Что нужно растению для фотосинтеза: Питание растений

Содержание

Растениям улучшили фотосинтез | Наука и жизнь

Растения с оптимизированной фотозащитной системой поглощают больше углекислого газа.

По прогнозу Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (Food and Agriculture Organization), к 2050 году человеческий мир, чтобы прокормиться, должен будет производить на 70% больше еды, чем сейчас. Обычно в таких случаях взоры всех обращаются на сельское хозяйство, от которого ждут, что оно станет ещё более эффективным. Действительно, со времён «зелёной революции» 40-х–70-х годов прошлого века, сельское хозяйство более-менее оправдывало возлагаемые на него надежды: появлялись новые удобрения, пестициды, новая техника, наконец, агробиологи создавали новые, более продуктивные сорта растений. Более продуктивные – значит, такие, у которых всё большая и большая часть биомассы приходится на то, что нужно человеку; например, продуктивный сорт злака отличается от непродуктивного тем, что первый даёт более короткие побеги и при том формирует больше семян. У современных сортов зерновых культур 50–60% биомассы приходится именно на семена. Однако дальнейшие повышение продуктивности упирается в фундаментальную проблему – недостаточную, с сельскохозяйственной точки зрения, эффективность фотосинтеза.

Растения табака. (Фото fetcaldu / pixabay.com.)

Молекулярная структура одного из хлорофиллов. (Фото sciencepics / ru.depositphotos.com.)

‹

›

Открыть в полном размере

Естественно, исследователи задумались над тем, чтобы её повысить. Суть фотосинтеза заключена в его названии – это синтез биомолекул с использованием энергии солнечного света. Растения используют далеко не всю энергию света, который к ним приходит. Можно ли сделать так, чтобы они улавливали, грубо говоря, больше солнца и, таким образом, давали бы больше биомассы? Известно, что у фотосинтеза есть несколько типов, более и менее эффективных, которыми пользуются разные группы растений, и одна из идей тут состоит в том, чтобы культивируемые растения «научить» более эффективному типу фотосинтезу. Другой вариант – ускорить работу ферментов, которые работают на энергии света, выполняя сборку углеводных молекул. Ещё можно расширить диапазон световых волн, доступных растительным фотосистемам, как это сделали два года назад в Массачусетском технологическом институте.

И есть ещё один путь, который можно назвать в некотором смысле обходным. Избыток солнечного света вредит растениям так же, как и всем живым организмам, и, чтобы защититься от ожогов, у растений и водорослей есть свой солнцезащитный механизм. Как мы знаем, солнечную энергию ловит пигмент хлорофилл: свет выбивает электрон из молекулы пигмента, и этот электрон начинает путешествие по сложной цепи молекул-переносчиков. Перебрасывание электрона с молекулы на молекулу даёт энергию, необходимую для превращения углекислого газа в углеводы (кислород же является побочным продуктом реакции). Однако если на хлорофилл приходит слишком много света, он «перевозбуждается» и делается опасен: такой хлорофилл генерирует активные формы кислорода, повреждающие биомолекулы и органы клетки – иными словами, начинается окислительный стресс. Чтобы такого не было, в фотосинтетических системах есть своеобразный предохранитель, так называемое нефотохимическое тушение: часть энергии, попавшей на хлорофилл, просто рассеивается в тепло.

Тушение работает не всё время: если света приходит много, светособирающие белки меняют пространственную конформацию, собираются в комплексы тушения и помогают рассеивать избыток энергии. Если же света не много, а в самый раз или мало (например, если на солнце набежала туча или лист оказался в тени от другого растения), то никакого тушения не происходит. Однако переключение защитной системы происходит с задержкой, и если включается она за несколько минут, то на её отключение уходят часы, и всё это время часть энергии уходит в тепло – а значит, уменьшается эффективность фотосинтеза. Для диких растений тут нет ничего страшного, но, если перейти к сельскохозяйственным оценкам, то потери будут вполне ощутимыми: в средних широтах из-за задержки в выключении системы тушения растения на фермах поглощают углекислого газа на 30% меньше, чем могли бы – а чем меньше они «съедают» СО₂, тем меньше получается биомассы.

