Фотосинтез - проще простого

(луковицы, клубни, корни, корневища) и репродуктивными (семена, плоды)

органами.

На повышение плодородия почвы и улучшение водоснабжения эти сорта будут

реагировать усилением интенсивности фотосинтеза, умеренным потреблением

продуктов фотосинтеза (ассимилятов), на рост листьев и других вегетативных

органов, а также активным использованием ассимилятов на формирование

репродуктивных и запасающих органов.

Вот какие жесткие требования предъявляются теперь к науке, занимающейся

выведением новых сортов культурных растений, — селекции. Из сказанного

ясно, что без тесного сотрудничества селекционеров с физиологами растений

создание перспективных сортов становится практически невозможным.

Селекционеры вывели сорта, отвечающие современным требованиям. Среди

них — низкорослый рис, созданный в Международном институте риса в Маниле,

хлопчатник Дуплекс, с вертикально ориентированными листьями, не затеняющими

друг друга, карликовая пшеница мексиканской селекции. Эти сорта на фонах

высокого плодородия дают в полтора раза более высокие урожаи, чем их

предшественники. Однако это лишь один из путей увеличения фотосинтетической

продуктивности растений. Дальнейшие усилия должны быть направлены на

повышение активности самого фотосинтетического аппарата

Как известно, процесс фотосинтеза осуществляется в особых органоидах —

хлоропластах. Здесь происходит множество реакций, прежде чем из углекислого

газа и воды образуются молекулы органических веществ. Управлять этими

процессами, безусловно, непросто, но возможно. Об этом свидетельствует тот

факт, что интенсивность фотосинтеза у разных растений неодинакова. У одних

листовая поверхность площадью в 1 квадратный дециметр усваивает за час от

четырех до семи миллиграммов СО2, а у других — 60— 80 и даже 100, то есть в

20 раз больше! Растения неодинаково реагируют на его низкую концентрацию в

воздухе, интенсивность освещения и т. д.

Изучение особенностей фотосинтеза у разных растений, безусловно,

будет способствовать расширению возможностей человека в управлении их

фотосинтетической деятельностью, продуктивностью и урожаем.

«Чародейкою зимою околдован, лес стоит...»

Совершенно безжизненным кажется нам зимний лес. В это время года у

растений резко заторможен обмен веществ, интенсивность дыхания в 200— 400

раз меньше, чем летом, прекращается видимый рост. Однако процессы

жизнедеятельности идут: крахмал превращается в сахара и жиры, сахара

расходуются в процессе дыхания.

Ну а как насчет фотосинтеза? Разумеется, речь идет не о березе или

лещине, которые сбросили свои листья еще осенью, а о хвойных деревьях и

кустарниках, сохранивших свой фотосинтетический аппарат. В последние

годы по этому вопросу получены очень интересные данные. Ученые установили,

что озимые злаки, хвойные и некоторые лиственные вечнозеленые растения

усваивают углекислый газ даже при температурах — 1... -5°С.

Использование метода меченых атомов позволило более детально прояснить

этот вопрос. При понижении температуры до —12 °С скорость фотосинтеза у

разных растений снижалась в 3—17 раз. Наиболее устойчивыми оказались ель

обыкновенная, сосна обыкновенная, линнея северная — низкорослый лесной

кустарничек из семейства жимолостных, лишайник леканора темная. Некоторые

мхи продолжали усваивать углекислый газ даже при температуре —14°С, причем

этот процесс шел успешно под сравнительно толстым снежным покровом,

достигающим 26 сантиметров. Хотя интенсивность света, проходящего через

такой слой снега, ослабевала приблизительно в 20 раз, скорость фотосинтеза

у не покрытых и покрытых снегом растений почти одинаковая. Этот

удивительный факт можно объяснить следующим образом: под снегом растения

оказались в более благоприятных температурных условиях, которые и позволили

компенсировать падение фотосинтеза, вызванное понижением освещенности.

Эти опыты убедительно показывают, что в условиях многомесячной зимы

фотосинтез не только возможен, но и необходим для нормального

энергообеспечения зимнезеленых растений.

Леса — легкие планеты!

