В чем отличие фотосинтеза от дыхания. Фотосинтез и дыхание. Условия, необходимые для фотосинтеза

Каждое живое существо на планете нуждается в пище или энергии, чтобы выжить. Некоторые организмы питаются другими существами, тогда как другие могут производить свои собственные питательные элементы. сами производят продукты питания, глюкозу, в процессе, который называется фотосинтезом.

Фотосинтез и дыхание взаимосвязаны. Результатом фотосинтеза является глюкоза, которая хранится как химическая энергия в . Эта накопленная химическая энергия получается в результате превращения неорганического углерода (углекислого газа) в органический углерод. Процесс дыхания высвобождает накопленную химическую энергию.

Помимо продуктов, которые они производят, растениям также необходим углерод, водород и кислород, чтобы выжить. Вода, поглощенная из почвы, обеспечивает водород и кислород. Во время фотосинтеза, углерод и вода используются для синтеза пищи. Растения также нуждаются в нитратах, чтобы производить аминокислоты (аминокислота - ингредиент для выработки белка). В дополнение к этому, они нуждаются в магнии для производства хлорофилла.

Заметка: Живые существа, которые зависят от других продуктов питания называются . Травоядные, такие как коровы, а также растения, питающиеся насекомыми, являются примерами гетеротрофов. Живые существа, производящие собственную пищу, называются . Зеленые растения и водоросли - примеры автотрофов.

В этой статье вы узнаете больше о том, как происходит фотосинтез у растений и об необходимы для этого процесса условиях.

Определение фотосинтеза

Фотосинтез - это химический процесс, посредством которого растения, некоторые и водоросли производят глюкозу и кислород из углекислого газа и воды, используя только свет в качестве источника энергии.

Этот процесс чрезвычайно важен для жизни на Земле, поскольку благодаря ему выделяется кислород, от которого зависит вся жизнь.

Зачем растениям нужна глюкоза (пища)?

Подобно людям и другим живым существам, растения также нуждаются в питании для поддержания жизнедеятельности. Значение глюкозы для растений заключается в следующем:

• Глюкоза, полученная в результате фотосинтеза, используется во время дыхания для высвобождения энергии, необходимой растению для других жизненно важных процессов.
• Растительные клетки также превращают часть глюкозы в крахмал, который используют по мере необходимости. По этой причине мертвые растения используются в качестве биомассы, ведь в них хранится химическая энергия.
• Глюкоза также необходима, чтобы производить другие химические вещества, такие как белки, жиры и растительные сахара, необходимые для обеспечения роста и других важных процессов.

Фазы фотосинтеза

Процесс фотосинтеза разделен на две фазы: световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза

Как следует из названия, световые фазы нуждаются в солнечном свете. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в виде молекулы электронного носителя НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы энергии АТФ (аденозинтрифосфат). Световые фазы протекают в тилакоидных мембранах в пределах хлоропласта.

Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина

В темновой фазе или цикле Кальвина возбужденные электроны из световой фазы обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа. Не зависящие от света фазы иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя темновые фазы не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем или ночью), им необходимо, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Независимые от света молекулы зависят от молекул энергоносителей - АТФ и НАДФН - для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносители возвращаются к световым фазам для получения более энергичных электронов. Кроме того, несколько ферментов темновой фазы активируются с помощью света.

Схема фаз фотосинтеза

Заметка: Это означает, что темновые фазы не будут продолжаться, если растения будут лишены света слишком долго, так как они используют продукты световых фаз.

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

• Площадь

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

• Центральная жилка и черешок

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

• Листовая пластинка

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные - несколько. Листовая пластинка - одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

• Жилы

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

• Основание листа

Основанием листа выступает самая нижняя его часть, которая сочленена со стеблем. Зачастую, у основания листа располагается парное количество прилистников.

• Край листа

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

• Верхушка листа

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

• Кутикула

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

• Эпидермис

Эпидермис - слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция - защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

• Мезофилл

Мезофилл - это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний - палисадный и нижний - губчатый.

• Защитные клетки

Защитные клетки - специализированные клетки в эпидермисе листьев, которые используются для контроля газообмена. Они выполняют защитную функцию для устьица. Устьичные поры становятся большими, когда вода есть в свободном доступе, в противном случае, защитные клетки становятся вялыми.

