Browsing by Subject "fotosynteesi"

Education research has for decades acknowledged that prior knowledge is a strong predictor of academic success. This idea is largely based on constructivist theory of learning which postulates that all learning occurs by actively building on existing knowledge. When this prior knowledge conflicts with the normative scientific understanding, students are dealing with incompatible knowledge structures, or misconceptions. Misconceptions need to be revised and sometimes even replaced through a learning process called conceptual change. Research shows that the level of prior knowledge can determine students’ academic success and performance. Undergraduate biology students enrol to university with diverse levels of prior knowledge and concepts regarding topics such as photosynthesis, cellular respiration, primary production in ecosystems, and Darwinian evolution. These topics present challenges for learning because of their complexity. At the same time, a robust understanding of them is essential. These topics are at the heart of mitigating and resolving the climate crisis and other global natural threats. This study explored the level of prior knowledge and the nature of misconceptions held by undergraduate biology students at the beginning of their academic degree in fall of 2019, and further sought to describe how their conceptual understanding developed during the first academic year. Students (N = 41) completed a questionnaire consisting of eight open-ended questions that were designed to assess declarative knowledge of facts and meaning, and procedural integration and application of knowledge. This pre-test measurement was conducted in September 2019. In the post-test measurement, the same questionnaire was repeated a year later. The data were analysed with a mixed methods approach where the answers were quantitatively scored as well as qualitatively analysed for misconceptions. The qualitative content analysis of the answers relied both on existing literature and on the content of the answers themselves. Results showed that the students’ prior knowledge was relatively poor in the beginning of their studies. Most students performed well in tasks measuring knowledge of facts and meaning but struggled in tasks measuring integration and application of knowledge. During the first academic year, the students’ understanding generally improved as demonstrated by the improvement in mean scores of the tasks. Misconceptions were robust and pervasive. The most pervasive misconceptions reflected difficulties in understanding emergent properties and processes. Misconceptions related to the process of Darwinian evolution became more prominent in the post-test. Persistent misconceptions became integrated with the new conceptual frameworks that the students acquired during the first academic year. If students held no misconceptions in the post-test, they performed significantly better in both tests than those with misconceptions. During this first academic year learning seemed to be mainly additive as conceptual change turned out to be rare. The need for more encompassing biology teaching at least in the University of Helsinki became evident. Introductory courses should acknowledge the large degree of variation in students’ prior knowledge and assess the most common and serious misconceptions even over course theme disciplines to ensure more equal learning outcomes.

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kasvien stressitekijöiden vaikutuksia kasvin klorofyllifluoresenssiin ja reflektanssiin. Tutkimuksessa havainnoitiin, voidaanko eri bioottisia ja abioottisia stressitekijöitä mitata kasvin erittämästä klorofyllifluoresenssista ja reflektanssista, kun stressattuja lehtiä mitataan spektrofotometrillä. Tarkoitus oli myös selvittää olisiko stressin vaikutusta kasviin mahdollista havaita kasvin erittämässä spektrissä jo ennen kuin stressistä on olemassa paljain silmin näkyviä merkkejä. Kasvien stressiä on mahdollista mitata kasvien ”vihreydellä”, jota pystyy mittaamaan kaukokartoitusmenetelmin satelliiteista ja lentokoneesta käsin. Lehvästötason mittauksissa käytetään hyväksi mm. NDVI-indeksiä (Normalized Difference Vegetation Index), jossa vertaillaan eroja kasvin heijastamassa punaisessa ja infrapunaisessa spektrissä. NDVI-mittausten haittapuolena on kuitenkin niiden hidas reaktiokyky kasvien kokemaan stressiin. Tämän takia on kehitetty sekä klorofyllifluoresenssimenetelmä, että PRI-indeksi, joiden on mahdollista löytää eroja kasvin heijastamassa fluoresenssissa ja reflektanssissa kasvin ollessa pienenkin stressin alaisena. Tässä tutkimuksessa vertaillaan eri reflektanssi-indeksien (PRI, SR, NDVI) ja klorofyllifluoresenssin käyttömahdollisuuksia stressitasojen havaitsemisessa. Tulokset analysoitiin tilastollisin menetelmin käyttäen Spearmanin järjestyskorrelaatiokerrointa ja laskenta suoritettiin R-Studio ja SPSS-ohjelmilla. Aineisto mitattiin neljässä eri kohteessa kesän 2017 aikana. Jokaisessa kohteessa valittiin yhdeksästä kahteentoista koekasvia, joista kustakin mitattiin neljä lehteä. Mitattavien lehtien tuli olla täysikasvuisia, sekä olla puun valoisimmalla puolella. Lehdet mitattiin spektrofotometrillä pimeässä tilassa mittausten standardoimiseksi ja jotta ulkoa tuleva valo ei häiritsi mittauksia. Spektrofotometrillä mitattiin lehden vakaan tason fluoresenssi, sekä lehden reflektanssi. Samoista koepuista mitattiin myös lehtien absorbanssia, valon läpäisevyyttä, kaasujenvaihtoa, sekä maksimikvanttisaantoa. Klorofyllifluoresenssin 685nm ja 740nm taajuusalueiden suhteella kyettiin havainnoimaan typen määrää lehdissä ja PRI-indeksin huomattiin olevan hyvä työkalu natriumin määrän havainnoimiseen kasvien lehdissä. Lehtien stressin määrän huomattiin joissain koetilanteissa korreloivan fotosynteesin määrän kanssa jo stressin ollessa hyvin pientä. Tulokset indikoivat, että klorofyllifluoresenssin mittaaminen olisi varteenotettava menetelmä kasvien hyvinvoinnin mittaamiseen jo ennen kuin kasvissa on paljain silmin nähtäviä merkkejä stressistä. Tässä tutkimuksessa tehdyt havainnot pätevät kasveissa vain lehtitasolla, mutta lisätutkimuksissa voisi selvitä, voiko tuloksia yleistää myös kasvi- ja lehvästötasolle.

