Джерела вуглецю, азоту та інших елементів для мікроорганізмів. Катаболізм (енергодающіх процеси) і біосинтез або конструктивний метаболізм (енергоспоживаючі процеси). Їх значення і взаємозв'язок у різних мікроорганізмів. Основна функція молекул хлор

При розгляді хімічного складу рослин зазначалося, що вуглець становить майже половину їх сухої речовини. Атоми вуглецю утворюють скелет всіх органічних сполук, а здатність їх вступати в реакцію з іншими елементами обумовлює величезне число цих сполук.

Досліди з водними культурами з великою вірогідністю показали, що переважну частину вуглецю рослини отримують не з грунту. З іншого боку, якщо помістити рослина в атмосферу, очищену від вуглекислого газу, наприклад, під скляний ковпак, в який повітря надходить тільки через шар натронной вапна, то воно почне виявляти ознаки голодування. Це свідчить про те, що переважну частину потреби в вуглеці рослини покривають за рахунок вуглекислого газу атмосфери, що становить 0,03% загального обсягу повітря.

Добування рослиною з вуглекислого газу повітря потрібного їм для
побудови свого тіла вуглецю один з найважливіших

процесів в житті рослини і всього органічного світу. Тварини і чоло
вік не можуть засвоювати вуглець безпосередньо з вуглекислого газу і
для харчування вживають вже вироблені рослиною органічні з-
єднання.

Організми, що використовують для харчування вуглекислий газ повітря, називаються автотрофними. Організми, які не здатні засвоювати вуглекислий газ повітря і харчуються за рахунок органічних речовин, вироблених іншими живими істотами, називаються гетеротрофних. Крім тварин до них належать незеление рослини - гриби, бактерії, деякі вищі рослини та ін.

Для того щоб рослина могла використовувати вуглекислий газ повітря, необхідні цілком певні умови: світло і наявність хлорофілу. Процес утворення органічних речовин з неорганічних - вуглекислого газу і води, що відбувається в зелених рослинах на світлі, називається фотосинтезом, або асиміляцією. Його можна виразити таким схематичним рівнянням:

Фотосинтез - це окислювально-відновний процес: від молекули води віднімається водень (окислення), який відновлює молекулу СО 2. Дослідження радянських (А. Н. Виноградов, Р. В. Тейс) і американських (С. Рубен, М. Камен і ін.) Вчених показали, що вільний кисень виділяється з молекули води, а не з молекули вуглекислого газу, як це вважалося раніше. Своєрідність фотосинтезу полягає в тому, що він, на відміну від переважної більшості інших процесів, йде зі збільшенням вільної енергії системи. Поглинена пігментами сонячна енергія не витрачається, а накопичується в продуктах реакції в формі потенційної хімічної енергії.

ЛИСТ ЯК ОРГАН ФОТОСИНТЕЗУ.

ХЛОРОПЛАСТИ

Вуглекислий газ засвоюється в зелених пластидах клітини - хлоропластах. Отже, щоб послужити матеріалом для синтезу вуглеводів, вуглекислий газ повинен бути поглинений клітинами, що містять хлоропласти. Такі клітини складають основну масу листа - мезофіл. Зверху лист покритий епідермою і кутикулою, мало проникною для газів. Основний шлях, по якому вуглекислий газ проникає всередину листа, - продихи. Хоча площа устьічних отворів, навіть коли вони повністю відкриті, становить незначну частину всієї листової поверхні (не більше 1%), дифузія газу через них, відповідно до законів фізики (закон Стефана), йде з великою швидкістю і епідерміс не представляє майже ніякої перешкоди для проникнення вуглекислого газу всередину листа. Мезофіл листа зазвичай складається з палісадні (столбчатой) і губчастої паренхіми. Палісадна паренхіма розташована на верхній стороні листа і складається з щільно прилеглих один до одного клітин, витягнутих перпендикулярно до поверхні листа і багатих хлоропластами. Цю тканину можна розглядати як асиміляційну переважно. Форма палісадних клітин сприяє відтоку продуктів асиміляції. Нижні кінці клітин примикають до особливих збирає клітинам, які в свою чергу сполучаються з провідними пучками. Завдяки цьому встановлюється постійний струм асимілятів з листя в інші органи рослини. Губчаста паренхіма знаходиться ближче до нижньої епідерми. Клітини її розташовані пухко і містять значно менше хлоропластів. Вважають, що ця тканина полегшує провітрювання листа. Досягнувши поверхні хлорофілоносних клітин, вуглекислий газ розчиняється в водe, яка завжди просочує їх стінки. Потім вже в вигляді Н2СОз він дифундує крізь стінку, проникає в цитоплазму і досягає зелених пластид, якими поглинається.

Загальна поверхня хлоропластів величезна. Так, в листі бука вона приблизно в 200 разів перевищує його площа і у столітнього дерева досягає 2 га. Це значно полегшує рослинам добування вуглекислого газу з повітря. Хлоропласти складаються з білково-ліпідної строми і пігментів, легко витягають органічними розчинниками. Найважливіший з пігментів - хлорофіл. Крім хлорофілу, хлоропласти містять жовті пігменти - каротиноїди (каротин і ксантофилл). Хлорофіл виконує функцію поглинання світлової енергії і переносить її на відновлення вуглекислоти, а також хімічно бере участь в цьому процесі. Однак він функціонує тільки в поєднанні зі стромою. Строма є носієм ферментів, які беруть участь в складних реакціях фотосинтезу. В стромі з продукту фотосинтезу - цукру виробляється крохмаль (первинний або асиміляційні). Якщо затінити окремі ділянки листа, то на світлому тлі виходять темні фігури (проба Сакса).

РНС. . Виявлення первинного крохмалю за допомогою проби Сакса. А-лист, частково затінений; Б - лист після обробки спиртом і йодом

За хімічною природою хлорофіл - складний ефір дикарбонової кислоти - хлорофіліну і двох спиртів - метилового і фитола р. Хлорофіл містить чотири з'єднаних між собою залишку пиррола, які утворюють порфириновой кільце, центральний атом якого - Mg. За будовою хлорофіл дуже близький до барвника крові - гему. До його складу також входить порфириновой кільце, проте в центрі розташований атом Fe. Ця схожість було показано Ч. ​​В. Ненцкого і польським вченим Л. Мархлевським. К. А. Тімірязєв ​​вважав встановлення цього подібності чи не найбільшим відкриттям в області хімічного вивченняхлорофілу.

Дослідження багатьох сотень найрізноманітніших видів вищих рослин показало, що хлорофіл у них абсолютно однаковий. Загальна кількість хлорофілу в рослинах становить близько 1% від сухої ваги. Хлорофіл в хлоропластах знаходиться не у вільному вигляді, а пов'язаний з білком, утворюючи хлороглобін.

Для утворення хлорофілу в рослинах необхідно кілька цілком певних умов: присутність пропластид, здатних до позеленіння, світла і солей заліза.

Країни, що розвиваються в темряві рослини мають жовтий колір. Вони називаються етіолірованнимі. Якщо їх виставити на світло, вони швидко зеленіють. Вважають, що вони містять особливу речовину, зване протохлорофилла, _образуюшееся в.темноте_і_ під впливом света_легко_ перетворюється в хлорофіл.

Якщо вирощувати рослини при повній відсутності солей заліза, то вони теж будуть блідо-жовтого кольору і швидко гинуть від виснаження. Це явище називається хлорозом. Оскільки залізо не входить до складу хлорофілу, вважають, що воно служить специфічним каталізатором, без якого не здійснюються якісь підготовчі стадії позеленіння. Хлороз часто спостерігається в природі, особливо у рослин, що ростуть на грунтах, багатих вапном.

Крім того, у рослин іноді спостерігається явище альбінізму - нездатність утворювати хлорофіл навіть за найсприятливіших для цього умовах.

УЧАСТЬ пігментів У поглинання світла. РОБОТИ К. А. ТІМІРЯЗЕВА

Хлорофіл має виборчим поглинанням світлової енергії. Найбільш інтенсивно поглинання відбувається в червоних променях спектра (довжина хвилі від 650 до 680 ммк) і синьо-фіолетових (довжина хвилі близько 470 ммк). Зелені промені і частина червоних чи не поглинаються, вони і надають хлорофілу смарагдово-зелений колір. Жовті пігменти - каротин і ксантофилл - поглинають світло в зеленого і синього частинах спектра.

Енергетична сторона процесу фотосинтезу глибоко розкрита і роз'яснена в роботах К. А. Тімірязєва. Він показав, що фотосинтез здійснюється тільки в променях спектра, що поглинаються хлорофілом. Подальші дослідження повністю підтвердили це положення. Процес фотосинтезу в різних частинах спектра йде неоднаково. К. А. Тімірязєв ​​показав, що максимум асиміляції доводиться на червоні промені, які несуть максимум енергії і найповніше поглинаються хлорофілом. У синьо-фіолетових променях асиміляція йде слабкіше, так як вони несуть менше енергії. Питанню про значення в фотосинтезі окремих частин спектра К. А. Тімірязєв ​​надавав велике принципове значення. До нього панувала думка, що світло служить тільки подразником. Цієї точки зору дотримувалися і сучасники К. А. Тімірязєва німецькі вчені Ю. Сакс і В. Пфеффер. К.А. Тімірязєв ​​показав, що світло є джерелом енергії і необхідний для фотосинтезу.

На порушення однієї молекули хлорофілу потрібно один квант, тому в червоних променях, що несуть велике число дрібних квантів, більше число його молекул перейде в збуджений стан

Крім виборчого поглинання світлової енергії, хлорофіл має властивість флуоресценції: у відбитому світлі він здається криваво-червоним, так як відображає поглинені промені зі зміною довжини їх хвилі. Це вказує на значну фотохимическую активність хлорофілу. Коефіцієнт поглиненої променевої енергії в фотосинтезі надзвичайно нізок- 1% - 5%, рідко до 10%. Велика частина переходить в теплову енергію, Або підвищує температуру і розсіюється в навколишньому просторі.

хімізм ФОТОСИНТЕЗУ

Незважаючи на простоту сумарного рівняння фотосинтезу, цей процес відрізняється надзвичайною складністю. Це обумовлюється складністю вуглеводної молекули, яка не може відразу виникнути з таких простих речовин, Як СО 2 і Н 2 О; труднощами окислення і відновлення цих міцних з'єднань; участю в реакціях світлової енергії. Дослідження показали, що фотосинтез включає не тільки кілька фотохімічних реакцій, а й ряд ферментативних, так званих темнова реакцій.

Використання методів мічених атомів (ізотопів С, Р, О, N), розділової хроматографії на папері, електрофорезу, ионообменной

Мал. 134. Цикл фотосинтетических перетворень вуглецю по Кальвінові

очищення і поділу і деяких інших дозволило виявити хімізм фотосинтезу.

Поруч робіт встановлено, що першим етапом засвоєння вуглекислоти
є приєднання СО 2 до якогось акцептору (речовини, воспр-
Німа, приєднується інша речовина), карбоксілірова-

R Н + СО 2 _ → R СООН.