• Устьице

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица. Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями. Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Условия, необходимые для фотосинтеза

Ниже приведены условия, которые необходимы растениям для осуществления процесса фотосинтеза:

• Углекислый газ. Бесцветный природный газ без запаха, обнаруженный в воздухе и имеет научное обозначение CO2. Он образуется при горении углерода и органических соединений, а также возникает в процессе дыхания.
• Вода . Прозрачное жидкое химическое вещество без запаха и вкуса (в нормальных условиях).
• Свет. Хотя искусственный свет также подходит для растений, естественный солнечный свет, как правило, создает лучшие условия для фотосинтеза, потому что в нем присутствует природное ультрафиолетовое излучение, которое оказывает положительное влияние на растения.
• Хлорофилл. Это зеленый пигмент, найденный в листьях растений.
• Питательные вещества и минералы. Химические вещества и органические соединения, которые корни растений поглощают из почвы.

Что образуется в результате фотосинтеза?

• Глюкоза;
• Кислород.

(Световая энергия показана в скобках, поскольку она не является веществом)

Заметка: Растения получают CO2 из воздуха через их листья, и воду из почвы через корни. Световая энергия исходит от Солнца. Полученный кислород выделяется в воздух из листьев. Получаемую глюкозу можно превратить в другие вещества, такие как крахмал, который используется как запас энергии.

Если факторы, способствующие фотосинтезу, отсутствуют или присутствуют в недостаточном количестве, это может негативно повлиять на растение. Например, меньшее количество света создает благоприятные условия для насекомых, которые едят листья растения, а недостаток воды замедляет.

Где происходит фотосинтез?

Фотосинтез происходит внутри растительных клеток, в мелких пластидах, называемых хлоропластами. Хлоропласты (в основном встречающиеся в слое мезофилла) содержат зеленое вещество, называемое хлорофиллом. Ниже приведены другие части клетки, которые работают с хлоропластом, чтобы осуществить фотосинтез.

Строение растительной клетки

Функции частей растительной клетки

• : обеспечивает структурную и механическую поддержку, защищает клетки от , фиксирует и определяет форму клетки, контролирует скорость и направление роста, а также придает форму растениям.
• : обеспечивает платформу для большинства химических процессов, контролируемых ферментами.
• : действует как барьер, контролируя движение веществ в клетку и из нее.
• : как было описано выше, они содержат хлорофилл, зеленое вещество, которое поглощает световую энергию в процессе фотосинтеза.
• : полость внутри клеточной цитоплазмы, которая накапливает воду.
• : содержит генетическую марку (ДНК), которая контролирует деятельность клетки.

Хлорофилл поглощает световую энергию, необходимую для фотосинтеза. Важно отметить, что поглощаются не все цветовые длины волны света. Растения в основном поглощают красную и синюю волны - они не поглощают свет в зеленом диапазоне.

Углекислый газ в процессе фотосинтеза

Растения получают углекислый газ из воздуха через их листья. Углекислый газ просачивается через маленькое отверстие в нижней части листа - устьицу.

Нижняя часть листа имеет свободно расположенные клетки, чтобы углекислый газ достиг других клеток в листьях. Это также позволяет кислороду, образующемуся при фотосинтезе, легко покидать лист.

Углекислый газ присутствует в воздухе, которым мы дышим, в очень низких концентрациях и служит необходимым фактором темновой фазы фотосинтеза.

Свет в процессе фотосинтеза

Лист обычно имеет большую площадь поверхности, поэтому он может поглощать много света. Его верхняя поверхность защищена от потери воды, болезней и воздействия погоды восковым слоем (кутикулой). Верх листа находится там, где падает свет. Этот слой мезофилла называется палисадным. Он приспособлен для поглощения большого количества света, ведь в нем находится много хлоропластов.

В световых фазах, процесс фотосинтеза увеличивается с большим количеством света. Больше молекул хлорофилла ионизируется, и больше генерируется АТФ и НАДФН, если световые фотоны сосредоточены на зеленом листе. Хотя свет чрезвычайно важен в световых фазах, необходимо отметить, что чрезмерное его количество может повредить хлорофилл, и уменьшить процесс фотосинтеза.

Световые фазы не слишком сильно зависят от температуры, воды или углекислого газа, хотя все они нужны для завершения процесса фотосинтеза.

Вода в процессе фотосинтеза

Растения получают воду, необходимую для фотосинтеза через свои корни. Они имеют корневые волоски, которые разрастаются в почве. Корни характеризуются большой площадью поверхности и тонкими стенками, что позволяет воде легко проходить сквозь них.

