Fotosynteza

Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego każdej jesieni liście na drzewach zmieniają kolor z zielonego na odcienie żółci, pomarańczy i czerwieni? Co przede wszystkim nadaje liściom ich jasne kolory? Odpowiedź leży w organellach roślinnych zwanych chloroplastami, które zawierają pigmenty, które pochłaniają pewne długości fal w świetle słonecznym i odbijają inne. Jeden szczególny pigment, chlorofil, jest najbardziej obfity latem. Pochłania wysokoenergetyczne, fioletowe, niebieskie i czerwone fale ze światła słonecznego i odbija zielone długości fal, nadając liściom zielony wygląd. W liściach znajdują się inne pigmenty, takie jak karotenoidy, które odbijają światło czerwone i żółte. Jesienią liście przestają uzupełniać swoje pigmenty. Ponieważ chlorofil rozkłada się szybciej niż inne pigmenty, kolory tych karotenoidów są zdemaskowane.

Obecność różnych pigmentów w zielonym liściu można wykazać za pomocą bibuły chromatograficznej, hydrofilowego polimeru, który rozdziela cząsteczki na podstawie ich rozpuszczalności w określonym rozpuszczalniku. Najpierw na papier ładowany jest ekstrakt z liści. Kiedy papier jest zanurzany w organicznym rozpuszczalniku hydrofobowym, rozpuszczalnik przemieszcza się wzdłuż papieru w wyniku działania kapilarnego, a po drodze oddziela różne pigmenty w ekstrakcie z liści. Pigmenty, które są najbardziej hydrofobowe, są przenoszone dalej w górę papieru. Natomiast pigmenty hydrofilowe wiążą się z celulozą, co utrudnia ich przemieszczanie się. Po posortowaniu wszystkich pigmentów według ich hydrofobowości możemy obliczyć współczynnik retencji lub wartości Rf. Wartość Rf to stosunek odległości przebytej przez pigment do odległości przebytej przez rozpuszczalnik. Każdy pigment ma unikalną wartość Rf i możemy łatwo zidentyfikować pigmenty, porównując obliczone wartości ze standardami. Fotosynteza, proces, w którym rośliny przekształcają dwutlenek węgla, wodę i energię świetlną w energię chemiczną i tlen, odbywa się głównie w liściach rośliny, a chlorofil odgrywa w tym procesie kluczową rolę. Chloroplasty zawierają dziesiątki cząsteczek chlorofilu, z których każda wykonuje określone zadanie i oddziałuje w złożony sposób. Ostatecznie energia świetlna powoduje, że cząsteczki chlorofilu oddają elektrony, które są wykorzystywane w innych procesach metabolicznych. Dlatego chlorofil potrzebuje ciągłego dopływu elektronów, aby zastąpić te, które traci. Te zastępcze elektrony pochodzą z rozszczepienia cząsteczek wody na protony, elektrony i cząsteczki tlenu. Przy dużych szybkościach fotosyntezy woda jest szybciej rozszczepiana w celu uzupełnienia elektronów, a tlen jest szybko wytwarzany.

Zjawisko to pomaga nam ocenić szybkość fotosyntezy w laboratorium, po prostu zawieszając krążki liści w roztworze wodorowęglanu, w którym wodorowęglan działa jako bogate źródło węgla. Na początku eksperymentu z dyskiem liściowym gazy są wypychane z krążków liściowych poprzez zastosowanie podciśnienia z podciśnieniem w strzykawce. Krążki liściowe z wydalanymi gazami stają się cięższe i opadają na dno roztworu wodorowęglanu po przeniesieniu do zlewki. Kiedy zachodzi fotosynteza, woda w środowisku jest rozdzielana w celu uzupełnienia elektronów chlorofilu. Powstały tlen sprawia, że dyski stają się lżejsze, co z czasem powoduje ich wypływanie na powierzchnię. Środowiska, które pozwalają na wyższe tempo fotosyntezy, mają dyski, które unoszą się szybciej.

W tym laboratorium najpierw oddzielisz i zidentyfikujesz pigmenty w liściach szpinaku za pomocą bibuły chromatograficznej. Następnie ocenisz szybkość fotosyntezy w wodzie i roztworze wodorowęglanowym za pomocą eksperymentu z dyskiem liściowym.