Значення основних фізіологічних процесів рослин у створенні загальної біопродуктивності

Тема 3. Значення основних фізіологічних процесів рослин у створенні загальної біопродуктивності

3.1. Суть і значення фотосинтезу

3.2. Живлення рослин

3.3. Дихання

3.4. Поняття біопродуктивності

3.1. Суть і значення фотосинтезу

Фотосинтез — єдиний процес у біосфері, який веде до збільшення вільної енергії біосфери за рахунок зовнішнього джерела — Сонця і забезпечує існування як рослин, так і всіх гетеротрофних організмів, у тому числі й людини.

Фотосинтез перешкоджає нагромадженню С02, захищає планету від перегріву. Крім того, постійний вміст кисню (21 %) в атмосфері забезпечує існування озонового екрану на висоті 25 км. Озон — О3 — створюється в результаті фотодисоціації молекул О2 під дією сонячної радіації. Він захищає все живе від згубної дії ультрафіолетових променів (240...290 нм). Забруднення атмосфери, знищення лісів призводить до зниження вмісту кисню, виникнення озонових дірок. Звідси прямий зв'язок фотосинтезу з охороною навколишнього середовища не в регіональних, а в глобальних масштабах.

Якщо раніше фотосинтез асоціювався з біологією, а правильніше, з фізіологією рослин, то останнім часом ним серйозно зацікавилися технологи. Виявилося, що рослинний організм, здатний перетворювати світлову енергію на електричний струм, вилучає з води водень — цінне, екологічно безпечне, але поки що дороге паливо, фіксує вільний азот повітря та багато іншого, що може бути використане в фітобіотехнології.

З нагромадженням знань про особливості даного процесу змінювалась і його назва. Тепер вважають недостатнім класичне визначення, згідно з яким фотосинтез — це утворення зеленими рослинами органічних сполук із С02 і Н2О за допомогою квантів сонячного світла. В наш час фотосинтез визначають як фототрофну функцію бактерій, найпростіших, водоростей та вищих рослин.

Фототрофна функція — це сукупність процесів поглинання, перетворення та використання світлових квантів,

у ході яких відбувається первинне становлення пластичних та енергетичних ресурсів життя на нашій планеті.

Живі організми здатні використовувати лише дві форми енергії, а саме — світлову та хімічну. Організми, які синтезують усі необхідні їм органічні речовини за рахунок енергії світла, називають фототрофними (фототрофами), а ті, яким для цього необхідна хімічна енергія, — хемотрофними (хемотрофи). Для фототрофів характерна наявність пігментів, які поглинають енергію світла й перетворюють її на хімічну.

Еволюційний процес випробував різні варіанти енергозабезпечення життя. Перші прокаріоти типу бактерій були ферментуючими гетеротрофами, які добували їжу шляхом розщеплення органічних речовин абіотичного походження. Хемоавтотрофія також не змогла забезпечити поступальний темп еволюції. Ішов пошук надійного джерела енергії. Таким джерелом міг бути водень води, якої було в надлишку в океанах планети, але як розщепити її молекулу, де взяти енергію, щоб здійснити цей процес? І лише в архейську еру "пошуки" еволюційного процесу увінчалися успіхом. Життя набуло якісно нове, практично невичерпне джерело енергії — Сонце.

Прокаріоти — це ціанобактерії, що дали початок розвитку рослинного царства, знайшли ключ до фотоавтотрофії. Вони виробили мініатюрний, чудово організований механізм уловлювання та хімічного запасання сонячної енергії. Центральне місце в цьому процесі зайняв зелений пігмент — хлорофіл.

Пігменти – це сполуки, які вибірково поглинають світло у видимій (400-700 нм) частині спектра.

Поряд із зеленими пігметами в хлоропластах є жовті, оранжеві та червоні пігменти – каратиноїди. Вони також є обов’язковим компонентом фотосинтетичного апарату, виконуючи захисну функцію як хімічні буфери в реакціях фотосинтезу. Вони характеризуються гідрофобними властивостями, тому добре розчинні в жирах. Саме вони зумовлюють забарвлення пелюсток квітів, плодів і коренеплодів.

В основі суті фотосинтезу лежить окисно-відновна реакція. За участі хлорофілу та енергії сонячних квантів вода фотоокиснюється, в результаті чого виділяються кисень та водень, останній і відновлює СО2 до рівня вуглеводів. Ці реакції відбуваються відповідно в світлову та темнову стадії фотосинтезу.

Зазвичай, водночас із фотосинтезом відбувається і фотодихання – це світлове дихання, сукупність процесів,

які відбуваються в рослинній клітині в разі дії світла, внаслідок чого поглинається кисень і виділяється СО2. При

цьому частка виділеного СО2 може досягати 40-60 % первинної фотосинтетичної фіксації СО2. Таким чином фотодихання ліквідує накопичену надлишкову енергію в світлову стадію, в результаті чого захищає рослину від фотодеструкції за обмеженого доступа СО2 (наприклад під час посухи, високої температупи).

У темнову стадію фотосинтезу у фотосинтезуючих клітинах фіксований СО2 перетворюється на два основні вуглеводи – сахарозу та крохмаль. Сахароза далі переноситься до ділянок швидкого росту та до насіння, коренеплодів, бульб тощо. Крохмаль являє собою ніби тимчасовий запас фіксованого вуглецю. Накопичується він в хлоропластах у вигляді крохмальних зерен, а потім перетворюється на сахарозу та виноситься з клітин.

Фотосинтетична продуктивність значною мірою залежить від факторів довкілля – інтенсивності та спектрального складу світла, концентрації СО2, температури, водного режиму рослин, мінерального живлення, забруднення атмосфери шкідливими газами і важкими металами тощо. Зміна фотосинтетичної активності рослинного організму — один із найчутливіших показників забруднення атмосферного повітря. Забруднення атмосфери діоксидами сірки, азоту, вихлопними газами, які містять свинець, цинк, кадмій, нікель, талій, впливає насамперед на функціонування продихового апарату.

Фотосинтез постачає первинні органічні сполуки, а отже, впливає на накопичення маси рослини. В свою чергу, темпи росту і розвитку рослини визначають інтенсивність використання продуктів фотосинтезу і тим самим впливають на швидкість цього процесу. Найважливішим фактором, який визначає інтенсивність