Само собой напрашивается вывод, что для увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур можно было бы оптимизировать систему нефотохимического тушения. Как это можно сделать, описано в только что вышедшей статье в Science. Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане–Шампейне снабдили растения табака дополнительными копиями трёх генов, регулирующих работу защитной системы: один из них кодирует молекулу, входящую в состав светоулавливающего комплекса, два других кодируют ферменты, благодаря которым в клетке появляются комплексы тушения. С добавочными генами (которые табаку пересадили от другого растения, Arabidopsis thaliana) фотозащитная система быстрее реагировала на затенение и быстрее отключалась. Эксперименты подтвердили, что после модификации растения поглощали больше углекислого газа, и, что самое главное, модифицированный табак действительно вырастал более крупным – за 22 дня он набирал массы на 14–20% больше, чем немодифицированные экземпляры. Никаких отрицательных побочных эффектов не было – генетическая добавка не сделала табак менее устойчивым к болезням и стрессу.

Сейчас авторы работы собираются проделать те же манипуляции с рисом, кукурузой и другими культивируемыми злаками – чтобы убедиться, что такой способ повышения продуктивности работает не только в табаке. Кстати говоря, вполне возможно, что оптимизировать работу системы тушения можно и без пересадки добавочных генов: гены растений часто и так существуют сразу в нескольких копиях, из которых работают только несколько, а прочие же молчат, запечатанные мутациями или какими-нибудь регуляторными модификациями. Дело здесь только за тем, чтобы найти в собственных геномах табака, риса, кукурузы и т. д. добавочные молчащие копии генов системы тушения и активировать их.

Освещение и растения

Свет очень важен для растений. Он нужен растениям даже больше, чем вода или удобрения. При этом необходим именно естественный солнечный свет, а не тот который дают обычные электрические лампочки в помещениях. В отличие от животных, растения сами создают для себя пищу с помощью химического процесса фотосинтеза – растение поглощает диоксид углерода из воздуха, воду из земли и свет от солнца.

Все эти компоненты растение трансформирует в углеводы и кислород. Углеводы используются растением для роста, а кислород вырабатывается в атмосферу. Без энергии, которую растения получают от света, они умирают – растение просто сохраняет влагу из грунта в клетках своих листьев, но не может осуществлять процесс фотосинтеза, и от переизбытка влаги они начинают портиться. А в отсутствие углерода, который растения получают в процессе фотосинтеза, они не смогут расти. В таком случае подкормки удобрениями также не пойдут растениям на пользу. Таким образом, свет – это первоочередная потребность растений, которую обеспечить даже важнее, чем полив, правильный грунт, подкормки и влажность.

Самое главное – понять какое количество света необходимо именно вашему растению. Например, большинству тропических растений при выращивании дома подойдет яркий непрямой свет. Это значит, что растению потребуется около 5-6 часов света в день недалеко от окна. При этом свет должен быть не слишком интенсивным, потому что прямой солнечный свет может оставить ожоги на листьях. Важно также понимать, что свет, проходящий через окно не такой яркий, как на улице. Интенсивность света падает очень резко при отдалении от окна – например, отодвинув растение всего на полметра от окна, интенсивность света, которую оно получит, может сократиться более чем на 50%.

Для взгляда это может быть не всегда заметно – даже если вам кажется что комната хорошо освещена со всех сторон, фактическая интенсивность света при отдалении от окна будет намного ниже. Чтобы проверить фактическую освещенность можно использовать специальный датчик освещенности или приложение для вашего мобильного устройства. В зависимости от полученных значений в течение дня можно оценить уровень освещенности в каждой комнате:

500 – 2500 люкс – слабый уровень освещенности

2500 – 10000 люкс – средний уровень освещенности

10000 – 20000 люкс – высокий уровень освещенности, характерный для ярких непрямых лучей солнца

20000 – 50000 люкс – яркий уровень освещенности при прямых лучах солнца

При размещении растений также стоит помнить, что растения, которые могут выживать при низком уровне освещения, все же будут развиваться лучше и чувствовать себя намного комфортнее в более освещенном месте. Поэтому растения, которые вы выбрали для затененных мест, все же иногда лучше перемещать ближе к свету. Главное не делать это слишком резко, а перемещать их на один – полтора метра к окну. Также не забывайте, что для формирования симметричной кроны, растения лучше поворачивать к свету разными сторонами – это позволит им не только выглядеть хорошо, но и действительно развиваться более правильно и равномерно.