Таким чином, фотосинтетичний відновленню піддається карбон не вуглекислого газу, а карбоксильної групи. Широкі дослідження щодо з'ясування природи первинних акцепторів і шляхів фотосинтетичного перетворення вуглецю були проведені американським вченим Кальвіном і його співробітниками. Схема фотосинтетических перетворень вуглецю, по Кальвінові, представлена ​​на рис. 134. Він вважає, що процес фотосинтезу носить циклічний і розгалужений характер: одна гілка цього циклу веде до утворення прямих стійких продуктів фотосинтезу - вуглеводів, інша має циклічний характер і призводить до утворення акцептора СО2 - рібулезодіфосфата, який залучає до фотосинтетичний цикл все нові і нові молекули СО 2.

Поряд з цими складними перетвореннями вуглецю за рахунок енергії світла утворюються багаті енергією органічні сполуки фосфору, в. Зокрема аденозинтрифосфат (АТФ). Цей процес називається фотосинтетичним фосфорилуванням:

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Енергія макроергічних (багатих енергією, ~) фосфатних зв'язків АТФ йде на відновлювальні процеси. При гідролізі макроергічних зв'язків звільняється 7000-16 000 кал на грам-молекулу.отщепленного фосфату.

До світлових реакцій фотосинтезу відноситься:

1) розкладання води (активоване хлорофіл + 2Н 2 О-неактивні хлорофіл + + 4Н + 2О),

2) фотосинтетичне фосфорилирование,

3) синтез амінокислот і білків.

До темповим реакцій фотосинтезу відносяться:

1) фіксація СО2 акцептором,

2) перенесення активного водню на з'єднання, в якому фіксована молекула СО 2,

3) відновлення акцептора СО2,

4) освіту Сахаров.

Наведене опис фотосинтетичного перетворення вуглецю далеко не вичерпує всієї складності цього процесу. Зокрема, вважають, що акцептором СО2 може бути не тільки рібулезодіфосфат, а й інші сполуки.

МІНЕРАЛЬНЕ ХАРЧУВАННЯ РОСЛИН

РЕЧОВИНИ, ОТРИМУВАНІ РОСЛИНАМИ З ГРУНТУ

Немає жодного елемента, який б не був виявлений в рослинах. Елемент може бути випадковою домішкою і накопичуватися в рослинах у великих кількостях, або ж перебувати в ньому в мізерно малій кількості, але безумовно необхідний. Встановлено, що рослина може успішно розвиватися, якщо в живильному розчині знаходиться лише сім елементів: К, Са, Mg, S, Fe, N і Р. Це думка трималося в науці більше 50 років, але було встановлено, що багато інших елементів відіграють важливу роль в житті рослин. Було встановлено, що для нормального росту і розвитку рослин необхідні в мізерно малих кількостях Mg, Zn, Cu, Al, I, Md і ін.

Отримувані рослинами з грунту речовини за хімічною природою можна розділити на дві групи: металоїди і метали.

Металоїди надходять в рослини у вигляді аніонів відповідних солей. Вони необхідні для утворення органічних речовин. Метали надходять в рослини у вигляді катіонів. Вони знаходяться в клітинах у вільному стані або слабо зв'язаної і служать регуляторами життєвих процесів. Наприклад, магній входить до складу хлорофілу, залізо і мідь-ферментів і т, д.

металоїди

Азот. Надходить в рослину у вигляді аніонів NO3 і NO2, так і вигляді катіона NН4. Його значення в житті рослин дуже велике.

Фосфор сприймається рослинами у вигляді аніонів солей фосфорної кислоти РО4 .У білкові молекули він входить в тій же окисленої формі. У рослинах утворюються складні ефіри фосфорної кислоти і фосфатиди які є необхідною складовою цитоплазми як і білки. Фосфор варто в центрі всього енергетичного обміну клітини. Вітаміни і деякі ферменти виявляють свою дію лише в поєднанні з фосфорною кислотою.

При розкладанні рослинних залишків фосфорна кислота вивільняється у вигляді неорганічних солей і може знову використовуватися рослинами.

Сірка засвоюється лише у вигляді аніону сірчаної кислоти SO4, джерелом її служать розчинні солі. Використовується для синтезу білка за рахунок продуктів фотосінтеза- вуглеводів, входить до складу гірчичного і часниковий масел, бере участь в диханні і зростанні.

При перегнивання рослинних залишків сірка отщепляется від білкової молекули у вигляді сірководню, який не засвоюється рослинами і дуже отруйний для коренів. У придатну форму він переводиться серобактериями, окислюючими сірководень і сірчану кислоту.

Калій міститься в клітинах меристеми і молодих органах. Багато калію в коренеплодах, бульбах, крохмалистих насінні. Калій володіє великою рухливістю. Зі старих, відмерлих органів пересувається в молодші життєдіяльні частини рослини (реутилізацію). Калійні добрива майже завжди сприятливо впливають на врожайність сільськогосподарських культур.

Натрій присутній в золі рослин часто у великих кількостях, проте особливого значення для життєдіяльності не має і може бути виключений з живильного розчину. Тільки голофіти- рослини, властиві засоленим грунтів, краще ростуть в присутності солей натрію. З культурних рослин до цього типу належать цукрові буряки, дикий предок якої виростає на засолених грунтах Середземного моря.

Магній міститься переважно в молодих органах і насінні (до 10-15% золи). Фізіологічна дія його близько до дії калію. Магній входить до складу деяких металоорганічних сполук, зокрема хлорофілу, він може активізувати дію деяких ферментів. Вплив магнію залежить від складу грунту. Різко відгукуються на внесення магнезіальних добрив рослини, що ростуть на легких піщаних і супіщаних грунтах.

Кальцій необхідний для росту молодих тканин. Він входить до складу цитоплазми структур і ядер. З'єднання кальцію з пектинові речовини становлять основу серединних пластинок, що склеюють стінки клітин один з одним. Багато ферменти активні лише в присутності іонів кальцію. Він сприяє збільшенню в'язкості цитоплазми і впливає на надходження речовин в клітину. Одна з важливих функцій кальцію - нейтралізація щавлевої кислоти, що утворюється як побічний продукт обміну речовин. При відсутності кальцію спостерігається різке пригнічення кореневої системи, Особливо багато кальцію в старих органах.

Мікроелементи

Мікроелементи необхідні рослинам в мізерно малих кількостях і в великих дозах стають отруйними.

Залізо бере участь в утворенні хлорофілу як каталізатор. Воно входить до складу окислених ферментів, відіграє надзвичайну роль в процесі дихання. Можливо залізо бере участь в процесі фотосинтезу і окислювально-відновлювальних процесах в клітці як переносник електронів.

Цинк входить до складу деяких ферментів. При відсутності цинку спостерігається пригнічення росту молодих проростків, захворювання цитрусових і тунга.

Марганець активізує роботу багатьох ферментів, відіграє велику роль у відновленні нітратів в рослині, впливає на окислювально-відновлювальні процеси перетворення заліза. Для нормального росту рослинам необхідно мізерно мале кількості марганцю, тому внесення марганцевих добрив не завжди дає позитивний результат. Чуйні на такі добрива цукровий буряк, бавовник, тютюн та інші культури.

Бор при його нестачі у рослин відмирають точки росту., Порушується розташування елементів ксилеми і флоеми і повна втрата ними провідності. Бор сприятливо впливає на цвітіння і плодоношення. Борні добрива необхідні на вапняний грунтах. Дуже чуйні на ці добрива цукровий буряк, бобові трави. При підвищених концентраціях він пригнічує дію на рослини.

Мідь впливає на окислювально-відновлювальні систему, входить до складу ряду ферментних систем.

При нестачі того чи іншого елемента у рослин спостерігаються певні симптоми ушкоджень, за якими можна визначити, якого елемента не вистачає. Так, хлороз листя показує на брак заліза, відмирання корней- недолік кальцію, відмирання точок росту на недолік бору. Однак така діагностика вловлює далеко зайшла форму голодування, яку внесенням добрив вже не виправити.

ПЕРЕСУВАННЯ РЕЧОВИН В РОСЛИНИ.

ВОДНИЙ РЕЖИМ РОСЛИН. ДІЯ НА РОСЛИНИ ВИСОКИХ І НИЗЬКИХ ТЕМПЕРАТУР

ДВА СТРУМУ РЕЧОВИН У рослині

Існування організму рослини як єдиного цілого, фізіологічна взаємозв'язок окремих органів, розташованих в неоднакових фізичних середовищах і виконують різні функції, можливі лише за умови пересування мінеральних і органічних речовин.

Факт пересування речовин в рослині за двома напрямками був встановлений ще в 1679 р Мальпігі шляхом кільцювання. Якщо видалити зі стебла ділянку кори у вигляді кільця, то листя на ньому залишаються живими і не виявляють жодних ознак завядания, а плоди бувають навіть більше, ніж на НЕ окільцьованих гілках. Це показує, що пересування води і мінеральних речовин з грунту здійснюється по деревині (ксилеме). Цей струм речовин був названий висхідним. У верхнього ж краю кільцевого вирізу відбувається застій поживних речовин і розростання тканин кори у вигляді напливу. Якщо наплив не відновить віддалену частину кори, то коріння відмирають від виснаження і вся рослина гине. Значить, пластичні речовини з листків в корінь пересуваються по корі (в основному по флоеме). Цей струм речовин був названий низхідним.

Дуже довго в науці трималося думка, що по флоеме пересуваються тільки органічні речовини, а по ксилемі - тільки вода і мінеральні речовини. Однак дослідження останніх роківіз застосуванням методу мічених атомів показали, що по флоеме можуть пересуватися не тільки органічні, але і мінеральні речовини. В основному це калій, фосфор, частково кальцій. Причому ця міграція може здійснюватися в будь-якому напрямку. Після того як було доведено, що в корені теж синтезуються органічні речовини, стало ясно, що і по ксилемі вгору пересуваються не тільки мінеральні, але й органічні речовини. Крім того, встановлено, що мінеральні та органічні речовини з кореня можуть підніматися вгору по флоеме.

Закони, що керують пересуванням органічних речовин, до сих пір вивчені мало. Дослідження показали, що швидкість пересування органічних речовин у багато разів більше швидкості дифузії, що провідні пучки відрізняються дуже інтенсивним диханням і що клітини флоеми здатні не тільки проводити органічні речовини, але і піддавати їх різним перетворенням. Це дозволило зробити припущення, що органічні сполуки переміщаються по флоеме не внаслідок пасивного перетікання розчинів або дифузії, а в результаті якихось обмінних реакцій, безперервно відбуваються в сітовідних трубках між цитоплазмою і пересуваються молекулами.

ПЕРЕСУВАННЯ ВОДИ У рослині

Шлях, який проходить вода в рослині, ділиться на дві частини: 1) по живих клітин від кореневого волоска до судин центрального циліндра кореня і від сусідів листа до клітин мезофіла, випаровують воду в межклетники; 2) по мертвим клітинам провідної системи - судинах і трахеїдів.

Шлях води по живих клітин обчислюється міліметрами, проте він представляє великі труднощі, так як при переході від однієї клітини до іншої вода зустрічає значний опір, тому цим способом вода не може передаватися на великі відстані. Більшу частину шляху вода проходить по мертвим, порожнім, витягнутим в довжину клітин - трахеїдів або ж по порожнистим трубках - судинах.

Поглинання води і її переміщення вгору здійснюється в результаті спільної дії наступних факторів: кореневого тиску (нижній кінцевий двигун), транспірації (верхній кінцевий двигун), сил зчеплення молекул води.

