Eikenbladeren in de zon. Deze bladeren zijn in staat om energie uit zonlicht om te zetten in chemische energie.
Fotosynthese is waarschijnlijk de allerbelangrijkste chemische reactie in de levende natuur. Planten, algen en sommige bacteriën gebruiken de energie uit zonlicht en koolstofdioxide uit de lucht om suikers en andere organische moleculen te maken. Hierbij geven zij zuurstof af aan de atmosfeer. Uiteindelijk zijn alle organismen afhankelijk van de fotosynthesereactie voor hun energievoorziening.
Organismen zoals de mens, die niet in staat zijn om energie uit zonlicht op te vangen, gebruiken suikers en zuurstof die planten produceren voor hun energievoorziening. Ook al zou een mens alleen maar dierlijke producten eten, dan nog is de energie uit deze producten via vee- en visvoer uiteindelijk afkomstig van een plantaardige bron en dus van fotosynthese.
De fotosynthesereactie is als volgt samen te vatten
H2O + CO2 ⇒ O2 + C6H12O6 (glucose)
Organismen zoals de mens kunnen vervolgens de glucose weer gebruiken in hun energievoorziening. Hierbij komt koolstofdioxide vrij. Deze reactie is als volgt weer te geven:
O2 + C6H12O6 ⇒ H2O + CO2
Deze is precies tegenovergesteld! Beide soorten organismen zijn voor hun energievoorziening van elkaar afhankelijk. Het afval van de één is het voedsel van de andere.
Fotosynthese vindt eigenlijk plaats in vier stappen.
De plant absorbeert zonlicht.
De energie uit zonlicht wordt gebruikt om een elektron in een hogere energietoestand te brengen.
Het elektron wordt gebruikt voor de productie van NADPH en ATP. Deze stoffen zijn de brandstof van de levende natuur.
Koolstofatomen uit koolstofdioxide in de atmosfeer worden gebruikt om suikers te produceren. De plant gebruikt hiervoor de ATP en NADPH moleculen die worden gevormd in stap 3.
Stap 1 tot en met 3 gezamenlijk worden ook wel de lichtreacties van de fotosynthese genoemd. Dit omdat deze alleen plaatsvinden wanneer er licht op de plant schijnt. Hoewel stap 4 vaak de donkerreactie wordt genoemd, vindt deze niet alleen plaats wanneer het licht uit is. Ook wanneer een plant in het licht staat zal deze koolstofatomen uit de atmosfeer fixeren. Om verwarring te vermijden is het beter om deze reactie de Calvin cyclus te noemen, naar de wetenschapper Melvin Calvin, die in 1961 de Nobelprijs voor de scheikunde won voor zijn onderzoek naar dit deel van fotosynthese.
Melvin Calvin (1911 - 1997)
Om dit belangrijke proces beter te kunnen begrijpen gaan we onderzoek doen naar de manier waarop de natuur de energie uit de zon gebruikt om suikers en zuurstof te maken.
Lichtabsorptie in Atomen
Licht bestaat uit een stroom van energiepakketjes genaamd fotonen. De kleur van licht is afhankelijk van de energie van een foton. Licht met een hoge fotonenergie heeft een violette kleur, licht met een lage fotonenergie heeft een rode kleur. Zodra een elektron een foton absorbeert van een specifieke golflengte komt het in een hogere energietoestand terecht. Dit betekent dat het in een baan verder van de atoomkern komt te zitten. Dit noemen we excitatie. Als een elektron een violet foton absorbeert komt het verder van de kern te zitten dan wanneer het een rood foton absorbeert. Geëxciteerde elektronen hebben een hogere energie dan elektronen in de grondtoestand, en deze energie kan bijvoorbeeld gebruikt worden voor chemische reacties. In figuur 1 kun je zien wat er gebeurt wanneer een atoom energie opneemt.
Absorptie van een foton. In stap 1 bevindt het atoom zich in de grondtoestand. Er wordt nu geen externe energie toegevoegd. In de onderste figuur is dit schematisch weergegeven. De pijl stelt hier de energietoestand van het elektron voor. In stap 2 absorbeert een elektron een foton. In stap 3 kun je zien dat het elektron zich in een baan verder van de atoomkern af bevindt en een hogere energie-inhoud heeft.
Fluorescentie
Fluorescentie is een natuurkundig fenomeen waarbij stoffen licht uitzenden. Misschien ken je het wel van concertzalen of andere uitgaansgelegenheden. Soms krijg je als betalingsbewijs bij de ingang een stempel op je hand die licht geeft onder UV-licht, ook wel black light genoemd.
