Как кислород влияет на растения

Обновлено: 18.09.2024

Дыхание - такой же признак, характерный для живых организмов, как и рост, размножение.

Даже одноклеточные растения, такие как водоросль хлорелла, дышат, хотя и живут в воде.

Зачем растениям нужен кислород?

О том, что растения являются главным источником кислорода (О₂), знают даже ученики младших классов.

Из-за этого и возникает путаница.

Часто люди думают, что растительные клетки выделяют кислород и поглощают углекислый газ (СО₂) и таким образом дышат.

Мы развеем эти заблуждения.

Но для начала зададим вопрос: "Почему ученые не советуют ставить большие растения в спальне?"

Почему у людей, которые не слушались этого совета, утром болела голова и они себя чувствовали, мягко говоря, не очень хорошо?

Исследователи выяснили причину этого странного явления.

Оказывается, что растения, так же, как и люди, поглощают кислород и выделяют углекислый газ.

За счет этого они получают энергию.

Человек, который ночью спал в комнате с растениями, не получал достаточно кислорода и буквально травился углекислым газом, выделенным растением.

Схематично молекулу углекислого газа (СО₂) можно представить так:

Запомните и никогда не путайте:

Дыхание - это процесс поглощение кислорода, а фотосинтез - его выделение растительными клетками.

Отличие дыхания от фотосинтеза:

свойственно всем клеткам

характерно только для растений

углекислый газ выделяется

углекислый газ поглощается

образуются сложные химические вещества

Влияние внешних факторов на процесс дыхания растений

увеличение содержания кислорода в воздухе до 8–10 % сопровождается повышением интенсивности дыхания у растений, но дальнейшее увеличение концентрации кислорода не влияет существенно на дыхание
в атмосфере чистого кислорода (без примесей азота и углекислого газа) интенсивность дыхания растений снижается. При длительном его действии растение погибает
при высоком содержании углекислого газа в воздухе дыхание растений замедляется, так как устьица закрываются
дыхание некоторых растений идет и при температуре ниже 0 о С (например, ель дышит при -25 о С)
активность дыхания, возрастает при повышении температуры до определенного предела (+35- 40 о С)

повышение содержания воды в семенах приводит к резкому увеличению интенсивности дыхания
такие элементы, как сера, железо, медь, марганец, необходимы для дыхания, поэтому дыхание активируется при их высоком содержании (например, в воде)
механическое повреждение усиливает дыхание
интенсивность дыхания корней, как и листьев, по мере старения растений снижается

Откуда берется энергия у растений?

Когда вы учили строение клетки, то узнали о такой органелле, как митохондрия.

На рисунке она похожа на фасолинку, хотя встречаются и другие ее формы.

Это очень странная часть клетки.

Некоторые ученые считают, что она образовалась из какого-то микроорганизма, который проник в клетку-хозяина и потом потерял большую часть своих способностей.

Правда, митохондрии сохранили способность двигаться и даже могут сливаться друг с другом!

Эта органелла стала просто незаменимой для клеток.

Ведь она выполняет одну из главных задач - образует молекулу АТФ (Аденозин-Три-Фосфорная кислота).

Когда от АТФ отщепляется один из трех фосфатов, то выделяется 40 000 Джоулей энергии.

Чтобы было понятнее - столько энергии нужно, чтобы нагреть примерно половину стакана льда до состояния кипятка.

И это только один фосфат отщепляется, а если три?

Представляете, сколько энергии в одной молекуле?

Присоединяя фосфаты, АТФ запасает энергию и постепенно отдает ее.

Кислород участвует в сложном процессе образования АТФ с помощью глюкозы внутри митохондрии. Это называется внутриклеточным дыханием.

И в результате всех этих химических реакций образуется углекислый газ и вода, так же, как и при горении.

Следовательно, горение похоже на дыхание.

Есть лишь небольшая разница: при горении в результате реакции кислорода с молекулами других веществ, энергия высвобождается мгновенно.

Опыты, доказывающие дыхание растений

Опыт №1 Образование углекислого газа при дыхании

Возьмем веточку растения, поставим ее в стакан с водой; рядом поставим другой стакан с прозрачной известковой водой, закроем всё стеклянным колпаком и поместим в темное место, чтобы приостановился процесс выделения кислорода.

Примерно через сутки мы увидим, что стакан с известковой водой помутнел, эта реакция известковой воды на углекислый газ.

Откуда в закрытом колпаке образовался углекислый газ?

Делаем вывод: растение выделило углекислый газ в ходе дыхания.