Рідина, що випливає при плачі рослин, називається ПАСОК. Хімічний склад її непостійний. Навесні, коли відбувається гідроліз запасних вуглеводів, вона багата цукрами, органічними кислотами і містить мало мінеральних речовин. Виділення крапельно-рідкої води може відбуватися і через листя, через особливі водяні продихи - гідатоди Це явище отримало назву гуттаціі. Гутація відбувається в помірно теплій і вологій, насиченою водяними парами атмосфері, коли виникає диспропорція між надходженням води і її випаровуванням. Найбільш часто вона зустрічається у рослин тропічній та субтропічній зон і іноді відбувається з такою силою, що створює враження дощу. З рослин помірної зони активно гуттіруют верба, картопля, гречка та ін. Плач рослин і гутація не є тільки осмотическими процесами, так як вони припиняються при дії на коріння речовинами, які інгібують дихання. Перш ніж потрапити в посудину кореня, вода, поглинена кореневих волоском, повинна пройти шлях по живих клітин коровою паренхіми. Згідно Д. А. Сабінін, така одностороння ток води можливий тільки при розходженні в обміні речовин в різних частинах клітини, при якому на одному полюсі клітини утворюється більше тургорогенних речовин, ніж на іншому, а отже, виникають більше осмотичний тиск і велика сосущая сила. Надходження води з клітин у судини відбувається внаслідок того, що розчин, що знаходиться в судинах, має більшу смокче силою, ніж прилеглі клітини. Судини - це мертві клітини без цитоплазми і їх сосущая сила дорівнює всій величині осмотичного тиску розчину (S = P), в той час як в живих клітинах існує ще тургорное тиск і S = P-Т. Вода, що знаходиться в судинах і трахеїдів, має вигляд тонких ниток, які своїми нижніми кінцями впираються в паренхімні клітини кореня, а верхніми - як би підвішені до випаровуючий клітинам листа. Для того щоб вода пересувалася вгору, необхідно, щоб випаровують клітини мали достатню смокче силою, яка тим більше, чим сильніше випаровування. У клітинах листя деревних рослин вона досягає 10- 15 атм.

Однак, як показав російський вчений Е. Ф. Вотчал, підняття води на велику висоту по судинах можливо лише за умови існування безперервних водних ниток, яке забезпечується силами зчеплення молекул води між собою і зі стінками судин. Сила зчеплення досягає 300-350 атм.

ТРАНСПІРАЦІЯ

Випаровування води рослиною не тільки чисто фізичний, але і фізіологічний процес, так як на нього великий вплив мають анатомічні та фізіологічні особливості рослини. Цей процес називається трінспіраціей.

Випаровування води в листі відбувається з поверхні клітин мезофіла, За обчисленнями Террел, ця поверхня у рослин помірно вологих місць існування в 12-19 разів перевищує зовнішню поверхню листя, а у рослин посушливих місцезростань - в 17-30 разів. Пароподібна вода потрапляє в межклетники і через устьічниє щілини дифундує назовні. Така транспирация називається устьичной. Площа устьічних щілин становить близько 1% загальної площі листа. Однак, як вже зазначалося щодо дифузії газу при фотосинтезі, дифузія пари через продихи йде з тією ж швидкістю, з якою вона йшла б за відсутності епідерми. Одна з найважливіших особливостей устьічного апарату - здатність відкривати і закривати устьічниє отвори. Стінка замикаючих клітин має неоднакову товщину: частина стінки, що примикає до щілини, значно потовщена, в той час як інша частина стінки залишається тонкою. Це призводить до того, що при насасиваніі води тонка зовнішня частина стінки розтягується значно більше, ніж товста, кривизна клітин збільшується, і щілина розкривається. При зменшенні обсягу замикає клітини тонка стінка розпрямляється, і щілина закривається. В основі процесу, що обумовлює зміну тургору в замикаючих клітинах, лежить перетворення крохмалю в цукор і назад, яке викликається зміною ходу ферментативних реакцій. Великий вплив на відкривання продихів

Мал. 143. Зміна транспірації в залежності від зміни основних метеорологічних показників протягом дня:

/ - спільна сонячна радіація, 2 - дефіцит насичення, 3 - температура, 4 - інтенсивність

транспірації

надає світло. На світлі продихи закриваються лише з великими труднощами. Це фотоактивного відкривання продихів носить пристосувальний характер: через продихи проникає в лист вуглекислий газ і для процесу фотосинтезу необхідно, щоб продихи були відкриті в світлі години доби. Користуючись різними методами, можна простежити за ходом устьічних рухів протягом доби. У ясну не надто спекотну і суху погоду у більшості рослин устьічниє щілини відкриваються на світанку, найбільш широко вони розкриті в ранкові години, до полудня вони починають звужуватися і закриваються дещо раніше заходу сонця. У суху і жарку погоду устьічниє щілини до полудня закриваються повністю, а до вечора знову відкриваються. У різних рослин продихи поводяться неоднаково. Так, у картоплі, капусти та деяких інших рослин продихи зазвичай відкриті цілодобово, у хлібних злаків продихи на ніч закриваються. Більшість рослин в цьому відношенні займає проміжне положення. Рух устьічного апарату в залежності від зовнішніх умов досить складні і не завжди піддаються обліку.

Поряд з устьицами в випаровуванні води бере участь і вся поверхня листя, незважаючи на те, що вона покрита кутикулою. Ця форма транспірації називається кутікулярной. У дорослих листя кутікулярная транспирация в 10-20 разів слабкіше, ніж устьичная.

Транспірація в такому значенні: 1) створює безперервний потік води, 2) полегшує пересування мінеральних речовин від кореня до листя, 3) захищає листя від перегріву.

Кількість води, яка рослина пропускає через себе, величезна. Одна рослина соняшника чи кукурудзи за вегетаційний період випаровує більше 200 кг води.

Транспірація залежить від метеорологічних умов: температури повітря, світла, вітру, дефіциту насичення повітря парами води, а також від кількості води в рослині. В результаті виходять ті складні криві, які характеризують добовий хід цього процесу в природі (рис. 143). Досліди показали, що для нормального розвитку рослини не потребують тій величезній кількості води, яке вони втрачають в природних умовах і що транспирация дуже часто може бути скорочена з користю для них. Так, найбільш пишне розвиток рослин спостерігається у вологому тропічному кліматі, де вологість ґрунту і повітря дуже високі. В оранжереях рослини ростуть краще, якщо підтримувати вологість на максимально високому рівні. Навіть в польовий культурі застосовують освіжні поливи дощуванням з метою підвищення вологості повітря і зниження транспірації.

ВОДНИЙ БАЛАНС РОСЛИН

Рослини, що живуть на суші, повинні підтримувати цитоплазму клітин в досить насиченому водою стані. Тому вони мають ряд особливостей у своїй будові, які, з одного боку, забезпечують зниження кількості втрачається води (кутикула, що покриває всі надземні частини, восковий наліт, волоски і т. Д.), А з іншого - швидку подачу води з грунту до листів (потужна коренева система, добре розвинена провідна система і т. д.). У той же час, щоб успішно йшов процес фотосинтезу, необхідний тісний контакт хлорофілоносних клітин з навколишньою атмосферою. Це призводить до безперервного випаровуванню води клітинами, яке посилюється нагріванням листа внаслідок поглинання хлорофілом сонячної енергії, також необхідної для фотосинтезу. Це глибоке внутрішнє протиріччя між вуглецевим живленням і водним режимом К. А. Тімірязєв ​​назвав «необхідним злом», так як в умовах посухи може привести до загибелі рослини. Це протиріччя кладе глибокий відбиток на будову рослин і на всю їх життєдіяльність.

Одне з найважливіших умовнормального функціонування вищих наземних рослин - зведення водного балансу, т. е. співвідношення між приходом і витратою води, без тривалого і глибокого дефіциту. У помірно вологі і не дуже спекотні дні ця умова витримується. Але в ясні літні днідо полудня транспирация настільки збільшується, що виникає водний дефіцит, який при достатній вологості грунту досягає 5-10%, а при нестачі вологи в грунті зростає до 25% і більше. Це цілком нормальне явище. Подальшого збільшення водного дефіциту перешкоджає здатність рослин під впливом втрати води регулювати свою транспирацию в досить широких межах.

Однак ця регуляція має свої межі і при значному зростанні транспірації і иссушении грунту настає різке порушення водного балансу, яке зовні виражається в завядания. При цьому клітини втрачають тургор, листя, і молоді пагони повисають вниз. Завядает ще не означає втрату рослиною життєдіяльності. Якщо рослина своєчасно забезпечити водою, то тургор відновлюється. Розрізняють два типи завядания рослин: тимчасове і тривалий. Перше спостерігається при сильному зростанні транспірації, коли надходить з грунту вода не встигає покривати її витрату. При цьому листя, найбільше витрачають воду, втрачають тургор і в'януть, а інші органи рослини містять ще достатня кількість води. При ослабленні транспірації, наприклад до вечора, водний дефіцит зникає і рослина оговтується без додаткового зволоження грунту. Великої шкоди рослинам тимчасове завядание не приносить, але все ж знижує врожай, так як призупиняє фотосинтез і ріст. Тривале завядание спостерігається, коли грунт не містить достатньої кількості доступної для рослин води. При цьому водний дефіцит за ніч не зникає, і до ранку: рослини виявляються не цілком насиченими водою і не в змозі нормально функціонувати. У цих умовах тургор поступово падає у всіх органах рослини, аж до кореневих волосків, так як зів'ялі листя, володіючи великою смокче силою, відтягують від них воду. Кореневі волоски відмирають, тому навіть при рясному поливі рослини відновлюють колишню швидкість водопостачання тільки через кілька днів, коли утворюються нові кореневі волоски. Дослідження Н. А. Максимова, Н. М. Сисакяна та інших показали, що завядание викликає глибокий вплив на стан біоколлоідамі клітини, яке веде до порушення обміну речовин. Процеси гідролізу посилюються, синтетичні процеси затримуються. Це відбивається на всіх фізіологічних функціях рослини - фотосинтезі, диханні, пересуванні речовин, зростанні та т. Д. Урожай падає, зерно виходить щуплим. Тривале завядание викликає незворотні зміни, і клітини в кінці кінців відмирають навіть при відновленні водопостачання. У той же час завядание - вельми дієвий спосібзатримати транспирацию в найбільш небезпечні для рослини періоди. В зів'ялих стані втрата води рослиною в 5-10 разів менше, ніж в сприятливому періоді.

У різних рослин завядание настає при втраті неоднакового кількості води. Так, соняшник і картопля не в'януть при втраті 25-30% води, а інші рослини, особливо тіньові, завядают вже при втраті 2-3% води. Співвідношення між добуванням і витратою води залежить від багатьох факторів. Це обумовлює надзвичайна різноманітність типів наземних рослин по відношенню до водного режиму.

ДІЯ НА РОСЛИНИ НЕСТАЧІ ВОЛОГИ

І ВИСОКИХ ТЕМПЕРАТУР.

Посухостійкість іжаростійкі

Засуха - це різке прояв нестачі вологи, що приводить до порушення водного режиму рослин. Засуха буває атмосферна і грунтова. Атмосферна посуха характеризується високою температурою і малою відносною вологістю повітря (10-20%). Вона призводить до в'янення рослин. Супровідний атмосферну посуху висока температура повітря викликає сильне нагрівання рослин. Великі пошкодження рослинам завдають суховії - дуже сухі гарячі вітри. При цьому висихає і відмирає значна частина листя. При атмосферної посухи коренева система залишається неушкодженою. При великій тривалості атмосферна посуха викликає висушування грунту - грунтову посуху. Вона більш небезпечна для рослини, оскільки призводить до тривалого завядания. Вже зазначалося, що завядание рослин порушує обмін речовин і значно знижує врожайність.

