Module Fotosynthese en Respiratie - Wiet-Info.nl · PDF fileFotosynthese en Respiratie...
29
Fotosynthese en Respiratie Tekening door Michael Hagelberg Arizona State University’s Center for the Study of Early Events in Photosynthesis http://photoscience.la.asu.edu/ photosyn/default.html CC 2011 ICT for IST. Dit project is gefinancierd met ondersteuning van de Europese Commissie onder het Lifelong Learning programme. Deze publicatie geeft alleen het standpunt van de auteur weer en de Commissie kan niet aansprakelijk worden gesteld voor de inhoud ervan. Al het leven op aarde wordt aangedreven door een groene kracht, te weten het groen uit chlorofyl. Het proces dat de kern vormt van de meest efficiënte machine uit de natuur noemen we fotosynthese. Het is een proces waarvan het meest ingewikkelde gedeelte plaatsvindt in triljoensten van een seconde. Een geweldige uitdaging voor vele wetenschappers om de details van deze belangrijkste chemische reactie van het leven te onderzoeken. Een foton doet er acht minuten over om de 150 miljoen kilometer van de zon naar het aardoppervlak te overbruggen. Een groene plant heeft slechts een paar seconden nodig om de energie uit dat licht op te nemen, te verwerken en op te slaan in de vorm van een chemische verbinding. Dit verbazingwekkende proces om energie uit licht om te zetten in opgeslagen energie noemen we fotosynthese. Het proces van de fotosynthese bevat een paar van de allersnelste chemische reacties die we kennen. De belangrijkste gebeurtenissen in de fotosynthetische reactie vinden plaats, zoals gezegd, in een triljoenste van een seconde. Om zulke supersnelle gebeurtenissen te meten en om te begrijpen hoe de reacties die op elkaar volgen er uitzien, vereist dat men gebruik maakt van de meest precieze experimenten en van de meest exacte metingen die met de hedendaagse technieken mogelijk zijn. De inzet is hoog. Uiteindelijk is al het leven op onze planeet afhankelijk van deze groene krachtbron, groen chlorofyl dus. (vrij vertaald naar ‘The power of green’ door John Svetlik) ICT for Innovative Science Teachers Leonardo da Vinci programme 2009-1-PL1- LEO05- 05046
Transcript of Module Fotosynthese en Respiratie - Wiet-Info.nl · PDF fileFotosynthese en Respiratie...
Fotosynthese en
Respiratie
Tekening door Michael Hagelberg
Arizona State University’s Center for the Study of Early Events in Photosynthesis
http://photoscience.la.asu.edu/
photosyn/default.html
CC 2011 ICT for IST. Dit project is gefinancierd met ondersteuning van de Europese Commissie
onder het Lifelong Learning programme. Deze publicatie geeft alleen het standpunt van de auteur
weer en de Commissie kan niet aansprakelijk worden gesteld voor de inhoud ervan.
Al het leven op aarde wordt aangedreven door een
groene kracht, te weten het groen uit chlorofyl.
Het proces dat de kern vormt van de meest efficiënte
machine uit de natuur noemen we fotosynthese. Het
is een proces waarvan het meest ingewikkelde
gedeelte plaatsvindt in triljoensten van een seconde.
Een geweldige uitdaging voor vele wetenschappers
om de details van deze belangrijkste chemische
reactie van het leven te onderzoeken.
Een foton doet er acht minuten over om de 150
miljoen kilometer van de zon naar het aardoppervlak
te overbruggen. Een groene plant heeft slechts een
paar seconden nodig om de energie uit dat licht op te
nemen, te verwerken en op te slaan in de vorm van
een chemische verbinding. Dit verbazingwekkende
proces om energie uit licht om te zetten in
opgeslagen energie noemen we fotosynthese.
Het proces van de fotosynthese bevat een paar van
de allersnelste chemische reacties die we kennen. De
belangrijkste gebeurtenissen in de fotosynthetische
reactie vinden plaats, zoals gezegd, in een triljoenste
van een seconde.
Om zulke supersnelle gebeurtenissen te meten en om
te begrijpen hoe de reacties die op elkaar volgen er
uitzien, vereist dat men gebruik maakt van de meest
precieze experimenten en van de meest exacte
metingen die met de hedendaagse technieken
mogelijk zijn.
De inzet is hoog. Uiteindelijk is al het leven op onze
planeet afhankelijk van deze groene krachtbron,
groen chlorofyl dus.
(vrij vertaald naar ‘The power of
green’ door John Svetlik)
ICT for Innovative Science Teachers Leonardo da Vinci programme
2009-1-PL1- LEO05- 05046
Fotosynthese en Respiratie - 2
A. Inleiding
Het thema van deze module is fotosynthese. Fotosynthese is het belangrijkste
biochemische proces op aarde en het is erg belangrijk voor een basisbegrip
over het functioneren van onze wereld.
Op een paar kleine uitzonderingen na komt alle energie voor al het leven op
aarde en voor onze technologie van de ZON. Energie gaat via de voedselketen
over van de ene levensvorm naar de andere. Daarbij is de eerste stap altijd
fotosynthese, waarin de stralingsenergie van de zon (het zonlicht) omgezet
wordt in koolwaterstof-moleculen (in de volksmond spreekt men vaak over
‘suikers’). Alle levende wezens gebruiken deze suikers als brandstof voor
energie en als bouwstenen. Zo zijn fossiele brandstoffen zoals olie, kolen en
gas ook koolwaterstoffen die hoofdzakelijk zijn onstaan uit de resten van dode
planten en dieren. De energie uit deze brandstoffen vindt haar oorsprong dus
in de fotosynthese.
Fotosynthese is een vrij ingewikkeld fenomeen om te doorgronden voor
leerlingen omdat het een complex proces behelst met vele tegen-intuïtieve
en abstracte concepten. Echter, het basis-principe is relatief simpel.
De activiteiten in deze module maken gebruik van de mogelijkheden van ICT
om breder begrip te ontwikkelen voor een aantal processen die met
fotosynthese te maken hebben. De volgende activiteiten komen aan bod:
1. Meten: 3 laboratorium - experimenten:
Om respiratie bij een plant te onderzoeken.
Om de relatie te onderzoeken tussen fotosynthese en de intensiteit
en kleur van het licht.
Om fotosynthese waar te nemen bij verschillende typen planten
gedurende een experiment over een langere tijd (kijken naar het
dag- en nachtritme).
2. Modelleren: Om het zuurstofgebruik in het water door planten en
dieren in een vijver te simuleren.
Al deze activiteiten zijn voor de leerlingen ondergebracht in Coach 6
activiteiten onder het project Fotosynthese.
Fotosynthese en Respiratie - 3
1. Achtergrondtheorie
1. INLEIDING
Bij fotosynthese gebruiken planten, sommige bacteriën en een paar eencelligen
– de zogenaamde autotrofen – energie uit licht om suikermoleculen te maken
van koolstofdioxide en water. In een scheikundige formule ziet dat er als volgt
uit.
6CO2 + 6H2O + energie uit licht → C6H12O6 + 6O2
Het merendeel van de planten produceert meer suikers dan ze nodig hebben en
slaan het overtollige deel op. Deze opgeslagen suiker is een van de
belangrijkste voedingsbronnen voor veel dieren. Op wereldschaal gezien ontstaat
door fotosynyhese ieder jaar een miljard ton aan organisch materiaal. Hiermee
is fotosynthese het belangrijkste chemische proces voor het leven op aarde. Het
proces fotosynthese draagt dus zorg voor de voedselvoorziening van andere
organismen èn voor de zuurstof benodigd door die organismen die zuurstof
gebruiken bij respiratie.
