Фотосинтез. Прошлое и будущее

6.3 Сколько растениям солнца  надо

При слабом освещении чечевички  хлоропластов – этих органов фотосинтеза  – подплывают к обращенным к свету стенкам клеток и располагаются перпендикулярно лучам. Так тонкая аппаратура клетки позволяет улавливать максимум драгоценных солнечных лучей. Иное – на ярком свету. В клетках листьев, попавших под прямой световой поток, хлоропласты очень быстро становятся ребром к свету, разбегаются в стороны и буквально прячутся от солнечных лучей, тесно прижимаясь к боковым стенкам клеток.  Отчего растения страшатся избытка солнечной энергии? Вопрос этот окончательно не решен. Есть подозрение, что в случае малейших повреждении при фотосинтезе находящиеся в возбужденном состоянии молекулы хлорофилла и других пигментов, соединяясь с кислородом, под воздействием мощных световых потоков образуют фотоперикись – сильный яд, производящий разрушения. Сколько солнца надо хлоропласту, листу, растению, посеву?  Чрезмерная загущенность  посева загораживает лучам дорогу вглубь. Солнца не хватает! Убедиться в этом нетрудно. Даем растению достаточное количество воды, удобрений сколько надо, а ему  невмоготу. Повышаем дозу вносимых в почву удобрений, но урожай не увеличивается. Более  того: растения становятся менее стойкими к болезням или, скажем, может произойти их полегание. В чем дело? Достигнут предел урожайности? Нет.  Просто  водоснабжение и минеральное питание перестали быть ограничивающими факторами для фотосинтеза. И чаще всего теперь в этой роли выступает свет, его количество и качество…» Бескрайнее  колышущееся под ветром поле кукурузы. Или золотой ковер пшеничных колосьев. Мы любуемся этой красотой и совершенно не задумываемся о том, какие процессы разыгрываются  в глубинах этих посевах. Для ответа на тысячи вопросов, которые тут могут возникнуть, необходимо было создать специальные приборы. Такие, чтобы они могли измерять спектральный состав радиации в любом самом загущенном участке посева и в то же время не нарушали, не повреждали его структуры. Этим важным делом занимались не только эстонские физики, но и сотрудники Ленинградского электротехнического института (под руководством профессора Б. П. Козырева), и специалисты из Института светотехники     ( их работу  возглавил кандидат технических наук В. С. Хазанов),  и другие ученые и инженеры. Сконструировали исследователи и особые приборы, которые показали, как вдоль стебля растения (по его высоте) изменяется количество поглощенной радиации, температура, влажность и другие характеристики, как меняется густота листвы. Вскоре выяснилось, что глубины посева – это особый мир. Там, внутри растительного покрова, формируется свой микроклимат. Резко (к корням) падает радиация, убывает скорость ветра, а температура и влажность воздуха повышается.                                                                                                                      Ученые столкнулись с проблемами, которые не столь просты. Так, к примеру, было обнаружено, что концентрация углекислого газа в окружающем растения воздухе распределена неравномерно. Ученые-биологи, узнали, что листья, расположенные в верхних ярусах растении, имеют структуру, отличную от структуры листьев нижних ярусов, стелющихся по земле. Физикам стало известно и то, что лучистая энергия не только «кормит» растения. Она также регулирует и саму структуру растений, участвует в их формообразовании. Свет определяет размеры растительных органов (междоузлий, стебля и черенков листьев), характер ветвления (кущения), в какой-то мере форму листа.

 

6.4 Процессы, происходящие в листе.

 

Лист осуществляет три важных процесса – фотосинтез, испарение воды и газообмен. В процессе фотосинтеза в листьях из воды и двуокиси углерода под действием солнечных лучей синтезируются органические вещества. Днем, в результате фотосинтеза и дыхания, растение выделяет кислород и двуокись углерода, а ночью – только двуокись углерода, образующуюся при дыхании.

Большинство растений способно синтезировать хлорофилл при слабом освещении. При прямом солнечном освещении хлорофилл синтезируется быстрее.