Таким образом, мы видим, что растение активно дышит, забирая из воздуха кислород и выделяя углекислый газ.

Но не забывайте, что дыхание растений идет непрерывно и днем, и ночью, как у человека и животных.

Опыт №2 Необходимость воздуха для дыхания корней

Взяли два растения и поместили их в сосуды с водой, на поверхность воды налили масло (слой масла задерживает поступление воздуха в воду).

Воду в одном из сосудов ежедневно насыщаем воздухом из пульверизатора, растение в этом сосуде активно развивается.

А другое растение начинает гибнуть из-за недостатка воздуха, который необходим корням растения.

Вывод: корни растения дышат, без дыхания корней все растение может погибнуть.

Опыт № 3 Дыхание семян

В одну банку положим проросшие семена, в другую банку положим сухие семена.

Закроем плотно обе банки и поставим в темное теплое место.

На следующий день проверим состав воздуха.

Вы знаете, что для горения необходим кислород.

Опустим в бутылку с сухими семенами зажженную свечку - она хорошо и непрерывно горит, то есть воздух в банке остался неизменным, так как непрорастающие семена дышат очень слабо.

А если поместим свечку в банку с прорастающими семенами, свечка сразу потухнет, потому что прорастающие семена активно израсходуют кислород в ходе дыхания и выделят большое количество углекислого газа, а раз нет кислорода - горение свечи происходить не может, так как для горения нужен кислород.

Опыт доказывает, что проросшие семена активно дышат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.

Вывод: дыхание растениям необходимо для получения энергии, которая тратится на различные процессы жизнедеятельности (рост, размножение, питание и другие процессы)

Почвенный воздух, или газовая фаза, – важнейшая составная часть почвы, находящаяся в тесном взаимодействии с твёрдой, жидкой и живой фазами.

Почвенным воздухом называется смесь газов и летучих соединений, заполняющих поры почвы, свободные от воды.

Состав почвенного воздуха

Наличие достаточного количества воздуха, его благоприятный состав не менее важны в жизни почвы и формирования урожая, чем обеспеченность почв водой и питательными веществами.

Главные источники газовой фазы почвы – атмосферный воздух и газы, образующиеся в самой почве. С атмосферным воздухом в почву поступает кислород, необходимый для дыхания растений, аэробных микроорганизмов, почвенной фауны. В процессе дыхания кислород потребляется с выделением углекислого газа.

Большинство растений не может существовать без непрерывного притока кислорода к корням и вывода углекислого газа из почвы. Растения, корневая система которых находится под водой, например рис, приспособились к усвоению воздуха листьями и переноса его по паренхиме к корням растения и ризосферным микроорганизмам.

Если изолировать почву от атмосферного воздуха, то кислород в ней расходуется полностью через несколько суток. Следовательно, почвенный воздух обеспечивает живые организмы кислородом только при условии постоянного обмена с атмосферным воздухом. Процесс обмена почвенного воздуха с атмосферным называют газообменом или аэрацией.

Состояния почвенного воздуха

Почвенный воздух находится в трёх состояниях: свободном, адсорбированном и растворённом.

Свободный почвенный воздух находится в некапиллярных и капиллярных порах почвы, обладает подвижностью, способен свободно перемещаться в почве и обмениваться атмосферным. Наибольшее значение в аэрации почв имеет воздух некапиллярных пор, практически всегда свободных от воды.

В суглинистых и глинистых почвах часть свободного почвенного воздуха при увлажнении изолируется пробками воды и теряет сплошность. Такой воздух называется защемлённым. Его значение в аэрации почв невелика.

Величина защемлённого воздуха составляет в среднем 6 – 8 % объёма почвы, а в глинистых почвах может быть более 12 %; определяется по разности значений между общей пористостью и полной влагоёмкостью, выраженной в объёмных процентах.

Адсорбированный почвенный воздух – газы, сорбированные поверхностью твёрдой фазы почвы. Адсорбция газов сильнее проявляется в почвах тяжёлого гранулометрического состава, богатых органическим веществом.

Газы адсорбируются в зависимости от строения их молекул, дипольного момента в такой последовательности:

Наибольшее количество адсорбированного воздуха характерно для сухих почв, так как твёрдые частицы почвы активнее поглощают пары воды, чем газы. При влажности почв выше максимальной гигроскопичности вода вытесняет поглощённые газы, что отражается на изменении состава свободного почвенного воздуха.

Растворённый почвенный воздух – газы, растворенные в почвенной воде. Растворимость возрастает с повышением их концентрации в свободном почвенном воздухе, а также с понижением температуры почвы. Хорошо растворяются в воде аммиак, сероводород, углекислый газ. Растворимость кислорода сравнительно небольшая (табл. 1).