Fotosynthese vindt plaats in de groene delen van de plant, in chloroplasten die
de zonne-energie absorberen in met name het groene pigment chlorophyl. Dit
chlorophyl is tevens de katalysator voor de reacties waarbij zich
koolwaterstoffen vormen. Chloroplasten hebben een ingewikkelde structuur.
Chlorophyl wordt omsloten door thylakoïde membranen. Een opeenstapeling van
deze thylakoïde membranen noemen we grana.
2. GESCHIEDENIS
De kennis over fotosynthese is
enorm snel toegenomen de afgelopen
jaren, alhoewel het proces zelf nog
niet goed in kaart was gebracht tegen
het begin van de twintigste eeuw.
Hieronder tref je enige belangrijke
historische feiten aangaande de
fotosynthese.
De Oude Grieken geloofden dat de
bodem alle ingrediënten bevatte om
aan de behoeften van de plant te
voldoen. Dit was een algemeen
aanvaard idee.
In het midden van de 17e eeuw deed
de Belgische natuurkundige Jan
Baptista van Helmont (1577 – 1644)
een experiment met een wilg in een
pot met aarde waarbij hij niets
anders dan water toevoegde. En de
boom groeide. Zijn juiste conclusie
was dat de boom haar bouwstoffen
niet aan de aarde onttrok, maar - zo
oordeelde hij wel onterecht- dat de
boom in omvang toenam door de
stoffen die de boom aan het water
zou ontrekken.
De 18e eeuw bracht de ontdekking
van Joseph Priestley (1733 – 1804)
dat een kaars in een afgesloten
ruimte doofde, tenzij je een levende
plant in die ruimte plaatste. Dan bleef
de kaars branden. In die tijd was
Priestley niet bekend met O2 maar hij
concludeerde terecht dat de plant
Fotosynthese en Respiratie - 4
zorgde voor vervanging van de lucht
die de brandende kaars opmaakte.
De Nederlandse arts en
plantenfysioloog Jan Ingenhousz
(1730 – 1799) ontdekte, geïnspireerd
door het onderzoek van Priestley, dat
alleen de groene delen van een plant
verbruikte lucht kunnen vervangen –
met andere woorden koolstofdioxide
kunnen opnemen en zuurstof laten
ontsnappen – en ook dat dit alleen
gebeurt in de aanwezigheid van
zonlicht.
Deze constatering was de eerste
aanwijzing dat licht een rol speelt bij
het proces van fotosynthese.
Ingenhousz ontdekte bovendien dat
alleen het licht van de zon en niet
haar warmte noodzakelijk is voor
fotosynthese.
In de late helft van de 19e eeuw
leefde de Duitse botanicus Julius van
Sachs (1832 – 1897) die opperde dat
zetmeel een product is van
koolstofdioxide. In 1865
beargumenteerde hij daarnaast dat
het in de aanwezigheid van licht het
chlorophyl is dat de fotosynthetische
reactie katalyseert. Tevens ontdekte
hij de chloroplasten waar het
chlorophyl in te vinden is.
Nog wat later in de 19e eeuw was er
de Duitse natuurkundige Theodor
Wilhelm Engelmann (1843 – 1903)
die aantoonde dat de lichtreacties,
waarbij zonne-energie wordt omgezet
in chemische energie, daadwerkelijk
in de chloroplasten plaatsvinden en
dat ze alleen plaatsvinden in het rode
en in het blauwe spectrum van
natuurlijk licht.
Pas in de 20e eeuw kregen
wetenschappers pas enig begrip voor
de complexe biochemische processen
van de fotosynthese. In 1940 werd
koolstof14 ontdekt, een radio-actieve
isotoop van koolstof voor het eerst
geïsoleerd door Kamen. Een meer
gedetaileerde studie van fotosynthese
werd door deze ontdekking mogelijk.
Met behulp van koolstof 14 volgde
Melvin Calvin de route die koolstof
aflegt gedurende de fotosynthese.
Gedurende de jaren 1950 en 1960
bevestigde hij dat bij lichtreacties in
chlorophyl zonlicht wordt ingevangen.
Vervolgens bestudeerde hij de
daaropvolgende gebeurtenis: de
donkerreactie.
Calvin, die werkte met groene algen,
stopte het fotosynthese-proces op
verschillende momenten en doopte
de cellen in een alcoholoplossing. Met
behulp van papier-chromotografie
kon hij de cellen analyseren en
vaststellen welke chemische
verbindingen zich hadden gevormd,
waarbij hij ten minste 10 producten
onderkende die binnen luttele
seconden waren gevormd. Deze
aaneenschakeling van reacties
noemen we tegenwoordig de Calvin
Benson cyclus.
In 1998 kondigden wetenschappers
van de Arizona State University aan
dat ze een kunstmatig
fotosynthetisch systeem hadden
ontworpen. De op een cel gelijkende
machine gebruikte licht om ATP te
synthetiseren, de drager van
chemische energie in alle orgnaismen.
Deze nieuwe technologie zou
uiteindelijk kunnen leiden tot de
ontwikkeling van biologische
computers en tot nieuwe medicijnen
(McGrath, 1999, p. 600)
(Bron: http://www.geocities.com
/barefeetchild/history.html).
Fotosynthese en Respiratie - 5
3. O2 KOMT VRIJ BIJ HET SPLITSEN VAN WATER
Planten produceren zuurstof en ontrekken het uit water, niet uit de
koolstofdioxide. Een experiment in de jaren 1950 waarbij het isotoop zuurstof18
werd ingezet om het lot van de zuurstofmoleculen tijdens de fotosynthese te
bepalen toonde dit aan. In een experiment labelde men koolstofdioxide met
zuurstof18 waarbij er geen gelabeld zuurstof vrijkwam uit de blootgestelde plant.
In het experiment waarbij zuurstof in water werd gelabeled kwam er wel
zuurstof 18 vrij uit de plant.
4. FOTOSYNTHESE EN CELLULAIRE RESPIRATIE ZIJN TEGENGESTELDE REDOX
PROCESSEN
Fotosynthese en respiratie door de cel zijn tegengestelde redox processen
(oxidatie – reductie). Watermoleculen worden bij de fotosynthese gesplitst
middels oxidatie - dat betekent dat electronen worden afgestaan, tesamen met
waterstof ionen (H+). Aan de andere kant vindt bij koolstofdioxide reductie
plaats tot suikers op het moment dat electronen en H+-ionen zich eraan binden.
Respiratie van de cel oogst vervolgens de energie die in het glucose-molecuul is
opgeslagen middels oxidatie van de suiker waarbij reductie plaats vindt van O2
tot H2O.
Reductie
6 CO2 + 12 H20 ⇒⇒⇒⇒ C6H12O6 + 6H20 + 6O2
Oxidatie
Oxidatie
C6H12O6 + 6H20 + 6 O2 ⇒⇒⇒⇒ 6 CO2 + 12 H20
Reductie
Bij de fotosynthese wordt licht energie bij respiratie komt chemische energie
gebruikt om glucose te maken vrij
5. ZICHTBARE STRALING STUURT DE LICHT REACTIE AAN
De zon zendt het grootste deel van
haar electromagnetische straling in
de vorm van zichtbaar licht dat
slechts een heel klein deel is van het
electromagnitische spectrum.
Zichtbaar licht bestaat uit
verschillende golflengtes die onze
ogen waarnemen als verschillende
kleuren.
De lichtreacties van de fotosynthese
gebruiken slechts een paar
golflengtes van het zichtbare licht.