Різні частини рослин реагують на посуху неоднаково. Так, зменшення вмісту води в листі призводить до підвищення їх сили, що смокче, і вони починають відсмоктувати воду від конусів наростання стебла, бутонів і плодів, що зав'язалися. Це викликає загибель квіток або їх стерильність, освіту щуплого зерна - захоплення. Верхні листки довше зберігають свою життєдіяльність при посухи, ніж нижні, так як відтягують від них воду. Ця особливість верхнього листя пояснюється тим, що вони знаходяться в умовах кілька утрудненого водос

Зміст статті

ЦИКЛ ВУГЛЕЦЮ,круговорот вуглецю, - циклічне переміщення вуглецю між світом живих істот і неорганічним світом атмосфери, морів, прісних вод, грунту і скель. Це один з найважливіших біогеохімічних циклів, що включає безліч складних реакцій, в ході яких вуглець переходить з повітря і водного середовища в тканини рослин і тварин, а потім повертається в атмосферу, воду і грунт, стаючи знову доступним для використання організмами. Оскільки вуглець необхідний для підтримки будь-якої форми життя, будь-яке втручання в кругообіг цього елемента впливає на кількість і різноманітність живих організмів, здатних існувати на Землі.

Джерела і резерви вуглецю.

Основне джерело вуглецю для живих організмів - це атмосфера Землі, де даний елемент присутній у вигляді діоксиду вуглецю (вуглекислого газу, СО 2). Протягом багатьох мільйонів років концентрація СО 2 в атмосфері, мабуть, суттєво не змінювалася, складаючи бл. 0,03% ваги сухого повітря на рівні моря. Хоча частка СО 2 невелика, його абсолютне кількість справді величезне - ок. 750 млрд. Т. В атмосфері СО 2 переноситься вітрами як у вертикальному, так і в горизонтальному напрямках.

Діоксид вуглецю присутній у воді, де він легко розчиняється, утворюючи слабку вугільну кислоту Н 2 СО 3. Ця кислота вступає в реакції з кальцієм і іншими елементами, утворюючи мінерали, звані карбонатами. Карбонатні породи, наприклад вапняк, знаходяться в рівновазі з діоксидом вуглецю, який міститься в контактує з ними воді. Аналогічним чином кількість СО2, розчиненого в океанах і прісних водах, визначається його концентрацією в атмосфері. Загальна кількість розчинених і осадових вуглецевмісних речовин оцінюється приблизно в 1,8 трлн. т.

Вуглець в поєднанні з воднем і іншими елементами є одним з основних компонентів клітин рослин і тварин. Наприклад, в організмі людини він становить бл. 18% маси тіла. Численність і дуже широке поширення живих організмів не дозволяють задовільно оцінити загальний вміст в них вуглецю. Можна, однак, приблизно оцінити сумарну кількість вуглецю, який пов'язують рослинами, а також виділяється в процесі дихання рослин, тварин і мікроорганізмів. Встановлено, що зелені рослини поглинають в рік бл. 220 млрд. Т CO 2. Майже така ж кількість цієї речовини виділяється у неорганічне середовище в процесі дихання всіх живих організмів, а також в результаті розкладу і згоряння органічних речовин.

При певних умовах розкладу і згоряння створених живими організмами речовин не відбувається, що веде до накопичення вуглецевмісних сполук. Так, наприклад, деревина живих дерев може бути на 3-4 тисячоліття надійно захищена від мікробного розкладання і від пожежі корою, здатної протистояти дії мікробів і вогню. Деревина ж, що потрапила в торф'яне болото, зберігається ще довше. В обох випадках пов'язаний в ній вуглець виявляється як би в пастці і надовго виводиться з кругообігу. В умовах, коли органічна речовина виявляється похованим і ізольованим від впливу повітря, воно розкладається тільки частково і що міститься в ньому вуглець зберігається. Якщо згодом протягом мільйонів років ці органічні залишки піддаються тиску вищерозміщених відкладень і нагрівання за рахунок земного тепла, значна частина його перетворюється в викопне паливо, наприклад в кам'яне вугілля чи нафту. Викопне паливо утворює природний резерв вуглецю. Незважаючи на інтенсивне його спалювання, що почалося з 1700-х років, невитраченими ще залишаються приблизно 4,5 трлн. т.

Фотосинтез.

Основний шлях, за допомогою якого вуглець зі світу неорганічного переміщається в світ живого, - це здійснюваний зеленими рослинами фотосинтез. Даний процес являє собою ланцюг реакцій, в ході яких рослини поглинають з атмосфери або води діоксид вуглецю, пов'язуючи його молекули з молекулами спеціальної речовини - акцептора СО2. В ході інших реакцій, що йдуть зі споживанням сонячної (світловий) енергії, відбувається розщеплення молекул води і використання вивільнених іонів водню і пов'язаного СО 2 в синтезі багатих на вуглець органічних речовин, в тому числі акцептора СО2.

На кожну молекулу СО 2, яку поглинає рослина, щоб синтезувати органічні речовини, виділяється молекула кисню, утворена при розщепленні води. Передбачається, що саме таким шляхом утворився весь вільний кисень атмосфери. Якби процес фотосинтезу на Землі раптово припинився і порушився вуглецевий цикл, то, згідно з наявними розрахунками, весь вільний кисень зник із атмосфери приблизно за 2000 років.

Інші реакції.

Зелене рослина використовує вуглець утворюваних нею органічних речовин різними способами. Наприклад, він може накопичуватися в складі крохмалю, запасається в клітинах, або целюлози - основного структурного матеріалу рослин і поживної речовини для багатьох інших організмів. І крохмаль і целюлоза засвоюються як їжі тільки після розщеплення на складові їх 6-вуглецеві цукру (тобто цукру, що містять по шість атомів вуглецю в молекулі). На відміну від крохмалю - нерозчинного високомолекулярного з'єднання - 6-вуглецеві цукру легко розчиняються і, переміщуючись по рослині, служать джерелом енергії і матеріалом для росту і відновлення клітин, а також для їх відновлення в разі пошкоджень. Проростки, наприклад, розщеплюють запасені в насінні крохмаль і жири, отримуючи з них більш прості органічні речовини, використовувані в процесі клітинного дихання (для вивільнення їх енергії) і для зростання.

У тварин поглинена їжа піддається аналогічного процесу перетравлення. Перш ніж її основні компоненти можуть бути засвоєні, вони повинні бути перетворені: вуглеводи - в 6-вуглецеві цукру, жири - в гліцерин і жирні кислоти, білки - в амінокислоти. Ці продукти перетравлення служать тварині джерелами енергії, що вивільняється при диханні, а також будівельними блоками, необхідними для росту організму і поновлення його компонентів. Подібно рослинам, тварини здатні переводити живильні речовини в форму, зручну для запасання. Аналог крохмалю у тварин - це глікоген, утворений з надлишків 6-вуглецевих цукрів і накопичується в якості енергетичного резерву в печінці і м'язових клітинах. Надлишок цукру може перетворюватися також у жирні кислоти і гліцерин, які разом з такими ж речовинами, які надходять з їжею, використовуються для синтезу жирів, що накопичуються в тканини. Таким чином, процеси синтезу забезпечують запасання багатих вуглецем і пов'язаної енергією речовин, що дозволяє організму виживати в періоди нестачі їжі.

Після своєї смерті рослини і тварини стають їжею для т.зв. редуцентов - організмів, які здійснюють розкладання органічної речовини. Велика частина редуцентов представлена ​​бактеріями і грибами, клітини яких виділяють назовні, в своє безпосереднє оточення, невеликі кількості травної рідини, що розщеплює субстрат, а потім споживають продукти такого «перетравлення». Як правило, редуценти мають обмежений набір ферментів і відповідно використовують в якості їжі і джерела енергії тільки деякі типи органічних речовин. Звичайні дріжджі, наприклад, переробляють лише 6 і 12-вуглецеві цукру, що містяться в зруйнованих клітинах перестиглих фруктів або в густому (з м'якоттю) соку, отриманому при їх роздавлюванні. Однак при достатній тривалості впливу різноманітних редуцентов все вуглець речовини рослин або тварин в кінці кінців руйнуються до діоксиду вуглецю і води, а вивільнена енергія використовується організмами, що здійснюють розкладання. Багато штучно синтезовані органічні сполуки теж схильні до біологічного руйнування (біодеградації) - процесу, в ході якого редуценти отримують енергію і необхідний будівельний матеріал, а в атмосферу виділяється вуглець у формі діоксиду вуглецю.

Органічне речовина складається на 45% з вуглецю. Тому питання про джерело живлення організмів вуглецем надзвичайно важливий. Всі організми ділять на автотрофні і гетеротрофні. Автотрофні організми характеризуються здатністю в якості джерела вуглецю використовувати його мінеральні форми, тобто синтезувати органічну речовину з неорганічних сполук. Гетеротрофні організми будують органічна речовина свого тіла з уже наявних готових органічних сполук, тобто використовують органічні сполуки як джерело вуглецю. Для того, щоб здійснити синтез органічної речовини, необхідна енергія. Залежно від використовуваного з'єднання, а також від джерел енергії, розрізняють наступні основні типи харчування вуглецем і побудови органічних речовин.

Типи вуглецевого харчування організмів

З усіх перерахованих типів харчування вуглецем фотосинтез зелених рослин, при якому побудова органічних сполук йде за рахунок простих неорганічних речовин (СО 2 і Н 2 О) з використанням енергії сонячного світла, займає особливе місце. Загальне рівняння фотосинтезу:

6СО 2 + 12Н 2 О = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 6Н 2 О

Фотосинтез - це процес, при якому енергія сонячного світла перетворюється в хімічну енергію. У найзагальнішому вигляді це можна представити таким чином: квант світла (hv) поглинається хлорофілом, молекула якого переходить в збуджений стан, при цьому електрон переходить на більш високий енергетичний рівень. У клітинах фотоавтотрофов в процесі еволюції виробився механізм, при якому енергія електрона, що повертається на основний енергетичний рівень, перетворюється в хімічну енергію.

У процесі фотосинтезу з простих неорганічних сполук (СО 2, Н 2 О) будуються різні органічні речовини. В результаті відбувається перебудова хімічних зв'язків: замість зв'язків С-О і Н-О виникають зв'язку С-С і С-Н, в яких електрони займають більш високий енергетичний рівень. Таким чином, багаті енергією органічні речовини, якими харчуються і за рахунок яких отримують енергію (в процесі дихання) тварини і людина, спочатку створюються в зеленому листі. Можна сказати, що практично вся жива матерія на Землі є результатом фотосинтетичної діяльності.

Майже весь кисень атмосфери фотосинтетичного походження. Процеси дихання і горіння стали можливі тільки після того, як виник фотосинтез. Виникли аеробні організми, здатні засвоювати кисень. На поверхні Землі процеси взяли біогеохімічний характер, відбулося окислювання сполук заліза, сірки, марганцю. Змінився склад атмосфери: вміст СО 2 і аміаку знизилося, а кисню та азоту зросла. Виникнення озонового екрану, який затримує небезпечну для живих організмів ультрафіолетову радіацію, також є наслідком появи кисню.

