Fotosynteza: faza zależna od światła i cykl Calvina
Podstawa programowa wymaga, żebyś umiał powiązać budowę chloroplastu z przebiegiem fotosyntezy, odczytać ze schematu substraty i produkty obu faz, wyjaśnić powstawanie ATP w chemiosmozie i zaplanować doświadczenie z wpływem światła i temperatury. Tak przygotujesz się do tej części matury z biologii na poziomie rozszerzonym.
Na maturze 2023–2026: w 2 z 4 sesji – 2023 (zadania 4.1, 5.1, 5.2, 5.3 i 5.4), 2026 (zadania 2.1, 2.2, 2.3 i 6.4).
W skrócie
najważniejsze w kilku zdaniach
Fotosynteza zachodzi w chloroplastach: faza zależna od światła w błonach tylakoidów, faza niezależna od światła (cykl Calvina) w stromie.
W fazie zależnej od światła energia światła wzbudza chlorofil fotosystemów, woda ulega fotolizie, wydziela się tlen, a powstają ATP i NADPH, czyli siła asymilacyjna.
W cyklu Calvina siła asymilacyjna służy do przekształcenia CO₂ w cukier; tlen i woda nie biorą w nim udziału.
ATP powstaje w chemiosmozie: protony zgromadzone we wnętrzu tylakoidu wracają do stromy przez syntazę ATP.
Intensywność fotosyntezy zależy od natężenia światła, stężenia CO₂ i temperatury; o jej tempie decyduje ten czynnik, którego brakuje najbardziej.
Egzamin maturalny z biologii na poziomie rozszerzonym trwa 180 minut; za cały arkusz można uzyskać 60 punktów. Zadania są pogrupowane w wiązki wokół wspólnego materiału — tekstu, tabeli, wykresu, schematu lub opisu doświadczenia. Zadania zamknięte (wielokrotnego wyboru, prawda–fałsz, na dobieranie) dają około 30 % punktów, zadania otwarte (z luką, krótkiej odpowiedzi) — około 70 %. Zadania sprawdzają wymagania podstawy programowej z 2024 r.
Chloroplast: gdzie zachodzi każda faza
Chloroplast otaczają dwie błony, a w jego wnętrzu leży układ spłaszczonych pęcherzyków – tylakoidów, ułożonych miejscami w stosy (grana). W błonach tylakoidów są barwniki zebrane w fotosystemy, przenośniki elektronów i syntaza ATP, dlatego tam przebiega faza zależna od światła. Płynne wnętrze chloroplastu, stroma, zawiera enzymy cyklu Calvina, własne DNA i rybosomy.
Zwróć uwagę na związek budowy z funkcją: ogromna powierzchnia błon tylakoidów mieści bardzo wiele fotosystemów, a zamknięte wnętrze tylakoidu pozwala zgromadzić protony. Bez tej przestrzeni nie byłoby różnicy stężeń, która napędza syntazę ATP.
Cecha
Faza zależna od światła
Faza niezależna od światła
Miejsce
błony tylakoidów
stroma
Substraty
H₂O, ADP, Pᵢ, NADP⁺
CO₂, ATP, NADPH
Produkty
O₂, ATP, NADPH
cukier (PGAl), ADP, Pᵢ, NADP⁺
Rola światła
wzbudza chlorofil fotosystemów
bezpośrednio żadna
Faza zależna od światła i fotofosforylacja niecykliczna
Barwniki anteny fotosystemu przekazują energię pochłoniętego światła do centrum reakcji. Wzbudzony chlorofil centrum PS II oddaje elektron przenośnikom łańcucha transportu elektronów. Brakujące elektrony PS II odzyskuje z wody, którą rozszczepia enzym związany z tym fotosystemem: powstają protony i tlen, uwalniany z liścia.
Elektrony wędrują od PS II przez przenośniki do PS I, który po ponownym wzbudzeniu przekazuje je dalej. Na końcu łańcucha trafiają na NADP⁺, który razem z protonami tworzy NADPH. Droga od wody do NADP⁺ jest jednokierunkowa, dlatego ten przebieg nazywa się fotofosforylacją niecykliczną. Zapamiętaj kolejność przepływu elektronów: najpierw PS II, potem PS I – numeracja fotosystemów oddaje kolejność ich odkrycia, a nie przebieg procesu.
Podczas przepływu elektronów przenośniki pompują protony ze stromy do wnętrza tylakoidu, a protony z wody zostają tam od razu. Gromadzą się więc po jednej stronie błony. Wracając przez kanał syntazy ATP, uruchamiają ją i z ADP oraz fosforanu powstaje ATP. To jest chemiosmoza.
