Тема 4. Дыхание растений

Все живые организмы дышат, т. е. поглощают кислород и выделяют углекислый газ и воду. При этом происходит разложение органических веществ и выделение энергии, необходимой для жизни каждой клетки, всего растения.

Суммарное уравнение дыхания: С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ® 6СО₂ + 6Н₂О.

Данная формула характеризует начальный и конечный момент процесса дыхания. В действительности этот процесс многоступенчатый. Он состоит из целого ряда последовательно идущих окислительно-восста-новительных реакций.

Итак, для дыхания нужно органическое вещество, включающее в себя запас потенциальной энергии, и кислород.

Превращение веществ в растении и дыхание

В качестве органических веществ, необходимых для дыхания, служат в основном углеводы, белки и жиры. Типичным соединением, окисляемым в процессе дыхания, является глюкоза. Энергетически наиболее выгодным для дыхания веществом является жир. 1 г жира при окислении до СО₂ и Н₂О дает 9,2 ккал, белки — 5,7 ккал, углеводы — 4 ккал. Процесс превращения исходного органического вещества до более простых и затем до СО₂ и Н₂О требует большого числа различных ферментов.

Объемы выделенного при дыхании углекислого газа и поглощенного кислорода, судя по уравнению, должны быть равны. Отношение СО₂: О₂ называется дыхательным коэффициентом. Если исходным дыхательным материалом является сахар, то этот коэффициент обычно равен 1.

В том случае, когда исходным материалом будут жиры или белки, на окисление которых нужно больше кислорода из воздуха, дыхательный коэффициент снизится до 0,7—0,8.

Например, если исходным веществом будет стеариновая кислота, то процесс дыхания пойдет по суммарному уравнению:

С₁₈Н₃₆О₂ + 260₂ ® 18СО₂ + 18Н₂О.

Здесь дыхательный коэффициент будет равен 18:26 = 0,69.

Если же исходным веществом будут соединения, богатые кислородом, то для их окисления потребуется меньше кислорода воздуха, и дыхательный коэффициент повысится.

Так, при дыхании за счет щавелевой кислоты уравнение примет следующий вид:

2С₂О₄Н₂ + О₂ ® 4СО₂ + 2Н₂О.

Дыхательный коэффициент будет равен 4: 1 = 4.

Чем выше дыхательный коэффициент, тем ниже тепловой эффект, и наоборот. Поэтому жиры и белки отличаются более высоким тепловым эквивалентом.

Сравнивать дыхание у разных органов растения можно по выделению СО₂ на 1 г сухого вещества в единицу времени при определенной температуре, т. е. по интенсивности дыхательного процесса.

Установлено, что растущие органы дышат интенсивнее нерастущих. Прорастающие семена, цветки, плоды, мицелий грибов дышат более интенсивно, чем другие органы.

Фотосинтез и дыхание можно рассматривать как два противоположных процесса. Если в растении оба процесса будут протекать с одинаковой интенсивностью, то накопления органического вещества не будет. В пасмурную и холодную погоду такое явление может произойти. Интенсивность света, при которой количество создаваемого органического вещества при фотосинтезе равно трате его на дыхание, называется компенсационной точкой. Для световых и теневых растений компенсационная точка будет различная.

Факторы, влияющие на процесс дыхания

На процесс дыхания влияют температура, влажность, наличие ядовитых веществ и физических агентов, содержание кислорода в воздухе.

Температура. Влияние температуры на жизненные процессы подчиняется правилу Вант-Гоффа. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость процесса удваивается. Это ускорение носит название температурного коэффициента (Q₁₀). Он равен примерно 2. Закон Вант-Гоффа действует в пределах до 40 °С. Дыхание у растений происходит в довольно широких границах температур.

У зимующих растений дыхание можно обнаружить и при 20—25 °С мороза. Оптимальная температура для дыхания прорастающих семян 30 и 40 °С. При температуре 50 °С дыхание прекращается, так как белки цитоплазмы свертываются.

Насыщенность клеток водой. Вода необходима для набухания коллоидов цитоплазмы. Сухие семена ячменя (с 10—12 % гигроскопической воды) выделяют за сутки ничтожное количество углекислого газа (0,3—0,4 мг). При повышении содержания воды до 33 % (почти полном набухании) количество выделенного СО₂ достигает 2 г. Оно увеличивается примерно в 10000 раз. Поэтому хранение зерна, имеющего влажность свыше 12—14 %, приводит к потере органического вещества и всхожести. Зерно темнеет и портится («сгорает»).

Наличие ядовитых веществ и физических агентов. Такие вещества, как эфир, хлороформ, нейтральные соли щелочных и щелочно-земельных металлов, в больших дозах вызывают быстрое падение дыхания вследствие отравления растения. В малых дозах они действуют стимулирующее — дыхание повышается.

Воздействие электричеством, радиоактивными веществами, резкие перемены температуры или смена света и темноты также стимулируют дыхание.

Содержание кислорода в воздухе. Небольшие колебания в содержании кислорода в воздухе (20,95 %) особого влияния на процесс дыхания не оказывают. Падение же его содержания до 1—2 % приводит обычно к снижению интенсивности дыхания. Имеющегося кислорода уже недостаточно для процесса нормального дыхания.

На смену ему приходит анаэробное дыхание, т. е. дыхание без доступа свободного кислорода.

Недостаток кислорода возможен и внутри некоторых семян, имеющих плотную кожуру. Накопившийся в них углекислый газ действует на семена как анестезирующее средство (делающее их нечувствительными). Не теряя всхожести, такие семена могут длительное время находиться в почве, не прорастая (многие сорняки). В настоящее время СО₂ применяют для сохранения плодов и овощей.