На изображении представлены растения и их клетки с достаточным количеством воды (слева) и ее нехваткой (справа).

Заметка: Корневые клетки не содержат хлоропластов, поскольку они, как правило, находятся в темноте и не могут фотосинтезировать.

Если растение не впитывает достаточное количество воды, оно увядает. Без воды, растение будет не способно фотосинтезировать достаточно быстро, и может даже погибнуть.

Какое значение имеет вода для растений?

• Обеспечивает растворенными минералами, которые поддерживают здоровье растений;
• Является средой для транспортировки ;
• Поддерживает устойчивость и прямостояние;
• Охлаждает и насыщает влагой;
• Дает возможность проводить различные химические реакции в растительных клетках.

Значение фотосинтеза в природе

Биохимический процесс фотосинтеза использует энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа в кислород и глюкозу. Глюкоза используется в качестве строительных блоков в растениях для роста тканей. Таким образом, фотосинтез - это способ, благодаря которому формируются корни, стебли, листья, цветы и плоды. Без процесса фотосинтеза растения не смогут расти или размножаться.

• Продуценты

Из-за фотосинтетической способности, растения известны как продуценты и служат основой почти каждой пищевой цепи на Земле. (Водоросли являются эквивалентом растений в ). Вся пища, которую мы едим, происходит от организмов, являющихся фотосинтетиками. Мы питаемся этими растениями напрямую или едим животных, таких как коровы или свиньи, которые потребляют растительную пищу.

• Основа пищевой цепи

Внутри водных систем, растения и водоросли также составляют основу пищевой цепи. Водоросли служат пищей для , которые, в свою очередь, выступают источником питания для более крупных организмов. Без фотосинтеза в водной среде жизнь была бы невозможна.

• Удаление углекислого газа

Фотосинтез превращает углекислый газ в кислород. Во время фотосинтеза углекислый газ из атмосферы поступает в растение, а затем выделяется в виде кислорода. В сегодняшнем мире, где уровни двуокиси углерода растут ужасающими темпами, любой процесс, который устраняет углекислый газ из атмосферы, является экологически важным.

• Круговорот питательных веществ

Растения и другие фотосинтезирующие организмы играют жизненно важную роль в круговороте питательных веществ. Азот в воздухе фиксируется в растительных тканях и становится доступным для создания белков. Микроэлементы, находящиеся в почве, также могут быть включены в растительную ткань и стать доступными для травоядных животных, дальше по пищевой цепи.

• Фотосинтетическая зависимость

Фотосинтез зависит от интенсивности и качества света. На экваторе, где солнечный свет обилен весь год и вода не является ограничивающим фактором, растения имеют высокие темпы роста, и могут стать довольно большими. И наоборот, фотосинтез в более глубоких частях океана встречается реже, поскольку свет не проникает в эти слои, и в результате эта экосистема оказывается более бесплодной.

Просмотры: 3398

29.12.2015

Известно, что любое растение "добывает" пищу не только из почвы, но и из воздуха. 95% урожая определяют органические вещества, полученные в зеленых листьях за счет воздушного питания растений - фотосинтеза , и лишь остальные 5% зависят от почвенного или минерального питания.

Тем не менее большинство садоводов основное внимание уделяют прежде всего минеральному питанию. Они регулярно вносят удобрения, рыхлят почву, поливают, забывая о воздушном питании растений. Даже приблизительно нельзя сказать, сколько мы "не добираем" урожая лишь из-за того, что как бы "не замечаем" фотосинтеза.



О масштабах фотосинтеза и его значении в природе можно судить уже по одному количеству солнечной энергии, перехватываемой зелеными листьями и "законсервированной" в растениях. Ежегодно только растения суши запасают в виде углеводов столько энергии , сколько могли бы израсходовать сто тысяч больших городов в течение 100 лет !

О значении и сущности фотосинтеза говорил еще К. А. Тимирязев в 1878 году в своей знаменитой книге "Жизнь растений" . "Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но упал он не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или лучше сказать на хлорофилловое зерно . Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез . Он только затратился на внутреннюю работу . В той или иной форме он вошел в состав хлеба, послужившего нам пищей. Он преобразовался в наши мускулы, в наши нервы. Этот луч согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу ..." Слова эти не устарели до сих пор. За прошедшие годы они лишь уточнились и дополнились новыми данными о дыхании.

