Κεφάλαιο 4.3 – Φωτοσύνθεση – Απαντήσεις – Λύσεις (σελ. 104-106)
Ερωτήσεις - Ασκήσεις - Προβλήματα
Άσκηση 1 (σελ. 104)
Να σημειώσετε δίπλα από κάθε αριθμό της πρώτης στήλης το γράμμα που αντιστοιχεί: 1. Καροτενοειδή 2. Γλυκόζη 3. Οξυγόνο — α. Παράγεται στα grana του χλωροπλάστη. β. Απορροφά ισχυρά την πράσινη ακτινοβολία. γ. Είναι μόριο χλωροφύλλης α. δ. Παράγεται κατά τη σκοτεινή φάση. ε. Απορροφά την μπλε ακτινοβολία ισχυρά.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Αντιστοιχίζουμε κάθε όρο με τη σωστή του ιδιότητα: το οξυγόνο παράγεται στη φωτεινή φάση (grana), η γλυκόζη στη σκοτεινή φάση, τα καροτενοειδή απορροφούν έντονα το μπλε φως.
Λύση:
- 1 (Καροτενοειδή) → ε. Απορροφούν ισχυρά την μπλε ακτινοβολία.
- 2 (Γλυκόζη) → δ. Παράγεται κατά τη σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.
- 3 (Οξυγόνο) → α. Παράγεται στα grana του χλωροπλάστη (φωτεινή φάση).
Απάντηση: 1-ε, 2-δ, 3-α.
Άσκηση 2 (σελ. 104)
Ποιος είναι ο ρόλος του φωτός στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Ανακαλούμε τι συμβαίνει όταν η χλωροφύλλη απορροφά φωτεινή ενέργεια.
Απάντηση: Το φως παρέχει την ενέργεια που δεσμεύεται από τη χλωροφύλλη και τις άλλες φωτοσυνθετικές χρωστικές στη φωτεινή φάση. Η απορρόφηση φωτός διεγείρει τα μόρια χλωροφύλλης, τα οποία στη συνέχεια ιονίζονται και προκαλούν τη φωτόλυση του νερού (παραγωγή O₂ και H⁺+e⁻) και το σχηματισμό ATP και NADPH, που θα χρησιμοποιηθούν στη σκοτεινή φάση.
Άσκηση 3 (σελ. 104)
Περιγράψτε τη διαδικασία της εικόνας: α) σε επίπεδο οργανισμού και β) σε κυτταρικό επίπεδο.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Περιγράφουμε τη φωτοσύνθεση σε επίπεδο ολόκληρου φυτού και σε επίπεδο χλωροπλάστη.
Απάντηση: α) Σε επίπεδο οργανισμού: το φυτό προσλαμβάνει CO₂ μέσω των στομάτων και H₂O μέσω των ριζών, και με ηλιακή ενέργεια παράγει γλυκόζη και απελευθερώνει O₂. β) Σε κυτταρικό επίπεδο: στο χλωροπλάστη γίνεται η φωτεινή φάση (φωτόλυση H₂O, παραγωγή O₂/ATP/NADPH) και η σκοτεινή φάση (δέσμευση CO₂, σύνθεση γλυκόζης).
Άσκηση 4 (σελ. 104)
Τοποθετήστε τα στοιχεία που αναφέρονται στη συνέχεια πάνω στο διάγραμμα, ώστε να περιγράφεται σωστά η διαδικασία της φωτοσύνθεσης: CO₂, H₂O, O₂, C₆H₁₂O₆, ATP, ADP, NADP, NADPH. (Διάγραμμα: δύο πλαίσια, «Αντιδράσεις φωτεινής φάσης» και «Αντιδράσεις σκοτεινής φάσης»· κενό α στην είσοδο και β στην έξοδο της φωτεινής φάσης, γ στην είσοδο και δ στην έξοδο της σκοτεινής φάσης, ε και ζ στα βέλη ανάμεσα στις δύο φάσεις.)
Σκέψη / Μεθοδολογία: Κατανέμουμε τα υλικά ανάλογα με τη φάση στην οποία εμφανίζονται ως αντιδρώντα ή προϊόντα: στη φωτεινή φάση μπαίνει H₂O και βγαίνουν O₂, ATP, NADPH (από ADP/NADP)· στη σκοτεινή φάση μπαίνουν CO₂, ATP, NADPH και βγαίνει C₆H₁₂O₆ (με επιστροφή ADP/NADP στη φωτεινή φάση).
Λύση:
- Φωτεινή φάση: είσοδος H₂O· παραγωγή O₂ (ελευθερώνεται)· μετατροπή ADP→ATP και NADP→NADPH.