Experiment 1: 6 CO2 + 12 H20 ⇒ C6H12O6 + 6H20 + 6O2 (niet gelabeled)
Experiment 2: 6 CO2 + 12 H2O ⇒ C6H12O6 + 6H20 + 6O2 (wel gelabeled)
Fotosynthese en Respiratie - 6
De licht-absorberende moleculen, de
pigmenten in het memraam van een
bladgroenkorrel, absorberen
voornamelijk blauw-violet golflengtes
en rood-oranje golflengtes
(bijvoorbeeld: chlorofyl a neemt
voornamelijk blauw-violet en rood
licht op en chlorofyl b neemt
voornamelijk blauw en oranje licht op
waarbij groen en geel reflecteren).
Het geabsorbeerde licht zien we niet.
Als we naar een plantenblad kijken
dan zien we de groene golflengtes die
door de pigmenten worden
uitgezonden en gereflecteerd.
6. DE TWEE FASES VAN FOTOSYNTHESE
Fotosynthese is geen simpel proces.
Het vindt plaats in 2 fases,
waarbinnen meerdere stappen elkaar
volgen. De stappen uit de eerste fase
noemen we de licht reactie, terwijl de
verschillende stappen uit de tweede
fase bekend staan als de
donkerreactie.
Tijdens de lichtreactie vindt de
absorptie van licht plaats en de
omzetting daarvan in chemische
energie die wordt opgeslagen in ATP
en NADPH. Er onstaat zuurstof als
een bijproduct.
De donkerreactie noemen we ook wel
de Calvin-cyclus. Gedurende de
reacties in deze cyclus worden de
suikermoleculen samengesteld met
gebruik van CO2 en de energie
houdende producten uit de
lichtreactie (ATP en NADPH)
Het twee-trapsmechanisme van
fotosynthese maakt de fixatie van
koolstofdioxide mogelijk
onafhankelijk van de tijd. Dit kan
belangrijk zijn onder hete en of droge
omstandigheden als de planten hun
huidmondjes sluiten om waterverlies
te voorkomen. Koolstofdioxide wordt
dan alleen ’s nachts toegelaten en de
suikerproductie heeft dan als een
licht onafhankelijk proces plaats
(echter, in de meeste planten loopt
de Calvin cyclus overdag wanneer de
licht reactie direct de opbouw van de
suikers aandrijft met NADPH en ATP.)
7. DE LICHT-REACTIES (TER VERDIEPING)
Het electromagnetische spectrum; zichtbaar licht bestaat uit golflengtes tussen de 400 en 700 nm
Fotosynthese en Respiratie - 7
De licht reacties vinden plaats in de
thylakoid membranen van de
chloroplast grana (bladgroenkorrels).
In de thylakoid membranen bevindt
zich chlorofyl, het groene pigment dat
energie uit licht absorbeert.
Het zuurstofgas dat vrijkomt bij de
fotosynthese bestaat uit de
zuurstofmoleculen afkomstig uit
water. De watermoleculen splitsen
zich waarbij electronen en H+ ionen
vrijkomen met achterlating van
zuurstof.
Er zijn twee fotosystemen
(fotosysteem I: vorming NADPH en
fotosysteem II: vorming ATP)in de
thylakoidmembraan die de energie uit
het licht absorberen en deze
gebruiken om electronen in een
hogere energietoestand te brengen.
De fotosystemen dragen de geladen
electronen naar electronen
transportbanen. Als NADP+ twee
hoog geladen electronen vangt
(reductie) en een H+ ion dan vormt
zich NADPH, de energiedrager
benodigd voor de donkerreacties.
NADPH en het bijproduct zuurstof zijn
beide het resultaat van redox-
reacties
De synthese van ATP verloopt anders,
het wordt gestuurd door chemie-
osmose. Een aantal van de
electronendragers gebruiken energie
die vrijkomt van de electronen om
waterstofionen H+ actief te
transporteren van de ene kant van
het membraan naar de andere kant.
Hierdoor onstaat een
concentratiegradiënt van H+ door het
membraan.
Het eiwitcomplex ATPsynthase zorgt
voor een opening waardoor H+
vanuit het thylakoidcompartiment
terug kan diffunderen in de stroma.
De energie van de H+gradiënt draagt
zorg voor de terugkeer van H+,
waarbij ook weer energie vrijkomt.
ATPsynthase gebruikt een deel van
deze energie om ADP te fosforiseren
tot ATP.
Gedurende de licht reactie vindt er
geen productie van suikers plaats.
De processen die plaatsvinden tijdens de licht reacties van de fotosynthese
worden hieronder schematisch weergegeven.
Fotosynthese en Respiratie - 8
8. DE DONKER-REACTIES (TER VERDIEPING)
De donkerreactie – of Calvin cyclus (dit
ingewikkelde proces werd ontdekt door
de Amerikaanse biochemicus Melvin
Calvin. Deze prestatie bezorgde hem de
Nobelprijs voor de scheikunde in 1961)
- vindt plaats in de stroma van de
chloroplast. De inlijving van koolstof uit
koolstofdioxide in organische
verbindingen noemen we koolstof fixatie.
Nadat koolstoffixatie heeft plaatsgevonden maken enzymen uit de cyclus suikers
door reductie van de gefixeerde koolstof – door toevoeging dus van hoog
aangeslagen electronen tesamen met H+.
NADPH uit de lichtreactie verschaft de elctronen die benodigd zijn voor de
Calvincyclus. En ATP uit de lichtreactie voorziet in de chemische energie die een
aantal stappen uit de Calvincyclus aandrijft. De Calvincyclus heeft dus geen
direct licht nodig. Toch heeft de Calvin cyclus in veel planten overdag plaats,
wanneer de licht reactie direct de opbouw van de suikers aandrijft met NADPH
en ATP.
9. VARIATIES IN FOTOSYNTHESE
Planten die tijdens de Calvincyclus
CO2 direct uit de lucht gebruiken
noemen we C3-planten (heel
algemeen en wijd verspreid), omdat
de eerste organische verbinding die
zich vormt 3-PGA is, een verbinding
met 3 koolstofatomen. Een probleem
voor C3-planten is dat onder hete en
/ of droge omstandigheden de
planten hun huidmondjes sluiten om
waterverlies te voorkomen. Onder
deze omstandigheden zal zuurstof,
gevormd tijdens de lichtreacties van
de fotosynthese, zich ophopen in de
bladeren waardoor fotorespiratie gaat
plaatsvinden.
Anders dan de C3-planten zijn de
zogenaamde C4-planten die speciale
Fotosynthese en Respiratie - 9
aanpassingen hebben. Tijdens heet
en droog weer houdt de C4- plant de
huidmondjes ook gesloten, en dus
behoudt het zijn water. Tegelijkertijd
gaat de plant wel door met de
productie van suikers door
fotosynthese. Een C4-plant heeft een
enzym dat de koolstof fixeert in een
verbinding met 4 koolstofatomen in
plaats van in 3PGA. De verbinding
met vier koolstofatomen fungeert als
een koolstofbus shuttle; het draagt
de CO2 over aan de Calvincyclus in
een nabijgelegen cel, die daardoor
sukers aan blijft maken zelfs als de
huidmondjes het grootste deel van de
tijd gesloten zijn. Veel belangrijke
gewassen zijn C4-planten waaronder
mais, suikerriet en gierst.
Cactussen en de meeste succulenten
(CAM-planten) hebben een derde
manier ontwikkeld om koolstof te
fixeren. Een CAM-plant spaart zijn
water door alleen ’s nachts de
huidmondjes te openen en CO2 toe te
laten. De CO2 wordt vervolgens
overdag afgegeven in de Calvincyclus.
Hierdoor blijft de fotosynthese ook
overdag werken, zelfs als de CO2 niet
meer wordt toegelaten.