Если же в вашей квартире света совсем мало, можно использовать источники дополнительного освещения – специальные фитолампы, которые дают необходимый спектр освещения именно для растений. Как правило, они имеют красные, фиолетовые, или розовые диоды, которые могут быть не очень приятны для взгляда, поэтому включать их лучше в то время, когда вы не находитесь в помещении.

Товары упомянутые в статье

Что нужно растениям для осуществления фотосинтеза?

Обновлено 30 сентября 2021 г.

Автор Кэмерон Дьюк Молекулярная биология и генетика

Фотосинтез — это процесс, посредством которого большинство растений производят себе пищу. Возможно, вы уже знакомы с основами фотосинтеза, наблюдая за ростом комнатных растений. Им как минимум нужен свет и вода, иначе они начнут чахнуть. Но это еще не все, что нужно растению для фотосинтеза. В дополнение к основным ингредиентам растению требуются определенные структуры, чтобы использовать эти ингредиенты, чтобы мог происходить фотосинтез.

Что нужно растениям для осуществления фотосинтеза?

Для фотосинтеза требуется множество ингредиентов и структур. Сосредоточившись в первую очередь на больших вещах, растению нужны листья и корни, и, что особенно важно, им также нужны солнечный свет и вода. Листья — это место, где на самом деле происходит фотосинтез, но первым ингредиентом фотосинтеза является вода, и большинство растений не смогли бы получать воду без корней. Примитивные растения, такие как мхи, не имеют широких корней, потому что им свойственно жить во влажных местах. Однако дереву понадобятся эти более крупные корневые системы.

После того, как вода попадет к листу через стебель, ее можно будет использовать для фотосинтеза.

Какие важные структуры находятся в листе?

Лист, как и все остальные части растения, состоит из клеток. Если немного упростить, лист — это набор клеток, покрытых восковой кутикулой , которая их защищает. Лист как бы ламинирован. Эта кутикула имеет отверстия, называемые устьица , которые могут открыться, чтобы впустить следующий ингредиент. Этот следующий ингредиент — газ, называемый двуокисью углерода, или CO ₂ .

Кутикула также помогает собирать третий и последний ингредиент — солнечный свет. Поскольку кутикула прозрачна, она пассивно пропускает солнечный свет так же, как стеклянное окно пропускает свет в комнату.

Благодаря кутикуле и корням клетки листьев имеют доступ ко всем ингредиентам, необходимым им для осуществления фотосинтеза.

Для фотосинтеза требуются хлоропласты

Внутри клеток, составляющих основную часть листа, находятся небольшие структуры, называемые хлоропластами. Хлоропласты выполняют большую часть тяжелой работы, когда дело доходит до фотосинтеза, поскольку они используют воду, которую втягивают корни, а также углекислый газ и свет, которые пропускают кутикула и устьица.

Хлоропласты похожи на маленькие мембранные мешочки, заполненные водянистой жидкостью, называемой стромой . В строме вы можете найти структуры, называемые тилакоиды . Если бы вы могли заглянуть в хлоропласт, вы бы увидели, что тилакоиды выглядят как маленькие зеленые диски, сложенные один поверх другого, подобно тому, как монеты из банка складываются в рулоны бумаги. Тилакоиды зеленые, потому что они переполнены хлорофиллом, пигментом, запускающим процесс фотосинтеза.

Что делает хлорофилл?

Хлорофилл поглощает свет. В частности, когда он сталкивается с частицей света, называемой фотоном , он передает энергию от этого фотона другой частице, называемой электроном . Поскольку этот возбужденный электрон уходит для продолжения фотосинтеза вне хлорофилла, молекуле хлорофилла понадобится новый электрон.