- Ροή προς σκοτεινή φάση: ATP και NADPH μεταφέρονται από τη φωτεινή στη σκοτεινή φάση.
- Σκοτεινή φάση: είσοδος CO₂· χρήση του ATP/NADPH (που επιστρέφουν ως ADP/NADP στη φωτεινή φάση για επαναφόρτιση)· παραγωγή C₆H₁₂O₆.
- Αντιστοίχιση στο διάγραμμα: α = H₂O (είσοδος φωτεινής φάσης), β = O₂ (έξοδος φωτεινής φάσης), γ = CO₂ (είσοδος σκοτεινής φάσης), δ = C₆H₁₂O₆ (έξοδος σκοτεινής φάσης), ε = ATP προς τη σκοτεινή φάση και ADP πίσω στη φωτεινή, ζ = NADPH προς τη σκοτεινή φάση και NADP πίσω στη φωτεινή.
Απάντηση: α = H₂O, β = O₂ (είσοδος και έξοδος των αντιδράσεων της φωτεινής φάσης)· γ = CO₂, δ = C₆H₁₂O₆ (είσοδος και έξοδος των αντιδράσεων της σκοτεινής φάσης)· ε = ATP (από τη φωτεινή προς τη σκοτεινή φάση) / ADP (επιστροφή στη φωτεινή)· ζ = NADPH (από τη φωτεινή προς τη σκοτεινή φάση) / NADP (επιστροφή στη φωτεινή).
Άσκηση 5 (σελ. 104)
Πώς μπορούμε να μετρήσουμε την απόδοση της φωτοσύνθεσης; Πώς επηρεάζεται από περιβαλλοντικούς παράγοντες; Σχεδιάστε ένα πείραμα.
Απάντηση: Η απόδοση μετριέται καταμετρώντας το O₂ που παράγεται στη μονάδα του χρόνου, π.χ. μετρώντας φυσαλίδες O₂ από υδρόβιο φυτό (Elodea). Επηρεάζεται από θερμοκρασία, φως, CO₂, νερό, ανόργανα άλατα. Πείραμα: μεταβάλλουμε έναν παράγοντα κάθε φορά (π.χ. απόσταση από πηγή φωτός) κρατώντας τους υπόλοιπους σταθερούς, μετρώντας φυσαλίδες/λεπτό.
(Ερώτηση ανοιχτού τύπου — ενδεικτική απάντηση.)
Άσκηση 6 (σελ. 104)
Δύο ίδια φυτά, το ένα σε ερυθρό και το άλλο σε πράσινο φως. Τι θα συμβεί μετά από 24 ώρες;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Η χλωροφύλλη απορροφά ισχυρά το ερυθρό φως αλλά ανακλά το πράσινο.
Απάντηση: Το φυτό στο ερυθρό φως θα φωτοσυνθέτει κανονικά. Το φυτό στο πράσινο φως θα φωτοσυνθέτει ελάχιστα (το πράσινο ανακλάται, δεν απορροφάται) και θα εμφανίσει σημάδια ενεργειακής ανεπάρκειας.
Άσκηση 7 (σελ. 105)
Διάγραμμα συγκέντρωσης σακχάρων σε 3 φύλλα (24ωρο)· ποιο δε δεχόταν φως;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Η παραγωγή σακχάρων γίνεται μόνο παρουσία φωτός.
Απάντηση: γ) Το φύλλο 3, αφού διατηρεί σταθερά χαμηλή συγκέντρωση σακχάρων σε όλο το 24ωρο — δεν φωτοσύνθετε.
Άσκηση 8 (σελ. 105)
Το κυανό της βρομοθυμόλης είναι μια χρωστική που παίρνει κίτρινο χρώμα παρουσία CO₂. Παίρνουμε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες με διάλυμα χρωστικής και από ένα υδρόβιο φυτό στον καθένα. Μεταφέρουμε τον ένα σε φωτισμένο χώρο και τον άλλο σε σκοτεινό. Τι περιμένετε να συμβεί με την πάροδο του χρόνου; Δικαιολογήστε.
Σκέψη / Μεθοδολογία: Στο φως το φυτό φωτοσυνθέτει και καταναλώνει CO₂ (η χρωστική θα παραμείνει/επανέλθει σε μη κίτρινο χρώμα), ενώ στο σκοτάδι το φυτό μόνο αναπνέει, παράγοντας CO₂ (η χρωστική θα γίνει κίτρινη).