1. Растворимость газов в воде (г/л) при различной температуре и атмосферном давлении 101 кПа

В зависимости от температуры почвы и активности в ней биохимических процессов содержание кислорода в почвенных растворах изменяется от 0 до 14 мг/л.

Высокая насыщенность кислородом (6 – 14 мг/л) почвенного раствора отмечается ранней весной, когда почва переувлажнена, а расход последнего ещё не велик вследствие низкой биологической активности почвы.

Растворённые газы проявляют высокую активность. С насыщением почвенного раствора СО₂ повышается растворимость карбонатов, гипса и других минеральных соединений. Растворённый кислород поддерживает окислительные свойства почвенного раствора.

Факторы, влияющие на состав почвенного воздуха

Основную роль в почве играет свободный воздух. Несмотря на его постоянную связь с атмосферным, он характеризуется рядом особенностей.

Состав атмосферного воздуха довольно постоянный, и содержание его основных компонентов изменяется незначительно.

В атмосферном воздухе содержится в объёмных процентах:

78,08 азота (N₂),
20,95 кислорода (О₂),
0,93 аргона (Аr),
0,03 углекислого газа (СО₂),
на долю неона, криптона, ксенона, озона, радона, водорода приходится всего 0,01 %. (И.Б. Ревут, 1972).

В хорошо дренированных почвах состав почвенного воздуха близок к составу атмосферного, поскольку расходуемый в почве кислород быстро перемещается из атмосферы в почву. Другая картина наблюдается в плохо аэрируемых почвах. Состав почвенного воздуха изменчив значительно.

В зависимости от таких факторов, как время года, температура, влажность почвы, глубина, развитие и рост корневых систем, микробиологическая активность, рН и прежде всего скорость газообмена через почвенную поверхность, состав почвенного воздуха в большей или меньшей степени отличается от состава атмосферного.

Наиболее сильные различия отмечаются в концентрации углекислоты (СО₂), которая является основным продуктом аэробного дыхания корней высших растений и многочисленных макро- и микроорганизмов в почве. Если концентрация СО₂ в атмосфере – 0,03 %, то в почве она достигает уровней, которые в десятки или даже в сотни раз выше.

Поскольку СО₂ продуцируется в почве путём окисления содержащего кислорода органического вещества, поскольку повышение концентрации СО₂ обычно связано с понижением концентрации СО₂ обычно связано с понижением концентрации элементного кислорода О_2.

Хотя и необязательно в строго пропорциональной степени, так как могут существовать дополнительные источники кислорода в растворённой воде форме или легко восстанавливаемых соединениях.

Так как концентрация кислорода в атмосферном воздухе обычно около 20,96 %, то очевидно, что даже стократное увеличение концентрации СО₂ от 0,03 до 3 % может понизить концентрацию кислорода только до 18 %. Однако, прежде чем растения начнут страдать от недостатка кислорода, некоторые из них могут страдать от избыточной концентрации СО₂ и как в газовой, так и в жидкой фазах.

В крайних случаях в условиях весьма затруднённой аэрации концентрация О₂ может падать до нуля и продолжительные анаэробные условия могут приводить к созданию химических условий, характеризующихся развитием восстановительных реакций (например, денитрификации), к выделению сероводорода (H₂S), метана (СН₄) и этилена, и восстановлению минеральных окислов.

В пахотных хорошо аэрируемых почвах с благоприятными физическими свойствами содержание СО₂ в почвенном воздухе в течении вегетации растений не превышает 1 – 2 %, а содержание СО₂ не бывает ниже 18 %.

При переувлажнении в пахотных почвах тяжёлого гранулометрического состава содержание СО₂ может достигать 4 – 6 % и более, а О₂ падать до 17 – 15 % и ниже. В заболоченных почвах наблюдаются ещё более высокие концентрации СО₂ и низкие О₂.

Азот почвенного воздуха мало отличается от атмосферного. Некоторые изменения в содержании азота происходят в результате связывания его клубеньковыми бактериями, проявление денитрификации. В почвенном воздухе обнаруживается и другой характерный продукт денитрификации – закись азота (N₂O).

В почвенном воздухе в небольшом количестве (1-10 -9 -1·10 -12 %) постоянно присутствуют летучие органические соединения различной природы (этилен, метан и др.). С ухудшением аэрации в почвенном воздухе этилен накапливается в концентрациях, превышающий уровень токсичности для корней растений (0,001 %).