Вот тут-то и появляется вода. Когда хлорофиллу не хватает электрона, он становится невероятно электроотрицательным. В данном контексте все это означает, что она становится достаточно сильной, чтобы разорвать молекулу воды, чтобы украсть электрон взамен утраченного. Это также откачивает свободный водород в строму, а молекулы кислорода выбрасывают в воздух вокруг листа.

Все эти электроны и водороды обеспечивают энергию для второй части фотосинтеза, который происходит в строме.

Фотосинтез производит сахар

В водянистой строме находится группа белков, называемых ферментами . Их работа состоит в том, чтобы захватывать молекулы углекислого газа и использовать энергию, собранную хлоропластами, для превращения этого углекислого газа в сахара, называемые глюкозой. Глюкоза является конечным результатом фотосинтеза, и хотя она имеет множество применений, в первую очередь она является пищей для растений. Глюкоза — вот почему растениям необходим фотосинтез.

Напомним, что ингредиенты для фотосинтеза – это вода, углекислый газ и световая энергия. Эти вещества преобразуются в результате фотосинтеза в кислород и глюкозу. Растение собирает эти ингредиенты, используя жизненно важные структуры, которые помогают ему транспортировать эти ингредиенты в другие структуры растения, где происходит фотосинтез.

Что такое фотосинтез? | Живая наука

Фотосинтез поглощает углекислый газ, вырабатываемый всеми дышащими организмами, и вновь поставляет кислород в атмосферу.
(Изображение предоставлено: KPG_Payless | Shutterstock)

Фотосинтез — это процесс, используемый растениями, водорослями и некоторыми бактериями для преобразования солнечного света в энергию. Этот процесс химически превращает углекислый газ (CO2) и воду в пищу (сахара) и кислород. Химическая реакция часто зависит от пигмента, называемого хлорофиллом, который придает растениям их зеленый цвет. Фотосинтез также является причиной того, что наша планета покрыта богатой кислородом атмосферой.

Типы процессов фотосинтеза

Различают два типа фотосинтеза: оксигенный и аноксигенный. Оба они следуют очень схожим принципам, но первый из них наиболее распространен и встречается у растений, водорослей и цианобактерий.

Во время оксигенного фотосинтеза световая энергия переносит электроны из воды (h3O), поглощаемой корнями растений, в CO2 для производства углеводов. При этом переносе СО2 «восстанавливается» или получает электроны, а вода «окисляется» или теряет электроны. Кислород вырабатывается вместе с углеводами.

Этот процесс создает баланс на Земле, при котором углекислый газ, вырабатываемый дышащими организмами, когда они потребляют кислород при дыхании, снова превращается в кислород растениями, водорослями и бактериями.

Аноксигенный фотосинтез, тем временем, использует доноры электронов, которые не являются водой, и процесс не генерирует кислород, согласно «Аноксигенным фотосинтезирующим бактериям» LibreTexts (открывается в новой вкладке). Этот процесс обычно происходит в бактериях, таких как зеленые серные бактерии и фототрофные пурпурные бактерии.

Уравнение фотосинтеза

Хотя оба типа фотосинтеза являются сложными, многоэтапными процессами, общий процесс можно четко представить в виде химического уравнения.

Уравнение оксигенного фотосинтеза:

6CO2 + 12h3O + энергия света → C6h22O6 + 6O2 + 6h3O

Здесь шесть молекул углекислого газа (CO2) объединяются с 12 молекулами воды (h3O) с использованием энергии света. Конечным результатом является образование одной молекулы углевода (C6h22O6 или глюкозы) вместе с шестью молекулами кислорода и воды.

Подобным образом различные реакции аноксигенного фотосинтеза можно представить одной обобщенной формулой:

CO2 + 2h3A + Энергия света → [Ch3O] + 2A + h3O

Буква A в уравнении является переменной, а h3A представляет собой потенциальный донор электронов. Например, «A» может представлять серу в доноре электронов сероводороде (h3S), согласно новостному сайту медицинских и медико-биологических наук News Medical Life Sciences .

Как происходит обмен углекислого газа и кислорода?

Устьица являются привратниками листа, обеспечивая газообмен между листом и окружающим воздухом. (Изображение предоставлено Уолдо Нелл / 500px через Getty Images)

Растения поглощают CO2 из окружающего воздуха и выделяют воду и кислород через микроскопические поры на листьях, называемые устьицами.