Απάντηση: Στο φωτισμένο σωλήνα το φυτό θα φωτοσυνθέτει, καταναλώνοντας το CO₂ του διαλύματος (το CO₂ που παράγεται από την ταυτόχρονη αναπνοή του καταναλώνεται περισσότερο απ' όσο παράγεται)· η συγκέντρωση CO₂ θα μειωθεί και η χρωστική δε θα γίνει κίτρινη (ή θα ξεθωριάσει το κίτρινο, αν προϋπήρχε). Στο σκοτεινό σωλήνα το φυτό θα κάνει μόνο κυτταρική αναπνοή, παράγοντας CO₂ χωρίς να το καταναλώνει· η συγκέντρωση CO₂ θα αυξηθεί και η χρωστική θα γίνει κίτρινη.
Άσκηση 9 (σελ. 105)
Το διάγραμμα δείχνει το πώς επηρεάζεται η απόδοση της φωτοσύνθεσης από την ένταση του φωτός σε δυο διαφορετικές συγκεντρώσεις CO₂. Η καμπύλη Α αντιστοιχεί στη χαμηλή συγκέντρωση CO₂, ενώ η Β στην υψηλή συγκέντρωση. (Στο διάγραμμα: περιοχή 1 = το αρχικό ανοδικό τμήμα, κοινό και για τις δύο καμπύλες· περιοχή 2 = το οριζόντιο τμήμα (πλατό) της καμπύλης Α· περιοχή 3 = το ανοδικό τμήμα της καμπύλης Β που συνεχίζει πάνω από το πλατό της Α· περιοχή 4 = το οριζόντιο τμήμα (πλατό) της καμπύλης Β.)
α. Ποιος παράγοντας επηρεάζει την απόδοση της φωτοσύνθεσης στις περιοχές 1, 2 και 3 του διαγράμματος;
β. Ποιος παράγοντας θα μπορούσε να επηρεάσει την απόδοση της φωτοσύνθεσης στην περιοχή 4; Πώς θα μπορούσατε να διαπιστώσετε ότι η απάντησή σας είναι σωστή;
γ. Σε ποια περίοδο της ημέρας θα περιμένατε η απόδοση της φωτοσύνθεσης να είναι μέγιστη;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Σε κάθε περιοχή αναζητούμε τον περιοριστικό παράγοντα: όπου η απόδοση αυξάνεται με την ένταση του φωτός, περιοριστικός παράγοντας είναι το φως· όπου η καμπύλη σταθεροποιείται (πλατό) ενώ το φως αυξάνεται, η απόδοση περιορίζεται από άλλο παράγοντα. Η σύγκριση των δύο καμπυλών δείχνει τον ρόλο του CO₂: με περισσότερο CO₂ (καμπύλη Β) το πλατό της Α ξεπερνιέται.
Λύση:
- α. Περιοχή 1: η απόδοση αυξάνεται όσο αυξάνεται η ένταση του φωτός και οι δύο καμπύλες ταυτίζονται, άρα ο παράγοντας που την επηρεάζει είναι η ένταση του φωτός. Περιοχή 3: η καμπύλη Β συνεχίζει να ανεβαίνει με την αύξηση της έντασης του φωτός, άρα και εδώ ο παράγοντας είναι η ένταση του φωτός. Περιοχή 2: η καμπύλη Α σταθεροποιείται, ενώ στην ίδια ένταση φωτός η καμπύλη Β (με περισσότερο CO₂) δίνει μεγαλύτερη απόδοση· άρα εδώ η απόδοση περιορίζεται από τη συγκέντρωση του CO₂.
- β. Στην περιοχή 4 η απόδοση δεν αυξάνεται ούτε με την αύξηση του φωτός, ενώ η συγκέντρωση CO₂ είναι ήδη υψηλή. Επομένως τον περιορισμό τον προκαλεί άλλος παράγοντας, π.χ. η θερμοκρασία (από την οποία εξαρτάται η δράση των ενζύμων της φωτοσύνθεσης). Για να το διαπιστώσουμε, επαναλαμβάνουμε το πείραμα με την ίδια υψηλή ένταση φωτός και την ίδια υψηλή συγκέντρωση CO₂, αλλά σε υψηλότερη θερμοκρασία (χωρίς να ξεπεράσουμε την άριστη): αν η απόδοση αυξηθεί, ο παράγοντας που περιόριζε την απόδοση ήταν η θερμοκρασία.
- γ. Η μέγιστη απόδοση αναμένεται γύρω στο μεσημέρι, όταν η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας είναι μέγιστη.
Απάντηση: α. Στις περιοχές 1 και 3 η ένταση του φωτός· στην περιοχή 2 η συγκέντρωση του CO₂. β. Άλλος παράγοντας, π.χ. η θερμοκρασία· το διαπιστώνουμε επαναλαμβάνοντας το πείραμα με ίδιο φως και ίδιο (υψηλό) CO₂ σε υψηλότερη θερμοκρασία και ελέγχοντας αν αυξάνεται η απόδοση. γ. Γύρω στο μεσημέρι.