Для того, щоб процес фотосинтезу протікав нормально, до хлоропластам повинен надходити СО 2. Основним постачальником служить атмосфера, де кількість СО 2 становить 0,03%. Для утворення 1 г цукру необхідно 1,47 г СО 2 - таку кількість міститься в 2500 л повітря.

Вуглекислий газ надходить в лист рослини через продихи. Деяка кількість СО 2 надходить безпосередньо через кутикулу. При закритих продихи дифузія СО 2 в лист різко скорочується.

Найбільш примітивна організація фотосинтетичного апарату у зелених бактерій і ціанобактерій. У цих організмів функцію фотосинтезу виконують внутрицитоплазматические мембрани або особливі структури - хлоросоми, фікобілісоми. У водоростей вже еволюційно виникли органели (хроматофори), в яких зосереджені пігменти, вони різноманітні за формою (спіральні, стрічкоподібні, пластинчасті, зірчасті). Вищі рослини характеризуються цілком сформованим типом пластид в формі диска або двоопуклої лінзи. Прийнявши форму диска, хлоропласти стають універсальним апаратом фотосинтезу. Фотосинтез протікає в зелених пластидах - хлоропластах. У лейкопластах синтезується і відкладається в запасний крохмаль, в хромопласти накопичуються каротиноїди.

Розмір дисковидних хлоропластів вищих рослин коливається від 4 до 10 мкм. Число хлоропластів зазвичай становить від 20 до 100 на клітину. Хімічний склад хлоропластів досить складний і може бути охарактеризований наступними середніми даними (% на суху масу): білок - 35-55; ліпіди - 20-30; вуглеводи - 10; РНК - 2-3; ДНК - до 0,5; хлорофіл - 9; каротиноїди - 4,5.

У хлоропластах зосереджені ферменти, які беруть участь в процесі фотосинтезу (окислювально-відновні, синтетази, гідролази). У хлоропластах, так само як і в мітохондріях, є своя білоксинтезуюча система. Багато з ферментів, локалізованих в хлоропластах, є двокомпонентними. У багатьох випадках простетичної група ферментів - це різні вітаміни. У хлоропластах зосереджені багато вітамінів і їх похідні (вітаміни групи В, К, Е, D). У хлоропластах знаходиться 80% Fe, 70% Zn, близько 50% Сuот усієї кількості цих елементів в листі.

Хлоропласти оточені подвійною мембраною. Товщина кожної мембрани 75-10 нм, відстань між ними 10-30 нм. Внутрішній простір хлоропластів заповнене безбарвним вмістом - стромой і пронизане мембранами. Мембрани, з'єднані один з одним, утворюють плоскі замкнуті порожнини (бульбашки) - тилакоїди (грец. «Тілакоідес» - мішкоподібний). У хлоропластах містяться тилакоїди двох типів. Короткі тилакоїди зібрані в пачки і розташовані один над одним, нагадуючи стопку монет. Ці стопки називаються гранами, а складові їх тилакоїди - тилакоїди гран. Між гранами паралельно один одному розташовуються довгі тилакоїди - тилакоїди строми. Між окремими тилакоїди в стопках гран є вузькі щілини. Тілакоідние мембрани містять велику кількість білків, що беруть участь у фотосинтезі. У складі інтегральних мембранних білків є багато гідрофобних амінокислот. Це створює сухий середу і робить мембрани стабільніше.

Для того, щоб світлова енергія могла бути використана в процесі фотосинтезу, необхідно її поглинання фоторецепторами - пігментами. Фотосинтетичні пігменти - це речовини, які поглинають світло певної довжини хвилі. Чи не поглинені ділянки сонячного спектра відбиваються, що і обумовлює забарвлення пігментів. Так, зелений пігмент хлорофіл поглинає червоні і сині промені, тоді як зелені промені, в основному, відображаються. Видима частина сонячного спектра включає довжини хвиль від 400 до 700 нм.

Склад пігментів залежить від систематичного положення групи організмів. У фотосинтезуючих бактерій і водоростей пігментний склад різноманітний (хлорофіли, бактеріохлорофіл, бактеріородопсин, каротиноїди, фікобіліни). Їх набір і співвідношення специфічні для різних груп організмів. Пігменти, сконцентровані в пластидах, можна розділити на три групи: хлорофіли, каротиноїди, фікобіліни.

Найважливішу роль в процесі фотосинтезу грають зелені пігменти -хлорофілли. Французькі вчені П.Ж. Пелети і Ж. Кавенту (1818) виділили з листя зелену речовину і назвали його хлорофілом (від грец. «Хлорос» - зелений і «Філлон» - лист). В даний час відомо близько десяти хлорофілів. Вони відрізняються за хімічною будовою, забарвленням, поширенню серед груп організмів. У всіх вищих рослин містяться хлорофіли aіb. Хлорофіллcобнаружен в діатомових водоростях, хлорофіллd- в червоних водоростях. Крім того, відомі бактеріохлорофіл (а, b, c, d), що містяться в клітинах фотосинтезуючих бактерій. У клітинах зелених бактерій є бактеріохлорофіл з иd, в клітинах пурпурових бактерій - бактеріохлорофіллиaіb. Основними пігментами, без яких фотосинтез не йде, є хлорофіллaдля зелених вищих рослин і водоростей, і бактеріохлорофіл - для бактерій.

Вперше точне уявлення про пігментах зеленого листа вищих рослин було отримано завдяки роботам найбільшого російського ботаніка М.С. Кольори (1872-1919). Він розробив новий хроматографічний метод розділення речовин і виділив пігменти листа в чистому вигляді. Виявилося, що листя вищих рослин містять хлорофіл AИ хлорофіллb, а також каротиноїди (каротин, ксантофилл). Хлорофіли, так само, як і каротиноїди, нерозчинні у воді, але добре розчинні в органічних розчинниках. Хлорофіллиaіbразлічаются за кольором: хлорофіллaімеет синьо-зелений відтінок, хлорофіллb- жовто-зелений. Зміст хлорофіллаaв аркуші приблизно в 3 рази більше в порівнянні з хлорофілломb. За хімічною будовою хлорофіли - складні ефіри дикарбонової органічної кислоти - хлорофіліну і двох залишків спиртів - фитола (С 20 Н 39 ОН) і метилового (СН 3 ОН). Емпірична формула хлорофілу З 55 Н 72 О 5 N 4 Мg ( Мал. 5.1).

Органічна дикарбонових кислот хлорофілін є азотовмісна металлорганические сполука, що належить до магнійпорфірінам: (СООН) 2 = С 32 Н 30 ОN 4 Мg.

У хлорофілі водень карбоксильних груп заміщений залишками двох спиртів - метилового СН 3 ОН і фитола З 20 Н 39 ОН, тому хлорофіл є складним ефіром.

Мал. 5.1. Структурна формула хлорофілу а.

Хлорофіл bотлічается тим, що містить на два атома водню менше і на один атом кисню більше (замість групи СН 3 група СНТ). У зв'язку з цим, молекулярна маса хлорофіллаa- 893 і хлорофіллаb- 907.

У центрі молекули хлорофілу розташований атом магнію, який з'єднаний з чотирма атомами азоту піррольних угруповань. У піррольних угрупованнях хлорофілу є система чергуються подвійних і простих зв'язків. Це Хромофорную група хлорофілу, що зумовлює поглинання певних променів сонячного спектра і його забарвлення.

Ще К.А. Тімірязєв ​​звернув увагу на близькість хімічної будови двох найважливіших пігментів: зеленого - хлорофілу листя і червоного - геміну крові. Дійсно, якщо хлорофіл відноситься до магнійпорфірінам, то гемін - до железопорфіріна. Подібність це служить ще одним доказом єдності всього органічного світу.

Молекула хлорофілу полярна, її порфириновой ядро ​​володіє гідрофільними властивостями, а фітольний кінець - гідрофобними. Це властивість молекули хлорофілу обумовлює певне розташування її в мембранах хлоропластів. Порфириновая частина молекули пов'язана з білком, а фітольная ланцюг занурена в ліпідний шар.

Хлорофіл здатний до виборчого поглинання світла. Спектр поглинання визначається його здатністю поглинати світло певної довжини хвилі (певного кольору). Для того щоб отримати спектр поглинання, К.А. Тімірязєв ​​пропускав промінь світла через розчин хлорофілу. Було показано, що хлорофіл в тій же концентрації, як в листі, має дві основні лінії поглинання в червоних і синьо-фіолетових променях. При цьому хлорофіл aв розчині має максимум поглинання 429 і 660 нм, тоді як хлорофіллb- при 453 і 642 нм (Рис. 5.2).

Мал. 5.2. Спектри поглинання хлорофілу а і хлорофіллаb

Поряд із зеленими пігментами в хлоропластах і хроматофорах містяться пігменти, які відносяться до групи каротиноїдів. Каротиноїди - це жовті та оранжеві пігменти алифатического будови, похідні ізопрену. Каротиноїди містяться в усіх вищих рослинах і у багатьох мікроорганізмів. Це найпоширеніші пігменти з різноманітними функціями. Каротиноїди, які містять кисень, отримали назву ксантофилл. Основними представниками каротиноїдів у вищих рослин є два пігменту - бета-каротин (помаранчевий) З 40 Н 56 і ксантофилл (жовтий) З 40 Н 56 О 2. Каротин складається з 8 ізопренових залишків. При розриві вуглецевої ланцюжка навпіл і освіті на кінці спиртової групи каротин перетворюється в 2 молекули вітаміну А.

Бета-каротин має два максимуми поглинання, відповідні довжинах хвиль 482 і 452 нм. На відміну від хлорофілів каротиноїди не поглинають червоні промені, а також не володіють здатністю до флуоресценції. Подібно хлорофілу каротиноїди в хлоропластах і хроматофорах знаходяться в вигляді нерозчинних у воді комплексів з білками. Каротиноїди завжди присутні в хлоропластах, вони беруть участь в процесі фотосинтезу. Поглинаючи світлову енергію в певних ділянках сонячного спектра, вони передають енергію цих променів на молекули хлорофілу. Тим самим, вони сприяють використанню променів, які хлорофілом чи не поглинаються. Фізіологічна роль каротиноїдів не обмежується їх участю в передачі енергії на молекули хлорофілу. Каротиноїди виконують захисну функцію, оберігаючи молекули хлорофілу від руйнування на світлі в процесі фотоокислення ( Мал. 5.3).

Мал. 5.3. Структурна формула бета-каротину

Фікобіліни - червоні і сині пігменти, що містяться у ціанобактерій і червоних водоростей. В основі хімічної будови фикобилинов лежать 4 піррольних угруповання. На відміну від хлорофілу у фикобилинов піррольних групи розташовані у вигляді відкритої ланцюжка ( Мал. 5.4).