На заболоченных и болотных почвах в почвенном воздухе могут находиться в заметных количествах аммиак, водород, метан.

Почвенный воздух неоднороден по составу и подвижности, в зависимости от размера почвенных пор. В более крупных порах воздух более подвижен, менее обогащён СО₂ больше содержит О₂.

Экологическая роль почвенного воздуха для растений

Высшие растения весьма чувствительны к составу почвенного воздуха. В корне, как и в других органах растений, ясно выражен процесс дыхания, т.е. поглощение кислорода и выделение углекислоты.

Дыхание корней тесно связано с содержанием кислорода в почве, хотя об оптимальном содержания количественном содержании в почве кислорода и углекислоты однозначно ответить нельзя, так как оно зависит от очень многих факторов.

По данным В.А. Новикова, содержание в почвенном воздухе 7 – 12 % кислорода, что, по мнению автора, имеет место лишь в хорошо обрабатываемых структурных почвах, обеспечивает интенсивное дыхание корней, хороший их рост и активное поглощение ими минеральных веществ.

В тяжёлых глинистых плохо аэрируемых почвах, где наблюдается снижение содержания кислорода до 1 – 2 %, рост корней замедляется, поглощение воды и питательных веществ ограничивается, а рост надземной части растений прекращается.

М.Б. Рассел так же приводит данные о том, что кислород имеет важное значение во всех процессах жизнедеятельности корней растений: в дыхании, поглощении воды и питательных веществ.

Однако у него мы встречаем указание, что реакция различных видов растений на содержание кислорода в почвенном воздухе различна. Причём крайними в ряду растений являются водные с одной стороны, и обитающие на хорошо аэрируемых почвах – с другой.

Рис, например, способен обмениваться газами между корнями и воздухом на поверхности воздуха через ткани растений, т.е. путём внутреннего переноса кислорода от частей, расположенных над поверхностью почвы (листья и стебли), к частям, распространённым в почве, заметной водой. Однако большинство растений неспособны удовлетворить потребность корней в кислороде за счёт внутреннего переноса.

Реакция почвы (листья и стебли), к частям, распространённым в почве, залитой водой. Однако большинство растений неспособны удовлетворить потребность корней в кислороде за счёт внутреннего переноса.

Реакция растений на содержание того или иного количества кислорода в почве в значительной степени зависит от температуры среды. (И.Б. Ревут,1972). Так, если в почвенном воздухе содержится 3 % кислорода, то угнетение растений отмечается при температурах 18 – 30 ˚С.

При содержании 10 % кислорода в почвенном воздухе нормальное развитие растений отмечалось при 18 ˚С, а при 30 ˚С скорость роста при такой концентрации кислорода замедляется.

Отсюда следует, что потребная для корней концентрация кислорода в почвенном воздухе тем выше, чем выше температура почвы. Причина этого явления лежит в снижении растворимости кислорода в воде и в повышении процессов дыхания растений. Последнее связано с повышенным расходом кислорода.

Содержание кислорода в почве

Другая важная закономерность заключается в том, что рост корней может продолжаться при сравнительно низком содержании кислорода в почвенном воздухе, но при обязательном условии непрерывного поступления его из атмосферы.

Д.Бойтон о концентрации кислорода

Д. Бойтон получил очень интересные критические величины концентраций кислорода в почвенном воздухе для корней яблони. Если в период активного роста яблони диаметр корней превышает 1 мм, то низшим пределом содержания кислорода можно считать 3 %.

При концентрации кислорода менее 1 % корни заметно теряют в весе. Для активного роста кончиков корней оказалось необходимым повысить концентрацию кислорода до 5 – 10 %, а для появления новых корней – до 12 %. Однако для нормального хода поглощения воды и питательных веществ корнями содержание кислорода должно быть не ниже 15 %.

Различная реакция растений на содержание кислорода и углекислоты во многом зависит от особенностей самого растения, от его вида, анатомического строения и т.д.

И.Б.Ревут о кислороде в почве

Тем не менее И.Б. Ревут (1972) сообщает, что накопление в почвенном воздухе углекислоты в пределах до 10 %, а в некоторых случаях и более, при сравнительно высоком содержании кислорода (более 10 – 15 %) или при низком его содержании.

Но в условиях бесперебойного воздухообмена с атмосферным воздухом может лишь в очень слабой степени замедлить рост растений. В большинстве случаев это вообще не скажется на условиях их жизни. Содержание кислорода и углекислоты в почвенном воздухе является важным фактором жизнедеятельности почвенных организмов.