Когда устьица открываются, они пропускают CO2; однако, когда они открыты, устьица выделяют кислород и пропускают водяной пар. Устьица закрываются, чтобы предотвратить потерю воды, но это означает, что растение больше не может получать CO2 для фотосинтеза. Этот компромисс между поступлением CO2 и потерей воды представляет собой особую проблему для растений, растущих в жарких и сухих условиях.

Как растения поглощают солнечный свет для фотосинтеза?

Растения содержат специальные пигменты, поглощающие световую энергию, необходимую для фотосинтеза.

Хлорофилл является основным пигментом, используемым для фотосинтеза, и придает растениям зеленый цвет, согласно данным научно-образовательного сайта Nature Education . Хлорофилл поглощает красный и синий свет и отражает зеленый свет. Хлорофилл — это большая молекула, для производства которой требуется много ресурсов; как таковой, он разрушается к концу жизни листа, и большая часть азота пигмента (один из строительных блоков хлорофилла) резорбируется обратно в растение. Когда листья теряют хлорофилл осенью, другие пигменты листьев, такие как начинают проявляться каротиноиды и антоцианы. В то время как каротиноиды в основном поглощают синий свет и отражают желтый, антоцианы поглощают сине-зеленый свет и отражают красный свет, согласно Гарвардскому лесу Гарвардского университета.

Молекулы пигмента связаны с белками, что позволяет им гибко двигаться к свету и друг к другу. Согласно статье Вима Вермааса , профессора Аризонского государственного университета, большая коллекция из 100–5000 молекул пигмента образует «антенну». Эти структуры эффективно улавливают световую энергию солнца в виде фотонов.

Ситуация с бактериями несколько иная. В то время как цианобактерии содержат хлорофилл, другие бактерии, например пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии, содержат бактериохлорофилл для поглощения света для аноксигенного фотосинтеза, согласно «Микробиологии для чайников (открывается в новой вкладке)» (For Dummies, 2019). ).

Родственный: Что, если бы у людей была фотосинтезирующая кожа?

Где в растении происходит фотосинтез?

Для фотосинтеза растениям нужна энергия солнечного света. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Фотосинтез происходит в хлоропластах, типе пластид (органелл с мембраной), которые содержат хлорофилл и в основном находятся в листьях растений.

Хлоропласты похожи на митохондрии, энергетические центры клеток, в том, что они имеют свой собственный геном или набор генов, содержащихся в кольцевой ДНК. Эти гены кодируют белки , необходимые для органеллы и фотосинтеза.

Внутри хлоропластов находятся пластинчатые структуры, называемые тилакоидами, которые отвечают за сбор фотонов света для фотосинтеза, согласно терминологическому веб-сайту Biology Online (открывается в новой вкладке). Тилакоиды уложены друг на друга столбцами, известными как граны. Между гранами находится строма — жидкость, содержащая ферменты, молекулы и ионы, где происходит образование сахара.

В конечном счете, световая энергия должна быть передана пигментно-белковому комплексу, который может преобразовывать ее в химическую энергию в форме электронов. В растениях световая энергия передается пигментам хлорофилла. Преобразование в химическую энергию происходит, когда пигмент хлорофилла выбрасывает электрон, который затем может перейти к соответствующему реципиенту.

Пигменты и белки, которые преобразуют энергию света в химическую энергию и начинают процесс переноса электронов, известны как реакционные центры.

Светозависимые реакции

Когда фотон света попадает в реакционный центр, молекула пигмента, такая как хлорофилл, высвобождает электрон.

Высвобожденный электрон ускользает через серию белковых комплексов, связанных вместе, известных как цепь переноса электронов. Двигаясь по цепи, он вырабатывает энергию для производства АТФ (аденозинтрифосфата, источника химической энергии для клеток) и НАДФН, которые необходимы на следующем этапе фотосинтеза в цикле Кальвина. «Электронная дыра» в исходном пигменте хлорофилла заполняется за счет взятия электрона из воды. Это расщепление молекул воды высвобождает кислород в атмосферу.