Мал. 5.4. Структурна формула хромофорной групи фікоеритрину

Фікобіліни представлені пігментами: Фікоціанін, фікоеритрину і аллофикоцианин. Фікоеритрин - це окислений фикоцианин. Червоні водорості, в основному, містять фікоеритрин, а ціанобактерії - фикоцианин. Фікобіліни утворюють міцні з'єднання з білками (фікобілінпротеіди). На відміну від хлорофілів і каротиноїдів, розташованих в мембранах, фікобіліни концентруються в особливих гранулах (фікобілісоми), тісно пов'язаних з мембранами тилакоїдів. Фікобіліни поглинають промені в зеленій і жовтій частинах сонячного спектру. Це та частина спектра, яка знаходиться між двома основними лініями поглинання хлорофілу. Фікоеритрин поглинає промені з довжиною хвилі 495-565 нм, а фикоцианин - 550-615 нм. Порівняння спектрів поглинання фикобилинов зі спектральним складом світла, в якому проходить фотосинтез у ціанобактерій і червоних водоростей, показує, що вони дуже близькі. Це дозволяє вважати, що фікобіліни поглинають енергію світла і, подібно до каротиноїдів, передають її на молекулу хлорофілу, після чого вона використовується в процесі фотосинтезу. Наявність фикобилинов у водоростей є прикладом пристосування організмів в процесі еволюції до використання ділянок сонячного спектру, які проникають крізь товщу морської води (хроматична адаптація).

Фотосинтез - це складний багатоступінчастий окислювально-відновний процес, в якому відбувається відновлення вуглекислого газу до вуглеводів і окислення води до кисню. В процесі фотосинтезу відбуваються не тільки реакції, що йдуть з використанням енергії світла, а й темнові, які не потребують безпосередньої участі енергії світла. Можна навести таке доказ існування темнова реакцій в процесі фотосинтезу: фотосинтез прискорюється з підвищенням температури. Звідси прямо випливає, що якісь етапи цього процесу безпосередньо не пов'язані з використанням енергії світла. Процес фотосинтезу включає наступні етапи: 1) фотофізичних; 2) фотохімічний (світловий); 3) ферментативний (темновой).

Відповідно до законів фотохімії, при поглинанні кванта світла атомом або молекулою певної речовини електрон переходить на іншу, більш віддалену орбиталь, тобто на більш високий енергетичний рівень (Рис. 5.5).

Мал. 5.5. Переходи між збудженими станами хлорофілу після поглинання квантів синього і червоного світла

Найбільшою енергією володіє електрон, віддалений від ядра атома і знаходиться на досить великій відстані від нього. Кожен електрон переходить на більш високий енергетичний рівень під впливом одного кванта світла, якщо енергія цього кванта дорівнює різниці між цими енергетичними рівнями. Всі фотосинтезуючі організми містять будь-якої тип хлорофілу. У молекулі хлорофілу два рівня збудження. Саме з цим пов'язано і те, що він має дві основні лінії поглинання. Перший рівень збудження обумовлений переходом на більш високий енергетичний рівень електрона в системі зв'язаних подвійних зв'язків, а другий - з порушенням неспарених електронів атомів азоту і кисню в порфіриновий ядрі. При поглинанні світла електрони переходять в коливальний рух і переміщаються на наступні орбіталі з більш високим енергетичним рівнем.

Найбільш високий енергетичний рівень - це другий синглетний рівень. Електрон переходить на нього під впливом синьо-фіолетових променів, кванти яких містять більше енергії.

Спочатку збуджений стан електрони можуть переходити, поглинаючи дрібніші кванти червоного світла. Час життя на другому рівні становить 10 -12 с. Це час настільки мало, що на його протязі енергія електронного збудження не може бути використана. Через цей короткий проміжок часу електрон повертається до першого синглетное стан (без зміни напрямку спина). Перехід з другого синглетного стану в перший супроводжується деякою втратою енергії (100 кДж) у вигляді теплоти. Час життя в першому синглетному стані трохи більше (10 -9 або 10 -8 с). Найбільшим часом життя (10 -2 с) володіє тріплетное стан. Перехід на триплетний рівень відбувається зі зміною спина електрона.

З порушеної, першого синглетного та триплетного стану молекула хлорофілу також може переходити в основне. При цьому її дезактивація (втрата енергії) може проходити:

1) шляхом виділення енергії у вигляді світла (флуоресценція і фосфоресценція) або у вигляді тепла;

2) шляхом перенесення енергії на іншу молекулу пігменту;

3) шляхом затрачивания енергії на фотохімічні процеси (втрата електрона і приєднання його до акцептору).

У будь-якому із зазначених випадків молекула пігменту дезактивируется і переходить на основний енергетичний рівень.

Хлорофіл має дві функції - поглинання і передачу енергії. При цьому основна частина молекул хлорофілу - більше 90% всього хлорофілу хлоропластів входить до складу Світлозбиральні комплексу (ССК). Світлозбиральних комплекс виконує роль антени, яка ефективно поглинає світло і переносить енергію збудження до реакційного центру. Крім великого числа (до декількох сотень) молекул хлорофілу ССК містить каротиноїди, а у деяких водоростей і ціанобактерій - фікобіліни, які збільшують ефективність засвоєння світла.

В процесі еволюції в рослинах виробився механізм, що дозволяє найбільш повно використовувати кванти світла, які падають на лист подібно до крапель дощу. Механізм цей полягає в тому, що енергія квантів світла вловлюється 200-400 молекулами хлорофілу і каротиноїди ССК і передається одній молекулі - реакційного центру. Розрахунки показали, що в одному хлоропласті до 1 млрд молекул хлорофілу. Тіньовитривалі рослини мають, як правило, більший розмірССК в порівнянні з рослинами, що ростуть в умовах високої освітленості. У реакційних центрах в результаті фотохімічних реакцій утворюються первинні відновник і окислювач. Вони потім викликають ланцюг послідовних окисно-відновних реакцій. В результаті енергія запасається у вигляді відновленого НАДФ (НАДФ Н +) і аденозинтрифосфату (АТФ), який синтезується з аденозиндифосфату (АДФ) і неорганічної фосфорної кислоти за рахунок реакції фотосинтетичного фосфорилювання. Отже, НАДФ Н + і АТФ - основні продукти світлової фази фотосинтезу. Таким чином, в первинних процесах фотосинтезу, пов'язаних з поглинанням молекулою хлорофілу кванта світла, важливу роль відіграють процеси передачі енергії. Фотофізичних етап фотосинтезу полягає в тому, що кванти світла поглинаються і переводять молекули пігментів в збуджений стан. Потім ця енергія переноситься на реакційний центр, який здійснює первинні фотохімічні реакції: поділ зарядів. Подальше перетворення енергії світла в хімічну енергію проходить ряд етапів, починаючи з окислювально-відновних перетворень хлорофілу і включає як фотохімічні (світлові), так і ферментні (темнові) реакції.

Тобто фотосинтез включає перетворення енергії (явище, що отримало назву світлового процесу) і перетворення речовини (темновой процес). Світловий процес відбувається в Тилакоїди, темновой - в стромі хлоропластів. Два процесу фотосинтезу виражаються окремими рівняннями:

12Н 2 О = 12Н 2 + 6О 2 + енергія АТФ (світловий процес).

З цього рівняння видно, що кисень, що виділяється при фотосинтезі, утворюється при розкладанні молекул води. Крім того, світлова енергія використовується на синтез аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) в ході фотофосфорилування.

6СО 2 + 12Н 2 + енергія АТФ = С 6 Н 12 О 6 + Н 2 О (темновой процес)

У темнова реакції використовуються продукти, накопичені в світловий фазі. Суть темнова реакцій зводиться до фіксації СО 2 і включенню його в молекулу цукру. Цей процес отримав назву циклу Кальвіна на ім'я американського біохіміка, детально вивчила послідовність темнова реакцій. Використання води в якості джерела водню для синтезу органічних молекул дало рослинам в процесі еволюції велика перевага в силу повсюдного її присутності (вода є найпоширенішим мінералом на Землі).

Оскільки весь кисень фотосинтезу виділяється з води, підсумкове рівняння набуває вигляду:

6СО 2 + 12Н 2 О + hv = С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 + 6Н 2 О

Вода в правій частині рівняння не підлягає скороченню, так як її кисень має інше походження (з СО 2). Отже, фотосинтез - це окислювально-відновний процес, в якому вода окислюється до молекуляргого кисню (О 2), а вуглекислий газ відновлюється воднем води до вуглеводів.

По завершенні кожного циклу утворюється кінцевий продукт: одна молекула цукру, який лягає в основу первинного органічної речовини, що утворюється при фотосинтезі.

Найбільша екосистема.

гідросфера

атмосфера

біосфера

біосфера- це геологічна оболонка Землі, що охоплює частину атмосфери, всю гідросферу і верхню частину літосфериразом з населяють їх організмами. Біосфера - найбільша екосистема, яка об'єднує в єдиний планетарний кругообіг окремі кругообіг речовин кожної з екосистем.

Життєві середовища біосфери.

водна, грунтова

наземно-повітряне середовище

обидві відповіді правильні

У межах біосфери можна виділити чотири основні середовища проживання. це водна, наземно-повітряна, грунтовасередовище й утворена самими живими організмами. водаслужить місцем існування для багатьох організмів. З води вони отримують всі необхідні для життя речовини: їжу, воду, гази. Тому, як би не були різноманітні водні організми, всі вони повинні бути пристосовані до головних особливостей життя у водному середовищі. Ці особливості визначаються фізичними і хімічними властивостямиводи. Наземно-повітряне середовище, Освоєна в ході еволюції пізніше водної, більш складна і різноманітна, і її населяють більш високоорганізовані живі організми. Найбільш важливим фактором у житті мешкають тут організмів є властивості і склад оточуючих їх повітряних мас. Щільність повітря набагато нижче щільності води, тому у наземних організмів сильно розвинені опорні тканини - внутрішній і зовнішній скелет. Форми руху дуже різноманітні: бігання, стрибання, повзання, політ і ін. В повітрі літають птахи і деякі види комах. Потоки повітря розносять насіння рослин, спори, мікроорганізми. життя грунтунадзвичайно багата. Деякі організми проводять в грунті все своє життя, інші - частина життя. Умовами життя в грунті багато в чому визначаються кліматичними факторами, найважливішим з яких є температура. Тіла багатьох організмів служать життєвим середовищем для інших організмів. Умови життя всередині іншого організму характеризуються великою постійністю в порівнянні з умовами зовнішнього середовища. У них не розвинені органи чуття або органи руху, зате виникають пристосування для утримування в тілі господаря і ефективного розмноження.

Явище, при якому речовина передається по замкнутих циклів, багаторазово циркулюючи між організмами і навколишнім середовищем.

харчовий ланцюг

круговорот речовин

немає правильної відповіді

біосферний кругообігнеодмінно включає живі і неживі компоненти. Органічне речовина може бути знову використано рослинами тільки після розкладання редуцентамі до неорганічних складових. Зв'язок між живим і неживим речовиною в біосферному круговороті здійснює міграція хімічних елементів, Що входять до складу як органічних, так і неорганічних сполук.

Основне джерело енергії в біосфері.

сонце

поклади нафти

продуценти

Основним джерелом енергії для підтримки життя в біосфері є Сонце. Його енергія перетворюється в енергію органічних сполук в результаті фотосинтетичних процесів, що відбуваються в фототрофних організмах. Енергія накопичується в хімічних зв'язках органічних сполук, службовців їжею рослиноїдних і м'ясоїдних тварин. Органічні речовини їжі розкладаються в процесі обміну речовин і виводяться з організму. Виділені або відмерлі залишки розкладаються бактеріями, грибами і деякими іншими організмами. Утворилися хімічні сполуки і елементи втягуються в круговорот речовин. Біосфера потребує постійного притоку зовнішнього енергії, тому що вся хімічна енергія перетворюється в теплову. Тому запасання рослинами сонячної енергії в органічних речовинах грає виключно важливу роль у розподілі і чисельності живих організмів.