2. Veronderstelde
voorkennis Plant respiratie
Fotosynthese – licht en
donkerreacties
cellulaire respiratie
3. Geïntroduceerde
begrippen Plant respiratie
Fotosynthese
4. Verdere informatie Arizona State University Center for
the Study of Early Events in
Photosynthesis
http://photoscience.la.asu.edu/
photosyn/
Op deze site vind je een hoop
educatieve- en
onderzoeksbronnen over
fotosynthese.
Illuminating photosynthesis
http://www.pbs.org/wgbh/nova/
methuselah/photosynthesis.html
Why Leaves Change Colour
http://www.esf.edu/pubprog/
brochure/leaves/leaves.htm
Fotosynthese en Respiratie - 10
B. Didactiek
1. Pedagogische context Deze Coach6-activiteit kan worden
gebruikt als een aanvullende les.
Leerlingen gebruiken concepten die
ze reeds eerder hebben aangeboden
gekregen en passen deze toe
teneinde de resultaten van de
metingen te verklaren. Het doel is om
leerlingen de toepassing van hun
kennis te laten generaliseren. Deze
toepassing van principes zal leiden
tot een verder begrip van de
theorieën en modellen.
2. Knelpunten voor leerlingen Fotosynthese wordt door leerkrachten
beschouwd als het belangrijkste en
tegelijkertijd moeilijkste concept voor
hun leerlingen (Satvy et al., 1987).
De moeilijkheid zit hem met name
hierin dat het hier handelt om een
ingewikkeld biologisch onderwerp
bestaande uit een verschillend aantal
concepten (ecologische, fysiologische,
biochemische, energetische,
autotrofe voeding) waartusssen de
relatie niet eenvoudig te begrijpen is
door leerlingen (Waheed & Lucas,
1992). De algemene knelpunten voor
leerlingen aangaande fotosynthese
zijn:
Lastig om het autotrofe
voedingsproces van planten te
begrijpen; een veelvoorkomend
idee is dat planten hun voedsel uit
de bodem betrekken.
moeite met enerzijds respiratie en
anderzijds de relatie van respiratie
met fotosynthese, als wel
verwarring van fotosynthese met
respiratie (sommige leerlingen
beschouwen respriratie als
synoniem met ademen, terwijl
anderen onder plant respiratie
verstaan een omgekeerde
gasuitwisseling vergeleken met die
van dieren).
Voorbeelden van misconcepties
betreffende fotosynthese en
respiratie in planten zijn:
- Koolstofdioxide wordt gebruikt
bij respiratie, hetgeen alleen
voorkomt in groene planten en
alleen als er geen licht energie
is voor fotosynthese
- Respiratie vindt alleen plaats in
de cellen van de bladeren
- Respiratie is de uitwisseling van
koolstofdioxide en zuurstof via
de huidmondjes
- Groene planten nemen
koolstofdioxide op en geven
zuurstof af tijdens respireren
- Groene planten respireren
alleen ’s nachts, als er geen
licht energie is
- Groene planten respireren niet,
ze fotosynthetiseren enkel
- Fotosynthese levert energie
voor plantengroei
- Planten respireren als ze
onvoldoende energie via
Fotosynthese en Respiratie - 11
fotosynthese verkrijgen en
dieren respireren omdat ze niet
kunnen fotosynthetiseren
Moeite met het concept energie en
het concept energie-uitwisseling
tijdens fotosynthese.
Moeite met het herkennen en
begrijpen van het concept
chemische verandering.
Moeite om een gas als een
substantie voor te stellen.
Moeite met het combineren van
chemische en biologische
concepten (bijvoorbeeld, leerlingen
kunnen het menselijk lichaam niet
als een chemisch systeem
beschouwen).
REFERENCES:
1. 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, 94–100.
2. Barker, M., Carr, M. (1989) “Teaching and learning about photosynthesis. Part 1: An assessment in terms of students’ prior knowledge” International Journal of Science Education, 11, 49–56.
3. Canal, P. (1999) “Photosynthesis and “inverse respiration” in plants: An inevitable misconception?” International Journal of Science Education, 21, 363–371.
4. F. Haslam, D. F.Treagust, (1987) “Diagnosing secondary students’
misconceptions of photosynthesis and respiration in plants using a two-
tier multiple choice instrument” Journal of Biological Education 21, 203–
211.
5. Marmaroti P., Galanopoulou D., (2006) “Pupils’ Understanding of
Photosynthesis: A questionnaire for the simultaneous assessment of all
aspect”, International Journal of Science Education Vol. 28, No. 4, 383–
403.
6. Stavy, R., Eisen, Y., Yaakobi, D. (1987) “How students aged 13-15 understand photosynthesis” International Journal of Science Education, 9, 105–115.
7. Waheed, T., Lucas, A. (1992) “Understanding interrelated topics:
Photosynthesis at age 14+. Journal of Biological Education, 26, 193–199.
Fotosynthese en Respiratie - 12
3. Het gebruik van ICT in deze modulen De specifieke kwaliteiten van ICT die een meerwaarde hebben voor het
leerproces worden hierna besproken per type activiteit.
METEN
Het gebruik van een datalogger in het biologielab vergroot de mogelijkheden om
ingewikkelde gebeurtenissen waar te nemen. Metingen kunnen een lesuur
overstijgen en data kunnen gedurende een hele dag of een weekend worden
verzameld. Door middel van gas-sensoren zoals de zuurstof- en de
koolstofdioxide- sensor wordt het mogelijk om onzichtbare variabelen als
zuurstof en CO2 concentraties te ervaren.
Grafieken n.a.v. metingen met de datalogger tonen heel goed hoe de gemeten
waarden veranderen in de tijd en t.o.v. elkaar waardoor er een unieke kans
geboden wordt voor discussies. Dit stimuleert leerlingen bovendien om vragen te
stellen en te beantwoorden..
Activiteit 1. Respiratie door een plant
In dit experiment worden de O2 en/of CO2 sensoren gebruikt om de
veranderingen in zuurstof en koolstofdioxide concentraties te meten in een fles
waarin zich een groene plant bevindt. Deze activiteit laat de leerlingen beseffen
dat respiratie bij planten op dezelfde wijze plaats heeft als bij dieren, namelijk
door opname van zuurstof en productie van koolstofdioxide.
Activiteit 2. Processen in het licht en in het donker
In dit experiment wordt de CO2sensor gebruikt om fotosynthese te observeren
onder kunstmatig licht condities. De koolstofdioxide die door planten wordt
geproduceerd in het donker wordt gebruikt voor fotosynthese in het licht.
Leerlingen onderzoeken de relatie tussen de snelheid van fotosynthese (de
opnamesnelheid van CO2) en de intensiteit en kleur van het licht.
Activiteit 3. Fotosynthese volgen gedurende een langere periode.
Dit experiment neemt een langere tijdsspanne in beslag, nl. 72 uur. Allerhande
sensoren kunnen hier gebruikt worden, bijvoorbeeld O2-, CO2-, licht-,
temperatuur-, en vochtigheidssensoren om de fotosynthese te volgen en om aan
de hand van de verzamelde gegevens discussie in de klas op gang te brengen
over de betrokken concepten. Metingen aan verschillende planttypen zoals
bijvoorbeeld C3- en CAM-planten kunnen worden vergeleken.
MODELLEREN
In de modelleeractiviteiten van deze module richten leerlingen zich op de relatie
tussen belangrijke factoren die een rol spelen bij respiratie en fotosynthese. De
variabelen die worden weergegeven in grafieken dienen te worden benoemd en
te worden gerelateerd aan de verschijnselen die ze voorstellen.
Fotosynthese en Respiratie - 13
Het gebruik van modellen maakt het mogelijk voor de leerlingen om te
experimenteren met verschillende parameters om zodoende variatie in de
omstandigheden te simuleren.
