic Photosynthesis and Phototrophy
Illuminated. Trends Microbiol 14(11), 488-496.
Buick, R. (2008). When did oxygenic photosynthesis evolve?. Philos. Trans. R. Soc.
Lond., B, Biol. Sci. 363(1504), 2731–2743.
Douglas, S.E. (1998). Plastid Evolution: Origins, Diversity, Trends. Curr. Opin. Genet.
Dev., 8(6), 655–661.
Field, C.B., Behrenfeld, M.J., Randerson, J.T., & Falkowski P. (1998). Primary
Production of the
Biosphere: Integrating Terrestrial and Oceanic Components. Science, 281(5374), 237–
240.
Gould, S.B., Waller, R.F., & McFadden, G.I. (2008). Plastid Evolution. Annu. Rev. Plant
Biol., 59, 491–517.
Herrero, A., Flores, E., (Eds.). (2008). The Cyanobacteria: Molecular Biology, Genomics
and Evolution (1st Ed.). Caister: Academic Press.
Mullineaux, C.W. (1999). The thylakoid Membranes of Cyanobacteria: Structure,
Dynamics and
Function. Australian Journal of Plant Physiology, 26(7), 671–677.
Muscatine, L., & Greene, R.W. (1973). Chloroplasts and Algae as Symbionts in
Mollusks. Int. Rev.Cytol., 36, 137–69.
Nealson, K.H., & Conrad, P.G. (1999). Life: Past, Present and Future. Philos. Trans. R.
Soc. Lond.,B, Biol. Sci. 354(1392), 1923–39.
Olson, J.M. (2006). Photosynthesis in the Archean Era. Photosyn. Res. 88(2), 109–117.
Pushkar, Y., Yano, J., Sauer, K., Boussac, A., & Yachandra, V.K. (2008). Structural
Changes in the Mn4Ca Cluster and the Mechanism of Photosynthetic Water Splitting.
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.105(6), 1879–1884.
Raven, J.A., & Allen, J.F. (2003). Genomics and Chloroplast Evolution: What Did
Cyanobacteria Do for Plants? Genome Biol., 4(3), 209.
Raven, P.H., Evert, R.F., & Eichhorn, S.E. (2005). Biology of Plants, (7th Ed.). New
York: W.H.
Freeman and Company Publishers.
Reyes-Prieto, A., Weber, A.P., & Bhattacharya, D. (2007). The Origin and Establishment
of the Plastid in Algae and Plants. Annu. Rev. Genet., 41, 147–168.
Rumpho, M.E., Summer, E.J., & Manhart, J.R. (2000). Solar-Powered Sea Slugs.
Mollusc/Algal Chloroplast Symbiosis. Plant Physiol., 123(1), 29–38.
Rumpho, M.E., Worful, J.M., Lee, J., Kannan, K., Tyler, M.S., Bhattacharya, D., et al.
(2008).
Horizontal Gene Transfer of the Algal Nuclear Gene psbO to the Photosynthetic Sea Slug
Elysia Chlorotica. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 105(46), 17867–17871.
Sener, M.K., Olsen, J.D., Hunter, C.N., & Schulten, K. (2007). Atomic-level Structural
and Functional Model of a Bacterial Photosynthetic Membrane Vesicle. Proc. Natl.
Acad. Sci. U.S.A. 104(40), 15723–15728.
Smith, A.L. (1997). Oxford Dictionary of Biochemistry and Molecular Biology. Oxford:
Oxford University Press.
Taiz, L., & Zeiger, E. (2006). Plant Physiology (4th ed.). Sunderland, Massachusetts:
Sinauer ssociates.
Tavano, C.L., & Donohue, T.J. (2006). Development of the Bacterial Photosynthetic
Apparatus. Curr. Opin. Microbiol., 9(6), 625–631.
Venn, A.A., Loram, J.E., & Douglas, A.E. (2008). Photosynthetic Symbioses in Animals.
J. Exp. Bot., 59(5), 1069–1080
Andra titlar: (från http://en.wikipedia.org/wiki/ Photosynthesis, förändrat):
Bidlack, J.E.; Stern, K.R., & Jansky, S. (2003). Introductory Plant Biology. New York:
McGraw-Hill.
Blankenship, R.E. (2008). Molecular Mechanisms of Photosynthesis (2nd ed.). New
York: John
Wiley & Sons Inc.
Govindjee, R. (1975). Bioenergetics of Photosynthesis. Boston: Academic Press.
Govindjee, S., Beatty, J.T., Gest, H., & Allen, J.F. (2006). Discoveries in Photosynthesis.
Vol. 20, Advances in Photosynthesis and Respiration. Berlin: Springer.
Gregory, R.L. (1971). Biochemistry of Photosynthesis. New York: Wiley-Interscience.
Rabinowitch, E., & Govindjee (1969). Photosynthesis. London: John Wiley & Sons.
Reece, J., & Campbell, N. (2005). Biology. San Francisco: Pearson, Benjamin
Cummings.
Referenser på italienska:
Solomon, E.P., Berg, R.B., & Martin, D.W. (2006). La Cellula (4a Ed.). Napoli: EdiSes
Edizioni.
Stern, K.R., Bidlack, J.E., & Jansky, S.H. (2009). Introduzione alla Biologia Vegetale.
McGrawHilll (in uscita).
