Графики интенсивности фотосинтеза. От чего зависит интенсивность фотосинтеза?
Обновлено: 21.09.2024
Тип 25 № 19406Во время эксперимента учёный измерял скорость фотосинтеза в зависимости от света. Концентрацию углекислого газа и температуру он поддерживал постоянными. Объясните, почему при повышении интенсивности света активность фотосинтеза сначала растёт, но начиная с определённой интенсивности перестаёт расти и выходит на плато (см. график).
1) в световой стадии фотосинтеза энергия света превращается в энергию АТФ, используемую в темновой стадии;
2) соответственно, чем больше света, тем больше энергии и тем быстрее идёт фотосинтез;
3) однако начиная с определённой интенсивности света уже так много, что быстрее скорость фотосинтеза быть не может, все белки работают с максимальной скоростью
Анатолий Дмитриев 15.12.2016
К пояснению претензий нет, но, тем не менее, предлагаю такой вариант:
В световую фазу фотосинтеза образуются АТФ и НАДФН. Скорость процессов световой фазы фотосинтеза зависит от интенсивности освещения.
В темповую фазу фотосинтеза из углекислого газа и водорода НАДФН синтезируется глюкоза. Эта стадия включает последовательность ферментативных реакций. Реакции идут с затратой АТФ.
Рост скорости фотосинтеза пропорционально освещённости свидетельствует о том, что ограничивающим фактором реакций фотосинтеза являлось образование АТФ и НАДФН в световую стадию.
Начиная с определённой интенсивности освещённости АТФ и НАДФН образуется в избытке, и они уже не ограничивают общую скорость фотосинтеза. Можно предположить, что ограничивающими факторами становятся концентрация углекислого газа и/или мощность ферментативных систем. Для проверки гипотезы о том, что при высокой интенсивности освещения скорость фотосинтеза ограничивается концентрацией углекислого газа, нужно изменить концентрацию углекислого газа, сохраняя неизменной температуру. Для проверки гипотезы о том, что при высокой интенсивности освещения скорость фотосинтеза ограничивается мощностью ферментативных систем, нужно изменить температуру, поддерживая постоянной концентрацию углекислого газа.
Ответ включает три названных выше элемента, но содержит негрубые биологические ошибки
Ответ включает два из названных выше элемента, но содержит негрубые биологические ошибки
Влияние внешних условий на интенсивность фотосинтеза
Человек использует энергию не только солнечных лучей, падающих на землю сейчас, но и тех, что падали на нее десятки и сотни миллионов лет назад. Ведь и уголь, и нефть, и торф - химически измененные остатки растений и животных, живших в те далекие времена.
В последние десятилетия к проблеме фотосинтеза приковано внимание ведущих специалистов ряда отраслей естествознания, ее различные аспекты всесторонне и глубоко исследуются во многих лабораториях мира. Интерес определяется прежде всего тем, что фотосинтез составляет основу энергообмена всей биосферы.
Интенсивность фотосинтеза зависит от многих факторов. Интенсивность света, необходимая для наибольшей эффективности фотосинтеза, у различных растений различна. У теневыносливых растений максимум активности фотосинтеза достигается примерно при половине полного солнечного освещения, а у светолюбивых растений - почти при полном солнечном освещении.
У многих теневыносливых растений не развивается палисадная (столбчатая) паренхима в листьях, и имеется только губчатая (ландыш, копытень). Кроме того, эти растения имеют более крупные листья и более крупные хлоропласты.
Также на интенсивность фотосинтеза влияет температура окружающей среды. Наибольшая интенсивность фотосинтеза наблюдается при температуре 20-28 °С. При дальнейшем повышении температуры интенсивность фотосинтеза падает, а интенсивность дыхания возрастает. Когда интенсивности фотосинтеза и дыхания совпадают, говорят о компенсационном пункте.
Компенсационный пункт изменяется в зависимости от интенсивности света, повышения и понижения температуры. Например, у холодостойких бурых морских водорослей он соответствует температуре около 10 °С. Температура влияет, в первую очередь, на хлоропласты, у которых в зависимости от температуры изменяется структура, что хорошо видно в электронном микроскопе.