Activiteit 4. leven in een vijver
De leerlingen krijgen een model aangeboden dat de zuurstofconcentratie in
water berekend. Het model beschouwt een proces voor zuurstof productie en
voor zuurstofopname. Dit zijn fotosynthese door planten en respiratie door
planten en dieren in een vijver (een gesloten systeem met water). De leerlingen
gebruiken het model om te onderzoeken wat de invloed is van planten, van
dieren en van licht op de zuurstofconcentratie in het water.
Het model doet de volgende, vereenvoudigde, aannames:
1. Fotosynthese hangt af van het licht; hoe hoger de licht intensiteit, hoe hoger de fotosynthese-snelheid.
2. Respiratie wordt beïnvloed door de zuurstof concentratie en het aantal planten en dieren.
3. Licht hangt af van de waarde voor lichtintensiteit. Als de waarde voor lichtintensiteit is:
gelijk aan 0, dan is er geen licht (donker),
tussen de 0 en de 100, dan is er een constante lichtintensiteit (waarde 100 staat voor een maximale constante lichtintensiteit),
hoger dan 100, dan wordt een periodieke verandering in het licht gegenereerd. Hiermee wordt een dag- en nacht ritme gesimuleerd.
4. Les aanpak De aangeboden vier activiteiten
geven inzicht in de wetenschappelijke
achtergrond van dit onderwerp. De
eerste activiteit richt zich met name
op plant respiratie. De tweede
activiteit voegt hier de fotosynthese
aan toe en analyseert de invloed van
lichtintensiteit en kleur. In derde
activiteit wordt gekeken naar
fotosynthese en respiratie gedurende
een langere periode (i.e. een paar
dagen). Tijdens de vierde activiteit
staat het proces van veranderingen
in de zuurstofconcentratie in het
water van een vijver centraal.
Zuurstof wordt daarin geproduceerd
door planten middels fotosynthese en
opgenomen door planten en dieren
middels respiratie. Om de activiteiten
effectief te laten zijn tijdens het
lesgeven en bij het leren, kan het
behulpzaam zijn voor leerkrachten
om twee typen vaardigheden te
onderscheiden bij het gebruik van
software:
Operationele vaardigheden die
vaardigheden die gaan over het
hanteren van de computer-
hardware en algemene kennis
over de software.
Procedurele vaardigheden
vaardigheden die gaan over de
manier waarop de software wordt
Fotosynthese en Respiratie - 14
toegepase binnen de lescontext
met als doel om iets te leren. Eén
van de belangrijkste aspecten
hiervan is de ontwikkeling van
een onderzoekende houding bij de
leerling t.a.v. de interpretatie en
analyse van de gegevens en om
relaties te leggen met eerder
opgedane kennis.
Beide vaardigheden zijn belangrijk bij
de voorbereiding van de leerlingen op
de activiteiten. In onderstaande
beschrijving wordt per activiteit
aangegeven welke vaardigheden
benodigd zijn.
Daarnaast zijn er voor de leerkracht
didactische vaardigheden, die
bijdragen aan de effectiviteit van de
activiteiten:
1. Duidelijk voor ogen hebben wat de leerdoelen zijn bij iedere activiteit
2. Begrip hebben van de meerwaarde van het gebruik van
ict om ict optimaal te kunnen
inzetten.
3. De lesactiviteit dusdanig sturen dat juist gebruik van ict voorop
staat in plaats van lukraak gebruik
4. De lesstof van iedere activiteit integreren om bij de leerling
begrip te kweken voor het gehele
onderwerp.
Dit laatste punt is een belangrijk doel
van het IT for US-project en de
activiteiten die hier worden
beschreven zijn speciaal uitgekozen
om te illustreren hoe deze integratie
bereikt kan worden.
Het vergelijken van waarnemingen en
resultaten hebben bij iedere activiteit
een centrale plek in het proces van
integratie. Bijvoorbeeld:
Gebruik de resultaten van alle vier
de activiteiten als een bijdrage
aan een discussie over factoren
die van invloed zijn op
fotosynthese en respiratie;
Vergelijk de datalogger-resultaten
van activiteit 1 en 2 met de
datalogger-resultaten van
activiteit 3.
Bij deze voorbeelden speelt de
grafiek een belangrijke rol, omdat
deze vergelijken en interpreteren van
de gegevens vergemakkelijkt.
Vaardigheden op het gebied van
grafieken vormen een rode draad in
het werken met de IT for US-
activiteiten.
De klaasopstelling beïnvloedt in
belangrijke mate het succes van
integratie van de activiteiten. Indien
pc’s en toebehoren schaars zijn, dan
zal de leerkracht de activiteit
waarschijnlijk als een demonstratie
presenteren. Deze werkwijze geeft de
leerkracht een sterk leidende rol bij
het sturen van de gedachten van de
leerlingen wanneer ze de activiteiten
moeten vergelijken.
Een alternatief is om de leerlingen in
kleine groepen (van 3 of vier
leerlingen per groep) aan de
activiteiten te laten werken, waarbij
iedere groep een andere activiteit
uitvoert. Alle groepen presenteren
hun resultaten aan de gehele klas,
waardoor integratie van de stof
plaatsvindt. De leerkracht treedt op
als voorzitter van de presentaties en
leidt discussies in bij de resultaten
van de groepen.
Het is goed te bedenken dat deze
activiteiten op verschillende
manieren in de les aangeboden
kunnen worden. Ze kunnen in een
leerlijn gebruikt worden, maar het is
Fotosynthese en Respiratie - 15
ook mogelijk om Alhoewel de
activiteiten zijn ontwikkeld om elkaar
aan te vullen, is het niet noodzakelijk
om ze allemaal te gebruiken. Twee of
drie activiteiten kunnen volstaan,
afhankelijk van de behoefte van
leerkrachten of leerlingen. Er is een
grote variatie tussen scholen en
binnen een school op verschillende
tijdstippen van het jaar of op
verschillende momenten in het
curriculum waardoor de behoefte en
toepasbaarheid kunnen fluctueren.
Zo kan de meetapparatuur bijvoor-
beeld niet beschikbaar zijn; heeft een
individuele leerling soms een
aanvullende opdracht nodig; is een
verdiepingsopdracht soms nodig om
extra tijd te vullen; of kan juist een
korte activiteit gewenst zijn vanwege
een tekort aan lestijd. De
overlappende kenmerken van alle
activiteiten, zoals het gebruik van
grafieken staat tot op zekere hoogte
toe dat ze als elkaars alternatief
gebruikt kunnen worden, terwijl de
eigenheid van elke activiteit ervoor
zorgt dat ze als aanvulling op elkaar
kunnen worden gebruikt.
Onderstaande tabel vat samen wat
de afzonderlijke leeropbrengst per
activiteit is. Een handig overzicht
voor de meerwaarde van iedere ict-
activiteit.
Activiteit Mogelijke leerdoelen, meerwaarde ICT
Meten Grafiek van CO2 (en/of O2) concentratie is zichtbaar
gedurende het experiment.
Grafiek van de lichtintensiteit is zichtbaar gedurende het
experiment.
Gereedschappen om de grafieken te analyseren
vergemakkelijken een gedetailleerd onderzoek van de
gegevens.
Experimenten over een langere tijdsspanne kunnen worden
vastgelegd.
Modelleren Het model simuleert de verandering in zuurstofconcentratie in
het water van een vijver.
Het model wordt gebruikt om verschillende omstandigheden
te simuleren.