В зависимости от отношения микроорганизмов к кислороду они разделяются на аэробные – нуждающиеся в наличии свободного кислорода и анаэробные – не нуждающиеся в свободном кислороде, способные расти и развиваться в отсутствии воздуха.

Существует так же группа микроорганизмов переходного типа. Одни из них, будучи анаэробными, могут существовать и при широком доступе кислорода. Они носят название факультативных анаэробов.

Вместе с тем среди аэробов имеются такие, которые не могут развиваться в среде с большим процентом кислорода. К ним относятся, например, серобактерии, мирящиеся с содержанием кислорода до 3 %. Их называют микроаэрофильными.

И.П.Черечин о кислороде в почве

И.П. Черечин пришёл к заключению, что переход от аэробных условий к анаэробным при оптимальной температуре и влажности наблюдается при содержании кислорода около 2,5 % к объёму почвенного воздуха.

При низких положительных температурах или небольшом содержании влаги в почве анаэробные процессы не развивается даже при снижении концентрации кислорода до 0,5 %. Итого исследований и сделанные выводы представляют большой интерес для земледелия и почвоведения и почвоведения и поэтому они должны подвернуться дальнейшему уточнению.

Влияние почвенного воздуха на процессы, протекающие в почве. Почвенный воздух влияет на почвообразовательные процессы как изменение через микробиологические активности, так непосредственно. Так, растворённый кислород поддерживает окислительные свойства почвенного раствора.

Анаэробные условия в почве

Вызывают ряд восстановительных реакций как химических, так и биохимических. Среди них денитрификация – процесс восстановления нитратов до нитритов и далее до окислов азота и элементарного азота . Некоторые из многочисленных продуктов анаэробных процессов токсичны.

По данным Р. Бретфильда, Л. Батжера и И. Оскемпа, в зависимости от условий аэрации существенно изменяется состояние некоторых соединений в почве (табл. 2).

2. Форма химических соединений в зависимости от аэрации почвы

Химический элемент	Нормальная форма элемента в хорошо аэрированных почвах	Восстановленная форма в пересыщенных водой почвах
Углерод	СО₂	СН₂
Азот	NO₃	NH₂ и NH₃
Сера	SO₄	H₂S
Железо	F + + +	F + +
Марганец	Mn + + +	Mn + +

Аэрация оказывает существенное влияние на почвенные процессы через изменения микробиологической активности почвы.

В аэробных условиях, значительное число почвенных микроорганизмов принимает участие в разложении органического вещества, конечными продуктами которого является углекислота, вода, нитраты, сульфаты, а также соединения кальция, магния, железа и т.п.

В анаэробных условиях возникают совершенно иные продукты разложения органического вещества: метан, сероводород, аммиак, альдегиды.

Концентрация углекислоты играет важную роль в процессах в процессах выветривания первичных минералов в почвах. Повышенное содержание углекислоты воздействует на рН среды, почвенный раствор при этом подкисляется, резко меняется растворимость углекислого кальция.

Растворимость СаСО₃ при отсутствии углекислоты составляла 0,013 г/л воды, при содержании 0,03 объёмного процента углекислоты растворялось 0,0627 г/л, а при 10 % углекислоты – 0,4889 г/л (И.Б. Ревут, 1972).

В связи с тем, что углекислота заметно воздействует на реакцию среды, содержание её сказывается на формах состояния фосфорной кислоты. В кислых почвах преобладает форма , в то же время в щелочных почвах она переходит в форму, значительно менее доступную для растений.

Поэтому на щелочных почвах возрастание содержания углекислоты оказывается в некотором смысле полезным, так как подкисление раствора приводит к повышению растворимости фосфатов и их усвоения растениями.

Необходимо так же учитывать, что чем больше в почве углекислоты, тем больше её выделяется из почвы в приземный слой воздуха.

А повышение содержания углекислоты в зоне надземной части растений часто приводит к заметному повышению уровня фотосинтетической деятельности зелёных растений, а нередко и к заметному повышению их продуктивности.

Что такое фотосинтез?

Фотосинтез – биохимический процесс, во время которого с помощью особых пигментов растений и энергии света из неорганических веществ (углекислого газа, воды) возникают органические. Это один из наиболее важных процессов, за счет которого появилось и продолжает существовать большинство организмов на планете.

Интересный факт : к фотосинтезу способны наземные растения, а также зеленые водоросли. При этом водоросли (фитопланктон) вырабатывают 80% кислорода.