Πρόσεξε:
- Στην περιοχή 2 το φως δεν είναι πλέον περιοριστικός παράγοντας: η καμπύλη Β δείχνει ότι με περισσότερο CO₂ η απόδοση ανεβαίνει, άρα την περιορίζει το CO₂.
Άσκηση 10 (σελ. 105)
Πειραματικά δεδομένα Elodea (20°C): ένταση 0-70 → φυσαλίδες 0-45. α. Γραφική. β. Φυσαλίδες για ένταση 25; γ. Πάνω από 75 μονάδες; δ. Στους 30°C; ε. Σημασία του Elodea;
Απάντηση: β. ≈18 φυσαλίδες (γραμμική παρεμβολή 20→14, 30→22). γ. Αναμένεται κορεσμός/σταθεροποίηση. δ. Αναμένεται αύξηση απόδοσης στους 30°C (ευνοϊκή θερμοκρασία για τα ένζυμα). ε. Οι φυσαλίδες O₂ μετριούνται εύκολα, γι' αυτό χρησιμοποιείται ως βολικό πειραματικό μοντέλο.
Άσκηση 11 (σελ. 106)
Γραφική παράσταση μεταβολών συγκέντρωσης CO₂ σ' ένα χωράφι με γρασίδι κατά τη διάρκεια ενός θερμού καλοκαιρινού 24ώρου: η καμπύλη ξεκινά ~400 μονάδες, παραμένει σχεδόν σταθερή έως τις 04:00, μειώνεται σταδιακά έως τις 12:00 (ελάχιστο ~280 μονάδες), παραμένει χαμηλή για λίγες ώρες και αυξάνεται ξανά προς το βράδυ ως τις ~400 μονάδες. α. Πώς εξηγείται η ελάττωση της συγκέντρωσης CO₂ μεταξύ 04:00 και 12:00; β. Σε ποιο μέρος του χλωροπλάστη γίνεται η δέσμευση του CO₂;
Σκέψη / Μεθοδολογία: Από τις πρώτες πρωινές ώρες αρχίζει η φωτοσύνθεση με την ανατολή του ήλιου, η οποία καταναλώνει CO₂ ταχύτερα από όσο παράγεται από την αναπνοή, οδηγώντας σε καθαρή μείωση της συγκέντρωσής του μέχρι το μεσημέρι, όταν η φωτοσυνθετική δραστηριότητα είναι μέγιστη.
Απάντηση: α. Από τις πρωινές ώρες η ένταση του ηλιακού φωτός αυξάνεται, με αποτέλεσμα να ενεργοποιείται και να εντείνεται η φωτοσύνθεση των φυτών· η κατανάλωση CO₂ από τη φωτοσύνθεση ξεπερνά την παραγωγή CO₂ από την κυτταρική αναπνοή, με καθαρό αποτέλεσμα τη μείωση της συγκέντρωσης CO₂ στην ατμόσφαιρα του χωραφιού μέχρι το μεσημέρι, οπότε η φωτοσυνθετική δραστηριότητα είναι μέγιστη. β. Η δέσμευση του CO₂ γίνεται στο στρώμα του χλωροπλάστη, όπου εξελίσσεται η σκοτεινή φάση της φωτοσύνθεσης.
Άσκηση 12 — ΑΣ ΕΡΕΥΝΗΣΟΥΜΕ... (σελ. 106)
- Χλωροπλάστες σε φυτά φωτεινών/σκιωδών περιοχών· υπάρχει διαφορά; 2. Σχεδιάστε κλειστό οικοσύστημα σε άγνωστο πλανήτη. 3. Γιατί η αύξηση CO₂ επιταχύνει την ανάπτυξη σε θερμοκήπια;
Απάντηση: 1. Τα φυτά σκιάς τείνουν να έχουν περισσότερους χλωροπλάστες/χλωροφύλλη ανά κύτταρο, ως προσαρμογή στο περιορισμένο φως. 2. Χρειάζεται παραγωγούς (φωτοσύνθεση→O₂+οργανική ύλη), καταναλωτές (τρέφονται, καταναλώνουν O₂/παράγουν CO₂) και αποικοδομητές (ανακύκλωση ύλης) — κλειστός κύκλος ύλης με μόνη εξωτερική είσοδο τη φωτεινή ενέργεια. 3. Το CO₂ είναι πρώτη ύλη της σκοτεινής φάσης· η αύξησή του αυξάνει την απόδοση φωτοσύνθεσης μέχρι κορεσμού, γι' αυτό τα θερμοκήπια εμπλουτίζουν την ατμόσφαιρά τους σε CO₂.
(Ερώτηση ανοιχτού τύπου/δραστηριότητα διερεύνησης — ενδεικτική απάντηση.)