Cykl Calvina w trzech etapach
Pierwszy etap to karboksylacja: CO₂ zostaje przyłączony do pięciowęglowego RuBP, a powstały związek od razu rozpada się na dwie cząsteczki trójwęglowego PGA. Drugi etap to redukcja: PGA przyjmuje fosforan z ATP i elektrony z NADPH i staje się aldehydem PGAl. Trzeci etap to regeneracja: z większości cząsteczek PGAl, kosztem kolejnego ATP, odtwarza się RuBP.
Na trzy cząsteczki CO₂ cykl zużywa 9 ATP i 6 NADPH, a na zewnątrz oddaje jedną cząsteczkę PGAl. Z niej roślina buduje glukozę, sacharozę i skrobię. Nie myl roli światła: w cyklu Calvina nie ma barwników ani światła, ale po zgaszeniu lampy szybko kończy się siła asymilacyjna i cykl staje.
Czynniki ograniczające: wykres natężenia światła
Odczytaj z wykresu trzy odcinki. W ciemności roślina tylko oddycha, więc wymiana gazowa netto jest ujemna. Punkt kompensacyjny to natężenie światła, przy którym fotosynteza dokładnie równoważy oddychanie. Powyżej niego krzywa rośnie: dopóki światła jest mało, każdy jego przyrost przyspiesza proces.
Na odcinku poziomym dalsze zwiększanie natężenia światła nic już nie daje, bo tempo wyznacza inny czynnik: ilość dostępnego dwutlenku węgla albo temperatura, od której zależy praca enzymów stromy. Gdy podniesiesz temperaturę powyżej optimum, intensywność fotosyntezy spada, bo enzymy tracą aktywność.
Doświadczenie
próba badawcza i kontrolna
Jak zaplanować doświadczenie z tego działu: problem, hipoteza, próby i wniosek.
Problem badawczy
Czy natężenie światła wpływa na intensywność fotosyntezy moczarki kanadyjskiej?
Hipoteza
Im większe natężenie światła, tym intensywniejsza fotosynteza moczarki – aż do osiągnięcia wysycenia.
Zmienna niezależna
natężenie światła, zmieniane odległością lampy od zlewki (10, 20 i 40 cm)
Zmienna zależna
liczba pęcherzyków gazu wydzielanych przez pęd w ciągu minuty
Próba badawcza
jednakowe pędy moczarki w wodzie z dodatkiem wodorowęglanu sodu, oświetlane z różnych odległości; temperatura wody stała, bo zlewkę oddziela od lampy szklane naczynie z wodą
Próba kontrolna
taki sam pęd w takich samych warunkach, ale zaciemniony
Wynik i wniosek
Im bliżej lampa, tym więcej pęcherzyków; w próbie zaciemnionej pęcherzyki się nie pojawiają. Natężenie światła wpływa na intensywność fotosyntezy.
Pojęcia
chloroplast
Plastyd otoczony dwiema błonami, z tylakoidami w środku i stromą wokół nich; zachodzi w nim fotosynteza.
fotosystem
Zespół barwników i białek w błonie tylakoidu: antena zbiera energię światła, a centrum reakcji oddaje wzbudzony elektron.
siła asymilacyjna
ATP i NADPH powstałe w fazie zależnej od światła i zużywane w cyklu Calvina.
chemiosmoza
Wytwarzanie ATP dzięki przepływowi protonów przez syntazę ATP zgodnie z gradientem ich stężenia po obu stronach błony.
fotofosforylacja niecykliczna
Wytwarzanie ATP podczas jednokierunkowego przepływu elektronów od wody przez oba fotosystemy do końcowego akceptora, bez powrotu elektronów do punktu wyjścia.
cykl Calvina
Ciąg reakcji w stromie, w którym CO₂ jest przyłączany, redukowany do PGAl, a akceptor RuBP odtwarzany.
punkt kompensacyjny
Natężenie światła, przy którym ilość CO₂ pobieranego w fotosyntezie równa się ilości wydzielanego w oddychaniu.
Zadanie z matury
źródło: CKE
Prawdziwe zadanie z arkusza CKE, słowo w słowo, z materiałem źródłowym. Rozwiąż je, zanim zajrzysz do wyjaśnienia.
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2023, biologia (poziom rozszerzony), zadanie 5.1
Zadanie 5.
