Влияние внутренних и внешних факторов на процесс фотосинтеза. Дневной ход фотосинтеза. Фотосинтез и урожай

Влияние внешних факторов:

1. Влияние света- для процесса фотосинтеза, характерно наличие нижнего порога освещенности, при котором растения начинают фотосинтезировать. Начиная с нижнего пора зависимость фотосинтеза от освещенности может быть выражена логарифмической кривой. Т.е. увеличение интенсивности освещения приводит к пропорциональному усилению фотосинтеза(зона максимального эффекта). При дальнейшем увеличении интенсивности света фотосинтез продолжает возраствть, но медленнее (зона ослабленного эффекта), и наконец, интенсивность света растет, а фотосинтез не изменяется, область светового насыщения – плато. Н: у светолюбивых растениях выход на плато идет при более высокой степени освещенности, чем у тенелюбивых.Наклон кривых, выражающих зависимость фотосинтеза от степени освещенности и выход на плато зависит от: 1) напряженности других внешних фактороф,2) типа растений, 3) скорости темновых реакций фотосинтеза.

Важной особенностью, определяющей возможность растений произрастать при большей или меньшей освещенности, является положение компенсационной точки. Под компенсационной точкой понимается та освещенности, при которой процессы фотосинтеза и дыхания уравновешивают друг друга. т.е. та освещенность при которой растение за единицу времени образует в процессе фотосинтеза столько органического вещества, сколько оно тратит в процессе дыхания.

 Важен и спектральный состав света. При освещении красным светом образуются преимущественно углеводы, синим - амино - и органические кислоты.

2. Влияние температуры- так же находится в зависимости от освещенности. При низкой освещенности фотосинтез идет с одинаковой скоростью при 15 и 25°С. Это объясняется тем, что при низкой освещенности интенсивность фотосинтеза зависит от скоростью световых реакций. При высокой освещенности интенсивность фотосинтеза лимитируется скоростью темновых реакций и (темпер. коэффиц.)Q₁₀ примерно равен 2. Для большинства растения С3-типа оптимальная температура 20-25оС, для растений С4-типа она равна 25-40оС. При температуре выше оптимальной интенсивность фотосинтеза снижается из-за инактивации хлоропластов и закрытия устьиц.

 3. Влияние содержания СО2 в воздухе- источником углерода для процесса фотосинтеза является СО₂. повышение содержания СО2 с 0,03 % до 0,3 % вызывает увеличение интенсивности фотосинтеза. Дальнейшее возрастание концентрации СО₂ до 1 % не сказывается на фотосинтезе, но более высокий уровень СО₂ в воздухе приводит к депрессии фотосинтеза. Приводит к закрытию устьиц. Высокие концентрации СО2 особенно неблагоприятны при высокой освещенности, так как происходит ингибирование темновых реакций. Влияние содержания углекислого газа на фотосинтез зависит от вида растения.

4. Влияние снабжения водой- при большом водном дефиците интенсивность фотосинтеза снижается из-за закрытия устьиц, что уменьшает поступление СО2 в листья, снижает транспирацию и приводит к повышению температуры листа. Кроме того, обезвоживание изменяет конформацию и, следовательно, активность ферментов.

5. Снабжение кислородом и интенсивность фотосинтеза- содержание кислорода в воздухе, в среднем, равно 21 %. Повышение концентрации или отсутствие кислорода для фотосинтеза неблагоприятны. Кислород снижает активность рибулозодифосфаткарбоксилазы.

6. Влияние минерального питания- исключение любого элемента минерального питания отрицательно сказывается на фотосинтезе. Особенно важны такие элементы как фосфор, магний, железо, марганец, медь, калий и азот. На всех этапах фотосинтеза участвуют фосфорилированные соединения. Калий активирует процессы фосфорилирования и участвует в открывании устьиц. Магний входит в состав хлорофиллов, активирует реакции карбоксилирования и восстановления НАДФ. Железо необходимо для синтеза хлорофиллов. Марганец участвует в фоторазложении воды. Медь входит в состав пластоцианина. Азот необходим для формирования хлоропластов и образования пигментов.