Fotosynthese en Respiratie - 16
5. Bronnen voor leerlingen activiteiten
GEBRUIK VAN COACH 6 SOFTWARE
Activiteit Software Beschibare bestanden
1. Meten Coach 6 1. Respiratie door een plant.cma (activiteit)
1. Respiratie door een plant.cmr (resultaat)
2. Meten Coach 6 2. Processen in het licht en in het donker.cma
(activiteit)
2. Processen in het licht en in het donker.cmr
(resultaat)
3. Meten Coach 6 3. Fotosynthese volgen gedurende een langere
periode.cma (activiteit)
3. Fotosynthese volgen gedurende een langere
periode.cmr (resultaat)
4. Modelleren Coach 6 4. Het leven in een vijver.cma (activiteit)
BENODIGDHEDEN VOOR ACTIVITEIT 1, 2 EN 3
Computer
Software – zien bovestaande tabel
Interface (CoachLab II/II+ of ULAB)
CO2gas sensor met bijbehorende 250ml meetfles en rubber dop
Lichtsensor, Temperatuursensor, O2sensor, vochtigheidssensor (eventueel)
VOOR ACTIVITEIT 1
Zaden van
bijvoorbeeld een
koekoeksbloem of
bonen, papieren of
katoenen (zak)doek
Grote, doorzichtige
plastic fles of een
grote glazen pot
VOOR ACTIVITEIT 2
Krachtige lamp (bijv.
een bouwlamp of
een groeilamp)
Grote glazen
accubak gevuld met
water (warmte
reservoir)
Verse groene
bladeren
Aluminiumfolie
Een aantal
verschillende
kleurfilters
VOOR ACTIVITEIT 3
Groene plant met
grote bladeren
Grote (5 L)
doorzichtige plastic
fles
Fotosynthese en Respiratie - 17
C. Studentactiviteiten
ACTIVITEIT I. RESPIRATIE DOOR EEN PLANT
Leerdoelen:
1. Het meten van veranderingen in zuurstofconcentratie
ten gevolge van plant respiratie (kiemende zaden)
2. Meten van veranderingen in de koolstofdioxide concentratie ten gevolge van plant respiratie
(kiemende zaden)
3. Begrijpen dat planten zowel gedurende de dag als de nacht respireren.
Operationele vaardigheden:
Sensoren en een interface kunnen aansluiten
De juiste parameters kiezen voor het data loggen
Gegevens verzamelen met een op tijdmeting gebasseerde instelling
Procedurele vaardigheden:
Data analyseren aan de hand van grafieken
Waarden/hellingen aflezen
Kwaliteit van de meting beoordelen
Gebruik van extra tijd
Materialen:
Interface (CoachLab II/II+)
CO2 gassensor (en/of O2 gassensor)
Lichtsensor
temperatuursensor (eventueel)
zaden van bijvoorbeeld een koekoeksbloem of bonen, papieren of katoenen
(zak)doek
Grote, doorzichtige plastic fles of een grote glazen pot
TOEGEPASTE ICT
TECHNOLOGIE:
DATA-LOGGEN
STUDENT NIVEAU:
LEEFTIJD 17
AANGERADEN OPZET:
LEERLING ACTIVITEIT GELEID
DOOR LEERKRACHT
Fotosynthese en Respiratie - 18
Uitvoering:
In deze activiteit worden kiemende zaden gebruikt om plant respiratie aan te
tonen.
1. De zaden laten kiemen.
Leg de papieren of katoenen (zak)doek op een schoteltje of
petrischaaltje van ongeveer 10 cm diameter. Leg hier vervolgens de
zaden op en voeg 20 tot 25 ml water toe.
De zaden gaan kiemen als ze gedurende twee dagen bij een
temperatuur van 20 a 22° C worden gehouden. Voor ontkieming is
het essentieel dat de zaden voldoende vochtig gehouden worden.
Een controle-experiment kan worden uitgevoerd met niet-kiemende
zaden. Deze zaden worden onder dezelfde omstandigheden
behandeld, behalve dan de toevoeging van water. Een controlemeting
met deze niet-kiemdende zaden wordt gedaan alvorens het ‘echte’
experiment plaatsvindt.
Kiemende (links) en niet kiemende zaden van de koekoeksbloem.
2. Sluit de CO2 (of O2)sensor aan
op ingang 1. Voordat je de
meting start moet je eerst de
sensor ijken door deze rustig
in de lucht heen en weer te
bewegen.
3. Zet de schaaltjes met de
kiemende zaden in de pot (of
fles)
4. Plaats de CO2 (of O2)sensor en
de lichtsensor in de pot (of
Fotosynthese en Respiratie - 19
fles)
5. Sluit de pot af met plastic folie.
6. Zet de pot met de sensoren op een donkere plek of bedek de pot.
7. Start de meting en laat deze gedurende 2 uur lopen.
8. Bepaal de mate van respiratie met gebruik van de hellingshoek-functie.
9. Herhaal dan het experiment in kunstmatig licht (ongeveer 700 Lux).
Vragen:
Leg uit hoe de CO2 (of O2) concentratie verandert in de tijd gedurende de
meting in het donker.
Hoe noemen we het proces dat verantwoordelijk is voor de productie van
CO2 (of opname van O2) in de pot (of de fles)?
Is dit proces gelijk aan andere processen die je kent? Zo ja, welke.
Zijn de veranderingen in de CO2 (of O2)concentraties gelijk bij de meting in
het donker en in het licht?
Vindt plant respiratie plaats gedurende de dag?
Als je gelijktijdig hebt gemeten met de CO2sensor en de O2sensor vergelijk
dan de verandering in zuurstof concentratie ten opzichte van de
verandering in koolstofdioxide concentratie. Wat is de verhouding van deze
veranderingen? Verklaar deze verhouding in veranderingen in concentratie.
Bestaat er een relatie tussen de temperatuur en de mate van respiratie van
de kiemende zaden?
Analyse van activiteit:
Bestudering van de grafiek leidt
leerlingen tot de conclusie dat
kiemdende zaden (planten)
respireren met gebruikmaking van
zuurstof, waarbij koolstofdioxide
wordt geproduceerd, dus op
eenzelfde wijze als dieren.
Een voorbeeld-meting m.b.v.
kiemende zaden van de
koekoeksbloem (3 petrischaaltjes
met 50 kiemende zaden in een
pot) wordt getoond in de grafiek. Deze meting is gedaan in het daglicht.
De meting toont dat de kiemende zaden CO2 produceren. Gedurende de
meting neemt de snelheid van de CO2productie af, de mate van respiratie
neemt af omdat er niet genoeg O2 in de gesloten pot aanwezig is.
Fotosynthese en Respiratie - 20
De resultaten van een meting bij kunstlicht zijn gelijk; alleen is de grafiek een
iets meer afgevlakt. Het experiment in deze activiteit toont aan dat planten
niet alleen gedurende de nacht respireren, maar ook overdag.
Aanvullend kan de temperatuursensensor gebruikt worden om de invloed van
temperatuur op de respiratiesnelheid te onderzoeken.
Hints and tips:
De verandering in CO2 (of O2)concentratie is zeer klein, ongeveer 0.5%. Door
te meten in parts per million (ppm) verkrijgt men meer gedifferentieerde data.
Door een percentagemeting echter, ziet men ook een verschil.