Поклади нафти, кам'яного вугілля, торфу утворилися в процесі кругообігу:

азоту, водню

кисню

вуглецю

У палеозойської ері відбувається початковий етап накопичення нафти і газу органічного походження вуглецю. У кам'яновугільному періоді на суші широко поширилися ліси, що складаються головним чином з папоротей і хвощів. Саме з упалих у воду стовбурів дерев, що не піддаються гниттю, утворюються величезні запаси кам'яного вугілля.

Бактерії, що розщеплюють сечовину до іонів амонію і вуглекислого газу, беруть участь у кругообігу ...

азоту і вуглецю

фосфору і сірки

кисню і вуглецю

Однією зі спеціальних груп аммонификаторов є бактерії, які розкладають сечовину. Сечовина - головна складова частинасечі людини і більшості тварин. Людина виділяє бактерії, які розкладають в день від 30 до 50 г сечовини. Під впливом бактерій сечовина розкладається, утворюється карбонат амонію. Останній швидко розпадається на воду, аміак і вуглекислий газ .

В основі кругообігу речовин лежать такі процеси, як ...

розселення видів

фотосинтез і дихання

природний відбір

Природним джерелом вуглецю, використовуваного рослинами для синтезу органічної речовини, служить вуглекислота, що входить до складу атмосфери або знаходиться в розчиненому стані в воді. В процесі фотосинтезувуглекислота перетворюється в органічну речовину, що служить їжею тваринам. дихання, Бродіння і згоряння палива повертають вуглекислоту в атмосферу.

Бульбочкові бактерії включають в круговорот ...

вуглець

фосфор

азот

Циркуляція біогенних елементів зазвичай супроводжується їх хімічними перетвореннями. нітратний азот, Може перетворюватися в білковий, потім переходити в сечовину, перетворюватися в аміак і знову синтезуватися в нітратну форму під впливом мікроорганізмів. В біохімічному цикліазоту діють різні механізми, як біологічні, так і хімічні.

Сонячна енергія вловлюється ...

продуцентами

редуцентамі

консументами першого порядку

Лише зелені рослини здатні фіксувати світлову енергію і використовувати в харчуванні прості неорганічні речовини. Такі організми виділяють в самостійну групу і називають автотрофами, або продуцентами- виробниками біологічного речовини. Вони є найважливішою частиною будь-якої спільноти, тому, що практично всі інші організми прямо чи опосередковано залежать від постачання речовиною і енергією, запасеної рослинами. На суші автотрофи - це зазвичай великі рослини з корінням, тоді як в водоймах їх роль беруть на себе мікроскопічні водорості, що мешкають в товщі води (фітопланктон).

Посилення парникового ефекту, на думку вчених, в найбільшою мірою сприяє:

озон

вуглекислий газ

двоокис азоту

Парниковий ефект- це явище, при якому атмосферні гази (водяна пара, вуглекислий газ, метан і озон) утримують висхідний від Землі тепло в тропосфері, не даючи йому підніматися в більш високі шари атмосфери. При цьому відбувається нагрівання, як самої атмосфери, так і земної поверхні. Кругообіг кисню, вуглецю та інших елементів, що втягуються в процес фотосинтезу, підтримує сучасний склад атмосфери, необхідний для існування життя на Землі. Фотосинтез перешкоджає збільшенню концентрації СО 2, Запобігаючи перегрів землі внаслідок так званого парникового ефекту.

Озон, який утворює озоновий екран, формується в:

гідросфері

мантії Землі

атмосфері

Перші живі організми розвивалися в воді, яка захищала їх від впливу ультрафіолетових променів. Кисень, що виділявся в процесі фотосинтезу, в верхніх шарах атмосферипід дією ультрафіолетових променів перетворювався в озон (його молекула містить три атома кисню - О 3). У міру накопичення озону відбулося утворення озонового шару, який як екран, надійно захистив поверхню Землі від згубних для живих організмів ультрафіолетової сонячної радіації. Це дозволило живим організмам вийти на сушу і заселити її.

Найбільша кількість видів знаходиться в екосистемах:

вологого тропічного лісу

тайги

листопадних лісів помірного поясу

У наші дні на Землі відомо близько 500 тис. Видів рослин, і кожен рік ботаніки відкривають нові. Різноманітність видів рослин (флористичне) істотно розрізняється в природних регіонах планети. Очевидно, що в пустелях видів набагато менше, ніж в джунглях. Але як визначити, де більше видів - в степах або в лісах і чому, наприклад, в вічнозелених тропічних лісах їх більше, ніж в широколистяних. На ці запитання відповідає наука біогеографія, яка вивчає географічні закономірності формування біологічного різноманіття на Землі. Для того щоб оцінити, які території бідні видами, а які багаті, складають карти біорізноманіття. На них різними кольорами відображають області з різною кількістю видів, що припадають на одиницю площі.

Конкретної (або локальної) флорою називають кількість вищих судинних рослин на площі приблизно в 100 км 2. На островах Франца-Йосипа в приполярній області воно не перевищує 50-100 видів, в тундрі становить 200-300, в тайзі - 400-600, в лісостепу досягає 900 видів, в степах - 900-1000, в тропіках- понад 1000.

Найбільш небезпечною причиною збіднення біологічного різноманіття - найважливішого чинника стійкості біосфери - є ...

хімічне забруднення середовища

пряме винищення

руйнування місць проживання

біологічне різноманіття- це все біологічні види і біотичні спільноти, які сформувалися і формуються а нині в різних середовищах існування (грунтових, наземних, прісноводних, морських). Це - основа підтримки життєзабезпечуючих функцій біосфери і існування людини. Але будь-яке вторгнення людини в екосистеми біосфери, як правило, викликає ланцюг екологічних наслідків. Планомірні лісові вирубки, які регулюють склад і якість лісу і необхідні для видалення пошкоджених і хворих дерев. Але суцільна вирубка, що проводиться людиною для звільнення землі під ріллі, дороги, промислові підприємства, Міста і т.д. веде до зниження рівня грунтових вод і, як наслідок, до обміління річок, посух, засихання ґрунту. Після вирубки лісу тіньолюбиві рослини виявляються в умовах відкритого місцеперебування, де відчувають несприятливий вплив прямого світла. Це веде до пригнічення і навіть зникнення деяких видів (наприклад, кислиці звичайної, майніка дволиста та ін.). На місці вирубок поселяються світлолюбні рослини. Змінюється і тваринний світ пов'язаний з фітоценозів. Тварини зникають або перебираються в інші екосистеми. Всі ці (і інші фактори) руйнують звичні місця проживання Сірказнаходиться у вигляді сульфідів і вільної сірки в складі морських осадових порід і грунту. Перетворюючись в сульфати, в результаті окислення серобактериями, вона включається в тканини рослин, потім разом із залишками їх органічних сполук піддається впливу анаеробних редуцентов. Утворився в результаті їх діяльності сірководень знову окислюється серобактериями. фосформіститься в складі фосфатів гірських порід, в прісноводних і океанічних відкладеннях, в грунтах. В результаті ерозії фосфати вимиваються і, в кислому середовищі переходять у розчинний стан з освітою фосфорної кислоти, яка засвоюється рослинами. У тканих тварин фосфор входить до складу нуклеїнових кислот, кісток. В результаті розкладання редуцентамі залишків органічних сполук, він знову повертається в грунту, а потім в рослини.

Одна з особливостей живої речовини.

здатність швидко займати весь вільний простір

здатність до розмноження

здатність до фотосинтезу

До основних особливостей живої речовини належить:

• Здатність швидко освоювати весь вільний простір.
• Рух не тільки пасивне, а й активне.
• Стійкість при житті і швидке розкладання після смерті.
• Висока адаптація до різних умов.
• Висока швидкість протікання реакцій.

Кожна жива істота на планеті має потребу в їжі або енергії, щоб вижити. Деякі організми харчуються іншими істотами, тоді як інші можуть виробляти свої власні поживні елементи. самі виробляють продукти харчування, глюкозу, в процесі, який називається фотосинтезом.

Фотосинтез і дихання взаємопов'язані. Результатом фотосинтезу є глюкоза, яка зберігається як хімічна енергія в. Ця накопичена хімічна енергія виходить в результаті перетворення неорганічного вуглецю (вуглекислого газу) в органічний вуглець. Процес дихання вивільняє накопичену хімічну енергію.

Крім продуктів, які вони виробляють, рослинам також необхідний вуглець, водень і кисень, щоб вижити. Вода, поглинена з грунту, забезпечує водень і кисень. Під час фотосинтезу, вуглець і вода використовуються для синтезу їжі. Рослини також потребують нітрати, щоб виробляти амінокислоти (амінокислота - інгредієнт для вироблення білка). На додаток до цього, вони потребують магнії для виробництва хлорофілу.

замітка:Живі істоти, які залежать від інших продуктів харчування називаються. Травоїдні, такі як корови, а також рослини, які харчуються комахами, є прикладами гетеротрофов. Живі істоти, що виробляють власну їжу, називаються. Зелені рослини та водорості - приклади автотрофів.

У цій статті ви дізнаєтеся більше про те, як відбувається фотосинтез у рослин і про необхідні для цього процесу умовах.

визначення фотосинтезу

Фотосинтез - це хімічний процес, за допомогою якого рослини, деякі і водорості виробляють глюкозу і кисень з вуглекислого газу і води, використовуючи тільки світло як джерело енергії.

Цей процес надзвичайно важливий для життя на Землі, оскільки завдяки йому виділяється кисень, від якого залежить все життя.

Навіщо рослинам потрібна глюкоза (їжа)?

Подібно людям і іншим живим істотам, рослини також мають потребу в харчуванні для підтримки життєдіяльності. Значення глюкози для рослин полягає в наступному:

• Глюкоза, отримана в результаті фотосинтезу, використовується під час дихання для вивільнення енергії, необхідної рослині для інших життєво важливих процесів.
• Рослинні клітини також перетворюють частину глюкози в крохмаль, який використовують у міру необхідності. З цієї причини мертві рослини використовуються в якості біомаси, адже в них зберігається хімічна енергія.
• Глюкоза також необхідна, щоб виробляти інші хімічні речовини, такі як білки, жири і рослинні цукру, необхідні для забезпечення зростання та інших важливих процесів.

фази фотосинтезу

Процес фотосинтезу розділений на дві фази: світлову і темновую.

Світлова фаза фотосинтезу

Як випливає з назви, світлові фази потребують сонячному світлі. У світлозалежна реакціях енергія сонячного світла поглинається хлорофілом і перетворюється в запасені хімічну енергію у вигляді молекули електронного носія НАДФН (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) і молекули енергії АТФ (аденозинтрифосфат). Світлові фази протікають в тілакоідних мембранах в межах хлоропласта.

Темнова фаза фотосинтезу або цикл Кальвіна

У темновой фазі або циклі Кальвіна збуджені електрони з світловий фази забезпечують енергію для утворення вуглеводів з молекул вуглекислого газу. Які не залежать від світла фази іноді називають циклом Кальвіна через циклічності процесу.