Значение фотосинтеза для жизни на Земле

Без фотосинтеза вместо множества живых организмов на нашей планете существовали бы одни лишь бактерии. Именно энергия, полученная в результате данного химического процесса, позволила бактериям эволюционировать.

Любые природные процессы нуждаются в энергии. Она поступает от Солнца. Но правильную форму солнечный свет приобретает лишь после того, как преобразовывается растениями.

Растения используют лишь часть энергии, а остальную накапливают в себе. Ими питаются травоядные животные, которые являются пищей для хищников. В ходе образовавшейся цепочки каждое звено получает необходимые ценные вещества и энергию.

Кислород, вырабатываемый в ходе реакции, необходим для дыхания всем существам. Дыхание представляет процесс, противоположный фотосинтезу. При этом органические вещества окисляются, разрушаются. Полученная энергия используется организмами для выполнения различных жизненно необходимых задач.

В период существования планеты, когда растений было мало, кислород практически отсутствовал. Примитивные формы жизни получали минимум энергии другими способами. Ее было слишком мало для развития. Поэтому дыхание за счет кислорода открыло более широкие возможности.

Еще одна функция фотосинтеза – защита организмов от воздействия ультрафиолетового света. Речь идет об озоновом слое, находящемся в зоне стратосферы на высоте около 20-25 км. Образуется он за счет кислорода, который превращается в озон под действием солнечного света. Без этой защиты жизнь на Земле ограничивалась бы только подводными организмами.

Организмы выделяют во время дыхания углекислый газ. Он является обязательным элементом фотосинтеза. В противном случае углекислый газ просто накапливался бы в верхних слоях атмосферы, значительно усиливая парниковый эффект.

Это серьезная экологическая проблема, суть которой состоит в повышении температуры атмосферы с негативными последствиями. К ним относится изменение климата (глобальное потепление), таяние ледников, повышение уровня Мирового океана и др.

выделение кислорода;
образование энергии;
образование питательных веществ;
создание озонового слоя.

Определение и формула фотосинтеза

Углекислый газ + вода + свет = углевод + кислород.

Научная формула фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2.

Фотосинтез происходит так, что непосредственный контакт воды и СО2 не наблюдается.

Значение фотосинтеза для растений

Растениям для роста и развития требуются органические вещества, энергия. Благодаря фотосинтезу они обеспечивают себя данными компонентами. Создание органических веществ – основная цель фотосинтеза для растений, а выделение кислорода считается побочной реакцией.

Как происходит фотосинтез?

Фотосинтез протекает непосредственно в зеленых частях растений – хлоропластах . Они входят в состав растительных клеток. Хлоропласты содержат вещество – хлорофилл . Это и есть тот основной фотосинтетический пигмент, благодаря нему происходит вся реакция. Кроме того, хлорофилл определяет зеленый цвет растительности.

Вода поступает через корневую систему растения, а газ проникает непосредственно в листья. Свет выступает в качестве источника энергии. Когда частица света действует на молекулу хлорофилла, происходит ее активация. В молекуле воды H2O кислород (O) остается невостребованным. Таким образом, он становится побочным для растений, но таким важным для нас, продуктом реакции.

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез делится на две стадии: световую и темновую. Протекают они одновременно, но в разных частях хлоропласта. Название каждой фазы говорит само за себя. Световая или светозависимая фаза происходит только при участии частиц света. Темновой или светонезависимой фазе наличие света не требуется.

Прежде чем рассматривать каждую фазу подробнее, стоит разобраться в строении хлоропласта, поскольку оно определяет суть и место протекания стадий. Хлоропласт является разновидностью пластид и внутри клетки расположен отдельно от остальных ее компонентов. Он имеет форму зернышка.

Составляющие части хлоропласта, участвующие в фотосинтезе:

2 мембраны;
строма (внутренняя жидкость);
тилакоиды;
люмены (просветы внутри тилакоидов).

Световая фаза фотосинтеза

Протекает на тилакоидах, точнее, их мембранах. Когда на них попадает свет, выделяются и накапливаются негативно заряженные электроны. Таким образом, фотосинтетические пигменты лишаются всех электронов, после чего наступает очередь распада молекул воды:

При этом образованные протоны водорода имеют положительный заряд и копятся на внутренней мембране тилакоида. В итоге протоны с зарядом плюс и электроны с зарядом минус разделены лишь мембраной.

Происходит выработка кислорода, как побочного продукта:

В определенный момент фазы электронов и протонов водорода становится слишком много. Тогда в работу вступает фермент – АТФ-синтаза. Его задача состоит в том, чтобы переместить протоны водорода из мембраны тилакоида в жидкую среду хлоропласта – строму.