У растений дыхание в основе своей - процесс, противоположный фотосинтезу . Молекула сахара глюкозы окисляется кислородом воздуха до углекислого газа и воды с выделением заключенной в углеводах энергии. Эта энергия идет на осуществление и поддержку всех жизненных процессов: поглощение и испарение воды и минеральных солей, рост и развитие растений.

Именно в освобождении энергии и направлении ее на нужды растений и заключается главный смысл дыхания , которое происходит во всех живых клетках растений.

По сути, дыхание поддерживает саму жизнь на Земле! Но как именно это происходит? За счет какой формы энергии? Не вдаваясь в подробности, скажем лишь, что весь смысл дыхания состоит в образовании аденозинтрифосфорной кислоты или сокращенно АТФ - органического вещества, в состав которого входят азотистое основание аденин, пятиуглеродистый сахар рибоза (вместе они составляют аденозин) и три остатка фосфорной кислоты, соединенные между собой фосфатной связью, при распаде которой и освобождается энергия, необходимая для всего живого на Земле.

Аденозинтрифосфа́т (сокр. АТФ, англ. АТР) - нуклеозидтрифосфат, играющий исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах . АТФ был открыт в 1929 году группой учёных Гарвардской медицинской школы - Карлом Ломаном, Сайрусом Фиске и Йеллапрагадой Суббарао, а в 1941 году Фриц Липман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

Образно это можно сравнить с работой аккумуляторной батареи, которая отдает энергию по потребности и снова заряжается у растений за счет солнечной энергии при фотосинтезе .

Практически выходит, что урожай растений - это разница между фотосинтезом и дыханием: чем выше фотосинтез и ниже дыхание, тем выше урожай, и наоборот . В природе фотосинтез меняется сравнительно мало. Зато дыхание может возрастать в сто и даже тысячу раз. К тому же соотношение между производящими и потребляющими частями растений строится по принципу: один с сошкой (фотосинтез) - семеро с ложкой (дыхание). В самом деле, ведь фотосинтез идет только в листьях и только днем на свету , тогда как дышат растения круглые сутки, а накопление органических веществ (основы урожая) возможно лишь при условии, что фотосинтез намного превышает дыхание. К великому сожалению, это бывает значительно реже, чем хотелось бы.

К тому же все это мы рассматриваем сейчас в несколько упрощенном виде. На самом деле растение - единый целостный организм, в котором все процессы тесно взаимосвязаны, с одной стороны, друг с другом, с другой - с окружающей их внешней средой: светом, теплом, влагой. Влияние внешних условий на любое растение сложно, ведь в природе все условия действуют на растение одновременно . И пока мы не знаем, где же кончается действие одного из них и начинается действие другого и какое именно условие оказывается решающим в данный период роста и развития растения.

Чтобы ответить на этот вопрос и были сооружены огромные оранжереи с полностью управляемым климатом - климатроны. Один из них - климатрон Миссурийского ботанического сада в городе Сент-Луисе (США), построенный видным американским ученым Ф. Вентом. Он установил, что из всех внешних условий решающим фактором роста томатов является ночная температура. Если ночью она поднималась выше 24 или опускалась ниже 16 градусов, плоды вообще не завязывались. Ночная температура оказалась решающей и для урожая картофеля. Клубни лучше всего образовывались при температуре ночью около 12 градусов. Именно поэтому в жаркое лето 1999 года во многих зонах нашей страны, в том числе в Подмосковье, урожай картофеля снизился вдвое по сравнению с прошлыми годами.

Температура часто оказывается едва ли не "главным врагом" будущего урожая, причем не только тогда, когда бывает слишком низкой, но и в тех случаях, когда намного превышает оптимальную. Немецкие ученые X. Лир, Г. Польстер установили, что в ясные солнечные дни для получения урожая наиболее продуктивны ранние утренние часы, когда температура воздуха не превышает 20-25°С. Прирост органической массы в это время в 30 раз больше, чем при более высоких температурах.

И это вполне понятно и объяснимо. Именно в утренние часы фотосинтез достигает своего максимума, тогда как дыхание, сильно зависящее от температуры, становится минимальным . Вот почему растения особенно отзывчивы на утренние поливы. Воды, особенно огурцам, томатам, кабачкам, требуется много и желательно не очень холодной.