Główną funkcją enzymu RuBisCO (karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanowa) jest przyłączanie dwutlenku węgla do rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) w cyklu Calvina. Jednak w wysokiej temperaturze i przy wysokim stężeniu O₂ znacznie wzrasta aktywność RuBisCO polegająca na przyłączaniu tlenu do RuBP, co daje początek fotooddychaniu. Skutkiem tego procesu jest znaczne zmniejszenie wydajności wiązania CO₂ przez roślinę.
U roślin rejonów tropikalnych i subtropikalnych przeprowadzających fotosyntezę typu C4 proces fotooddychania jest ograniczony. Jest to związane z dwustopniowym mechanizmem wiązania dwutlenku węgla. Pierwotna asymilacja CO₂ z wytworzeniem szczawiooctanu zachodzi w komórkach mezofilu, natomiast włączanie CO₂ do cyklu Calvina zachodzi w komórkach pochwy okołowiązkowej. U niektórych roślin C4 w komórkach pochwy okołowiązkowej nie ma fotosystemu II (PS II).
Na schemacie przedstawiono w uproszczeniu przebieg fazy fotosyntezy niezależnej od światła (fazy ciemnej) u roślin C4.
Uwaga: nie zachowano stechiometrii przedstawionych reakcji.CKE
Na podstawie: W. Czechowski i in., Biologia, Warszawa 1994; N.A. Campbell, Biologia, Poznań 2013.
Zadanie 5.1. (0–2)
/2
Podaj nazwy etapów cyklu Calvina oznaczonych na schemacie literami A, B i C.
A.
B.
C.
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2023, biologia, poziom rozszerzony (arkusz MBIP-R0-100-2305), zadanie 5.1. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE
Odpowiedź według klucza CKE:karboksylacja, redukcja, regeneracja
Wyjaśnienie od Kleksy
Schemat pokazuje roślinę C4, ale pytanie dotyczy tylko cyklu Calvina w komórce pochwy okołowiązkowej. Znajdź na nim RuBP, PGA i PGAl i ustal, który związek z którego powstaje.
Etap A prowadzi od RuBP do PGA i przyłącza CO₂ – to karboksylacja. Etap B zamienia PGA w PGAl kosztem ATP i NADPH – to redukcja. Etap C odtwarza z PGAl akceptor RuBP – to regeneracja.
Według zasad oceniania CKE: 2 punkty za trzy poprawne nazwy, 1 punkt za dwie.
Odpowiedź: karboksylacja, redukcja, regeneracja
Zadanie z arkusza CKEmatura
Matura 2026, biologia (poziom rozszerzony), zadanie 6.4
Zadanie 6.
Aby określić wpływ głównych procesów metabolicznych – fotosyntezy i oddychania komórkowego – na bilans węgla, czyli wzrost lub spadek zawartości związków organicznych w roślinach, przeprowadzono następujące doświadczenie.
Na trzech szalkach (patrz tabela poniżej) wyścielonych bibułą wysiano po 1,5 g nasion rzodkiewki. Następnie nasiona poddano różnym warunkom nawodnienia oraz oświetlenia:
• nasiona z grupy 1. umieszczono na suchym podłożu i ich nie podlewano, natomiast nasiona z grup 2. i 3. umieszczono na wilgotnym podłożu i podlewano w miarę potrzeby
• nasiona z grup 1. i 2. oświetlano, natomiast nasiona z grupy 3. trzymano w ciemności.
Nasiona wykiełkowały jedynie w grupach 2. i 3. Po 10 dniach materiał roślinny – nasiona lub siewki – wysuszono i dla każdej z badanych grup określono zawartość suchej masy.
Numer grupy
Warunki doświadczenia
Wyniki
Woda
Światło
Kiełkowanie
Sucha masa materiału roślinnego
1.
nie
tak
nie
1,46 g
2.
tak
tak
tak
1,63 g
3.
tak
nie
tak
1,20 g
Na podstawie: D. Ebert-May i in., Disciplinary Research Strategies […], „BioScience” 53(12), 2003.
Zadanie 6.4. (0–1 pkt)
Wykaż, że podczas trwania doświadczenia u roślin z grupy 2. zachodziła fotosynteza.