Необходимая для  фотосинтеза световая энергия в  известных пределах поглощается  тем больше, чем меньше затемнен лист. Потому у растений в процессе эволюции выработалась способность поворачивать пластину листа к свету так, чтобы на нее падало больше солнечных лучей. Листья на растении располагаются так, чтобы не притеснять друг друга.

Тимирязев доказал, что источником энергии для фотосинтеза  служат преимущественно красные лучи спектра. На это указывает спектр поглощения хлорофилла, где наиболее интенсивная полоса поглощения наблюдается в красной, и менее интенсивное – в сине-фиолетовой части.

В хлоропластах вместе с хлорофиллом имеются  пигменты каротин и ксантофилл. Оба этих пигмента поглощают синие и, отчасти, зеленые лучи и пропускают красные и желтые. Некоторые ученые приписываю каротину и ксантофиллу роль экранов, защищающих хлорофилл от разрушительного действия синих лучей.

Процесс фотосинтеза  слагается из целого ряда последовательных реакций, часть которых протекает с поглощением световой энергии, а часть – в темноте. Устойчивыми окончательными продуктами фотосинтеза являются углеводы (сахара, а затем крахмал), органические кислоты, аминокислоты, белки.  Фотосинтез при различных условиях протекает с разной интенсивностью.

Интенсивность фотосинтеза также зависит от фазы развития растения. Максимальная интенсивность фотосинтеза наблюдается  в фазе цветения.

Обычное содержание углекислоты в воздухе составляет 0,03% по объему. Уменьшение содержания углекислоты в воздухе снижает интенсивность фотосинтеза. Повышение содержания углекислоты до 0,5% увеличивает интенсивность фотосинтеза почти пропорционально. Однако при дальнейшем повышении содержания углекислоты, интенсивность фотосинтеза не возрастает, а при 1% - растение страдает. Растения испаряют или трансперируют очень большое количество воды.

Испарение воды является одной из причин восходящего  тока.

Вследствие испарения воды растением в нем накапливаются минеральные вещества, и происходит полезное для растения понижение температуры во время солнечного нагрева. Иногда трансперация снижает температуру растения на 6^о.

Растение регулирует процесс испарения воды посредством  работы устьиц. Отложение кутикулы или воскового налета на эпидерме, образование его волосков и другие приспособления направлены к сокращению нерегулируемой трансперации.

Процесс фотосинтеза  и постоянное протекающее дыхание  живых клеток листа требуют газообмена между внутренними тканями листа и атмосферой. В процессе фотосинтеза из атмосферы поглощается ассимилируемый углекислый газ и возвращается в атмосферу кислородом.

Применение изотопного метода анализа показало, что кислород, возвращаемый в атмосферу (¹⁶О) принадлежит воде, а не углекислому газу воздуха, в котором преобладает другой его изотоп - ¹⁵О. При дыхании живых клеток (окисление свободным кислородом органических веществ внутри клетки до углекислого газа и воды) необходимо поступление из атмосферы кислорода и возвращение углекислоты. Этот газообмен также в основном осуществляется через устьичный аппарат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В истории исследований фотосинтеза  выделяют несколько основных этапов.

1771-1850 гг. Открытие фотосинтеза  английским ученым Дж. Пристли  и первые исследования по зависимости фотосинтеза от освещения, содержания хлорофилла в листе и наличия СО2в атмосфере (голландский врач Я. Ингенгауз и швейцарские естествоиспытатели Ж. Сенебье, Н. Соссюр).

1850-1900 гг. Работы, связанные с исследованием  энергетики фотосинтеза. Сформулированы основные положения о преобразовании в растении световой энергии в химическую (немецкий врач и физик Ю. Майер), о роли в этом процессе отдельных участков спектра (английский физик Д. Г. Стокс, немецкий ботаник Ю. Сакс). Исследованиями К. А. Тимирязева решен вопрос о зависимости фотосинтеза от лучей различной длины волны и сформулированы представления о фотосинтезе как процессе аккумуляции солнечной энергии.