На этом этапе водород попадает в распоряжение другого переносчика – НАДФ (сокращение от никотинамиддинуклеотидфосфат). Это также разновидность фермента, который ускоряет окислительные реакции в клетках. В данном случае его работа состоит в транспортировке протонов водорода в реакции углеводов.

На данной стадии происходит процесс фотофосфолирования, во время него вырабатывается огромное количество энергии. Ее источником является АТФ – аденозинтрифосфорная кислота.

Попадание кванта света на хлорофилл.
Выделение электронов.
Выделение кислорода.
Образование НАДФН-оксидазы.
Образование энергии АТФ.

Интересный факт : существует реликтовое растение под названием вельвичия, растущее на африканском побережье Атлантического океана. Это единственный представитель своего рода с минимумом листьев, способных к фотосинтезу. Однако возраст вельвичий достигает около 2000 лет.

Темновая фаза фотосинтеза

Светонезависимая фаза происходит непосредственно в строме. Она представляет собой ряд ферментативных реакций. Углекислый газ, поглощенный на световой стадии, растворился в воде, а на этом этапе он восстанавливается до глюкозы. Также вырабатываются сложные органические вещества.

Реакции темновой фазы делятся на три основных типа и зависят от вида растений (точнее, их метаболизма), в клетках которых происходит фотосинтез:

С3-растения;
С4-растения;
САМ-растения.

К С3-растениям относится большая часть культур сельскохозяйственного назначения, которые растут в умеренном климате. В ходе фотосинтеза у них углекислый газ становится фосфоглицериновой кислотой.

К С4-растениям принадлежат субтропические и тропические виды, преимущественно сорняки. Для них характерна трансформация углекислого газа в оксалоацетат. САМ-растения – категория растений, которым не хватает влаги. Они отличаются особенным видом фотосинтеза – CАМ.

С3-фотосинтез

Наиболее распространенным является С3-фотосинтез, который также именуется циклом Кальвина – в честь американского ученого Мелвина Кальвина, который внес огромный вклад в изучение данных реакций и получил за это Нобелевскую премию.

Растения называются С3 из-за того, что во время реакций темновой фазы образуются 3-углеродные молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты – 3-PGA. Непосредственное участие принимают различные ферменты.

Чтобы образовалась полноценная молекула глюкозы, должно пройти 6 циклов реакций светонезависимой фазы. Углевод – главный продукт фотосинтеза в цикле Кальвина, но помимо него вырабатываются жирные и аминокислоты, а также гликолипиды. У С3 растений фотосинтез проходит исключительно в клетках мезофилла.

Главный недостаток С3-фотосинтеза

Растения, относящиеся к группе С3, характеризуются одним существенным недостатком. Если в окружающей среде отмечается недостаточный уровень влаги, способность к фотосинтезу существенно снижается. Это происходит по причине фотодыхания.

Дело в том, что при невысокой концентрации углекислого газа в хлоропластах (меньше 50:1 000 000) вместо фиксации углерода происходит фиксация кислорода. Специальные ферменты существенно замедляются и расходуют солнечную энергию впустую.

Одновременно с этим замедляется рост и развитие растения, поскольку оно недополучает органические вещества. Также не происходит выброс кислорода в атмосферу.

Интересный факт : морской слизень Elysia chlorotica – уникальное животное, которое осуществляет фотосинтез как растения. Оно питается водорослями, хлоропласты которых проникают в клетки пищеварительного тракта и фотосинтезируют там на протяжении месяцев. Вырабатываемые углеводы служат для слизня пищей.

С4-фотосинтез

В отличие от C3-синтеза, здесь реакции фиксации углекислого газа осуществляются в различных клетках растений. Эти виды растений способны справляться с проблемой фотодыхания, и делают они это при помощи двухэтапного цикла.

С одной стороны поддерживается высокий показатель углекислого газа, а с другой – контролируется низкий уровень кислорода в хлоропластах. Подобная тактика позволяет растениям С4 избежать фотодыхания и связанных с ним сложностей. Представителями растений данной группы являются сахарный тростник, кукуруза, просо и др.

По сравнению с растениями С3 они способны намного интенсивнее выполнять процессы фотосинтеза при условии высокой температуры и недостатка влаги. На первом этапе углекислый газ фиксируется в клетках мезофилла, где образуется 4-углеродная кислота. Затем кислота переходит в оболочку и распадается там на 3-углеродное соединение и углекислый газ.