Хоча темнові фази не використовують світло як реагент (і, як результат, можуть відбуватися вдень чи вночі), їм необхідно, щоб продукти світлозалежна реакцій функціонували. Незалежні від світла молекули залежать від молекул енергоносіїв - АТФ і НАДФН - для створення нових молекул вуглеводів. Після передачі енергії молекули енергоносії повертаються до світловим фаз для отримання більш енергійних електронів. Крім того, кілька ферментів темновой фази активуються за допомогою світла.

Схема фаз фотосинтезу

замітка:Це означає, що темнові фази трохи триватимуть, якщо рослини будуть позбавлені світла занадто довго, так як вони використовують продукти світлових фаз.

Будова листя рослин

Ми не можемо повністю вивчити фотосинтез, не знаючи більше про будову листа. Лист адаптований для того, щоб грати життєво важливу роль в процесі фотосинтезу.

Зовнішня будова листя

• Площа

Однією з найголовніших особливостей рослин є велика площа поверхні листя. Більшість зелених рослин мають широкі, плоскі і відкриті листи, які здатні захоплювати стільки сонячної енергії (сонячного світла), скільки необхідно для фотосинтезу.

• Центральна жилка і черешок

Центральна жилка і черешок з'єднуються разом і є підставою листа. Черешок розпорядженні лист таким чином, щоб він отримував якомога більше світла.

• листова пластинка

Прості листи мають одну листову пластину, а складні - кілька. Листова пластинка - одна з найголовніших складових листа, яка безпосередньо бере участь у процесі фотосинтезу.

• жили

Мережа жилок в листі переносить воду від стебел до листя. Що виділяється глюкоза також направляється в інші частини рослини з листя через жилки. Крім того, ці частини листа підтримують і утримують листову пластину плоскою для більшого захоплення сонячного світла. Розташування жилок (жилкование) залежить від виду рослини.

• підстава листа

Підставою листа виступає сама нижня його частина, яка сочленена зі стеблом. Найчастіше, в основі листа розташовується парну кількість прилистников.

• край листа

Залежно від виду рослини, край листа може мати різну форму, включаючи: суцільнокрайнім, зубчасту, пилчасті, виїмчасті, городчатий і т.п.

• верхівка листа

Як і край листа, верхівка буває різної форми, включаючи: гостру, округлу, тупувату, витягнуту, відтягнути і т.д.

Внутрішня будова листя

Нижче представлена ​​близька схема внутрішньої будови тканин листя:

• кутикула

Кутикула виступає головним, захисним шаром на поверхні рослини. Як правило, вона товщі на верхній частині листа. Кутикула покрита речовиною, схожою на віск, завдяки якому захищає рослину від води.

• епідерміс

Епідерміс - шар клітин, який є покривною тканиною листа. Його головна функція - захист внутрішніх тканин листа від зневоднення, механічних пошкоджень і інфекцій. Він також регулює процес газообміну і транспірації.

• мезофіл

Мезофіл - це основна тканина рослини. Тут відбувається процес фотосинтезу. У більшості рослин мезофіл розділений на два шари: верхній - Палісадна і нижній - губчастий.

• захисні клітини

Захисні клітини - спеціалізовані клітини в епідермісі листя, які використовуються для контролю газообміну. Вони виконують захисну функцію для продихи. Устьічниє пори стають великими, коли вода є у вільному доступі, в іншому випадку, захисні клітини стають млявими.

• Устьіце

Фотосинтез залежить від проникнення вуглекислого газу (CO2) з повітря через продихи в тканини мезофіла. Кисень (O2), отриманий як побічний продукт фотосинтезу, виходить з рослини через продихи. Коли продихи відкриті, вода втрачається в результаті випаровування і повинна бути заповнена через потік транспірації, водою, поглиненої корінням. Рослини змушені врівноважувати кількість поглиненого СО2 з повітря і втрату води через устьічниє пори.

Умови, необхідні для фотосинтезу

Нижче наведені умови, які необхідні рослинам для здійснення процесу фотосинтезу:

• Вуглекислий газ.Безбарвний природний газ без запаху, виявлений в повітрі і має наукове позначення CO2. Він утворюється при горінні вуглецю і органічних сполук, а також виникає в процесі дихання.
• вода. прозоре рідке хімічна речовинабез запаху і смаку (в нормальних умовах).
• Світло.Хоча штучне світло також підходить для рослин, природне сонячне світло, як правило, створює кращі умовидля фотосинтезу, тому що в ньому присутній природне ультрафіолетове випромінювання, яке впливає на рослини.
• Хлорофіл.Це зелений пігмент, знайдений в листі рослин.
• Живильні речовини і мінерали.Хімічні речовини й органічні сполуки, які коріння рослин поглинають з ґрунту.

Що утворюється в результаті фотосинтезу?

• глюкоза;
• Кисень.

(Світлова енергія показана в дужках, оскільки вона не є речовиною)

замітка:Рослини отримують CO2 з повітря через їх листя, і воду з грунту через коріння. Світлова енергія виходить від Сонця. Отриманий кисень виділяється в повітря з листя. Одержану глюкозу можна перетворити в інші речовини, такі як крохмаль, який використовується як запас енергії.

Якщо фактори, що сприяють фотосинтезу, відсутні або присутні в недостатній кількості, це може негативно вплинути на рослину. Наприклад, менша кількість світла створює сприятливі умови для комах, які їдять листя рослини, а недолік води уповільнює.

Де відбувається фотосинтез?

Фотосинтез відбувається всередині рослинних клітин, в дрібних пластидах, званих хлоропластами. Хлоропласти (в основному зустрічаються в шарі мезофіла) містять зелена речовина, зване хлорофілом. Нижче наведені інші частини клітини, які працюють з хлоропластом, щоб здійснити фотосинтез.

Будова рослинної клітини

Функції частин рослинної клітини

• : забезпечує структурну і механічну підтримку, захищає клітини від, фіксує і визначає форму клітини, контролює швидкість і напрямок росту, а також надає форму рослинам.
• : забезпечує платформу для більшості хімічних процесів, контрольованих ферментами.
• : діє як бар'єр, контролюючи рух речовин в клітку і з неї.
• : як було описано вище, вони містять хлорофіл, зелена речовина, що поглинає світлову енергію в процесі фотосинтезу.
• : порожнину всередині клітинної цитоплазми, яка накопичує воду.
• : містить генетичну марку (ДНК), яка контролює діяльність клітини.

Хлорофіл поглинає світлову енергію, необхідну для фотосинтезу. Важливо відзначити, що поглинаються не всі колірні довжини хвилі світла. Рослини в основному поглинають червону і синю хвилі - вони не поглинають світло в зеленому діапазоні.

Вуглекислий газ в процесі фотосинтезу

Рослини отримують вуглекислий газ з повітря через їх листя. Вуглекислий газ просочується через маленький отвір в нижній частині листа - продихи.

Нижня частина листа має вільно розташовані клітини, щоб вуглекислий газ досяг інших клітин в листі. Це також дозволяє кисню, що утворюється при фотосинтезі, легко залишати лист.

Вуглекислий газ присутній в повітрі, яким ми дихаємо, в дуже низьких концентраціях і служить необхідним фактором темновой фази фотосинтезу.

Світло в процесі фотосинтезу

Лист зазвичай має велику площу поверхні, тому він може поглинати багато світла. Його верхня поверхня захищена від втрати води, хвороб і впливу погоди восковим шаром (кутикулою). Верх листа знаходиться там, де падає світло. Цей шар мезофіла називається Палісадна. Він пристосований для поглинання великої кількості світла, адже в ньому знаходиться багато хлоропластів.

У світлових фазах, процес фотосинтезу збільшується з великою кількістю світла. Більше молекул хлорофілу іонізується, і більше генерується АТФ і НАДФН, якщо світлові фотони зосереджені на зеленому листі. Хоча світло надзвичайно важливий в світлових фазах, необхідно відзначити, що надмірне його кількість може пошкодити хлорофіл, і зменшити процес фотосинтезу.

Світлові фази не дуже сильно залежать від температури, води або вуглекислого газу, хоча всі вони потрібні для завершення процесу фотосинтезу.

Вода в процесі фотосинтезу

Рослини отримують воду, необхідну для фотосинтезу через своє коріння. Вони мають кореневі волоски, які розростаються в грунті. Коріння характеризуються великою площею поверхні і тонкими стінками, що дозволяє воді легко проходити крізь них.

На зображенні представлені рослини і їх клітини з достатньою кількістю води (зліва) і її нестачею (праворуч).

замітка:Кореневі клітини не містять хлоропластів, оскільки вони, як правило, знаходяться в темряві і не можуть фотосинтезировать.

Якщо рослина не вбирає достатню кількість води, воно в'яне. Без води, рослина буде не здатне фотосинтезировать досить швидко, і може навіть загинути.

Яке значення має вода для рослин?

• Забезпечує розчиненими мінералами, які підтримують здоров'я рослин;
• Є середовищем для транспортування;
• Підтримує стійкість і прямостояння;
• Охолоджує і насичує вологою;
• Дає можливість проводити різні хімічні реакції в рослинних клітинах.

Значення фотосинтезу в природі

Біохімічний процес фотосинтезу використовує енергію сонячного світла для перетворення води і вуглекислого газу в кисень і глюкозу. Глюкоза використовується в якості будівельних блоків в рослинах для росту тканин. Таким чином, фотосинтез - це спосіб, завдяки якому формується коріння, стебла, листя, квіти і плоди. Без процесу фотосинтезу рослини не зможуть рости або розмножуватися.

• продуценти

Через фотосинтетичної здатності, рослини відомі як продуценти і служать основою майже кожної харчового ланцюга на Землі. (Водорості є еквівалентом рослин в). Вся їжа, яку ми їмо, походить від організмів, які є фотосинтетиками. Ми харчуємося цими рослинами безпосередньо або їмо тварин, таких як корови або свині, які споживають рослинну їжу.

• Основа харчового ланцюга

Усередині водних систем, рослини і водорості також складають основу харчового ланцюга. Водорості служать їжею для, які, в свою чергу, виступають джерелом харчування для більших організмів. Без фотосинтезу у водному середовищі життя було б неможливе.

• Видалення вуглекислого газу

Фотосинтез перетворює вуглекислий газ в кисень. Під час фотосинтезу вуглекислий газ з атмосфери надходить в рослину, а потім виділяється у вигляді кисню. У сьогоднішньому світі, де рівні двоокису вуглецю зростають страхітливими темпами, будь-який процес, який усуває вуглекислий газ з атмосфери, є екологічно важливим.

• Кругообіг поживних речовин

Рослини і інші фотосинтезуючі організми відіграють життєво важливу роль в круговороті живильних речовин. Азот в повітрі фіксується в рослинних тканинах і стає доступним для створення білків. Мікроелементи, що знаходяться в грунті, також можуть бути включені в рослинну тканину і стати доступними для травоїдних тварин, далі по харчовому ланцюгу.

• фотосинтетична залежність

Фотосинтез залежить від інтенсивності і якості світла. На екваторі, де сонячне світло рясний весь рік і вода не є обмежуючим фактором, рослини мають високі темпи зростання, і можуть стати досить великими. І навпаки, фотосинтез в більш глибоких частинах океану зустрічається рідше, оскільки світло не проникає в ці шари, і в результаті ця екосистема виявляється більш безплідною.