Влияние внутренних факторов: Как рассматривалось выше, процесс фотосинтеза осуществляется в полуавтономных органеллах- хлоропластах. Однако он тесно связан и в определенной степени контролируется другими процессами, происходящими не только в

клетке,но и в организме в целом.

1. Влияние оттока ассимилятов- накопление фотоассимилятов в хлоропластах и в околопластидном пространстве приводит к ингибированию ферментов, участвующих в фотосинтезе.

2. Влияние содержания хлорофилла- с увеличением содержания в клетке хлорофилла увеличивается интенсивность фотосинтеза.

3. Влияние возраста листа- в ходе роста листа интенсивность фотосинтеза увеличивается. После окончания роста листа она постепенно снижается. У многих однолетних растений интенсивность фотосинтеза достигает максимума в фазу бутонизации и цветения, а затем снижается

4. влияние степени открытости устьиц – при открытых устьицахфотосинтез идет интенсивно, поглощается углекислый газ и вода. При закрытых устьицах фотосинтез идет, но медленнеее.

Дневной ход фотосинтеза: В естественных условиях происходит сложное взаимодействие всех внешних и внутренних факторов. В силу этого суточный ход фотосинтеза неустойчив и подвержен значительным изменениям. Фотосинтез, начинаясь утром с восходом солнца, достигает максимума в полуденные часы, постепенно снижается к вечеру и прекращается с заходом солнца. При повышенной температуре и уменьшении влажности максимум фотосинтеза сдвигается на ранние часы. При еще большей напряженности метеорологических факторов кривая дневного хода фотосинтеза принимает двухвершинный характер. В этом случае в полуденные часы фотосинтез резко снижается. В засушливых районах (Средняя Азия) в полуденные часы возможно даже превышение интенсивности дыхания над интенсивностью фотосинтеза. Надо учесть при этом, что снижение содержания воды в листьях и высокая температура задерживают отток ассимилятов, что, в свою очередь, вызывает депрессию фотосинтеза. В этих условиях выделение С0₂ превышает его использование в процессе фотосинтеза. В полярных условиях, несмотря на круглосуточное освещение, процесс фотосинтеза все же сохраняет определенный ритм, понижаясь в ночные часы суток.

Фотосинтез и урожай: Если всю энергию солнеч.света принять за 100%, то лист 40% отражает, остается еще 40%, которые лист рассеивает в виде тепла, а оставщиеся 10-15%, вовлекаются в процессы фотосинтеза. Эта энергия называется – физиологически активная радиация. Но если посчитать КПД фотосинтеза, по колличеству накапливаемых углеводов, то кажется что КПД содержит малый %. КПД = 2,3 – 2,5% при благоприятных условиях, но реально в фитоценозе КПД = 1%, а в агроценозах = 1,5%.

Выделяют у растений 2 вида урожайности.

1. биологическое – все что накапливает растение за 1 вегетационный период.

Хозяйственное – та доля биологического урожая, которое человек использует для своих нужд, он составляет разную долю. Н: сах.свекла – 50%, хлопчатник – 5%

№17 Эволюция биоэнергетических процессов на Земле.

Считается, что у современных живых организмов встречается 3 типа энергообмна. 1) фотосинтез, 2)дыхание, 3) брожение.

Они генетически свяязаны друг с другоми являются звеньями единой эволюционной цепи. По современным представлениям 1е органические соединения возникли под действием жесткого УФ, ккоторый достиг поверхности нашей планеты.по теории акад. Опарина 2е возникли коацерваты, 1е доклеточные формы имели мембраны по своей природе были гетеротрофы они получали органические вещества из океана планеты. В ходе эволюции 1е клеточные формы были гетеротрофы, а енергию получали безкислород-м путем, т.е. брожением. Формировались особые клеточные структуры и молекулы, в которых могла запасаться АТФ.

Затем, как считается менялась экологическая ситуация, под действ-м жесткого УФ происходила фотодиссоциация воды до азона, появился азоной слой, который стал защищать первичные живые организмы планеты.