Źródło: CKE, egzamin maturalny 2026, biologia, poziom rozszerzony (arkusz MBIP-R0-100-2605), zadanie 6.4. Rozwiązanie — według zasad oceniania CKE. · Arkusz na stronie CKE · Rozwiąż cały arkusz za darmo
Zasady oceniania CKE
poprawne wykazanie, że u roślin z grupy 2. zachodziła fotosynteza, odnoszące się do przyrostu suchej masy.1 pkt
odpowiedź niespełniająca wymagań na 1 pkt albo brak odpowiedzi.0 pkt
Rozwiązanie i przykładowe odpowiedzi według CKE
Przykładowe odpowiedzi (CKE):
• W tej próbie był dostęp do wody i do światła, co jest konieczne do fotosyntezy, ale niewystarczające. Po wynikach doświadczenia widać, że ten proces rzeczywiście miał miejsce, ponieważ wzrosła sucha masa badanych roślin.
• W grupie 2. rośliny musiały rzeczywiście przeprowadzać fotosyntezę, ponieważ wzrosła ich sucha masa. Sama dostępność wody i światła nie przesądza o fotosyntezie, ponieważ np. nasiona mogłyby cechować się spoczynkiem bezwzględnym i w takim przypadku w ogóle by nie wykiełkowały.
• Sucha masa roślin na koniec doświadczenia przekraczała początkową świeżą masę, a więc w tej grupie doszło do asymilacji dwutlenku węgla – fotosyntezy.
• Grupa 2. miała większą suchą masę na koniec doświadczenia niż grupa 1., a więc musiało dojść do asymilacji węgla.
Wyjaśnienie od Kleksy
Wykazać, że fotosynteza zachodziła, znaczy pokazać jej skutek w wynikach, a nie tylko warunki. Woda i światło w grupie 2. pozwalają na fotosyntezę, ale same jej nie dowodzą.
Porównaj suchą masę: wysiano 1,5 g nasion, a po 10 dniach siewki z grupy 2. miały 1,63 g. Związków organicznych przybyło, a w ciemności (grupa 3.) ubyło do 1,20 g. Przyrost suchej masy mógł pochodzić tylko z wiązania CO₂.
Według zasad oceniania CKE: 1 punkt za wykazanie odnoszące się do przyrostu suchej masy; odpowiedź, która wymienia tylko obecność wody i światła, nie daje punktu.
Przykładowa odpowiedź: sucha masa siewek z grupy 2. (1,63 g) jest większa niż masa wysianych nasion (1,5 g), więc rośliny wytwarzały związki organiczne z CO₂, czyli przeprowadzały fotosyntezę.
Sprawdź się
sprawdzisz od razu
Zaznacz lub wpisz odpowiedź i sprawdź ją od razu: pod zadaniem zobaczysz wyjaśnienie. Jak ocenia CKE: za zadanie zamknięte — 1 albo 2 punkty, tylko za całkowicie poprawną odpowiedź; za zadanie otwarte — od 1 do 3 punktów według zasad oceniania opracowanych do tego zadania. Odpowiedź nieprecyzyjna albo kilka odpowiedzi, z których jedna jest błędna, nie daje punktu.
matura
Zadanie 2.
U roślin występują dwa rodzaje fotosystemów: fotosystem I (PS I) oraz fotosystem II (PS II).
Na poniższym schemacie przedstawiono centrum reakcji PS II, współdziałającego z enzymem rozszczepiającym wodę, oraz transfer elektronów w obrębie centrum reakcji PS II. Wzbudzona specjalna para cząsteczek chlorofilu przekazuje wysokoenergetyczne elektrony na plastochinon (Q), przenoszący elektrony na kolejne elementy fotosyntetycznego łańcucha transportu elektronów.CKE
Na podstawie: B. Alberts i in., Podstawy biologii komórki, Warszawa 2019.
Zadanie 2.3. (0–1)
/1
Uzupełnij zdania. Wybierz odpowiedź spośród oznaczonych literami A i B oraz odpowiedź spośród oznaczonych literami C i D.
W wyniku reakcji zachodzących podczas fazy fotosyntezy zależnej od światła elektrony z PS I są przenoszone na . Produkt tej reakcji jest wykorzystywany podczas etapu cyklu Calvina.
Dokończ zdanie. Wybierz właściwą odpowiedź spośród podanych.
Gdy roślinę oświetloną przeniesiemy do ciemności, w stromie jej chloroplastów w pierwszych sekundach
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 2. (0–1)
/1
Przyporządkuj procesom miejsca w chloroplaście, w których zachodzą. Wybierz odpowiedź spośród A–D.