Työn aiheena on kvanttifysikaalinen lomittuminen ja sen merkitys fotosynteesin energia-absorptiossa. Aihe on perinteiset oppiainerajat ylittävä, käsittäen fysiikkaa, biologiaa ja kemiaa. Aihe on erittäin tärkeä: ilman energiatehokkaasti toimivaa fotosynteesiä Maapallolla ei olisi nykymuotoista elämää. Lomittumisella tarkoitetaan lyhyesti selittäen sitä, että paikallisesti erillään olevien olioiden (klassisesti: aalto tai hiukkanen) ominaisuuksien välillä on korrelaatio, jota ei klassisen fysiikan keinoin pystytä selittämään. Lomittumisesta käytetään myös termiä kvanttikoherenssi, termit ovat käytännössä ekvivalentteja. Lomittuminen on tärkeä osa nykyfysiikan todellisuuskäsitystä ja se on muuttanut todellisuuskäsitystä lokaalista ei-lokaaliin (holistiseen) suuntaan. Vaikka lomittuminen onkin ihmisen arkisen havaintomaailman käsitteistöllä täysin käsittämätön ilmiö, niin se on kokeellisesti kiistatta todistettu luonnon ominaisuus. Työ on kirjallisuustutkimus. Keskeisinä lähteitä ovat lukuisat fysiikan ja fysikaalisen kemian tieteellisissä julkaisuissa olleet artikkelit, sekä kokeellisia että teoreettisia artikkeleja. Fotosynteesiin liittyen, lukuisien 2000-luvulla tehtyjen tutkimusten mukaan lomittumisella näyttäisi olevan tärkeä merkitys viherhiukkasen toiminnassa. Tutkimusten mukaan viherhiukkasen lukuisat Auringon energiaa keräävät antennimolekyylit ja yksi reaktiokeskus ovat kvanttikoherentissa lomittuneessa tilassa oleva makroskooppinen systeemi. Tämä mahdollistaa lähes häviöttömän energian siirron antennimolekyyleistä reaktiokeskukseen, joka kerää yksittäisten fotonien energiat ja käynnistää fotosynteesin monimutkaisen reaktioketjun. Lomittuminen näin suurissa biologisissa systeemeissä on kuitenkin vaikeasti havaittavissa ja siksi asiaa tutkitaan koko ajan lisää erittäin intensiivisesti. Lukiofysiikan nykyisen oppimäärän modernin fysiikan kurssissa korostetaan aaltohiukkasdualismin käsitettä. Monien fysiikan opetuksen tutkijoiden mielestä aaltohiukkasdualismin käsite on hyvin ongelmallinen. Siihen sisältyvien klassisten käsitteiden, aalto ja hiukkanen, sekoittaminen kvanttifysiikan käsitteiden kanssa vaikeuttaa kvanttifysiikan oppimista ja saattaa olla este kvanttifysiikan ja lomittumisen syvällisempään ymmärtämiseen. Tutkijat suosittelevat, että aaltohiukkasdualismin käsitettä ei opetuksessa käytettäisi. Valitettavasti se on korostetusti esillä vuoden 2015 fysiikan OPS:ssa. Oppikirjojen kirjoittamisessa täytyy toki olla melko konservatiivinen, mutta lomittuminen on kuitenkin jo niin tärkeä osa nykyfysiikkaa, että seuraavan sukupolven oppikirjoissa lomittumisen pitäisi ehdottomasti olla mukana. Luonteva reitti lomittumisen opetukseen etenee käsittelemällä pienen intensiteetin kaksoisrakokoe perusteellisesti ja pohtimalla sen tulosten merkitystä fysiikan ontologian kannalta. Lomittumisen käsitteen kvalitatiivinen ymmärtäminen olisi tärkeää myös siksi, että sillä odotetaan jo muutaman vuoden sisällä olevan hyvin merkittäviä käytännön sovelluksia (kvanttitietokoneet, suprajohtavuus, jne.). Ihmisen suoran havaintomaailman mukaan todellisuus on lokaalia, hiukkaset ovat lokaaleja ja erillisiä. Lomittumiseen liittyvä todellisuus on kuitenkin täysin ei-lokaalia. Kvanttifysiikan ja lomittumisen ontologia tuntuu siis arkijärjen vastaiselta ja siksi sitä voi olla vaikea hyväksyä. Tällöin tulee muistaa, että lomittuminen on kokeellisesti todistettu. Fysiikassa jokainen koe on kysymys luonnolle. Jos ihmisen oman, hyvin rajallisen, havaintomaailman käsitteistö ei riitä selittämään ja ymmärtämään luonnon antamia vastauksia, niin ei se ole luonnon vika!