Стало расхожим утверждение, что зеленые растения накапливают в

атмосфере кислород. Нередко в научно-популярной литературе приходится

встречать утверждения, будто гектар кукурузных посевов выделяет за год 15

тонн кислорода, что достаточно для дыхания 30 человек, а дерево средней

величины обеспечивает трех человек и т. д. Леса называют легкими планеты...

На первый взгляд эти утверждения представляются убедительными, ведь в

соответствии с уравнением фотосинтеза в ходе образования органических

веществ зелеными растениями и в самом деле выделяется кислород, причем чем

больше органического вещества образуется в процессе фотосинтеза, тем

интенсивнее выделяется кислород.

Авторы подобных утверждений забывают, однако, что органические вещества

кукурузы превратятся в углекислый газ в результате гниения и дыхания

животных организмов. При поедании кукурузы животными или человеком

некоторое количество органических веществ растения трансформируется в новые

органические вещества животного организма, которые в конечном счете

превращаются в углекислый газ при дыхании. Дыхание — процесс обратный

фотосинтезу:

С6Н12О6 + 6О2 ( 6СО2 + бН2О.

Если при образовании 1 тонны органического вещества в ходе фотосинтеза

выделилось п килограммов кислорода, то точно такое же его количество

потребуется для последующего окисления этого вещества.

То же самое происходит и с деревом. Разница лишь в том, что,

превратившись в какую-нибудь поделку (стол, шкаф, оконную раму и т.п.), оно

может разрушаться в течение длительного времени. Но ведь и растет дерево

сотни лет! А вот сгореть может в мгновение ока. При этом израсходуется

почти столько кислорода, сколько дерево выделило за всю свою долгую жизнь.

Так накапливают ли кислород современные растения?

В атмосфере и гидросфере Земли содержится 1,5-1015 тонн кислорода.

Считается, что он — результат деятельности древних анаэробных автотрофных

организмов, осуществлявшейся на протяжении длительного периода истории

Земли. Накопление кислорода на нашей планете стало мощным стимулом для

появления принципиально новых организмов — аэробных, способных

извлекать энергию из органических веществ в результате окислительных

процессов с участием атмосферного кислорода.

Кислород, образуемый современной растительностью в ходе фотосинтеза,

расходуется на дыхание самих растений (около 1/3), а также животных и

человека, на аэробное разложение органических веществ микроорганизмами и на

процессы горения различных веществ, то есть почти весь его объем,

выделяемый наземной растительностью, расходуется и накопления в атмосфере

фактически не происходит. К тому же суммарное количество кислорода,

выделяемого за год лесами, по подсчетам специалистов, ничтожно мало по

отношению к общему запасу его в атмосфере Земли, а именно около 1/22 000.

Таким образом, вклад наземных экосистем в баланс кислорода на нашей планете

весьма незначителен. Возмещение кислорода, расходуемого на процессы

горения, происходит главным образом за счет фитопланктона. Дело в том, что

в достаточно глубоких водоемах отмершие организмы опускаются на такую

глубину, где их разложение осуществляется анаэробным путем, то есть без

поглощения кислорода.

Гидросфера оказывает влияние на баланс газов в атмосфере еще и потому,

что в ней иное соотношение между азотом и кислородом. Если в атмосфере оно

равно четырем, то в водоемах относительная доля кислорода примерно в два

раза выше. Правда, интенсивное загрязнение морей и океанов создает угрозу

возникновения в них анаэробных условий.

Так, например, по сравнению с 1900 годом в некоторых впадинах

Балтийского моря содержание кислорода резко сократилось, а местами он

практически отсутствует.

Что касается атмосферы, то в ней, как показывают систематические

наблюдения за концентрацией кислорода, проводимые с 1910 года, содержание

этого газа практически не изменилось и равно 20,9488 % ± 0,0017. Это

отнюдь не означает, что нам не следует заботиться о сохранении

растительного покрова Земли. Темпы использования кислорода резко возросли.

По некоторым данным, за последние 50 лет было использовано его в %

отношении столько же, сколько за последний миллион лет, то есть примерно

0,02 % атмосферного запаса. Человечеству в ближайшем будущем не угрожает

кислородное голодание, тем не менее для сохранения стабильности газового

состава атмосферы предстоит шире использовать водную, ветровую, ядерную и

другие виды энергий.