1900-40 гг. Развитие физиологии фотосинтеза.  В 1906 русский ботаник М. С.  Цвет разработал метод хроматографического разделения и выделения хлорофиллов. Экспериментально обосновано представление о световых (фотохимических) и темновых (ферментативных) стадиях фотосинтеза (английский ученый Ф. Блекман, российский — А. А. Рихтер, немецкий — О. Варбург, американские — Р. Эмерсон, У. Арнольд). Английским исследователем Р. Хиллом в 1939 показано, что изолированные хлоропласты в присутствии искусственного акцептора электронов (феррицианида калия) способны осуществлять транспорт электронов от воды с выделением молекулярного кислорода.

1940-50 гг. На основании анализа  распределения изотопов кислорода  показано, что источником О2, выделяемого  при фотосинтезе, является вода (российские ученые А. П. Виноградов  и М. В. Тейц,1941).

1950-60 гг. Развитие биохимиии фотосинтеза. Обнаружение цитохромов в хлоропластах (Р. Хилл, 1951). М. Калвин, используя метод меченых атомов, выяснил путь углерода при фотосинтезе (Нобелевская премия по химии в 1961). Р. Эмерсон (1957) экспериментально обосновал концепцию о двух фотосистемах. Американский биохимик Д. Арнон открыл в 1954 фотосинтетическое фосфорилирование и провел различия между его циклическим и нециклическим путями. Разработаны основные положения фотохимии пигментов (российские ученые А. Н. Теренин, А. А. Красновский, американский биофизик Е. Рабинович и др.).

С 1960 по настоящее время. Развитие исследований в области биофизики, биохимии, молекулярной биологии, генетики и физиологии фотосинтеза. В 1960 Р. Хилл и Ф. Бендалл сформулировали представление  о Z-схеме фотосинтеза. В 1966 М. Хетч и К. Слэк (и одновременно российский исследователь Ю. С. Карпилов) обнаружили путь С4-дикарбоновых кислот. В 70 гг. разработана теория фотосинтетической продуктивности растений (российский физиолог растений А. А. Ничипорович). Сформулированы представления о надмолекулярных комплексах ФС I, ФС II, bf-цитохромном и АТФ-синтазном комплексах и их локализации в тилакоидных мембранах хлоропластов. Установлена структура реакционного центра — основного компонента фотосинтетического аппарата у пурпурных бактерий (немецкие биофизики И. Дайзенхофер, Х. Михель и Р. Хубер; Нобелевская премия, 1988).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Айкхорн П. И. Современная ботаника. Москва, Просвещение, 1997
2. Артемов А. Энциклопедия биология. Москва, Просвещение, 1995
3. Коган В.Л. Биология. Москва. Просвещение, 1984
4. Медведева В. Ботаника. Москва, Медицина, 1980
5. Пенкин П. Физиология растений, Москва, Просвещение, 1975
6. Питерман И. Интересная ли ботаника? Москва, Просвещение, 1979                                       
7. Челобитько Г. Ботаника. Москва, просвещение, 1990
8. Чирков Ю. Сумма жизни. Москва, Детская литература, 1987

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рецензия

на реферат  «Фотосинтез. Прошлое и будущее»,

написанный  ученицей  10-а класса

МОУ «Средняя общеобразовательная школа №4»

 г. Шадринска  Курганской области

Дрючниной Ольгой.

 

Тема реферата выбрана учащимся совместно с учителем в соответствии с программным материалом, изучамым в старших классах.

Проблемы, раскрываемые в реферате, очень актуальны  в настоящее время не только с биологической или экологической, но и с нравственной точки зрения.

Реферат написан в соответствие с требованиями к реферату. В реферате имеется оглавление, весь материал разделен на главы в соответствии с содержанием.

Каждая глава раскрывает определенные причины, закономерности протекания процесса, значение для жизни на планете.

В реферате раскрыты наиболее актуальные вопросы:

• химизм процесса фотосинтеза
• значение, космическая роль фотосинтеза
• использование данных в практике

В реферате раскрыты основные аспекты проблемы и пути их решения.

Реферат написан доступным языком с использованием необходимой терминологии на достаточно высоком научном уровне.

 В заключении сделан вывод  о причинах, течении и роли  процесса фотосинтеза.

Реферат имеет приложение в виде таблиц, диаграмм, рисунков.

 

 

 

 

Учитель:               Н.А.Шишкина