Coach 6 Activiteit:
1. Respiratie door een plant
Fotosynthese en Respiratie - 21
ACTIVITY 2. PROCESSES IN LIGHT AND DARK
Leerdoelen:
1. Veranderingen in CO2concentratie meten als
gevolg van fotosynthese en van respiratie
2. De relatie onderzoeken tussen de mate van
fotosynthese en de lichtintensiteit
3. Het bepalen van de mate van fotosynthese en
van respiratie
4. De relatie onderzoeken tussen de mate van
fotosynthese en de kleur van het licht
Operationele vaardigheden:
Sensoren en een interface aansluiten
De juiste parameters kiezen voor het data loggen
Gegevens verzamelen met een op tijdmeting gebaseerde instelling
Procedurele vaardigheden:
Data analyseren aan de hand van grafieken
Waarden/hellingen aflezen
Kwaliteit van de meting beoordelen
Gebruik van extra tijd
Materials:
Interface (CoachLab II/II+)
CO2gas sensor met bijbehorende 250ml meetfles en rubber dop
Lichtsensor (eventueel)
Krachtige lamp (bijv een bouwlamp of een groeilamp)
Grote glazen accubak gevuld met water (warmte reservoir)
Verse groene bladeren
Aluminiumfolie
Een aantal verschillende kleurfilters
Uitvoering:
1. Zet de accubak gevuld met water tussen de lichtbron en de meetfles.
TOEGEPASTE ICT
TECHNOLOGIE:
DATA-LOGGEN
STUDENT NIVEAU:
LEEFTIJD 17
AANGERADEN OPZET:
LEERLING ACTIVITEIT GELEID
DOOR LEERKRACHT
Fotosynthese en Respiratie - 22
Deze bak fungeert als hitteschild.
2. Sluit de CO2sensor aan op ingang 1 van de CoachLab.
3. Laat de sensor enige tijd rusten.
4. Ijk dan de sensor in de lucht (rustig heen en weer zwaaien door de
lucht).
5. Doe de verse groene bladeren in de meetfles en laat ze enige tijd rusten.
6. Wikkel de meetfles in aluminiumfolie en zorg zo dat er geen daglicht
meer bij de bladeren kan komen.
7. Ververs de lucht in de meetfles nog een laatste maal door de meetfles in
de lucht heen en weer te bewegen.
8. Plaats de CO2sensor op de
meetfles. Druk de sensor
langzaam op de fles tot ze
niet verder gaat. De sensor is
zodanig ontworpen dat ze de
fles goed afsluit.
9. Start de meting.
10. Verwijder na 10 minuten de
aluminiumfolie en laat de
meting doorlopen in daglicht.
11. Na weer 10 minuten zet je de
lamp aan.
12. Bepaal de mate van
fotosynthese en van
respiratie in deze drie
situaties.
13. verander nu de experimentopstelling zodanig dat je het effect van
verschillende kleuren licht kunt onderzoeken (door het plaatsen van de
kleurfilters voor de lichtbron).
Vragen:
Hoe verandert de CO2 concentratie als het licht uitgaat?
Welk proces is verantwoordelijk voor dit effect? Geef de reactievergelijking
die een belangrijke rol speelt als de bladeren langere tijd onder fel licht
staan.
Welke invloed heeft de lichtintensiteit op de mate van fotosynthese?
Welke invloed heeft de kleur van het licht op de mate van
Fotosynthese en Respiratie - 23
fotosynthese/respiratie.
Welke andere factoren beïnvloeden mogelijk de mate van de
koolstofdioxide productie?
Analyse van activiteit:
De resultaten van een
voorbeeldmeting zijn te zien in de
grafiek. In deze meting werden
spinaziebladeren gebruikt.
Gedurende de eerste 10 minuten
van de meting was de meetfles in
aluminiumfolie gewikkeld. Tijdens
deze periode neemt de
CO2concentratie toe; de de snelheid
van de CO2productie bedraagt 77
ppm/min (vastgesteld m.b.v. de hellingshoekfunctie).
In dit deel van het experiment vindt enkel respiratie plaats. De groene
bladeren ‘oogsten’ de energie die is opgeslagen in glucose moleculen door
oxidatie van de glucose, waarbij CO2 vrijkomt.
In het tweede deel van de meting wordt de alumimiumfolie verwijderd en
staat de meetfles in het licht (ongeveer 700 Lux). De CO2concentratie neemt
nog steeds toe, maar wel langzamer, met een snelheid van 44 ppm/min. Er
komt meer koolstofdioxide vrij door respiratie dan er wordt gebruikt door
fotosynthese.
In het laatste deel van het experiment wordt de bouwlamp aangezet. De
CO2concentratie daalt dan snel. De fotosynthese verloopt nu veel sneller. De
CO2 wordt tijdens de fotosynthese gebruikt bij de vorming van suikers.
Hints and tips:
Spinaziebladeren werken bijzonder goed in dit experiment en zijn het gehele jaar door verkrijgbaar bij de groenteboer of supermarkt. Houd de bladeren gekoeld tot het moment van gebruik voor het beste resultaat. 5 Minuten voor het experiment stel je de bladeren bloot aan fel licht.
7 tot 8 bladeren in de meetfles zijn voldoende om de veranderingen in CO2concentratie snel aan te tonen.
Coach 6 Activiteit:
2. Processen in het licht en in het donker
Fotosynthese en Respiratie - 24
ACTIVITEIT 3. FOTOSYNTHESE VOLGEN
GEDURENDE EEN LANGERE
PERIODE
Leerdoelen:
1. Veranderingen in CO2concentratie en in O2concentratie meten als gevolg van fotosynthese
en van respiratie gedurende een langere periode
2. Veranderingen in het proces fotosynthese waarnemen tijdens een dag-nacht cyclus
3. Begrijpen hoe de licht- en donkerreactie werkt
Operationele vaardigheden:
Sensoren en een interface aansluiten
De juiste parameters kiezen voor het data loggen
Gegevens verzamelen met een op tijdmeting gebaseerde instelling
Procedurele vaardigheden:
Data analyseren aan de hand van grafieken
Waarden/hellingen aflezen
Kwaliteit van de meting beoordelen
Materialen:
Interface (ULAB of CoachLab II/II+)
CO2-sensor
Lichtsensor
eventueel: O2sensor, temperatuursensor, vochtigheidssensor
Groene plant met grote bladeren
Grote (5 L) doorzichtige plastic fles
TOEGEPASTE ICT
TECHNOLOGIE:
DATA-LOGGEN
STUDENT NIVEAU:
LEEFTIJD 17
AANGERADEN OPZET:
LEERLING ACTIVITEIT GELEID
DOOR LEERKRACHT
Fotosynthese en Respiratie - 25
Uitvoering:
1. Plaats de plant in de fles:
snijdt de fles doormidden,
zet de plant op de bodem van de
fles,
het bovenste deel van de fles terugplaatsen (over de plant) en
vast tapen aan de de bodem van de
fles. Tape nog niet rondom doen,
omdat straks de sensoren er nog
bij moeten.
2. Sluit de CO2sensor aan op ingang 1 en de lichtsensor op ingang 2 van de interface.
Indien je meerdere sensoren gaat
gebruiken sluit je deze ook aan op de overige ingangen van de interface.
3. Ijk de CO2sensor
4. Plaats de sensoren in de fles. Gebruik hiervoor de opening in de fles, of de ruimte die je nog niet hebt dichtgetaped. Daarna alles goed dichttapen en
afsluiten
5. Start de meting en laat deze 72 uur duren.
6. Herhaal daarna het experiment waarbij je andere plantensoorten gebruikt.
Vragen:
Leg uit hoe de CO2concentratie verandert gedurende de meting. Wordt de
CO2 gelijkmatig gebruikt tijdens de fotosynthese?
Op welk moment is de CO2concentratie het hoogst en op welk moment het
laagst?
Wat gebeurt er met de CO2concentratie als het donker wordt en wat als het
licht wordt?
Hoe beïnvloedt licht de mate van fotosynthese?
Leg uit hoe de O2concentratie verandert gedurende de meting. Wordt O2
gelijkmatig geproduceerd tijdens de fotosynthese?
Op welk moment is de O2concentratie het hoogst en wanneer het laagst?
Wat gebeurt er met de O2concentratie als het donker wordt en wat als het
licht wordt?
