Дыхание листа. – Книга для чтения по ботанике –

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. 

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:

1. Световая.

2. Темновая.

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.

Дыхание и питание растений

Дыхание у растений — урок. биология, 6 класс.

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.

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. 

Функции каротиноидов:

• 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.

Комнатные растения очищают воздух от тяжелых металлов и других опасных примесей?

В старых статьях, которые «любовно» перепечатывают недобросовестные ботанические сайты, можно встретить такое утверждение:

«Согласно исследованиям NASA, растения удаляют токсины из воздуха — до 87% летучих органических соединений (ЛОС) каждые 24 часа. ЛОС включают такие вещества, как формальдегид (присутствующий в коврах, виниле, сигаретном дыме и продуктовых пакетах), бензол и трихлорэтилен (оба содержатся в искусственных волокнах, чернилах, растворителях и красках).

В современных герметичных зданиях с климат-контролем летучие органические соединения улавливаются внутри. Исследование NASA обнаружило, что растения очищают этот захваченный воздух, втягивая загрязнители в почву, где микроорганизмы корневой зоны превращают ЛОС в пищу для растений».

Утверждения о том, что комнатные растения очищают воздух, основаны на довольно старых (1980-е годы прошлого века) экспериментах NASA. Во время этих экспериментов растения помещали в герметичные камеры и через некоторое время замеряли содержание в этих камерах различных вредных веществ.

Сансевиерия

Оказалось, что спатифиллум, хризантема, сансевиерия и некоторые другие растения способны поглощать аммиак, формальдегид, бензол и другие канцерогены. Однако научное сообщество, комментируя результаты экспериментов, справедливо указывало на существенный момент: квартира или офис – это не герметичная камера.

И действительно, попытки воспроизвести многообещающие результаты в реальных условиях не удались: в настоящих офисах, где проводились новые эксперименты, растения не оказали никакого влияния на количество примесей в воздухе. Это вполне объяснимо даже с точки зрения простого здравого смысла.

Количество примесей в воздухе помещения зависит от качества наружного воздуха, постоянно поступающего при вентиляции, и от наличия постоянных загрязняющих агентов. Если, например, в помещении регулярно курят или оно отделано материалами, выделяющими формальдегид, то пара-тройка горшков с сансевиериями вряд ли повлияет на положение дел.

Кстати, о тяжелых металлах в экспериментах NASA и последующих речь не шла. Откуда же взялась информация о том, что такое якобы возможно?

Фиторемедиация водоема

Существует понятие «фиторемедиация», которое подразумевает очистку почв, воды и воздуха от загрязнений при помощи растений, которые способны всасывать некоторые химические элементы и соединения и накапливать их в зеленой массе или корнях. Известен ряд растений, которые генетически предрасположены к поглощению тяжелых металлов из почвы: это представители семейства Крестоцветные (например, горчица), а также кукуруза, техническая конопля, марь, подсолнечник и некоторые другие.

Есть растения (например, ряска и тростник), способные «вытягивать» тяжелые металлы из воды. Считается, что фиторемедиация – перспективная технология восстановления почвы и воды, загрязненных тяжелыми металлами. Действительно, идея привлекательна: растения накапливают вредные агенты, а затем их зеленая масса утилизируется специальными методами.

Однако об очистке воздуха помещений от тяжелых металлов речь опять-таки не идет. Нет никаких достоверных научных данных о том, что комнатные растения имеют значимую способность к фиксации частиц тяжелых металлов из воздуха. В самом деле, в воздухе больших городов, особенно промышленных, можно обнаружить чуть ли не всю таблицу Менделеева, но могут ли растения как-то существенно на это повлиять – вопрос открытый. Говорить об этом как об установленном факте, как это иногда преподносится в Интернете, пока очень преждевременно.

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:

• 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.

• 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.

Растения выделяют фитонциды, которые убивают вирусы и бактерии в воздухе?

Фитонциды – модная тема, которая регулярно поднимается в последнее время, особенно в свете пандемии коронавируса. В общественном сознании прочно закрепилась мысль, что некие летучие вещества, вырабатываемые растениями, способны чуть ли не стерилизовать окружающий воздух. Так ли это на самом деле, а главное – применимо ли это к комнатным растениям? Посмотрим, что говорит наука.

Даже если открыть статью о свойствах фитонцидов в Википедии, можно обнаружить, что ни в одном из разделов нет ссылок на достоверные источники информации, а имеющаяся библиография ведет либо на очень старые публикации советских специалистов, либо на словарные определения фитонцидов.

Ни одной ссылки на современные исследования там нет. И недаром: поиск по базам свежих научных публикаций выдает некоторое количество очень слабых исследований, посвященных фитонцидам, с низкой достоверностью полученных результатов. Причем ни в одном из них комнатные растения не фигурируют.

Есть исследования, посвященные антибактериальным и антивирусным свойствам сока некоторых растений, но это не новость: о том, что растения могут быть лекарственными, человечество знает с древнейших времен. И речь идет не конкретно о фитонцидах, а о других компонентах сока растений.

Растения в целом действительно способны вырабатывать всевозможные способы защиты от вредителей и инфекций: это и разнообразные яды – фитотоксины (никотин, атропин, рицин и др.), и специфические фитогормоны, обеспечивающие активную иммунную реакцию на вторжение «врага» (подробнее об иммунитете растений можно почитать здесь >>>).

Фитонциды считаются составляющими пассивного иммунитета растений, но, как показывает практика, они не особенно эффективны: те же лук и чеснок, «разрекламированные» как источник фитонцидов, очень часто поражаются болезнями – это видит у себя на участке каждый дачник.

В самом существовании фитонцидов никто не сомневается, но открытыми остаются вопросы:

— насколько комнатные растения способны их выделять и

— насколько эти фитонциды могут быть эффективными против инфекций, которые опасны для нас, а не для растений. Ведь люди и томаты болеют очень разными болезнями, и возбудители у них тоже разные. А защитные механизмы растения вырабатывали не для нас, а для себя.

Пока нет ни одного серьезного исследования, которое давало бы на эти вопросы обнадеживающие ответы.

Исходя из общих знаний биологии, можно предположить, что комнатные растения если и продуцируют фитонциды, то в исчезающе малых количествах, которые к тому же легко удаляются из помещения при проветривании (о пользе проветривания мы уже договорились). Так что фитонциды наших зеленых домашних питомцев вряд ли могут существенно поспособствовать сохранению нашего здоровья.

Зато в Интернете можно найти множество статей без указания источников информации, где буквально перечисляется, каким человеческим инфекциям доблестно противостоят определенные растения. Что характерно, некоторые из упоминаемых инфекций передаются только контактным путем, а не «по воздуху», так что никакие фитонциды здесь и не помогли бы.

Абсолютно точно: увлечение комнатными растениями благотворно сказывается на настроении

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:

1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
2. 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.
3. 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.

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.

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.

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.

В нём можно выделить три этапа:

1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
3. 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.

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.

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.

Частые заблуждения о дыхании комнатных растений

Обращали ли вы внимание на совершенно безликие псевдонаучные тезисы? Когда какой-то ахинее нужно придать дополнительный вес, авторы ссылаются на далекий американский штат или поступают по классике жанра, посылая читателя в Массачусетский технологический институт. Например, мы позабавились вот такому утверждению:

«По словам исследователей из Университета штата Канзас, добавление растений в больничные палаты ускоряет выздоровление хирургических пациентов. По сравнению с пациентами в комнатах без растений, пациенты в комнатах с растениями требуют меньше обезболивающих, демонстрируют более низкую частоту сердечных сокращений и артериальное давление, меньше утомляются и раньше выписываются из больницы».

Или вот такой перл:

«Голландский совет по продукции для садоводства заказал исследование, в ходе которого было обнаружено, что добавление растений в офисные помещения снижает усталость, простуду, головные боли, кашель, боль в горле и симптомы гриппа. В другом исследовании, проведенном Сельскохозяйственным университетом Норвегии, заболеваемость в офисах с растениями снизилась более чем на 60 %».

Наверное, школьный курс биологии не многим копипастерам оказался по зубам. Итак, чтобы новички комнатного цветоводства не совершали драматичных ошибок и не повторяли благоглупости, мы публикуем основные факты о свойствах комнатных растений.

Что действительно улучшит воздух в квартире, так это качественный увлажнитель

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.