Česká zemědělská univerzita v Praze Ústřední komise Biologické olympiády BIOLOGICKÁ OLYMPIÁDA 48. ročník školní rok 2013–2014 Studijní text k tématu: Světlo a barvy v přírodě kategorie C a D Jana Dobroruková, Ivo Králíček Praha 2013 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text Milí soutěžící, tématem letošního ročníku Biologické olympiády je „Světlo a barvy v přírodě“. Zabývá se jevy na první pohled velice známými. Každý přece chápe slovo světlo a uvědomujeme si barevnost přírody. ● Jak ale tyto pojmy spolu souvisí? ● Jak světlo ovlivňuje živou přírodu? ● Jaký má pro ni význam? ● Jaký smysl má různobarevnost organismů? ● S čím souvisí barevná krása různých nerostů? Na tyto a mnoho dalších otázek najdete odpověď ve studijním textu. Dovíte se mnoho zajímavého, často to pro vás budou poznatky zcela nové a jejich vysvětlení není vždy jednoduché. Nechceme vás hned na začátku odradit od tohoto nesmírně poutavého tématu velkým rozsahem studijního textu, a proto se nemusí soutěžící, kteří se zúčastní školního kola, zabývat hned od počátku celým jeho obsahem. Důležité informace pro práci se studijním textem: Text je rozdělen do tří částí a ty pak do jednotlivých kapitol. Ve všech kapitolách najdete mnoho internetových odkazů, kde si můžete doplnit další informace, zopakovat text zajímavou formou, podívat se na videa nebo obrázky. Přehled všech doporučených odkazů pak najdete souhrnně na konci textu. Z PDF souboru můžete zvolený odkaz zkopírovat pomocí klávesové zkratky CTRL C a vložit pomocí klávesové zkratky CTRL V přímo do adresového řádku vašeho internetového prohlížeče. Kapitola I: Zabývá se obecně světlem, rostlinami, minerály a půdou. Na první pohled je vidět, že text není jednotný. Kromě běžně psaného textu, který je určen pro všechny soutěžící, jsou některé části uvedeny v rámečcích a jsou psány kurzívou, jiné jsou podloženy šedou barvou. Co to pro vás znamená? • Texty v rámečcích, psané kurzívou, obsahují témata, která jste již probírali nebo budete probírat při hodinách přírodopisu, jsou tedy součástí učebnic přírodopisu na základní škole. Jsou určeny pro všechny soutěžící stejně jako základní text. 2 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text • Texty podložené šedou barvou jdou doplňkové a jsou určené pro soutěžící postupující do okresních, případně krajských kol. Pro ně je také určena celá kapitola o pedologii − nauce o půdě. • Podkapitola o mineralogii je určena pouze pro soutěžící v kategorii C a opět platí informace o textech psaných kurzívou nebo na šedém podkladu. Kapitola II Zabývá se živočichy a představuje základní text, určený všem soutěžícím. Kapitola III Zabývá se opět živočichy a představuje rozšiřující text, určený pro přípravu jen těm soutěžícím, kteří postoupí do okresních, případně krajských kol. K jednotlivým podkapitolám základního textu jsou zde uvedeny další informace. Věříme, že se při soutěžení v letošní Biologické olympiádě dovíte mnoho nového a budete se na dění v přírodě dívat s větším pochopením. Přejeme vám mnoho úspěchů i zábavy. 3 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text Kapitola I. – světlo, botanika, mineralogie, pedologie Části textu podložené šedou barvou jsou určené soutěžícím, kteří postupují do okresního kola. Texty v rámečku bez šedého podložení a psané kurzívou označují témata, která si můžete zopakovat sami z učebnic nebo doporučené literatury. Jsou určena všem soutěžícím. 1. Světlo a fotosyntéza Potká foton (světelný paprsek) fotona. „Kam letíš?