Следует иметь в виду, что в последние годы много говорят и пишут об

абиогенном происхождении кислорода атмосферы, исключающем участие живых

организмов в этом процессе. Так, например, в верхних слоях атмосферы под

действием жесткого ультрафиолетового излучения молекулы воды могут

распадаться на водород и кислород. Водород, как более легкий газ,

преодолевает притяжение Земли и уходит в космос. В среднем около 10 %

появившегося в стратосфере водорода навсегда покидает нашу планету.

Следовательно, соответствующее количество кислорода, образовавшегося при

фотолизе молекул воды, остается без «напарника» и постепенно скапливается в

атмосфере.

Другой возможный путь поступления в атмосферу абиогенного кислорода —

извержение вулканов. Дело в том, что в газообразных выделениях вулканов

кислорода довольно много, иногда до 12— 15 % (после исключения паров воды и

кислотных газов).

Отметим, однако, что этот источник представляется все же не очень

существенным. По крайней мере нужны весомые доказательства и точные расчеты

вклада абиогенных источников в формирование атмосферы Земли, накопление в

ней кислорода.

Что же касается фотосинтезирующих организмов, то их участие в

накоплении кислорода очевидно. Если величину огромных запасов каменного

угля и некоторых других горючих ископаемых (например, торфа),

использованных человеком и находящихся еще в недрах Земли, подставить в

уравнение фотосинтеза, то можно рассчитать, сколько кислорода поступило в

атмосферу в результате жизнедеятельности растении, давших начало этим

полезным ископаемым.

Следует также учесть всю биомассу существующих ныне растений,

органическое вещество которых образовалось с выделением кислорода.

Но все это еще не самое главное. Первичные запасы кислорода не могли

быть созданы современными растениями или деревьями каменноугольного

периода, поскольку совершенно исключена, возможность их существования в

атмосфере, лишенной его.

Сторонники абиогенного происхождения кислорода на Земле, люди, как

правило, не искушенные в биологии, спрашивают: если сначала в атмосфере

Земли кислорода не было, то где же первые растения брали кислород для

дыхания? При этом они полагают, что своим вопросом нанесли нокаутирующий

удар ретроградам-биологам, придерживающимся традиционного взгляда на

природу атмосферного кислорода. Между тем ученые никогда не рассматривали

современную растительность в качестве источника накопления первичного

кислорода. В книге Э. Броды «Эволюция биоэнергетических механизмов»

обстоятельно проанализированы различные точки зрения по этому вопросу.

Автор пишет: «Никто не сомневается, что до появления у растений фотосинтеза

содержание свободного кислорода было незначительным... Единственным

источником свободного молекулярного кислорода был фотолиз водяных паров в

высших слоях атмосферы, который протекал под действием солнечного

коротковолнового ультрафиолета. Свободный водород, возникавший при этом,

постепенно диссипировал в пространство, оставляя в атмосфере кислород...

Количество фотолитически образованного кислорода, несомненно, было гораздо

ниже тех количеств кислорода, которые высвобождаются при фотосинтезе в наше

время за тот же промежуток времени».

Уже в очень древних геологических слоях Земли обнаружены синезеленые

водоросли (сейчас их чаще называют цианобактериями), которые и явились

накопителями первичного кислорода в атмосфере Земли. Вполне естественно,

что древние синезеленые водоросли не обладали способностью дышать и

механизм распада органических веществ в их клетках напоминал процесс

брожения.

В пользу того, что первоначально атмосфера Земли не имела кислорода,

свидетельствует факт существования в природе анаэробных организмов.

Любопытно отметить, что многочисленные реакции обмена аэробных организмов,

в том числе современных животныхи растений, включают большое количество

реакции анаэробного распада веществ. Создается впечатление, что организмы,

приспособившись изначально обходиться без кислорода, упорно сохраняют свою

привычку.

Итак, первичные синезеленые водоросли образовали органические вещества

и кислород. Разрушение органического вещества происходило в анаэробных

(бескислородных) условиях, что и привело к накоплению значительных

количеств кислорода.

Что касается современной растительности, то, как уже отмечалось, ее

вклад в пополнение кислородного запаса на Земле весьма незначителен,

поскольку подавляющее большинство живых организмов окисляет органические

вещества только с его помощью. При этом устанавливается относительное

равновесие: сколько кислорода выделяется в ходе фотосинтеза, столько же его

поглощается при окислении образованного органического вещества.