Светонезависимые реакции: цикл Кальвина

Фотосинтез включает процесс, называемый циклом Кальвина, в котором используется энергия, запасенная в результате светозависимых реакций, для связывания CO2 в сахара, необходимые для роста растений. (Изображение предоставлено: Нагендра Ядав через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

Цикл Кальвина — это трехэтапный процесс, в ходе которого вырабатывается сахар для растения, и он назван в честь Мелвина Кальвина (открывается в новой вкладке), лауреата Нобелевской премии. Отмеченный наградами ученый, открывший его несколько десятилетий назад. Цикл Кальвина использует АТФ и НАДФН, образующиеся в хлорофилле, для производства углеводов. Занимает пластинку в строме растений, внутреннее пространство в хлоропластах.

На первом этапе этого цикла, называемом фиксацией углерода, фермент RuBP-карбоксилаза/оксигеназа, также известный как rubiso, помогает включить CO2 в органическую молекулу, называемую 3-фосфоглицериновой кислотой (3-PGA). В процессе он разрывает фосфатную группу на шести молекулах АТФ, чтобы преобразовать их в АДФ, высвобождая при этом энергию, согласно LibreTexts.

На втором этапе 3-PGA восстанавливается, то есть берет электроны от шести молекул NADPH и производит две молекулы глицеральдегид-3-фосфата (G3P).

Одна из этих молекул G3P покидает цикл Кальвина, чтобы выполнять другие функции в растении. Оставшиеся молекулы G3P переходят на третий этап регенерации рубиско. В промежутках между этими этапами растение производит глюкозу или сахар.

Три молекулы CO2 необходимы для производства шести молекул G3P, и, согласно образовательному веб-сайту Khan Academy, требуется шесть оборотов цикла Кальвина, чтобы произвести одну молекулу углевода.

Типы фотосинтеза

Существует три основных типа путей фотосинтеза: С3, С4 и САМ. Все они производят сахара из CO2, используя цикл Кальвина, но каждый путь немного отличается.

Существуют три основных типа путей фотосинтеза: С3, С4 и САМ. Большинство растений используют фотосинтез C3, включая рис и хлопок. (Изображение предоставлено Эндрю Т.Б. Таном через Getty Images)

(открывается в новой вкладке)

C3-фотосинтез

Большинство растений используют C3-фотосинтез, согласно исследовательскому проекту фотосинтеза «Реализуя повышенную эффективность фотосинтеза» (RIPE) (открывается в новой вкладке). Растения С3 включают злаки (пшеницу и рис), хлопок, картофель и соевые бобы. Этот процесс назван в честь трехуглеродного соединения 3-PGA, которое используется во время цикла Кальвина.

C4-фотосинтез

Такие растения, как кукуруза и сахарный тростник, используют C4-фотосинтез. В этом процессе используется четырехуглеродное промежуточное соединение (называемое оксалоацетатом), которое превращается в малат (открывается в новой вкладке), согласно Biology Online. Затем малат транспортируется в оболочку пучка, где он разрушается и высвобождает CO2, который затем фиксируется рубиско и превращается в сахара в цикле Кальвина (точно так же, как фотосинтез C3). По данным Biology Online, растения C4 лучше приспособлены к жаркой и сухой среде и могут продолжать фиксировать углерод, даже когда их устьица закрыты (поскольку у них есть умное решение для хранения).

Фотосинтез САМ

Метаболизм крассуловой кислоты (САМ) обнаружен у растений, адаптированных к очень жаркой и сухой среде, таких как кактусы и ананасы, по данным Академии Хана. Когда устьица открываются для поглощения CO2, они рискуют потерять воду во внешнюю среду. Из-за этого приспособились растения в очень засушливой и жаркой среде. Одной из адаптаций является CAM, когда растения открывают устьица ночью (когда температура ниже и потеря воды менее опасна). По данным Академии Хана, CO2 попадает в растения через устьица, фиксируется в оксалоацетате и превращается в малат или другую органическую кислоту (как в пути C4). Затем CO2 доступен для светозависимых реакций в дневное время, а устьица закрываются, что снижает риск потери воды.

Дополнительные ресурсы

Узнайте больше о фотосинтезе на научно-образовательном веб-сайте sciencing.