1ми фототрофами были бактерии, которые обладали примитивной фотосистемой – фоторедукция, в качестве донора протонов использовали водород и сероводород (Н2S) и метан (СН4). У них не было хлоропластов, а были лизосомы. И была 1 фотосистема.

Затем шел период эволюции развивались и появлялись 1е растительные водоросли, у них образовывались хроматофоры, в качестве источников протонов была вода, и выделявшийся кислород был токсичен, его выбрасывали в атмосферу. Такие представители сейчас существуют на планете (цианобактерии).

Далее появились более сложные представители  водорослей и растений у которых появились хлоропласты. Начал накапливаться кислород. Появление кислорода послужило стимулом к появлению нового типа дыхания – кислородного.

Формирование кислородного дыхания формировалось на базе имеющегося механического энергообмена н: брожение – возникло как начальный этап кислородного дыхания (гликолиз).

При формировании ЭТЦ дыхания были использованы ЭТЦ фотосинтеза в которых вместо хлорофилла вошли ферменты оксидоредуктазы, т.о. с появлением дыхания жизнь стала развиваться бурным потоком.

Разные формы дыхания и разные формы фотосинтеза, которые позволили лучше адаптироваться к изменяющимся условиям.

Хемотрофные организмы (бактерии) получают энергию за счет окисления различных соединений. Они появились после того как появился на планете кислород.

№18 Общая характеристика процессов дыхания.Дыхание- источник энергии и важнейших метаболитов. Современные представления о процессах биологического окисления.

Дыхание - это аэробный окислительный распад органических соединений на простые неорганические, сопровождаемый выделением энерги. В случае дыхания акцептором электрона служит кислород.

Дыхание- один из важнейших процессов обмена веществ растительного организма. Выделяющаяся при дыхании энергия тратится как на процессы роста, так и на поддержание в активном состоянии уже закончивших рост органов растения. Дыхание, подобно фотосинтезу, сложный окислительно-восстановительный процесс, идущий через ряд этапов. На его промежуточных стадиях образуются органические соединения, которые затем испльзуются в различных метаболических реакциях.

К промежуточным соединениям относят органические кислоты и пентозы, образующиеся при разных путях дыхательного распада. Таким образом, процесс дыхания-источник многих метаболитов. Несмотря на то, что процесс дыхания в суммарном виде противоположен фотосинтезу, в некоторых случаях они могут дополнять друг друга. Оба процесса являются поставщиками как энергетических эквивалентов (АТФ, НАДФН), так и метаболитов. Как видно из суммарного уравнения, в процессе дыхания образуется так же вода. Эта вода в крайних условиях обезвоживания может использоваться растнием и предохранить его от гибели. В некоторых случаях, когда энергия дыхания выделяется в виде тепла, дыхание ведет к бесполезной потере сухого вещества. В этой связи при рассмотрении процесса дыхания надо помнить, что не всегда усиление процесса дыхания является полезным для растительного организма.

Биологическое окисление – это многоступенчатый процесс транспорта электронов, осуществляемый комплексом ферментов (цпэ). То вещество, что отдаёт электроны, окисляется, то, что принимает, восстанавливается. Если акцептором электронов является кислород, то такой процесс называется ТКАНЕВЫМ ДЫХАНИЕМ. Биологическое окисление предполагает ДЕГИДРИРОВАНИЕ с образованием воды.

Многоступенчатая передача электронов и протонов сопровождается выделением энергии, часть которой запасается в виде АТФ, другая часть рассеивается в виде тепла.

Этот комплекс ферментов называется ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПЬЮ (ЭТЦ), или ЦЕПЬЮ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ (ЦПЭ), или дыхательной цепью. ЭТЦ - это механизм по переносу электронов и протонов от субстрата к кислороду.

В биологических системах постоянно протекают процессы окисления органических веществ, в отличие от процессов горения они:

1. Протекают при низких температурах

2. В присутствии кислорода

3. Отсутствует пламя.