Как питаются растения из воздуха. Углекислотные удобрения и урожай.
Эти две системы питания в растениях работают синхронно, комплексно и разделить их на две самостоятельные невозможно. Однако у каждой из них есть свои особенности и своя специализация. Воздух для растений должен быть не только чистым, но и вкусным. Через листья растения усваивают солнечную энергию и поглощают углерод и кислород в виде углекислого газа — СО2, плюс небольшое количество минеральных элементов питания. Чем больше в воздухе углекислого газа, тем выше урожай. Через корни, наоборот, больше поглощается воды и элементов минерального питания (N, P, K, Ca, Mg, S, микроэлементы и др.), плюс небольшое количество и углекислого газа.
Воздушное питание — весьма сложный процесс. Сначала на свету (световая фаза) зеленый пигмент листьев, хлорофилл, поглощает кванты световой энергии солнца, под влиянием которых происходит деформация в его молекуле двойных связей с перемещением электронов и появлением двух свободных валентностей. Возникает активная форма хлорофилла. При взаимодействии этого хлорофилла с двумя молекулами воды, от которой отнимаются два атома водорода, выделяется в атмосферу кислород. В этом проявляется одно из основных величественных значений зеленой растительности — обогащение ею воздуха нашей планеты кислородом. Затем из СО2 и воды образуется первичный органический продукт — глюкоза. Углеводы — наиболее распространенный продукт фотосинтеза, они являются продуктом воздушного (углекислотного) питания растений. Но наряду с ними в зеленых листьях образуются аминокислоты и белки, а также жиры и другие сложные органические вещества в соответствии с природой каждого растения.
Процесс воздушного питания идёт быстро. Благодаря методу меченых атомов выяснилось, что уже через 5-10 секунд после начала освещения в зеленых листьях появляются разнообразные органические вещества, причем ассортимент их зависит как от природы самого растения, его возраста, так и от условий внешней среды. Воздушное питание идёт более интенсивно при оптимальной температуре, влажности, хорошем корневом питании минеральными элементами, хорошей освещенности и высоком содержании СО2 в воздухе.
Достойны внимания данные о том, что в хлоропластах концентрируются минеральные элементы в больших количествах: в этих органеллах содержится (в % от общего наличия в листе) азота и магния — до 75, железа — более 80, цинка — около 70, кальция — две трети, калия и меди — не менее половины. В хлоропластах имеется также много и ферментов. Это подчеркивает важную роль указанных веществ в ходе воздушного питания растений.
Следует подчеркнуть и высокую работоспособность хлорофилла, хотя содержание его составляет лишь 1-3 г на 1 кг свежих листьев. Свет, прошедший сквозь толщину одного листа, благодаря высокой дисперсности хлорофилла, теряет от 75 до 90% своей интенсивности и, следовательно, становится уже заведомо недостаточным для нормального фотосинтеза в нижних листьях. Дисперсность зернышек хлорофилла столь велика, что суммарная их поверхность в одном листе может в 200 раз превышать площадь самой листовой пластинки.
Интенсивность фотосинтеза (под которой условились понимать количество углекислоты, ассимилируемое 1 м2 листьев за 1 час) у многих культур при нормальных условиях составляет в пересчете на глюкозу 1-2 г, а в среднем около 1,3 г за 1 час. Однако в летний день на протяжении одного часа каждый грамм хлорофилла участвует в ассимиляции 5 г СО2. За световые часы лист в этот период ежедневно накапливает до 25% от своего веса новых органических веществ. Воздушное питание (углекислотное) часто называют невидимым, а углекислоту — невидимым удобрением, так как она бесцветна.
Воздушное питание проходит оптимально, если концентрация СО2 в воздухе превышает 0,03% (от объема). Повышение содержания СО2 в 30 раз (до 1%) и даже более резко усиливает ассимиляцию углекислоты растением. В условиях теплиц при наиболее благоприятном режиме освещения, температуры, влажности и питательных веществ скороспелые сорта томатов созревают за 60 суток, позволяя получать до 4-6 урожаев в год. Если концентрация СО2 падает до 0,01%, воздушное питание приостанавливается.
Углекислотные удобрения. Навоз и другие органические удобрения являются для растений не только источником минеральных питательных веществ, но и углекислоты. Под влиянием микроорганизмов эти удобрения, разлагаясь в почве, выделяют много углекислоты, которая насыщает почвенный воздух и приземный слой атмосферы, в результате улучшается воздушное питание растений. Чем выше дозы внесенного в почву навоза, торфа или компостов, тем больше углекислоты образуется при их разложении и тем благоприятнее условия воздушного питания растений. В период максимального развития вегетативной массы, в том числе листьев, увеличение содержания углекислоты в надпочвенном воздухе — существенный фактор получения высоких урожаев сельскохозяйственных (особенно овощных) культур. При внесении в почву 5-8 кг/м2 навоза в период его интенсивного разложения количество ежедневно выделяемой на 1м2 углекислоты по сравнению с неудобренным участком возрастает на 30-40 г. Этого количества СО2 вполне достаточно для создания высокого урожая картофеля и овощных культур 4-5 кг с 1м2 (ежедневное потребление — 20-30 г углекислоты).
В защищенном грунте повысить урожай и содержание углекислого газа в воздухе теплиц можно путём внесения органических удобрений, использования биотоплива или путём специального сбраживания растительных остатков (сена, сорных растений и т.д.) в бочке или иной ёмкости. Растительные остатки заливают водой 1:1 и оставляют на 2-3 недели в теплице для брожения и выделения углекислоты в атмосферу теплицы. Перебродившую массу можно использовать для подкормки пропашных культур. В междурядиях делают бороздки, куда и разливают остатки, затем закрывают их почвой. Используются в качестве углекислотных удобрений также «сухой лёд» (раскладывают кусками в свободных местах) или применяют специальные горелки, выделяющие углекислый газ.
Роль воздушного питания достаточно высока. В целом оно обеспечивает создание 80-90% всего урожая, полученного на садовом участке. Это значит, что из 100 кг урожая овощей, ягод или цветов за счёт воздушного питания создаётся до 90 кг урожая. Поэтому хорошее снабжение растений углекислотой — одна из основных задач садовода и овощевода.
Элементы минерального питания частично могут поступать и через листья, например, аммиак и окислы серы из воздуха, а также некоторые соли, содержащиеся в дождевой воде, в том числе и микроэлементы. Сельскохозяйственные растения способны усваивать эти соединения клетками листьев или стеблей. Наличие в воздухе окислов серы бывает заметным и даже значительным только в индустриальных районах. В других районах только газообразными источниками серы нельзя покрыть всю потребность в ней растения. С осадками приносятся и микроэлементы, однако в заметном количестве лишь в приморских областях. Это йод, бор и др.
В связи с этими фактами одно время много преувеличенных надежд возлагалось на внекорневое питание растений слабыми растворами солей путем опрыскивания листвы. Полагали, что при таком методе применения удобрений можно избежать закрепления фосфатов некоторыми почвенными минералами аммония и калия (как это неизбежно бывает в почвенных условиях) и вымывания селитры и других солей. Главное же, предполагали, что внекорневым питанием можно сильно влиять на воздушное питание. Однако оказалось, что большинство минеральных соединений, даже в слабых концентрациях, вызывают ожоги листьев. Поэтому из азотных удобрений для опрыскивания лучше подходят лишь слабые растворы мочевины. С фосфорными и калийными солями дело обстоит совсем плохо. Кроме этого выяснилось, что только внекорневым питанием невозможно добиться нормального роста культур. И, несмотря на то, что листья способны усваивать многие соли при опрыскивании, этот прием решает лишь вспомогательные задачи и является дополнительным к обычному питанию через корни. Очевидно, высшие растения приспособились, выработали в ходе эволюции на протяжении многих десятков миллионов лет раздельное питание — воздушное и корневое.
Таким образом, понятие о внекорневом питании вскоре превратилось лишь в рекомендацию внекорневых подкормок на крайний случай и при этом больше всего для микроэлементов. Действительно, этих веществ приходится вносить сравнительно немного, поэтому и технически такую подкормку провести легче. Для макроэлементов же потребовалось бы несколько подкормок (одной- двух явно недостаточно), что связано с риском нанести вред (ожоги) и большим расходом воды, времени и средств.
В результате всестороннего изучения агрохимики пришли к выводу, что большинство культурных растений лучше всего поглощают питательные вещества корнями, они хорошо растут на плодородных почвах и дают высокие урожаи при слабокислой реакции среды (рН около 6,5). Но о корневом питании расскажем в другой статье. Желаю успехов!
Источник
Что такое фотосинтез и почему он так важен для нашей планеты
Фотосинтез — один из самых важных биологических процессов на Земле. Благодаря фотосинтезу живые организмы получают кислород, необходимый для дыхания, а сами растения создают полезные органические вещества для своей жизнедеятельности. В этой статье мы поговорим о том, что обозначает фотосинтез, как он происходит и что образуется в процессе фотосинтеза.
Что такое фотосинтез
Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.
Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл.
Строение хлоропластов
Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.
Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.
Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом.
Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.
Пигменты хлоропластов
Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:
- Хлорофиллы:
- хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
- хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
- хлорофилл c — у бурых водорослей,
- хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
- Каротиноиды:
- каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
- ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
- Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.
В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.
Хлорофилл
Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.
Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.
Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.
Каротиноиды
Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску.
- Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
- Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.
Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.
Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду BIO72020 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.
Что происходит в процессе фотосинтеза
Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества.
Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:
В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.
Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.
Световая фаза фотосинтеза
Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:
- Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II.
- Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
- Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.
Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I, отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.
На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.
Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ.
Темновая фаза фотосинтеза
Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.
В нём можно выделить три этапа:
- Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
- Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
- Фаза регенерации (превращения сахаров).
В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.
Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле.
Значение фотосинтеза
В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.
За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода.
Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.
Заключение
Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.
Источник