Из сказанного вовсе не следует, что нужно и дальше безжалостно вырубать

на Земле леса, все равно, дескать, от них нет проку с точки зрения

накопления кислорода. Напротив, нам следует предпринять все возможные меры

к расширению площади зеленых насаждении. Дело в том, что в современную

эпоху очень резко возросла роль растении в очистке природной среды от

токсических примесей, выделяемых транспортом, заводами, фабриками и т. д.

«Лес, точно терем расписной, лиловый, золотой, багряный...»

Изменение окраски листьев — одна из первых примет осени. Много ярких

красок в осеннем лесу! Березы, ясени и липы желтеют, розовеют листья

бересклета, пунцово-красными становятся узорные листья рябины, оранжевыми и

багряными листья осин. Чем же обусловлено это цветовое многообразие?

В листьях растений наряду с зеленым хлорофиллом содержатся другие

пигменты. Для того чтобы убедиться в этом, проделаем простой опыт. Прежде

всего приготовим вытяжку хлорофилла, как это было описано нами выше. Вместе

с хлорофиллом в спирте находятся также желтые пигменты. Чтобы разделить их,

небольшое количество спиртовой вытяжки (около двух миллилитров) нальем в

пробирку, добавим две капли воды и около 4 миллилитров бензина. Вода

вводится для того, чтобы легче происходило расслоение двух жидкостей.

Закрыв пробирку пробкой или пальцем, следует энергично встряхнуть ее.

Вскоре можно заметить, что нижний (спиртовой) слой окрасился в золотисто-

желтый цвет, а верхний (бензиновый) — в изумрудно-зеленый. Зеленая окраска

бензина объясняется тем, что хлорофилл лучше растворяется в бензине, нежели

в спирте, поэтому при встряхивании он обычно полностью переходит в

бензиновый слой.

Золотисто-желтая окраска спиртового слоя связана с присутствием

ксантофилла, вещества, нерастворимого в бензине. Его формула С40Н5бО2. По

химической природе ксантофилл близок к каротину, присутствующему в корнях

моркови, — С40Н56, поэтому их объединяют в одну группу — каротиноидов. Но

каротин также имеется в листьях зеленых растений, только он, как и

хлорофилл, лучше растворяется в бензине, поэтому мы не видим его:

интенсивно-зеленая окраска хлорофилла «забивает» желтый цвет каротина, и мы

не различаем его, как ранее ксантофилл в спиртовой вытяжке. Чтобы увидеть

каротин, нужно преобразовать зеленый пигмент в соединение, нерастворимое в

бензине. Этого можно достигнуть с помощью щелочи. В пробирку, где произошло

отделение ксантофилла, добавим кусочек щелочи (КОН или NаОН). Пробирку

закроем пробкой и тщательно взболтаем ее содержимое. После расслоения

жидкостей можно увидеть, что картина распределения пигментов изменилась:

нижний спиртовой слои окрасился в зеленый цвет, а верхний — бензиновый — в

желто-оранжевый, характерный для каротина.

Эти опыты наглядно свидетельствуют о том, что в зеленом листе

одновременно с хлорофиллом присутствуют желтые пигменты — каротиноиды.

При наступлении холодов образования новых молекул хлорофилла не

происходит, а старые быстро разрушаются. Каротиноиды же устойчивы к низким

температурам, поэтому осенью эти пигменты становятся хорошо заметными. Они

и придают листьям многих растений золотисто-желтый и оранжевый оттенок.

Каково же значение каротиноидов в жизни растений? Установлено, что эти

пигменты защищают хлорофилл от разрушения светом. Кроме того, поглощая

энергию синих лучей солнечного спектра, они передают ее на хлорофилл. Это

позволяет зеленым растениям более эффективно использовать солнечную энергию

для синтеза органического вещества.

Осенний лес окрашен, однако, не только в желтые тона. С чем связана

лиловая и багряная окраска листьев? Наряду с хлорофиллом и каротиноидами в

листьях растений имеются пигменты, которые носят название антоцианов. Они

хорошо растворимы в воде и содержатся не в цитоплазме, а в клеточном соке

Страницы: 1, 2, 3, 4