Aequorea victoria, een fluorescerende kwallensoort.
Ieder atoom streeft altijd naar een zo laag mogelijke energie-inhoud. Hierbij zitten alle elektronen zo dicht mogelijk bij de kern. Wanneer een atoom geëxciteerde elektronen bevat zullen deze dan ook terugvallen naar de grondtoestand. Hierbij komt energie vrij. Deze energie kan in de vorm van warmte vrijkomen en/of in de vorm van licht. In het eerste geval zal het atoom gaan trillen, in het tweede geval zal het een foton uitzenden. In onderstaande figuur is het een en ander geïllustreerd.
Fluorescentie. In stap 1 bevindt het elektron zich in een geëxciteerde toestand. Dit is energetisch ongunstig en het elektron zal terugvallen naar de grondtoestand. In stap 2 raakt het elektron een deel van zijn energie kwijt door te trillen (=warmte). In stap 3 valt het elektron terug naar de grondtoestand door een foton uit te zenden. Omdat het elektron al een deel van zijn energie is kwijtgeraakt in stap 2 zal het uitgezonden foton een lagere energie hebben dan het geabsorbeerde foton en daardoor een andere kleur hebben.
Lichtabsorptie in Planten
Planten absorberen zonlicht via hun bladeren. In de bladeren bevinden zich bladgroenkorrels. Deze bevatten bladgroen ofwel chlorofyl, een stofje dat in staat is om licht te absorberen. De naam chlorofyl komt uit het Grieks en bestaat uit twee delen, χλωρός (chloros), wat groen betekent en φύλλον (fyllon), wat blad betekent. De Nederlandse naam bladgroen is dus een letterlijke vertaling hiervan.
In planten worden door zonlicht geexciteerde elektronen in chlorofylmoleculen gebruikt voor de productie van NADPH uit NADP+.
Na deze reactie blijft er positief geladen chlorofyl over. Dit heeft immers net een elektron gedoneerd aan NADP+. Dit wordt echter meteen aangevuld doordat een watermolecuul wordt gesplitst in moleculair zuurstof (O2) , een elektron (e-) en een proton (H+). De zuurstof wordt aan de atmosfeer afgegeven. Het elektron wordt gebruikt om de positieve lading van het chlorofyl te neutraliseren en het proton wordt gebruikt in de productie van ATP.
In onderstaande grafiek zie je het absorptiespectrum van chlorofyl. Planten hebben twee verschillende soorten chlorofyl, genaamd chlorofyl a en chlorofyl b. Doordat de absorptiepieken van deze moleculen op verschillende golflengten liggen, kunnen planten meerdere kleuren licht absorberen en de hoeveelheid zonlicht zo efficiënt mogelijk gebruiken.
Net als voor de mens is te veel licht voor een plant niet gezond. Wanneer een plant teveel licht absorbeert worden er zuurstofradicalen gevormd die extreem giftig zijn voor een plant. Een plant heeft natuurlijk geen mogelijkheid om net als wij in de schaduw te gaan zitten, wanneer het te zonnig is. Planten hebben daardoor allerlei mechanismen om een teveel aan energie uit zonlicht kwijt te raken.
Hoogenergetische elektronen die niet worden gebruikt in de NADPH synthese zullen terugvallen naar de grondtoestand. Hierbij komt energie vrij, in de vorm van een foton (licht), of warmte. De energie die door een elektron wordt geabsorbeerd kan dus op drie verschillende manieren worden gebruikt:
De energie van het geëxciteerde elektron wordt gebruikt voor het splitsen van een watermolecuul. De hierbij vrijkomende elektronen en protonen worden gebruikt voor de productie van NADPH en ATP.
Het elektron valt terug naar de grondtoestand. Hierbij komt warmte vrij.
Het elektron valt terug naar de grondtoestand. Hierbij komt een foton vrij.
Webexperiment Laser Remote Sensing
De fluorescentie van planten is een veelgebruikte wetenschappelijke methode om de activiteit van bladeren te meten. Veel biologen gebruiken dit principe om te meten hoe een plant de energie uit zonlicht gebruikt en of een plant beschadigd is door een teveel aan licht.
Op de Vrije Universiteit in Amsterdam staat een krachtige laser waarmee je thuis of op school via het internet een webexperiment kan doen. Je kan de data die je met het experiment genereert downloaden en hier zelf mee aan de slag. In onderstaande handleiding leer je hoe je met deze laser kunt werken.
In bovenstaande figuur zie je een schematische weergave van de opstelling. De laser die op de Vrije Universiteit staat, straalt een monochromatische bundel licht uit met een golflengte van ongeveer 488 nm. Deze bundel gaat eerst langs een sluiter, die je met de web interface van het experiment open of dicht kan zetten. Dit is feitelijk een aan/uit knop voor je meting. Als de sluiter dicht staat, valt er immers geen licht op het blad. Vervolgens valt de lichtbundel door een filter waarmee je de lichtintensiteit kan regelen. Ook dit filter kun je in de interface bedienen. Spiegels zorgen ervoor dat het licht op het blad valt. Het blad zal nu gaan fluoresceren. Omdat de fluorescentiebundel heel erg zwak is wordt deze geconcentreerd in een telescoop voordat het op een sensor valt die in verbinding staat met een computer.
Het maken van een reservering voor het Laserexperiment
Voor het experiment moet je Microsoft Silverlight op je browser geïnstalleerd hebben. Je kan Silverlight hier downloaden: http://www.microsoft.com/silverlight/Als je Silverlight op je computer staat geïnstalleerd, kun je het webexperiment bereiken op: http://few.vu.nl/lrs
Je krijgt nu onderstaand scherm te zien. Als je onverhoopt niks te zien krijgt, of de website aangeeft dat het experiment offline is, kun je een mailtje sturen naar r.h.prenger@vu.nl en j.m.mulder@vu.nl We zorgen dan dat je zo snel mogelijk bij het experiment kunt.
Voordat je kan inloggen, moet je een reservering maken. Op deze manier weten we zeker dat niet meerdere mensen tegelijk een experiment met de laser uitvoeren. Klik op make a reservation om een reservering in het systeem te zetten. Je krijgt onderstaand scherm te zien.
Selecteer links onderin een maand, dag en uur waarop je een experiment wilt inplannen. Een reservering duurt altijd één uur. Je kan inloggen vanaf het hele uur waarop je hebt gereserveerd. In de balk in het midden van het scherm kun je zien welke tijdsloten er beschikbaar zijn op de dag waarop jij wilt meten. Dit kan in principe 24 uur per dag, maar houd er wel rekening mee dat planten in de nacht anders reageren dan overdag. Overigens kan dit ook juist een interessant experiment opleveren!
Vul nadat je een tijdstip hebt gekozen je persoonlijke gegevens in. Gebruik hiervoor een werkend email adres. Je krijgt meteen op het opgegeven email adres een wachtwoord voor het tijdstip waarop je wil meten.
Werken met de laser
Op het tijdstip en de dag waarop jij de laser hebt gereserveerd kun je inloggen op de onderstaande website: http://few.vu.nl/lrs
Je krijgt onderstaand scherm te zien. Klik op LOGIN for experiment om in te loggen en de laser te kunnen besturen. Als je onverhoopt niks te zien krijgt, of de website aangeeft dat het experiment offline is, stuur dan een mailtje naar r.h.prenger@vu.nl en j.m.mulder@vu.nl. We zorgen dan dat je zo snel je experiment kunt starten.
Log bij het volgende scherm in met het email adres dat je hebt gebruikt om de reservering te maken en het wachtwoord dat je op datzelfde email adres hebt ontvangen. Het systeem start nu de laser op. Dit duurt ongeveer een minuut.
Je krijgt nu het bedieningspaneel voor de laser te zien. Dit ziet er als volgt uit:
Dit is het fluorescentiespectrum van de laser. Wat je hierboven zit is achtergrondruis, dit komt omdat de sluiter nog dicht staat.
In dit spectrum kun je de lichtintensiteit volgen over de tijd zodra je de meting start.
Deze timer geeft aan hoe lang het experiment nog duurt. Je hebt in totaal 55 minuten om je meting te doen. Deze 55 minuten gaan in op de start van je reserveringsuur.
Dit lampje gaat branden als je minder dan 5 minuten meettijd hebt. Zorg dus dat je je experiment afrondt, wanneer dit lampje gaat branden.
Hier vind je een link naar een webcam die de proefopstelling filmt.
Hier vind je een link naar een webcam die de plant filmt waar je een meting aan verricht.
Met deze knoppen kun je de laserintensiteit instellen. Vergeet niet op change te klikken zodra je een andere intensiteit hebt geselecteerd, anders stelt de laser niets in.
Met deze knoppen kun je de positie van de plant veranderen. De plant staat op een plateau dat kan bewegen. Op deze manier kun je de laserstraal op verschillende plekken op de plant richten. Met de knop small/large kun je instellen of je de pot met grote of kleine stappen wil verplaatsen.