Wat is de relatie tussen de pieken in de O2concentratie en de pieken in de
Fotosynthese en Respiratie - 26
lichtintensiteit? Verklaar waarom de ene piek na de andere volgt.
Op welk tijdstip van de dag produceert de plant het meeste zuurstof (of
gebruikt ze de meeste koolstofdioxide)?
Vindt er respiratie plaats gedurende de fotosynthese? Kun je dat zien in de
grafiek?
Bespreek de lichtafhankelijke en de lichtonhankelijke reacties van
fotosynthese. Verklaar met je bevindingen de vormen in de grafiek. Kun je
hiermee het ‘gedrag’ van het soort plant verklaren?
Analyse van activiteit:
Laat het experiment een paar
dagen lopen – hierdoor creëer je
de mogelijkheid om de processen
die plaatsvinden in de nacht en
overdag te bediscussiëren.
De resultaten van een
voorbeeldmeting met een
CO2sensor, een lichtsensor en een
temperatuursensor worden
getoond in de grafiek. Het is
gemakkelijk en overzichtelijk om
alle metingen in één grafiek te tonen. Met de optie ‘scan’ worden de gegevens
afzonderlijk geanalyseerd.
Met de optie ‘smoothing’ kunnen de data voor het licht vereenvoudigd worden
weergegeven waardoor een trend in de verandering van het licht zichtbaar
wordt.
Tijdens de nacht neemt de koolstofdioxide concentratie toe, deze
koolstofdioxide wordt geproduceerd tijdens respiratie. Overdag (als de
lichtintensiteit meer dan 2% bedraagt) neemt de koolstofdioxide concentratie
af. CO2 wordt gebruikt in de fotosynthese.
Hints and tips:
Planten waar een duidelijke waslaag op de bladeren ontbreekt geven betere
resultaten.
De fles waar de plant in staat dient heel goed afgesloten te zijn. Tape
desnoods nog een keer extra in.
De verandering in de zuurstofconcentratie is bijzonder klein, ongeveer 0.5%.
Door te meten in ‘part per million’ (ppm), verkrijg je meer gedifferentieerde
data. Echter, een meting met percentages laat ook verschillen zien.
Coach 6 Activiteit:
3. Fotosynthese volgen gedurende een langere periode
Fotosynthese en Respiratie - 27
ACTIVITEIT 4. HET LEVEN IN EEN VIJVER
Leerdoelen:
1. Begrijpen welke processen de zuurstof concentratie in een vijver bepalen
2. Grafieken betreffende zuurstof concentratie en lichtintensiteit kunnen interpreteren
3. De invloed onderzoeken van planten, dieren en licht op de zuurstofconcentratie in een vijver
Operationele vaardigheden:
Een model gebruiken om verschillende omstandigheden in een vijver te
simuleren
Procedurele vaardigheden:
Parameters in het model kunnen veranderen
Tijdens de uitvoering van het model actief observeren
Uitvoering:
Het model in deze activiteit berekent de zuurstof concentratie in een vijver. In
dit eenvoudige model bepalen fotosynthese en respiratie door planten,
alsmede respiratie door dieren de productie en consumptie van zuurstof in het
water. In het model kunnen de volgende factoren worden veranderd:
het aantal planten
het aantal dieren
de lichtintensiteit.
De leerlingen gebruiken het model om de zuurstofconcentratie in het water te
voorspellen en om de belangrijkste onderzoeksvraag te beantwoorden: welke
invloed hebben planten, dieren en licht op de zuurstof concentratie in het
water?
Vragen:
Wat gebeurt er met de zuurstof concentratie als er geen planten en geen
dieren in het water aanwezig zijn?
Wat gebeurt er met de zuurstof concentratie als er geen planten maar wel
dieren in het water zijn?
Wat gebeurt er met de zuurstof concentratie als het aantal dieren in het
TOEGEPASTE ICT
TECHNOLOGIE:
MODELLEREN, SIMULEREN
STUDENT NIVEAU:
LEEFTIJD 17
AANGERADEN OPZET:
LEERLING ACTIVITEIT
Fotosynthese en Respiratie - 28
water toeneemt?
Wat kun je zeggen over het effect van dieren op de zuurstofconcentratie in
het water?
Wat gebeurt er met de zuurstof concentratie als er alleen maar planten in
het water aanwezig zijn?
Wat gebeurt er met de zuurstof concentratie als het aantal planten in het
water toeneemt?
Wat kun je zeggen over het effect van planten op de zuurstofconcentratie
in het water?
Neem aan dat er alleen dieren in het water voorkomen, wat gebeurt er met
de zuurstof concentratie als:
- het volledig donker is
- als er licht is
- als de hoeveelheid licht schommelt?
Neem aan dat er alleen planten in het water voorkomen, wat gebeurt er
dan met de zuurstof concentratie als:
- het volledig donker is
- als er licht is
- als de hoeveelheid licht schommelt?
Op welk moment van de dag is de zuurstof concentratie in het water het
hoogst, en wanneer het laagst?
Wat is de invloed van licht op de zuurstofconcentratie?
Wat is de relatie tussen de pieken in zuurstofconcentratie en de pieken in
lichtintensiteit? Waarom bereikt het zuurstofniveau een piek nadat de
lichtintensiteit dat heeft gedaan?
Analyse van activiteit:
Leerlingen moeten het model en de relaties tussen de variabelen kunnen
uitleggen.
Tijdens de fotosynthese wordt zuurstof geproduceerd. Lichtintensiteit
beïnvloedt de fotosynthese; hoe hoger de lichtintensiteit, hoe hoger de
Fotosynthese en Respiratie - 29
fotosynthesesnelheid.
De zuurstof in het water wordt gebruikt voor respiratie door zowel planten als
dieren. De respiratie wordt beïnvloed door de zuurstofconcentratie en door de
aantallen planten en dieren.
Het licht hangt af van de waarde voor lichtintensiteit. Als de waarde voor
lichtintensiteit :
- gelijk is aan 0, dan is er geen licht (donker)
- tussen de 0 en 100 ligt dan wordt een waarde van licht met een constante intensiteit weergegeven (100 geeft de maximale lichtintensiteit weer)
- hoger is dan 100, dan wordt een periodiek veranderend licht gegenereerd. Hiermee wordt een dag en nachtritme gesimuleerd.
De leerlingen simuleren situaties waarbij de aantallen planten, dieren en de
lichtintensiteit worden gevarieerd om vervolgens de veranderingen in de
zuurstofconcentratie te observeren. Op grond van hun waarnemingen
beantwoorden ze de vragen.
Na beantwoording van de vragen kun je met de studenten manieren
overleggen om het model zodanig te verbeteren dat het de realiteit beter
beschrijft, bijvoorbeeld door:
- aannames te maken over de aantallen dieren en de relatie tot de zuurstof concentratie (als er te weinig zuurstof is gaan de dieren dood)
- aannames te maken over de relatie tussen de aantallen dieren en de aantallen planten (de planten dienen als voedsel èn als bescherming voor de dieren)
- aannames te maken over de relatie tussen de aantallen planten en de aantallen dieren (de planten worden opgegeten door de dieren)
Tijdens een discussie kan het concept biologisch evenwicht toepgepast
worden.
Coach 6 Activiteit:
4. Het leven in een vijver
![[TENT AMEN RESPIRATIE 2] · 1) bet influenzavirus jaarlijks veranderingen vertoont die het gevolg zijn van antigene drift. 2) het influenzavirus jaarlijks veranderingen vertoont die](https://static.fdocuments.nl/doc/165x107/5b5f6ab17f8b9a8b4a8e0913/tent-amen-respiratie-2-1-bet-influenzavirus-jaarlijks-veranderingen-vertoont.jpg)