Miejsce
Abłona tylakoidu
Bstroma
Czewnętrzna błona chloroplastu
Dwnętrze tylakoidu
Proces
1. redukcja PGA do PGAl
2. gromadzenie się protonów uwolnionych z rozszczepianej wody
3. przepływ protonów przez syntazę ATP do stromy
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 3. (0–1)
/1
Dokończ zdanie. Wybierz odpowiedź A albo B oraz odpowiedź 1. albo 2.
Roślinę oświetloną tak silnie, że wzrost natężenia światła nie przyspieszał już fotosyntezy, przeniesiono w stałej temperaturze do powietrza o stężeniu CO₂ 0,1 % zamiast 0,04 %. Intensywność fotosyntezy , ponieważ
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
zadanie Kleksy
Zadanie 4. (0–1)
/1
Podaj nazwę procesu, który dostarcza elektronów centrum reakcji fotosystemu II.
Zadanie przygotowane do tej strony – wyjaśnienie Kleksy.
Mówienie, że tlen z fotosyntezy pochodzi z CO₂. Pochodzi z wody rozszczepianej przy fotosystemie II.
Nazywanie cyklu Calvina „fazą ciemną”, która zachodzi w nocy. Zachodzi w dzień, bo zużywa ATP i NADPH wytwarzane na świetle.
Mylenie NADPH z NADH: w fotosyntezie powstaje NADPH, a NADH jest przenośnikiem oddychania komórkowego.
Twierdzenie, że po osiągnięciu wysycenia dalszy wzrost natężenia światła przyspiesza fotosyntezę. Tempo ogranicza wtedy inny czynnik.
Zapamiętaj
Tylakoidy: światło, woda, tlen, ATP i NADPH. Stroma: CO₂ i cukier.
Cykl Calvina: karboksylacja, redukcja, regeneracja.
Na 3 CO₂ cykl zużywa 9 ATP i 6 NADPH i oddaje 1 PGAl.
Chemiosmoza: protony z wnętrza tylakoidu wracają do stromy przez syntazę ATP.
Pytania i odpowiedzi
1.Czym różni się faza zależna od światła od fazy niezależnej od światła?+
Odp.:Pierwsza zachodzi w błonach tylakoidów i zamienia energię światła na energię chemiczną ATP i NADPH; jej produktem ubocznym jest tlen. Druga, cykl Calvina, zachodzi w stromie i zużywa ATP i NADPH do związania CO₂ w cukrze. Nazwa nie oznacza, że cykl zachodzi w ciemności: bez stałej dostawy siły asymilacyjnej szybko staje.
2.Skąd się bierze tlen wydzielany przez rośliny?+
Odp.:Z wody. Fotosystem II uzupełnia elektrony, które oddał, rozszczepiając cząsteczki wody; powstają przy tym protony i tlen. Węgiel i tlen z CO₂ trafiają do cukru, a nie do atmosfery.
3.Ile ATP i NADPH zużywa cykl Calvina?+
Odp.:Na każde trzy związane cząsteczki CO₂ cykl zużywa 9 cząsteczek ATP i 6 cząsteczek NADPH i oddaje na zewnątrz jedną cząsteczkę PGAl. ATP zużywa się w dwóch etapach cyklu, NADPH – w jednym z nich; odczytaj ze schematu, w którym.
4.Co to jest punkt kompensacyjny?+
Odp.:To natężenie światła, przy którym fotosynteza i oddychanie się równoważą: roślina pobiera tyle CO₂, ile wydziela. Poniżej tego punktu bilans jest ujemny i roślina zużywa zapasy. Na wykresie to miejsce, w którym krzywa przecina oś poziomą.
5.Jak zaplanować doświadczenie z wpływem temperatury na fotosyntezę?+
Odp.:Zmieniaj tylko temperaturę wody, np. 10, 20, 30 i 40 °C, a natężenie światła, stężenie wodorowęglanu i wielkość pędów pozostaw jednakowe. Mierz liczbę pęcherzyków gazu w ciągu minuty w każdej temperaturze. Spodziewaj się wzrostu do optimum i spadku powyżej niego, gdy enzymy tracą aktywność.
Serwis nie jest związany z Centralną Komisją Egzaminacyjną. Zadania oznaczone „CKE” pochodzą z arkuszy CKE; objaśnienia do nich i pozostałe zadania na stronie napisaliśmy sami.
Rozwiąż za darmo cały arkusz CKE z matury z biologii (poziom rozszerzony) z maja 2026 roku – 180 minut, jak na egzaminie. Po oddaniu zobaczysz wynik i to, w którym dziale tracisz punkty.