В совершенно необычную и непривычную среду попадают растения при выращивании их в закрытом грунте. В условиях теплиц все внешние факторы нередко начинают работать как бы против растений. Пытаясь с помощью обыкновенной пленки защитить растения от холода, мы никак не можем избавить их от перегрева, что сделать намного труднее. Ведь даже весной температура в теплицах иногда превышает оптимальную (около 20 градусов). Что же говорить о периоде апрель - август?

В пасмурные дни теплица невольно превращается для растений в темницу, скупые лучи солнца едва проникают сквозь пленку. Из-за нехватки света фотосинтез резко падает, тогда как дыхание идет своим чередом, нередко перекрывает фотосинтез и заметно снижает будущий урожай .

Другая беда подстерегает растения в теплице в ясные теплые солнечные дни. Теплица превращается в такие дни в раскаленную пустыню. "Перегрев" листьев и нехватка углекислого газа - основного "сырья" для создания углеводов - приводят к резкому падению фотосинтеза . Напомним, что в воздухе содержится всего лишь 0,03% углекислого газа, или 3 части на 10 тысяч частей воздуха, и нехватка этого газа в теплицах в дневные часы - вполне обычное дело. Зато в сто и даже тысячу раз (в зависимости от температуры) возрастает дыхание. Естественно, что в эти часы о накоплении углеводов не может быть и речи. Наоборот, растение теряет даже то, что было накоплено в более благоприятное время.

«Наука и жизнь»

Не смотря на то, что фотосинтез и дыхание – совсем противоположные процессы, между ними очень тесная связь.

Фотосинтез - это процесс образования органических веществ при использовании энергии солнца, углекислого газа и воды, который происходит в клетках зеленых растений.

Фотосинтез невозможен без солнечного света (происходит лишь в светлое время суток или при наличии запасенной растениями ранее энергии нашей звезды) может происходить лишь в клетках растений, которые содержат хлоропласты с пигментом хлорофиллом происходит в листьях, пока они зеленые, в стеблях, в отдельных частях цветка, в плодах

В процессе фотосинтеза растение поглощает углекислый газ и использует накопленную воду. Под действием энергии солнечных квантов происходит окислительновосстановительная реакция, результатом которой является образование органических веществ (сахаров или крахмала) и выделение кислорода.

Дыхание это естественный процесс газообмена, который растения, как все живые организмы, осуществляют с внешней средой происходит во всех органах растения осуществляется через устьица, чечевички и трещины в коре деревьев происходит в круглосуточном режиме организацией дыхания заняты специальные органеллы клетки – митохондрии.

В процессе дыхания клетки растения поглощают атмосферный кислород, используя накопленные органические соединения, конкретно – крахмал. При этом происходят расход, трата, уничтожение органического вещества. В результате дыхания выделяется углекислота, которая возвращается в атмосферу, и вода, которая остается в середине живого организма.

Исходя из приведённых особенностей, можно выделить следующие отличия между данными процессами: Дыхание обеспечивает жизнь самого растения, а выделенный кислород и накопленные в результате фотосинтеза органические вещества дают возможность существовать на Земле гетеротрофным организмам. Дыхание происходит в растениях постоянно, а фотосинтез идет лишь под действием солнечного света. В дыхании задействованы все клетки растения, а в фотосинтезе – лишь зеленые. При дыхании кислород поглощается, а при фотосинтезе – выделяется. В дыхании органические вещества расщепляются, а при фотосинтезе – синтезируются.

При фотосинтез поглощается углекислый газ и выделяется кислород, необходимый для дыхания. При дыхании поглощается кислород и выделяется углекислый газ, необходимый для фотосинтеза.

Накопление биомассы в растении происходит, в первую очередь, за счет фиксации СО2 в процессе фотосинтеза. Многие простейшие модели продуктивности предполагают прирост биомассы прямо пропорциональным разности фотосинтеза и дыхания (Торнли, 1983) в соответствии с формулой

Здесь Д W - прирост сухого вещества на единице площади посева, Р - фотосинтез, R - темновое дыхание посева за сутки. Все величины в единицах (кг СОг 0/м 2 сут).