На втором этапе полученный углекислый газ начинает работать в цикле Кальвина, где вырабатывается глицеральдегид-3-фосфат и углеводы, необходимые для энергетического обмена.

Благодаря двухэтапному фотосинтезу в растениях С4 образуется достаточное для цикла Кельвина количество углекислого газа. Поэтому ферменты работают в полную силу и не растрачивают энергию напрасно.

Но у и этой системы есть свои минусы. В частности расходуется больший объем энергии АТФ – она необходима для трансформации 4-углеродных кислот в 3-углеродные и в обратном направлении. Таким образом, С3-фотосинтез всегда продуктивнее, чем С4 при должном количестве воды и света.

Что влияет на скорость фотосинтеза?

Фотосинтез может протекать с различной скоростью. Этот процесс зависит от условий окружающей среды:

вода;
длина волны света;
углекислый газ;
температура.

Вода является основополагающим фактором, поэтому при ее недостатке реакции замедляются. Для фотосинтеза наиболее благоприятны волны красного и сине-фиолетового спектра. Также предпочтительнее высокая степень освещенности, но лишь до определенного значения – при его достижении связь между освещенностью и скоростью реакции исчезает.

Высокая концентрация углекислого газа обеспечивает быстрые фотосинтетические процессы и наоборот. Определенная температура важна для ферментов, которые ускоряют реакции. Идеальные условия для них – около 25-30℃.

Фотодыхание

Дышать необходимо всем живым существам, и растения не являются исключением. Однако этот процесс у них происходит немного иначе, чем у людей и животных, отчего носит название фотодыхания.

В целом, дыхание – физический процесс, во время которого живой организм и окружающая его среда обмениваются газами. Как и всему живому, растениям для дыхания нужен кислород. Но потребляют они его гораздо меньше, чем вырабатывают.

В ходе фотосинтеза, который происходит только при солнечном свете, растения создают для себя пищу. Во время фотодыхания, которое осуществляется круглосуточно, эти питательные вещества ими поглощаются с целью поддержки метаболизма внутри клеток.

Интересный факт : в течение солнечного дня участок леса площадью 1 гектар потребляет от 120 до 280 кг углекислого газа и выделяет от 180 до 200 кг кислорода.

Кислород (как и углекислый газ) проникает в клетки растений через особые отверстия – устьица. Они располагаются в нижней части листочков. На одном листе может располагаться около 1000 устьиц.

Общепринятая история происхождения жизни на Земле устарела. Двое ученых, Питер Уорд и Джозеф Киршвинк, предлагают книгу, в которой собраны все выводы последних исследований. Авторы показывают, что многие наши прежние представления об истории происхождения жизни неверны. Во-первых, развитие жизни не было неторопливым, постепенным процессом: катаклизмы способствовали формированию жизни больше, чем все остальные силы вместе взятые. Во-вторых, основа жизни — углерод, но какие еще элементы определили ее эволюцию? В-третьих, со времен Дарвина мы мыслили в категориях эволюции видов. На самом деле имела место эволюция экосистем — от подводных вулканов до тропических лесов, — которые сформировали мир, каким мы его знаем. Опираясь на свой многолетний опыт в палеонтологии, биологии, химии, астробиологии, Уорд и Киршвинк рассказывают историю жизни на Земле, такую фантастическую, что ее трудно представить, и в то же время такую знакомую, что нельзя пройти мимо.

Книга: Новая история происхождения жизни на Земле

Воздействие высокого уровня кислорода на растения

Как влияет на растения высокий уровень кислорода в среде? По этому вопросу не так много данных, но предполагается, что большое количество кислорода для растений вредно. Повышенное содержание кислорода в атмосфере приводит к усилению фотодыхания, но более серьезным последствием является то, что при большом количестве кислорода возникает больше токсичных веществ, называемых OH-радикалами (гидроксильными радикалами), которые опасны для живой клетки. Чтобы глубже изучить этот вопрос, Дэвид Бирлинг, ученик Роберта Бернера из Йельского университета, выращивал в закрытых резервуарах различные растения в условиях с уровнем кислорода более высоким, чем в современной атмосфере[160]. Когда уровень кислорода достиг 35 % (именно этот показатель каменноугольного и пермского периодов принято считать наивысшим за всю историю развития планеты), чистый прирост (измерялся рост растений) уменьшился на 20 %. Возможно, большие объемы кислорода в карбоне и раннем пермском периоде привели к снижению интенсивности растительной жизни, хотя это невозможно определить по ископаемым останкам, поскольку никаких значительных изменений или массового вымирания в этом временном интервале не прослеживается.

Читайте также: