Исследовательская часть проекта Приложение 5

Исследовательская часть проекта
«Предотвращение тропизма у комнатных растений»
Приложение 5
Вопросом о роли света в процессах фотосинтеза начали заниматься с середины XIX в.
Американский физик Дж. У. Дрепер в 1846 г. и вслед за ним Ю. Сакс и В. Пфеффер считали,
что фотосинтез лучше всего осуществляется в желтых лучах, наиболее ярких для
человеческого глаза. В то же время было уже хорошо известно, что хлорофилл имеет резко
выраженные максимумы поглощения в красной и синей частях спектра. Исходя из этих
данных делался вывод, что процесс фотосинтеза не подчиняется закону сохранения
энергии, а свет действует на зелены лист как раздражитель. Против этого утверждения
выступил Ю. Р. Майер и Г. Гельмгольц, сформулировавшие закон сохранения и
превращения энергии. На основе чисто теоретических рассуждений они утверждали, что
зеленые растения поглощают лучистую солнечную энергию и превращают ее в химическую,
т.е. фотосинтез – это процесс трансформации энергии света в энергию химических связей.
Однако экспериментальных доказательств этой точки зрения не было. Они были получены
крупнейшим физиологом растений К.А. Тимирязевым, который изложил их в своей
докторской диссертации «Об усвоении света растением» (1875).
Тропизмы – это двигательные реакции растений на одностороннее действие
окружающей среды. При фототропизме раздражающим выступает одностороннее
освещение естественным или искусственным источником света.
Тимирязев нашел, что слишком широкие щели при пропускании света, разложенного
с помощью призмы, не обеспечивают его монохроматической чистоты. Этот недостаток в
постановке опытов и привел Дрепера и Пфеффера к неверным выводам. Тимирязев
использовал в работе очень узкие щели и помещал в полоски
монохроматического света тонкие пробирки с высечками из листьев. Для этих опытов ему
пришлось разработать очень чувствительные методы газового микроанализа. В результате
было установлено, что интенсивность ассимиляции СО2 максимальна при освещении
листьев красным светом, т.е. тем светом, который в наибольшей степени поглощается
хлорофиллом.
Тимирязев постулировал, что при ассимиляции СО2 хлорофилл служит оптическим
сенсибилизатором (т.е. веществом, увеличивающим чувствительность к свету) и что он
непосредственно участвует в процессе фотосинтеза, необратимо переходя из
восстановленного состояния в окисленное. Он сформулировал также идею о космической
роли фотосинтеза: фотосинтез – единственный процесс, с помощью которого космическая
солнечная энергия улавливается и остается на Земле, трансформируясь в другие формы
энергии. Тимирязев писал, что в хлоропласте лучистая энергия солнечного света
превращается в химическую энергию углеводов. Крахмал, клейковина и другие соединения,
консервирующие солнечную энергию, служат нам пищей. Освобождаясь в нашем теле в
процессе дыхания, эта энергия солнечного луча согревает нас, приводит в движение,
поддерживает мышление.
Интенсивность и спектральный состав света. В среднем листья поглощают 80-85%
энергии фотосинтестически активных лучей солнечного спектра (400-700 нм) и 25 %
энергии инфракрасных лучей, что составляет около 55% от энергии общей радиации. На
фотосинтез расходуется 1,5-2% поглощенной энергии (фотосинтестически активная
радиация – ФАР)
Зависимость скорости фотосинтеза от интенсивности света имеет форму
логарифмической кривой. Прямая зависимость скорость
процесса от притока энергии наблюдается только при низких интенсивности света.
Фотосинтез начинается при очень слабом освещении.
Впервые это было показано А. С. Фаминцыным в 1880 г. на установке с искусственным
освещением. Света керосиновой лампы оказалось достаточно для начала фотосинтеза и
образования крахмала в растительных клетках. У многих светолюбивых растений
максимальна (100%) интенсивность фотосинтеза наблюдается при освещенности,
достигающей половины от полной солнечной, которая, таким образом, является
насыщающей. Дальнейшее возрастание освещенности не увеличивает фотосинтез и затем
снижает его.
Суточные и сезонные ритмы фотосинтеза. С восходом солнца интенсивность
фотосинтеза возрастает вместе с освещенностью, достигая максимальных значений В 9-12 ч.
Дальнейший характер процесса определяется степенью оводненности
листьев,
температурой воздуха и интенсивностью солнечного света. В полуденные часы
интенсивность фотосинтеза не увеличивается: она может оставаться примерно на уровне
утреннего максимума (в нежаркие, облачные дни) или несколько снижается, но тогда к 1617ч наблюдается повторное усиление процесса. Интенсивность фотосинтеза падает после 22
ч с заходом солнца.
Все живые существа так или иначе реагируют на изменения окружающей среды. В
отличии от животных, у растений нет специализированной нервной системы, но они все же
способны медленно реагировать на такие стимулы, как свет.
Например, листья большинства растений поворачиваются к солнцу. Поэтому
растение растет по направлению к свету и это помогает им поглощать как можно больше
солнца для фотосинтеза.
Фотосинтез – это процесс трансформации поглощенной организмом энергии света в
химическую энергию органических (неорганических) соединений.
Фотосинтез осуществляет внешние растения, водоросли и некоторые бактерии. Он играет
определяющую роль в энергетике биосферы.
С древних времен люди с удивлением отмечали, что большие деревья могут
вырастать на бесплодных скалах. Английский ботаник и химик С. Гейлс в своей книге
«статика растений» (1727) высказал предложение, что растения значительную часть «пищи»
получают из воздуха. При этом он вслед за И.Ньютоном полагал, что всеет, поглощаемый
листьями, «облагораживает» эту «пищу», сходные мысли находил у М.В.Ломоносова. В
«слове о явлениях воздушных» (1753) он писал: « реизобильное ращение тучных деревьев,
которые на бесплодном песку корень свой утверждали, ясно изъявляет, что местами жирный
тук из воздуха впитывают…». Так возникла идея о воздушном питании растений.
Фотосинтез начинается с улавливания и поглощения света пигментом хлорофиллом,
содержащимся в хлоропластах клеток зеленых растений. Когда свет падает на молекулу
хлорофилла, то один из ее электронов оказывается в возбужденном состоянии. Другими
словами, он переходит на более высокий энергетический уровень. Возбужденные электроны
передаются затем другими молекулами, в результате чего повышается свободная энергия
молекулы-акцептора, а «брешь», образованная в молекуле хлорофилла, заполняется
электроном, поступающим из воды. Последняя при этом окисляется, в результате чего
выделяется молекулярный кислород. Таким образом, в молекулах хлорофилла световая
энергия переводит электроны на более высокий энергетический уровень. Хлорофилл
является промежуточным соединением на пути электронов от низкоэнергетического
уровня в молекулах воды к высокоэнергетическому уровню в конечном акцепторе
электронов.
В переходе электронов на высокий энергетический уровень участвуют две
содержащиеся в хлоропластах фотосистемы, образованные хлорофиллом и особыми
белками – фотосистемы 1, активируемая далеким красным светом (-700 нм) и фотосистемы
2, активируемая красным светом с более высокой энергией (-650 нм), т.е. этот переход
происходит в два этапа при использовании света. Реакции, протекающие на этих этапах,
получили название световых. Обе фотосистемы связаны между собой системой переноса
электронов.
На уровне фотосистемы 1 молекулы хлорофилла передают свои электроны, богатые
энергией, через ферредоксин к никотин-амидаденин-динуклеотидфосфату (НАДФ), который
в результате этого восстанавливается в НАДФЧН и в восстановленной форме уже сам
способен самостоятельно поставлять электроны, необходимые для образования глюкозы
путем восстановления атмосферной СО2. После перехода электронов в НАДФЧН из
молекулы хлорофилла в последних остаются своеобразные «бреши».
На уровне фотосистемы 2 богатые энергией возбужденные электроны хлорофилла
передаются системе переноса электронов, а образовавшиеся в молекулах хлорофилла
«бреши» после «ушедших» электронов замещаются бедными энергией электронами,
которые поступают от воды, окисляющейся с образованием молекулярного кислорода.
Пройдя через ряд соединений, составляющих цепь переноса электронов, электроны из
фотосистемы 2, богатые энергией, в конечном итоге замещают утраченные электроны в
хлорофилле из фотосистемы 1.
В цепи переноса электронов осуществляется несколько окислительновосстановительных реакций, в каждой из которых электроны переходят на более низкий
энергетический уровень.
Часть энергии, теряемой при переходе через цепь переноса электронов, идет на
обеспечение синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Считают, что синтез молекул
АТФ связан также с фотосистемой 1, в которой имеется циклический поток электронов,
заключающийся в том, что электроны, захваченные акцептором, возвращаются хлорофиллу
через цитохром В. При этом энергия, высвобождающаяся в реакциях систем переноса
электронов, в которых электроны двигаются «вниз», запасается путем синтеза молекул АТФ.
В результате световых реакций фотосинтеза образуются высокоэнергетические АТФ
и восстановленный НАДФ, которые снабжают энергией последующие, так называемые
темновые реакции, протекающие без света и приводящие, в конце концов, к
восстановлению атмосферной СО2 до сахаров. Источником энергии здесь является АТФ, а
восстанавливающим агентом – НАДФ.Н, синтезируемые в реакциях фотосинтетического
переноса электронов. Процесс восстановления СО2 начинается с катализируемой
рибулозобисфосфаткарбоксилазой фиксации молекул этого соединения молекулами
акцептора и сопровождается вступлением атомов углерода в ряд последовательных реакций,
что приводит к образованию на каждые шесть фиксированных молекул СО2 одной
молекулы глюкозы, причем связывание одной молекулы СО2обеспечивается затратой трех
молекул АТФ и двух молекул НАДФН.
Как отмечено выше, энергия и электроны, необходимые для темновых реакций,
поставляются АТФ и восстановленным НАДФ, образованными в световых реакциях.
Исследования по изучению тропизма и фотосинтеза у растений продолжаются. И как
повлияют «биологические часы» на рост и форму комнатного растения, можно будет
увидеть через некоторое время. Я надеюсь на положительный результат своего небольшого
эксперимента.