Зависимость фотосинтеза от интенсивности света описывают гак называемой кривой фотосинтеза

Здесь I - интенсивность поглощенной фотоактивной радиации. Эта величина существенно зависит от архитектоники посева и его густоты. Вопросам математического описания этих зависимостей посвящены монографии (Росс, 1975; Тооминг, 1977). а - начальная крутизна световой кривой; Р т - максимальная интенсивность фотосинтеза единицы площади листьев. График кривой (7.3.2) изображен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Кривая фотосинтетической реакции листа (7.3.2): Р тах - уровень светового насыщения; а - тангенс угла наклона кривой в начале координат

Цель любой селекционной работы заключается в выведении таких растений, для которых ск и Р т но возможности велики. Однако эти параметры световой кривой фотосинтеза определяются многими факторами, для расшифровки которых требуется детализация происходящих в листе процессов. Коэффициент эффективности фотосинтеза а для зрелого листа растений группы Сз часто принимают равным 13-10 -9 кг/Дж (ФАР), ФАР - фотоактивная радиация. Интенсивность поглощенной радиации определяется освещенностью посева и его

«архитектоникой», т. е. густотой, расположением листьев и т. п. Пусть /о - плотность светового потока, падающего на горизонтальную плоскость, условно соответствующую наружной поверхности растительного покрова, / - плотность светового потока, падающего на горизонтальную плоскость внутри растительного покрова на глубине L, причем по величине равно индексу площади листьев (относительный показатель, измеряемый как отношение площади листьев к земельной площади). В этом случае выполняется уравнение Монси - Саэки (рис. 7.4):

где к - постоянная величина, называемая коэффициентом затухания.

Рис. 7.4. Формула Монси-Саэки (7.3.3). Графики построены для двух значений коэффициента затухания к

Коэффициент затухания может зависеть от многих факторов: углового распределения радиации над растительным покровом, углового распределения листьев, пространственного их распределения (листья могут располагаться кучно, не совпадая по вертикали), от оптических свойств листьев. Поэтому обычно коэффициент затухания определяют эмпирически.

Интенсивность фотосинтеза определяется не плотностью светового потока /, падающего на горизонтальную плоскость, а величиной /* плотности светового потока, падающего на поверхность листьев. Эти где т - коэффициент трансмиссии листа.

два параметра связаны соотношением

Интенсивность фотосинтеза в растении Р с представляют в виде функции следующих переменных: индекса площади листьев, плотности /о падающего на растительный покров светового потока, уровня С а содержащегося в воздухе СО2 и температуры Т:

На практике обычно вначале определяют интенсивность Pi фотосинтеза в листе:

где /| - плотность светового потока, падающего на лист.

Чтобы получить оценку интенсивности фотосинтеза Р с культурного (либо дикорастущего) растения, необходимо произвести суммирование показателей фотосинтеза Р/ по всем элементарным площадям листьев. Таким образом, возникает необходимость учета в процессе моделирования структуры растительного покрова, причем для определенных типов культур требуются свои модели фотосинтеза, существенно отличающиеся, например, для яблоневых садов, еловых лесов, посадок салата или полей кукурузы и пшеницы. Особенности отдельных культур и различных полей должны быть учтены при интегрировании по элементарным площадям листьев:

Подстановка (7.3.3) в выражение (7.3.5) дает

I

Если в формуле (7.3.6) сделать замену переменной, пользуясь зависимостью (7.3.4), получим выражение

или после интегрирования

Тангенс угла наклона функции (7.3.7) в начале координат составляет

а интенсивность фотосинтеза при световом насыщении

График функции (7.3.7) представлен на рис. 7.5. Изображенные на нем кривые по форме близки к кривой фотосинтеза в листе (см. рис. 7.3). Существенное отличие заключается в скорости приближения к асимптотам, которая для растения в целом гораздо ниже, чем для одиночного листа.

Рис. 7.5. Кривая фотосинтетической реакции растения на свет (7.3.7). Величина листового индекса указана под кривыми. Ртах = 1,2-10 6 кг СОг/м 2 С, а = 13 10“ 9 кг СОг (ДЖ ФАР), к = 0,8, т = 0,1 (Франс, Торнли, 1987)

Кроме света для фотосинтеза необходим углекислый газ воздуха. Во многих моделях растений предполагается, что лимитирующим фактором процесса является именно интенсивность диффузионного потока

СО2 к хлоропластам из атмосферы:

где Со и С с - концентрация СОз (г СО2 см“ 3) соответственно во внешнем воздухе и на внешней мембране хлоропластов; r a , r s *, r m - диффузионные сопротивления на пути СО2 - ламинарного слоя воздуха, окружающего лист, устьичное и мезофилла соответственно.

Концентрацию СО2 также часто учитывают в эмпирической формуле, близкой по форме выражению (7.3.2):

Приравнивая (7.3.7) и (7.3.8) и исключив С с, получим квадратное уравнение относительно Pi:

Здесь Ii - падающая на лист ФАР, а - начальный наклон световой волны фотосинтеза.

Поскольку эффективный фотосинтез требует оптимальных значений сразу нескольких факторов: освещенности, влагообеспеченности, температуры, часто в моделях используют мультипликативные функции, в которых эффективность фотосинтеза определяется произведением нескольких сомножителей, каждый из которых зависит от одного фактора. В другие модели входят аддитивные члены. Вот некоторые примеры.

Широкое распространение получила формула (Идсо, 1969):

где W u Wq - влагообеспеченность листа, текущая и оптимальная соответственно; W - содержание влаги в почве; ЯН относительная влажность листа; То - его оптимальная температура.

В других формулах (Horie, 1977) предпола1 , ается, что от температуры зависит уровень насыщения фотосинтеза:

где Р т - фотосинтез при световом насыщении. Связь между Р т и температурой листа 7} задается формулой

где P m0 pt - фотосинтез при световом насыщении и оптимальной температуре листа; Т тор1 - оптимальная температура листа; С - константа.

В моделях Карри (1971; 1975) используется эмпирическая формула для расчета суммарнош фотосинтеза агроценоза:

где dP/dt скорость фотосинтеза (г м“ 2 ч -1); /о - радиация, падающая на верхнюю границу растительного покрова (кал м -2 ч -1); С - концентрация СОг; А - константа, характеризующая сопротивление на пути СО2 внутри растительного покрова; В - константа относительной эффективности фотосинтеза (кал г -1); q - функция ослабления радиации в растительном покрове.

Фотосинтез тесно связан с дыханием, и часто в моделях эти процессы рассматриваются вместе, объединяя их названием «газообмен в посеве».

Под дыханием подразумеваются все энергетические траты растения, в том числе использование первичных ассимилятов в качестве окислителя в реакциях биологического синтеза (аминокислот, белков, высокомолекулярных углеводов, сложных клеточных органелл, клеток и органов растения в целом), а также в реализации активного транспорта подвижных соединений в растении. Биологический урожай определяется как разность между интенсивностью фотосинтеза и интенсивностью суммарного дыхания.

Скорость распада ассимилятов в процессе дыхания задается в виде (Тооминг, 1977):

где R - интенсивность дыхания, Ф - интенсивность фотосинтеза, А/ - текущая биомасса. При этом первое слагаемое называют дыханием поддержания структуры (maintain respiration), а второе - дыханием роста (growth respiration).

В более сложных моделях, претендующих на более точней. 1 изображение протекающих в растении процессов, описание темпового дыхания не включается в блок фотосинтеза, а вводится естественным образом при описании энергетики процессов биосинтеза и транспорта подвижных метаболитов и минеральных веществ (Пых, 1979).

Схема протекающих в листе процессов газообмена изображена на рис. 7.6. Углекислый газ диффундирует из окружающего пространства во внутренние полости листа (межклетник) через устьичные клетки и кутикулу. Кутикулярное сопротивление диффузии СО2 относительно постоянно и превышает устьичное сопротивление. Однако устьичное сопротивление сильно меняется и в значительной степени определяет интенсивность фотосинтеза в целом, регулируя связь фотосинтеза с водным режимом растения. Устьичное сопротивление единицы поверхности листа зависит от водного потенциала растения и концентрации СО2 в листе. При увеличении освещенности в условиях достаточного увлажнения устьица открываются, а в темноте уменьшают свою апертуру.

Следующий этап поглощения СО2 - его переход в жидкую фазу. Схематически такой переход можно описать с помощью диффузионного сопротивления внутри клеток, так называемого сопротивления мезофилла.

Таким образом, интенсивность газообмена, отнесенная к единице площади фотосинтезирующих органов Флг, определяется соотношением

где С 0 - концентрация СО2 в межлистном пространстве, С* - концентрация СО2 в газовой фазе в межклетнике, D q - суммарная проводимость прилистного стоя и устьиц. Сходные уравнения могут быть записаны для кислорода и водяного пара.

Концентрацию СО2 в жидкой фазе можно записать на основе балансовых соотношений в предположении диффузионного переноса СО2 к хлоропластам (Hall, Bjorkman, 1975):

Здесь di - средняя толщина листа; C w - концентрация СО2 в жидкой фазе; S w - растворимость СО2 в воде; г т - сопротивление мезофилла; А;о - коэффициент, учитывающий влияние этапов органогенеза;

Рис. 7.6. Схема процессов газообмена в листе. Сплошные линии - потоки ССЬ, штриховые - потоки водяного пара: 1 - клетки паренхимы, 2 - апи- дермис, 3 - кутикула, 4 - хлоропласты

Р - интенсивность полного фотосинтеза; R , Ri, Rd - интенсивность дыхания структурной биомассы, фотодыхания и темпового дыхания фотосинтезирующих органов.

Входящие в (7.3.13) величины скоростей фотосинтеза и фотодыхания определяются эффективностью работы циклов Кальвина и фотодыхания с общим ферментом - рибулозобифосфаткарбоксилазойокси- геназой.

Было разработано несколько моделей для описания кинетики ферментативных реакций этих циклов. Наиболее известные и получившие продолжение в дальнейших разработках (Лайск, 1977; Hail, 1979; Farquhar, 1980; Hahir, 1986). Результаты моделирования позволяют установить количественную связь скорости эффективной ассимиляции СО2, равной разности скоростей восстановления углекислоты при фотосинтезе и выделения углекислоты при фотодыхании, со скоростью восстановления NADP и потоком электронов в фотосинтетической цепи.

Фотосинтез– это процесс образования органических веществ (сахара) из неорганических (углекислого газа и воды) в зелёных листьях с использованием солнечного света. Фотосинтез – это процесс образования органических веществ (сахара) из неорганических (углекислого газа и воды) в зелёных листьях с использованием солнечного света.

Этапы фотосинтеза 1 этап – световой: свет активирует хлорофилл. Активированный хлорофилл разрушает молекулы воды. При этом освобождается водород и часть кислорода выделяется в воздух. Одновременно в хлоропласте образуется два активных компонента: вещество, заряженное энергией (1), и вещество, способное транспортировать водород (2).

Этапы фотосинтеза 2 этап – темновой: затем в ходе химических реакций с участием углекислого газа и активных компонентов, полученных на первом этапе фотосинтеза, образуются органические соединения, из которого в дальнейшем синтезируются различные углеводы (сахара), богатые энергией.

Фотосинтез идёт На свету круглый год Из простых минеральных веществ. Солнце свет свой прольёт, Луч на лист упадёт, Чтобы всем подарить кислород. И никак не поймёт наш упрямый народ Что он дышит, ест и живёт, Потому что с утра, лишь приходит пора, Сладкий сок производит листва.

Этапы процесса дыхания 1 этап – газообмен: при участие специальных белков, ускоряющих процесс, происходит распад молекул глюкозы. В итоге из глюкозы образуются более простые органические соединения и выделяется немного энергии (в цитоплазме). 2этап - клеточное дыхание: расщепление сложных органических веществ до углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии (в митохондриях клеток).

Сравнительная таблица процессов фотосинтеза и дыхания Фотосинтез Пункты сравнения Дыхание 1. Только при наличии солнечного света или запасённой солнечной энергии. 1. Время протекания 2. Только зелёные клетки, содержащие хлорофилл. 2. Место протекания 3. Выделяется3. Кислород 4. Поглощается4. Углекислый газ 5. Синтезируется5. Органические вещества 6. Поглощается.6. Энергия

Найдите биологическую ошибку Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из неорганических в хлоропластах листа на свету. Для протекания фотосинтеза необходимы следующие условия: наличие кислорода и воды, зеленых листьев и солнечного света.Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из неорганических в хлоропластах листа на свету. Для протекания фотосинтеза необходимы следующие условия: наличие кислорода и воды, зеленых листьев и солнечного света. В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество – крахмал. Побочным продуктом фотосинтеза является углекислый газ и вода.В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество – крахмал. Побочным продуктом фотосинтеза является углекислый газ и вода.

1. Все живые организмы дышат. 2. Газообмен в листьях происходит через чечевички. 3. Одноклеточные организмы дышат всей поверхностью тела. 4. Устьица - органы дыхания дождевого червя. 5. Водоросли дышат через чечевички. 6. При фотосинтезе выделяется углекислый газ. 7. Растения дышат только в темноте. 8. Кислород расщепляет глюкозу в митохондриях