Fotosüntees ja rakuline hingamine

Virtuaalkatse BTB-indikaatori ja spektrofotomeetriga · gümnaasium / bioloogiahuvilised

6 CO₂ + 6 H₂O + valgusenergia ⇌ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
0:00
Lähtelahus: kõik katseklaasid sisaldavad BTB-indikaatoriga vett (vaikimisi kergelt CO₂-rikas, kollakasroheline). Vali igale klaasile sisu ja tingimused, käivita katse ning jälgi värvuse muutust. Värvus annab kvalitatiivse tulemuse – arvväärtuste saamiseks mine spektrofotomeetri juurde.

Spektrofotomeeter

Vali küveti sisu (katseklaas) ja mõõda neeldumine. Nullimine on tehtud destilleeritud vee vastu.

Neeldumisspekter

Isosbestiline punkt. Kui skaneerid kaks erineva pH-ga lahust, ristuvad kõverad alati samas punktis (~507 nm). See tõestab, et lahuses on täpselt kaks omavahel üleminevat vormi: kollane HBTB ja sinine BTB⁻.

Kalibreerimiskõver

Sinise vormi osakaal järgib Henderson–Hasselbalchi võrrandit (BTB pKa = 7,1). Kuna ainult sinine vorm neelab 615 nm juures, saab neeldumisest arvutada pH:

pH = 7,1 + log₁₀ ( A₆₁₅ / (1,10 − A₆₁₅) )

A₆₁₅ = 1,10 vastab täielikult sinisele lahusele, A₆₁₅ = 0 täielikult kollasele. Programm arvutab pH automaatselt ja lisab andmetabelisse.

Mõõtmistulemused

A₆₁₅ sõltuvus ajast (jooksev katse)

Kuidas mudel töötab

BTB kui CO₂ andur

Süsihappegaas lahustub vees ja hapestab lahust:

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻
  • Fotosüntees tarbib CO₂ → H⁺ hulk väheneb → pH tõuseb → sinine
  • Rakuline hingamine toodab CO₂ → pH langeb → kollane
  • Bromotümoolsinise üleminekuala on pH 6,0–7,6 (pKa = 7,1)

Mida värvus tegelikult näitab?

Katseklaasi värvus näitab netotulemust, mitte fotosünteesi kiirust eraldi:

netofotosüntees = brutofotosüntees − hingamine

Taimerakud hingavad ka valguses. Kui klaas ei muuda värvi, ei tähenda see, et midagi ei toimu – see võib tähendada kompensatsioonipunkti, kus mõlemad protsessid kulgevad võrdse kiirusega.

Mudelisse sisse kirjutatud seaduspärasused

  • Valgus: küllastuv sõltuvus – kiirus kasvab kõigepealt järsult, siis jõuab platoole
  • CO₂: küllastuv sõltuvus (piirav tegur madalal kontsentratsioonil)
  • Valguse värvus: klorofülli toimespekter – sinine ja punane valgus töötavad, roheline peegeldub
  • Temperatuur: hingamine kasvab eksponentsiaalselt (Q₁₀ ≈ 2), fotosünteesil on optimum ~28 °C ja üle 40 °C ensüümid denatureeruvad
  • Hapnik: väga madal O₂ hakkab hingamist piirama (tigu satub stressi)

Uurimisülesanded

1 · Kontrollkatsed

Sea üles klaas ilma organismita ja klaas keedetud vesikatkuga. Miks on mõlemad vajalikud? Mida välistab kumbki kontroll?

2 · Valguse intensiivsuse mõju ja kompensatsioonipunkt

Sea neli klaasi vesikatkuga valgustugevustel 0, 150, 450 ja 1200 µmol/m²·s (temperatuur ühesugune!). Mõõda A₆₁₅ iga 2 minuti järel (tugevas valguses muutub värvus kiiresti!). Arvuta iga klaasi jaoks kiirus ΔA/Δt. Joonista graafik kiirus vs valgustugevus. Millise valgustugevuse juures on kiirus null? Nimeta see punkt.

3 · Toimespekter (valguse värvus)

Hoia valgustugevus ühesugune ja muuda ainult filtrit (valge, sinine, roheline, punane). Kasuta mõõdukat valgust (150–250 µmol/m²·s) – tugevas valguses jõuavad kõik variandid küllastusse ja erinevus kaob. Järjesta filtrid fotosünteesi kiiruse järgi ja selgita tulemust klorofülli neeldumisspektri kaudu. Miks on taimed rohelised?

4 · Temperatuur

Uuri vesikatku pimedas 5, 15, 25, 35 ja 45 °C juures – mõõdad puhast hingamist. Korda sama tugevas valguses. Miks käituvad kaks kõverat erinevalt? Arvuta hingamise Q₁₀.

5 · Suletud ökosüsteem

Pane ühte klaasi nii vesikatk kui tigu. Leia valgustugevus, mille juures süsteem püsib tunni jooksul tasakaalus (värvus ei muutu). Mis juhtub, kui valgus kustub?

6 · Isosbestiline punkt

Skaneeri kahe selgelt erineva värvusega klaasi spekter. Leia lainepikkus, kus kõverad ristuvad. Miks on see punkt sama sõltumata pH-st? Miks mõõdame pH-d just 615 nm, mitte 503 nm juures?