Очень большое значение для фотосинтеза имеет содержание углекислого газа в окружающем растение воздухе. Средняя концентрация углекислоты в воздухе составляет 0,03% (по объему). Понижение содержания углекислого газа неблагоприятно влияет на урожай, а его повышение, например до 0,04% может повысить урожай почти в 2 раза. Более значительное повышение концентрации вредно для многих растений: например, при содержании углекислого газа около 0,1% растения томатов заболевают, у них начинают скручиваться листья. В оранжереях и теплицах можно повысить содержание углекислого газа, выпуская его из специальных баллонов или давая испаряться сухой углекислоте.
Свет разных длин волн также по-разному влияет на интенсивность фотосинтеза. Впервые интенсивность фотосинтеза в различных лучах спектра исследовал физик В. Добени, показавший в 1836г., что скорость фотосинтеза в зеленом листе зависит от характера лучей. Методические погрешности при проведении эксперимента привели его к неправильным выводам. Ученый поместил отрезок побега элодеи в пробирку с водой срезом вверх, освещал пробирку, пропуская солнечный свет через цветные стекла или окрашенные растворы, и учитывал интенсивность фотосинтеза по количеству пузырьков кислорода, отрывающихся с поверхности среза за единицу времени. Добени пришел к выводу, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна яркости света, а наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Этой же точки зрения придерживался и Джон Дрепер (1811-1882), который изучал интенсивность фотосинтеза в различных лучах спектра, испускаемых спектроскопом.
Роль хлорофилла в процессе фотосинтеза доказал выдающийся российский ботаник и физиолог растений К.А. Тимирязев. Проведя в 1871-1875 гг. серию опытов, он установил, что зеленые растения наиболее интенсивно поглощают лучи красной и синей части солнечного спектра, а не желтые, как это считалось до него. Поглощая красную и синюю часть спектра, хлорофилл отражает зеленые лучи, из-за чего и кажется зеленым.
На основании этих данных немецкий физиолог растений Теодор Вильгельм Энгельман в 1883 г. разработал бактериальный метод изучения ассимиляции углекислого газа растениями.
Поместив в каплю воды на предметном стекле кусочек водоросли, Энгельман внес туда же немного аэробных бактерий, после чего, рассмотрел препарат под микроскопом. Оказалось, что в отсутствии призмы приготовленный препарат освещался ровным белым светом, и бактерии равномерно распределялись вдоль всего участка водоросли. В присутствии призмы отраженный от зеркальца луч света преломлялся, освещая участок водоросли под микроскопом светом с разной длиной волны. Спустя несколько минут, бактерии сконцентрировались на тех участках, которые были освещены красным и синим светом. На основании этого Энгельман сделал вывод о том, что разложение углекислого газа, (а, значит, и выделение кислорода) у зеленых растений наблюдается в дополнительных к основной окраске (т.е. зеленой) лучах - красных и синих.
Данные, полученные на современном оборудовании, полностью подтверждают результаты, полученные Энгельманом более 120 лет назад.
Поглощенная хлорофиллом световая энергия принимает участие в реакциях первого и второго этапов фотосинтеза; реакции третьего этапа являются темновыми, т.е. происходит без участия света. Измерения показали, что процесс восстановления одной молекулы кислорода требует минимум восьми квантов световой энергии. Таким образом, максимальный квантовый выход фотосинтеза, т.е. число молекул кислорода, соответствующее одному кванту поглощенной растением световой энергии, составляет 1/8, или 12,5%.
Р.Эмерсон с сотрудниками определили квантовый выход фотосинтеза при освещении растений монохроматическим светом различной длины волны. При этом установлено, что выход остается постоянным на уровне 12% в большей части видимого спектра, но резко снижается вблизи дальней красной области. Это снижение у зеленых растений начинается при длине волны 680 нм. При длине больше 660 нм свет поглощает только хлорофилл a; хлорофилл b имеет максимум поглощения света при 650 нм, а при 680 нм практически свет не поглощает. При длине волны больше, чем 680 нм, квантовый выход фотосинтеза может быть доведен до максимальной величины 12% при условии, что растение одновременно будет освещаться также светом с длиной волны 650 нм. Иначе говоря, если свет, поглощаемым хлорофиллом а дополняется светом, поглощаемый хлорофиллом b, то квантовый выход фотосинтеза достигает нормальной величины.
Усиление интенсивности фотосинтеза при одновременном освещении растения двумя лучами монохроматического света различной длины волны по сравнению с его интенсивностью, наблюдаемой при раздельном освещении этими же лучами, получило название эффекта Эмерсона. Опыты с различными комбинациями дальнего красного света и света с более короткой длиной волны над зелеными, красными, синезелеными и бурыми водорослями показали, что наибольшее усиление фотосинтеза наблюдается в том случае, если второй луч с более короткой длиной волны поглощается вспомогательнымих пигментами.
b, у красных водорослей - каротиноиды и фикоэритрин, у синезеленых - каротиноиды и фикоцианин, у бурых водорослей - каротиноиды и фукоксантин.
Дальнейшее изучение процесса фотосинтеза привело к заключению, что вспомогательные пигменты передают от 80 до 100% поглощенной ими световой энергии хлорофиллу а. Таким образом, хлорофилл а аккумулирует световую энергию, поглощаемую растительной клеткой, и затем использует ее в фотохимических реакциях фотосинтеза.
Позже было обнаружено, что хлорофилл а присутствует в живой клетке в виде форм с различными спектрами поглощения и различными фотохимическими функциями. Одна форма хлорофилла а, максимум поглощения у которой соответствует длине волны 700 нм, принадлежит к пигментной системе, получившей название фотосистема I, вторая форма хлорофилла а с максимумом поглощения 680 нм, принадлежит к фотосистеме II.
Итак, в растениях была открыта фотоактивная пигментная система, особенно сильно поглощающая свет в красной области спектра. Она начинает действовать уже при ничтожной освещенности. Кроме того, известна и другая регуляторная система, которая избирательно поглощает и использует для фотосинтеза синий цвет. Эта система работает при достаточно сильном свете.
Установлено также, что фотосинтетический аппарат одних растений в значительной степени использует для фотосинтеза красный свет, других - синий.
Для определения интенсивности фотосинтеза водных растений можно использовать метод подсчета пузырьков кислорода. На свету в листьях происходит процесс фотосинтеза, продуктом которого является кислород, накапливающийся в межклетниках. При срезании стебля избыток газа начинает выделяться с поверхности среза в виде непрерывного тока пузырьков, быстрота образования которых зависит от интенсивности фотосинтеза. Данный метод не отличается большой точностью, но зато прост и дает наглядное представление о зависимости процесса фотосинтеза от внешних условий.
Опыт 1. Зависимость продуктивности фотосинтеза от интенсивности света
Материалы и оборудование: элодея; водные растворы NaHCO3, (NH4)2CO3 или минеральная вода; отстоявшаяся водопроводная вода; стеклянная палочка; нитки; ножницы; электролампа мощностью 200 Вт; часы; термометр.
1. Для опыта отбирали здоровые побеги элодеи длиной около 8 см интенсивного зеленого цвета с неповрежденной верхушкой. Их подрезали под водой, привязывали ниткой к стеклянной палочке и опускали верхушкой вниз в стакан с водой комнатной температуры (температура воды должна оставаться постоянной).
2. Для опыта брали отстоявшуюся водопроводную воду, обогащенную СО2 добавлением NaHCO3 или (NH4)2CO3, или минеральную воду, и выставляли стакан с водным растением на яркий свет. Наблюдали за появлением пузырьков воздуха из среза растения.
3. Когда ток пузырьков становился равномерным, подсчитывали количество пузырьков, выделившихся за 1 мин. Подсчет проводили 3 раза с перерывом в 1 мин, данные записывали в таблицу, определяли средний результат.
4. Стакан с растением удаляли от источника света на 50-60 см и повторяли действия, указанные в п. 3.
5. Результаты опытов сравнивали и делали вывод о различной интенсивности фотосинтеза на ярком и слабом свету.
Результаты опытов представлены в таблице 1.
Вывод: при использованных интенсивностях света интенсивность фотосинтеза увеличивается с ростом интенсивности света, т.е. чем больше света, тем лучше идет фотосинтез.
Таблица 1. Зависимость фотосинтеза от интенсивности света
Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза
Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза, он снабжает растения и животных энергией и углеродом, обеспечивает выделение кислорода в атмосферу. Растения поглощают около 1% падающей на Землю солнечной энергии, связывают углекислый газ атмосферы, а также и воду, превращая их в 150 млрд т сухого органического топлива в год (около 1 кг/м 2 ). Часть этого органического вещества поедается травоядными животными, которыми питаются хищные животные и человек. Растительные и животные остатки разлагаются бактериями и грибами до уровня исходных неорганических веществ. Затем этот круговорот замыкается: энергия солнечного излучения, поглощённая растениями, переходит в тепло и излучается Землёй в космическое пространство. Можно сказать, что жизнь на Земле есть процесс поглощения солнечного света.
Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является его протекание с использованием энергии солнечного света. Лучистая энергия - это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определённой длиной волны и скоростью распространения c - скоростью света, равной 3 · 10 8 м/с. Эти величины связаны между собой следующим образом: Е = c/ E = h h·c/ h - постоянная Планка. Из этой формулы ясно, что величина энергии квантов для разных участков спектра различна: чем короче длина волны, тем она больше:
2. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза
Согласно первому закону фотохимии, только поглощённые лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае, если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ - фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторы - вещества, поглощающие энергию света и передающие её той или иной бесцветной молекуле.
Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощённые лучи, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К.А.Тимирязева. До этого господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют жёлтые лучи солнечного спектра, которые хлорофиллом не поглощаются. К.А.Тимирязев показал, что процесс усвоения CO2 на свету представляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фотохимии, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света.
Наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных лучах. Затем, в направлении зелёной части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает, зелёные лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъём интенсивности фотосинтеза. Таким образом, кривая интенсивности фотосинтеза имеет два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия.
II. Экспериментальная часть
1. Цель: 1) выявить влияние световых волн разной длины на прорастание семян злаковых растений; 2) выявить влияние световых волн разной длины на интенсивность фотосинтеза в листьях растений.
Оборудование: четыре ёмкости с землёй; семена злаковых растений; штатив с укреплённой на нём люминесцентной лампой; световые фильтры (по 4 штуки сине-фиолетового, зелёного и оранжево-красного цветов); контейнер; сушильный шкаф; фарфоровые чашечки.
1-й этап выполнение работы
• 08.01.07 в четыре ёмкости с землёй были посеяны семена одинаковой злаковой культуры - овса.
• После посадки и первого полива три ёмкости поместили в контейнер под светофильтры разных цветов. Одна ёмкость - контрольная, семена в ней прорастали при естественном освещении.
• С этого дня полив осуществлялся регулярно.
• 10.01.07 появились первые всходы в ёмкости под сине-фиолетовым светофильтром.
• Почти одновременно с ними, через несколько часов, появились всходы под оранжево-красным светофильтром.
• Через два дня, 12 января, появились всходы под зелёным светофильтром.
• И последними, 13 января, проросли семена в контрольной ёмкости.
2-й этап выполнения работы
• 18.01.07 и 25.01.07 были произведены срезы листьев растений и замеры площади и сырой массы срезанных листьев (см. таблицу).
• Для определения сухой массы растения были помещены в сушильный шкаф в фарфоровых чашечках на один час.
• После сушки растения были взвешены на весах (см. таблицу внизу).
2. Методика работы
• Определение площади листа. Метод основан на сопоставлении листа с некоторой простой геометрической фигурой, достаточно хорошо совпадающей с его конфигурацией. Лист вписывают в соответствующую фигуру так, чтобы основные параметры были общими. Так, листья злаков легко вписываются в вытянутый прямоугольник. Измеряя длину a и ширину b такого прямоугольника, находят его площадь: S = a · b.
• Определение чистой продуктивности фотосинтеза. На долю органических соединений, создаваемых в ходе фотосинтеза, приходится около 95% общей биомассы растительного организма. Поэтому изменение сухой массы может довольно объективно отражать ассимиляционную деятельность растения. Именно этот показатель и лёг в основу метода определения «нетто-ассимиляции», или чистой продуктивности фотосинтеза (ЧПФ).
ЧПФ представляет собой прирост сухой массы растений (в граммах) за определённое время (сутки), отнесённый к единице листовой массы поверхности (м 2 ). Её учитывают путём периодического отбора проб растений, у которых определяют общую массу и площадь. Далее рассчитывают «нетто-ассимиляцию»:
где B1 и B2 - сухая масса растений в начале и конце учётного периода; (B2 - B1) - прирост сухой массы в течение n дней между двумя последовательными сроками наблюдений; Л1 и Л2 - площадь листьев в начале и в конце периода, м 2 ; 0,5 (Л1 + Л2) - средняя работавшая площадь листьев за время опыта.