“ „Přímo k zemi. Jsem nabitý energií a čekám, že mě něco pohltí, přál bych si, aby to byl chlorofyl. To by se pak děly věci…“ A) Světlo a jeho vlastnosti Světlo je pro rostliny jedním z nejdůležitějších zdrojů energie. Rostlina ho může odrážet, propouštět nebo přijmout. Energie, kterou světlo obsahuje, využívá rostlina při fotosyntéze pro tvorbu organických látek (například cukrů). Obr. 1: Složení světelného záření upraveno podle: http://jabberwockreptiles.com/demystifying-light-part-i-let-there-be-light 4 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text Sluneční světlo, které dopadá na zemský povrch, je záření, které se skládá z elektromagnetických vln. Každá vlna má určitou délku, při které se vlna začne opakovat (frekvenci), a má také určitou velikost (neboli amplitudu). Světelné záření představuje rozhodující zdroj energie, která vstupuje do zemské biosféry. Jeho značná část se sice odráží od atmosféry, ale část záření je pohlcena. Na povrch Země dopadá jen asi 51% slunečního záření. Z hlediska složení je tvořeno ultrafialovým zářením (UV), viditelným spektrem (to, čemu říkáme světlo) a infračerveným zářením (IR). UV záření má rozsah 290−380 nm (čti nanometry, 1 nm představuje jednu miliontinu milimetru, vlny mají kratší délku než u viditelného světla). Představuje pouze 9% z celkového záření (většina UV záření je pohlcena ozónosférou). UV záření podněcuje u rostlin větvení stonku, omezuje růst a urychluje stárnutí. Infračervené záření představuje 46% slunečního spektra (je to záření o vlnové délce více než 750 nm). Asi 45% z dopadajícího záření připadá na viditelné spektrum (vlnová délka 380−750 nm), které dokáže lidské oko vnímat. Právě toto záření využívají rostliny. Označujeme ho jako fotosynteticky aktivní záření (FAR). Ani toto takzvaně bílé světlo ale není jednotné, ale obsahuje různé typy vln. O jejich existenci se můžeme přesvědčit, jestliže světlo rozdělíme pomocí hranolu lomem nebo ohybem do barevného spektra. Jednotlivé barvy mají velmi malý rozsah vlnových délek (fialová 390−430 nm, modrá 430−485 nm, modrozelená 485−505 nm, zelená 505−550 nm, žlutozelená 550−575 nm, žlutá 575−585 nm, oranžová 585−620 nm, červená 620−760 nm). Vybereme-li záření pouze o určité konkrétní délce, dostaneme tak červené, modré či jinak zbarvené světlo. Červené, modré a zelené světlo jsou barvy, které nemohou vzniknout kombinací jiných barevných světel, ostatní barvy takto vznikají. Smísí-li se ve stejném poměru, vnímá je lidské oko jako neutrální neboli bílé světlo. Jednotlivé barvy vznikají skládáním záření o různé vlnové délce (podobně postupuje malíř při přípravě jednotlivých barev na své paletě). Barevný odstín předmětu je určen jeho vlastnostmi a chemickou strukturou ve chvíli, kdy se od něj odráží světlo. Jestliže předmět dopadající světlo odráží v celém spektru, jeví se nám jako bílý. Jestliže předmět naopak pohlcuje všechny dopadající paprsky, bude se jevit černým. Jestliže pohlcuje všechny složky záření kromě červené, bude červený. 5 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text Zajímavým jevem v atmosféře Země je duha. Aby mohla vzniknout, musí být v atmosféře přítomny vodní kapky a zároveň musí svítit Slunce. Sluneční paprsky, které procházejí kapkami, se lámou. Světlo se rozkládá na jednotlivé barevné složky, které se odrážejí na vnitřní stěně kapky a opouštějí ji pod různými úhly. Takovou duhu si můžete vytvořit během slunečného dne na zahradě při kropení záhonů nebo trávníku. Obr. 2: Využitelnost světelného záření upraveno podle: http://www.kbi.zcu.cz/OB/studium/ekro/ekro_02.php 6 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text ● O světle si můžete poslechnout krátký dokument v českém jazyce na stránce: http://www.youtube.com/watch?v=goM2hIpkt2k ● O elektromagnetických vlnách pojednává následující písnička a krátké video v angličtině: http://www.youtube.com/watch?v=A0un-_jBPPU http://www.youtube.com/watch?v=PXBTdBx2hgY B) Světlo a listy Část dopadajícího světla se od povrchu listů odráží, přičemž více ho odrážejí hladké listy než listy matné a pokryté chlupy (trichomy) a také listy povadlé a zvadlé odrážejí daleko méně záření než listy s dostatkem vody. Část záření listem prochází, přičemž množství procházejícího světla závisí na tloušťce listů − tenké listy propouštějí až 40% záření. Jistá část světla je pohlcena a může být přeměněna na teplo nebo využita při fotosyntéze. Průchodem světla tělem rostliny se mění spektrum světla (některé jeho složky mohou být pohlceny). Tomu se přizpůsobují i rostliny tvořící podrost (mají barviva, která jsou schopna pohlcovat světlo o vlnové délce, které dopadá na jejich listy, což může být důvodem skvrnitosti listů řady tropických rostlin). Těsně u země je světlo ve vzrostlém lese opravdu slabé. Některé rostliny to řeší vytvořením mimořádně velkých listů. Další strategií je zabarvení spodní strany listů barvivem (např. u jaterníku), které zachytí světlo, jež už listem prošlo, a odrazí ho zpátky do listového pletiva. Rostlina má pak možnost využít světlo ještě jednou. Zopakujte si: Jedním z nejdůležitějších procesů, který probíhá na naší planetě, je fotosyntéza. Může probíhat jen v buňkách, které obsahují určité typy barviv. Jistě jste o tomto procesu již v hodinách biologie slyšeli. Jestliže dokážete zodpovědět následující otázky, můžete v klidu přejít na další kapitolu. ● Které látky vstupují do procesu a jak je rostlina získává? ● Jaké látky při fotosyntéze vznikají? ● Jak se oxid uhličitý dostává zpátky do ovzduší? ● Za jakých podmínek fotosyntéza probíhá? 7 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text ● Proč rostliny označujeme jako producenty a kdo je to konzument? ● Která barviva jsou pro fotosyntézu důležitá a kde je nalezneme? ● V kterých částech rostliny fotosyntéza probíhá? ● Jak se jmenuje děj opačný k fotosyntéze? ● Jak se jmenuje základní zásobní látka rostlin? Pokud si něčím nejste jisti, podívejte se do učebnice. ● Pomohou vám obrázky a video s písničkou, kterou stáhnete z následujících adres: http://www.youtube.com/watch?v=C1_uez5WX1o nebo http://www.youtube.com/watch?v=sf9ETlgOaHc. Obr. 3: Jednoduché schéma fotosyntézy převzato z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/obr/f2-1.gif Obr. 4: Podrobné schéma fotosyntézy upraveno podle: http://newenergyandfuel.com/wp-content/uploads/2012/05/Photosynthesis-Simple- Graphic.jpg 8 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text Obr. 5: Základní koloběh látek na příkladu jednoduchého ekosystému upraveno podle: http://www.rostlinna-akvaria.cz/uploads/383-ekosystem%20v%20akvariu.jpg 2. Buňka To je teda přístroj. Jestliže odebereme vzorek pletiva z rostlin nebo tkáně živočichů a dáme ho pod mikroskop, můžeme začít objevovat nový svět. To, co vypadá při pohledu pouhým okem jako malá tečka, téměř nic, se ve světle čoček, které mnohonásobně zvětšují pozorované objekty, promění v přihrádky, kolečka, elipsy, obdélníčky a další tvary, které jsou vyplněny nejrůznějšími organelami, zajišťujícími chod něčeho tak malého a titěrného jako je buňka. Mikroskop nám umožňuje úplně nový pohled na věci kolem nás, ukazuje zcela nový svět života kolem nás... Vše živé se skládá z buněk. Určitě víte, že bakterie jsou vlastně velmi jednoduché buňky. Složitější stavbu mají buňky rostlin, hub a živočichů. Obsahují nejrůznější organely a struktury (jako je buněčná stěna, cytoplazmatická membrána, cytoplazma, ribozomy, chloroplasty, vakuoly, mitochondrie nebo jádro), jejichž funkci jistě dobře znáte a jednotlivé buňky dokážete od sebe odlišit. ● Při přípravě vám mohou být pomocníky následující videa a obrázky: http://www.youtube.com/watch?v=-zafJKbMPA8, http://www.youtube.com/watch?v=rABKB5aS2Zg 9 Biologická olympiáda, 48. ročník, školní rok 2013–2014 kategorie C a D Studijní text rostlinná buňka živočišná buňka Obr. 6: Stavba rostlinné a živočišné buňky V popisu buněk jsou pro vás důležité organely a struktury, které jsou popsané tučným písmem v rámečku. upraveno podle: http://www.vyukovematerialy.cz/biol/rocnik8/jedno1.htm Uvnitř některých buněčných organel se můžete setkat s různými typy barviv. Jsou obsažena především v plastidech a vakuolách. Z plastidů znáte jistě chloroplasty. Nalezneme je pouze v řasách a v zelených částech rostlin (u žádného jiného typu buněk se s nimi nesetkáme). Pod světelným mikroskopem uvidíte jejich typický čočkovitý tvar. Na vnitřní membráně a uvnitř chloroplastů probíhá fotosyntéza. Chloroplasty obsahují zelená barviva chlorofyly. Chloroplasty jsou do jisté míry nezávislé na buňce. Mají totiž vlastní nukleovou kyselinu a v ní uloženou genetickou informaci důležitou pro fungování této organely. 10