Met deze knop kun je de sluiter open of dicht zetten. Wanneer de sluiter gesloten is, valt er geen licht op de plant en kun je dus niet meten.
Dit lampje brandt wanneer de laser zich aan het instellen is. Je kan dan even geen instellingen wijzigen.
Dit zijn de instellingen voor de tijdsmeting. Je kan instellen hoe vaak er een sample wordt genomen in seconden. Als deze op 0.5 staat betekent dat dus dat er elke halve seconde een sample wordt genomen.
Met deze knop kun je de data van spectrum het fluorescentiespectrum mailen, zoals die op dat moment wordt gemeten. De data wordt automatisch verstuurd naar het adres waarmee je de reservering hebt gemaakt.
Met deze knop kun je de tijdmeting starten. Bij start en end wavelength kun je instellen over welk golflengtegebied in nanometers er wordt gemeten.
Hier kun je uitloggen wanneer je je meting hebt afgerond. De laatst gemeten data wordt dan automatisch nog een keer naar je gemaild.
Metingen met de Laser
Log in op het webexperiment. Je ziet nu de webinterface. Bekijk de webcam die op de plant staat gericht en zet de sluiter open. Je ziet nu als het goed is het laserlicht op het blad vallen op het webcambeeld. Ook zie je het spectrum op de webinterface veranderen van achtergrondruis naar een fluorescentiespectrum.
Als je later nog eens wil kijken naar het fluorescentiespectrum klik je op de Mail Spectdata knop om de data die op dat moment worden gemeten naar je toe te sturen. Je krijgt meteen een mailtje in de mailbox die je hebt gebruikt bij het boeken van het experiment.
In de bijlage zit een tekstbestand met alle meetpunten. De linkerkolom bevat de golflengtes van de gemeten fluorescentie, de rechterkolom bevat de gemeten intensiteit bij deze waarde. Open het bestand bijvoorbeeld met Notepad, selecteer alles en kopieer en plak de datapunten in een spreadsheetprogramma zoals Microsoft Excel, OpenOffice Calc of Apple Numbers. Maak nu een grafiek met op de x-as de verschillende golflengtes en op de y-as de bijbehorende intensiteit
Je kan de meting ook in de tijd volgen. Dit kun je doen in de time measurement grafiek. Boven de grafiek kun je instellen welk golflengtegebied je in de tijd wilt volgen. Zorg in elk geval dat je de fluorescentiegolflengtes meeneemt. Door op Start Measurement te klikken wordt de meting gestart. Het programma telt nu de intensiteit van alle pieken bij de gekozen golflengtes bij elkaar op en zet dit getal uit tegen de gemeten tijd. Je meet nu dus de totale hoeveelheid fluorescent licht dat wordt uitgezonden.
Probeer nu zelf enkele dingen uit. Kijk bijvoorbeeld hoe lang het duurt voordat de plant zichzelf herstelt en weer volledig fluoresceert. Je kan ook kijken wat de verschillen zijn tussen een plant die in het licht of in het donker staat door overdag en ’s avonds te meten en te kijken wat de verschillen zijn. Misschien kun je nog andere leuke proefideeën bedenken?
Intermezzo's
Atoombouw
Atomen bestaan uit een positief geladen kern met daaromheen negatief geladen elektronen. Atomen in moleculen kunnen op verschillende manieren externe energie opnemen, bijvoorbeeld in de vorm van warmte of elektromagnetische straling, zoals licht. De absorptie van energie gebeurt door de elektronen in het atoom. Elektronen in een atoom hebben meerdere energieniveaus. Wanneer er geen externe energie aan een molecuul wordt toegevoegd, bevindt het atoom zich in de zogenaamde grondtoestand. In deze toestand zitten alle elektronen zo dicht mogelijk op de atoomkern. Een elektron dat zich in een hoger energieniveau bevindt, zit verder van de atoomkern af. Als je genoeg energie toevoegt raakt het elektron helemaal los van de kern en wordt het atoom geïoniseerd. Je houdt dan een positief geladen ion over.
Het arrangement Laser Remote Sensing is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteurs
Remco Prenger
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2015-12-10 14:21:40
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten
terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI
koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI
koppeling aan te gaan.
Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.
Arrangement
IMSCC package
Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.
Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en
het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op
onze Developers Wiki.
,_Monterey_Bay_Aquarium,_Monterey,_California,_USA_(5084797073).jpg)