• Показатели чистой продуктивности фотосинтеза в природных условиях обычно колеблются от 0,1 до 20 г (и более) сухого вещества на 1 м 2 в сутки: у злаков в фазе интенсивного роста 40-50 г/ (м 2 · сут.), у основных сельскохозяйственных культур 4-10 г/ (м 2 · сут.).
3. Выводы на основе наблюдений
1. Площадь листьев быстрее нарастает у растений, находящихся под оранжево-красным и сине-фиолетовым светофильтрами.
2. ЧПФ имеет два пика: при красном (37,37 г/м 2 ) и при сине-фиолетовом (26,3 г/м 2 ) облучениях.
3. ЧПФ минимальна при зелёном облучении, т.к. зелёные световые лучи не поглощаются хлорофиллом, а отражаются от него.
III. Значение фотосинтеза в продукционном процессе. Фотосинтез и урожай
Ещё К.А.Тимирязев подчеркивал, что важнейшая задача изучения физиологии растений - найти путь, чтобы «вырастить два колоса там, где растёт один». Задача эта не только не потеряла значения, но стала ещё более острой. Большое значении в её решении играет управление фотосинтетической деятельностью растений. Фотосинтез является основным процессом образования сухого вещества растений. Однако зависимость между фотосинтезом и общей продуктивностью растительного организма, а тем более урожаем, далеко не простая. Л.А.Иванов предложил следующее уравнение, характеризирующее отношение между накоплением сухой массы растением (биологическим урожаем) и интенсивностью фотосинтеза: M = aST - bS1T1, где M - сухая масса растения, a - интенсивность фотосинтеза, S - фотосинтезирующая поверхность, T - время фотосинтеза, произведение aST - продуктивность фотосинтеза, b - интенсивность дыхания; S1 - поверхность клеток, осуществляющих дыхание, T1 - время дыхания. Надо учитывать, что фотосинтез осуществляется лишь в зелёных клетках, тогда как процесс дыхания идёт во всех клетках без исключения. Время, в течение которого осуществляется фотосинтез, также меньше времени дыхания. В связи с этим, чтобы сухое вещество накапливалось, интенсивность фотосинтеза должна примерно в 10 раз быть выше интенсивности дыхания. Связь между фотосинтезом и урожаем растений подробно освещена в работах А.А.Ничипоровича. Согласно ему, биологический урожай равен сумме приростов сухой массы за каждые сутки вегетационного периода: Убиол = C1 + C2 + . + Cn, где C - прирост сухой массы (кг/га) за сутки, n - число суток. Прирост сухой массы в г/(м 2 · сут.) составляет C = (Фco2 · Кэф · Л)/1000, где Фco2 - интенсивность фотосинтеза (в граммах CO2 за сутки на 1 м 2 листовой поверхности); Кэф - коэффициент, позволяющий перейти от количества усвоенного CO2 к величине накопленного сухого вещества; Л - площадь листьев.
Чтобы перейти от массы усвоенного углекислого газа к сухому веществу, необходимо ввести коэффициент 0,64 (1 г усвоенного CO2 соответствует 0,64 г углеводов). Однако не всё образовавшееся сухое вещество накапливается. Частично оно расходуется в процессе дыхания, теряется при опадении отдельных органов, а также при экзосмосе, - эти потери составляют 25-30%. Вместе с тем определённое количество веществ поступает через корневую систему (5-10% от общей массы растения). В итоге можно считать Кэф = 0,5.
Следовательно, общее накопление сухой массы растений зависит от интенсивности фотосинтеза, коэффициента эффективности (куда входит трата на процесс дыхания), размера листовой пластины и суммы дней вегетационного периода.
Как видно из приведённых уравнений, накопление сухой массы зависит не только от площади листьев, но и от интенсивности фотосинтеза. Расчёты показывают, что интенсивность фотосинтеза может достигать 100 мг CO2/(дм 2 · ч), а обычно составляет 10-15 мг CO2/(дм 2 · ч). Необходимо учесть, что в агрономической практике важен не столько биологический, сколько хозяйственный урожай. Хозяйственный урожай - это доля полезного продукта, ради которой возделывают данное растение (зерно, корнеплоды, волокно и т.д.): Ухоз = Убиол · Кхоз. Коэффициент Кхоз может колебаться от 50% для сахарной свёклы до 1% для волокна хлопчатника, а также значительно изменяться и для одного и того же растения.
В большей степени биологический, а следовательно, и хозяйственный урожай зависят от площади листьев. Необходимо добиваться быстрого развития листовой поверхности в начале вегетационного периода. Однако при чрезмерном развитии листьев они затеняют друг друга, их работоспособность уменьшается. Могут быть даже случаи, когда листья из снабжающих органов становится потребляющими. Вместе с тем лист - это не только орган фотосинтеза, но и орган транспирации. Следовательно, чем больше площадь листьев, тем больше растение теряет воды в процессе испарения.
КПД фотосинтеза в естественных условиях ничтожно мал. Для его повышения очень важно уменьшать затраты солнечной энергии на транспирацию. В частности, это может быть достигнуто улучшением условий корневого питания.
Наконец, для получения наибольшего хозяйственного урожая большое значение имеет повышение Кхоз, иначе говоря, увеличение доли полезного продукта в урожае. Это может быть достигнуто прежде всего путём изменения направления оттока ассимилянтов из листьев и связанной с этим различной скоростью роста отдельных органов. В этом отношении существенную роль должно сыграть умелое применение регуляторов роста - фитогормонов. Важно также, чтобы в конце вегетационного периода питательные вещества как можно полнее использовались на формирование хозяйственно ценных органов. В связи с этим могут быть полезны все приёмы, которые усиливают отток ассимилянтов и даже отмирание листа в конце вегетационного периода
Наконец, большую роль играет селекционный отбор растений. В настоящее время показана возможность отбора сортов сельскохозяйственных растений, характеризующихся более высокой интенсивностью как световых, так и темновых реакций.
Подводя итоги, можно сказать, что, отмечая важность фотосинтеза в продукционном процессе, необходимо учитывать его связь с процессами роста, развития, дыхания, водного и минерального питания.
Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3 томах. Пер. с англ. /Под ред. Р.Сопера - 2-е издание. - М: Мир , 1996.
Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ООО ЮКЭА, 1997.
Практикум по физиологии растений: Под ред. Н.Н.Третьякова. - М.: Колос, 1982.
Якушкина Н.Н., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений: Учеб. для студентов вузов. - М: Владос, 2005.
Евдокия Панкратова получила аттестат с отличием по окончании основной школы, сейчас учится в 10-м классе естественно-математического профиля. Участвовала в прошлом учебном году в пяти олимпиадах и на четырёх заняла 1-е место, а на одной - 2-е. В нынешнем учебном году из пяти олимпиад выиграла четыре, на одной заняла 3-е место. Стипендиат Главы г. Лобни за 2007 г. Собирается поступать в медицинский институт.
Графики интенсивности фотосинтеза
Основными внешними факторами, влияющими на интенсивность фотосинтеза, являются освещенность, концентрация диоксида углерода и температура. Если по горизонтальной оси отложить изменение любого из перечисленных факторов, то кривые зависимости интенсивности фотосинтеза от этих факторов будут иметь вид, представленный на рис. 7.19.
Сначала при увеличении значения какого-либо из лимитирующих факторов наблюдается линейное увеличение интенсивности фотосинтеза. Затем по мере того, как другой фактор или факторы становятся лимитирующими, происходит замедление интенсивности реакции и ее стабилизация. В дальнейшем будем предполагать, что меняется лишь один, обсуждаемый, фактор, а остальные имеют оптимальные значения.
Освещенность
При низкой освещенности интенсивность фотосинтеза возрастает пропорционально увеличению количества падающего света (см. рис. 7.19). Постепенно под воздействием других факторов интенсивность фотосинтеза снижается.
Освещенность в ясный летний день составляет примерно 100 000 люкс (10 000 футкандел), тогда как для нормального процесса фотосинтеза необходима освещенность, равная лишь 10 000 люкс. Поэтому для большинства растений (кроме растений, находящихся в тени) свет не является главным лимитирующим фактором фотосинтеза.
Очень высокие значения интенсивности света могут приводить к обесцвечиванию хлорофилла и замедлению реакций фотосинтеза. Вместе с тем растения, постоянно находящиеся в подобных условиях, обычно хорошо к ним адаптированы; например, листья у них покрыты толстой кутикулой или густо опушены.
Концентрация диоксида углерода
Диоксид углерода используется в темновых реакциях для получения сахара. В нормальных условиях диоксид углерода является основным лимитирующим фактором фотосинтеза. В атмосфере содержится от 0,0З до 0,04% диоксида углерода.
Если повысить его содержание в воздухе (см. результаты опыта З, рис. 7.20), то можно добиться увеличения интенсивности фотосинтеза. В течение короткого периода можно поддерживать оптимальную концентрацию, составляющую 0,5%, однако при длительном воздействии такая концентрация становится опасной для растения.
Поэтому наиболее благоприятной считается концентрация диоксида углерода, равная примерно 0,1%. Некоторые тепличные культуры, например томаты, выращивают именно в атмосфере, обогащенной диоксидом углерода.
В настоящее время большой интерес вызывают растения, способные эффективно удалять диоксид углерода из атмосферы и дающие при этом повышенные урожаи. Такие растения, называемые С4-растения, обсуждаются в разд. 7.9.
Температура
Темновые, а в некоторой степени и световые реакции контролируются ферментами, поэтому температура воздуха имеет большое значение. Для растений умеренного климата наиболее благоприятной является температура примерно 25 °С. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции удваивается, (вплоть до З5 °С), однако другие данные свидетельствуют о том, что при 25 °С растение развивается лучше.
Литература. Биология : в 3 т. Т. 1 / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут ; под ред. Р. Сопера
Фотосинтез и урожай
Фотосинтез и урожай взаимосвязаны. Первичное образование органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, но судить о конечном накоплении органической массы по интенсивности фотосинтеза нельзя, так как далеко не все продукты фотосинтеза сохраняются в теле растения. Образование органического вещества происходит в процессе фотосинтеза
Общее количество накопленного за определенный промежуток времени органического вещества зависит не только от фотосинтеза, но и от процесса дыхания. Процесс дыхания в растении идет непрерывно и осуществляется за счет органических веществ, образованных в процессе фотосинтеза.
Продуктивность фотосинтеза
Накопленное органическое вещество представляет собой разность между веществом, выработанным в процессе фотосинтеза, и веществом, расходуемым на дыхание. Суточный привес сухого вещества, отнесенный к единице площади растения, называют продуктивностью фотосинтеза.
Таким образом, чем больше продуктивность фотосинтеза, тем выше урожай растений. Продуктивность фотосинтеза (Ф) легко рассчитать по следующей формуле: Ф = (В2-В1)/[1/2(Л1+Л2)Т] (г/м 2 ·сутки), где: В2-В1 — увеличение сухой массы урожая растений за Т дней при весе их в начале учетного промежутка В1, а в конце — В2, 1/2(Л1+Л2)—средняя площадь листьев тех же растений за Т дней при размере ее в начале учетного промежутка Л1 кв. м, в конце — Л2 кв. м.
Показатель чистой продуктивности представляет собой результат образования органических веществ в процессе фотосинтеза и усвоения из почвы минеральных веществ за вычетом потерь веществ на дыхание и отмирание органов.
Продуктивность фотосинтеза растений обычно составляет 4— 6 г в сутки на 1 кв. м листьев, но может быть и больше — 8—10 и даже 12—15 г. Поэтому основная задача — увеличивать продуктивность фотосинтеза и сделать ее устойчивой.
Поэтому при выращивании растений необходимо это учитывать и принимать все меры, чтобы листья максимально поглощали падающую на них энергию солнечного света и использовали ее с наибольшим коэффициентом полезного действия. Для этого нужно увеличивать листовую площадь растений, правильно располагая растения на участках.
Взаимосвязь между интенсивностью фотосинтеза и величиной урожая очень сложна и только изредка между ними существует прямая зависимость. В то же время интенсивность фотосинтеза— основа для получения высоких урожаев. Интенсивность фотосинтеза— основа для получения высоких урожаев
Поэтому все мероприятия, которые увеличивают фотосинтез, — правильные схема посева и направление рядков, улучшение водоснабжения, дождевание и полив в районах орошения, подкормка углекислотой, правильное применение удобрений — должны привести к увеличению урожая, (подробнее: Как влияют внешние факторы на процесс фотосинтеза). Кроме того, необходимы сорта с повышенной интенсивностью фотосинтеза, приспособленные к разным климатическим условиям.
Читайте также: