Почему растет кабомба

Мы уже много говорили о роли различных химических веществ, содержащихся в воде, в жизни водных организмов. Как же эти вещества используются гидробионтами? В этой главе мы расскажем о роли химических веществ в развитии аквариумных растений.

Проделайте простой опыт. Возьмите какое-нибудь водное растение, например, кабомбу и поместите в банку с рыбками. Наблюдайте за растением ежедневно. Вы увидите, что оно достаточно быстро увеличивается в размерах, «растет на глазах». При этом видимых изменений в воде не происходит. Почему же растет кабомба? В процессе жизнедеятельности во всех биологических объектах происходит преобразование одного вида энергии в другой. Некоторые организмы превращают заранее накопленную энергию химических связей, потребляя ее в виде пищи, в другие необходимые для них виды, Это может быть механическая, осмотическая, тепловая и снова химическая. Все живые клетки преобразуют энергию в ходе сложных биохимических процессов.

Жизнедеятельность клеток сопровождается процессом дыхания, т. е. расщеплением: питательных веществ и выделением запасенной в них энергии, которая используется для выполнения различных функций.

Способ получения организмами питательных веществ, необходимых для жизни и используемых при дыхании, делит их на гетеротрофные — использующие для своего питания готовые органические соединения и автотрофные — способные синтезировать необходимые им органические вещества из неорганических соединений.

Большинство растений, содержащихся в аквариуме, относятся к автотрофам, получающим все необходимые для жизни вещества из воды и частично из грунта. Других источников питания у них нет. Поэтому для их правильного культивирования особенно важны знания гидрохимии, чтобы сознательно управлять процессом питания, а также знать, как достигнуть того, чтобы нашим зеленым питомцам было достаточно всех необходимых веществ.

Стебли и листья высших растений содержат большое количество воды. В самом деле, вода составляет 80—90% от зеленой массы. Такое содержание воды соответствует роли этого вещества в жизни растения. Так, содержащиеся в клетках белки могут быть использованы в обменных процессах только в комбинации с водой. Значительные количества воды содержатся в вакуолях. Многочисленные органические и неорганические вещества находятся в растении в виде водных растворов. Именно вода в клетках определяет форму и упругость растений. Вместе с водой в организме транспортируются растворенные вещества. Вода дает возможность растению использовать уже накопленные углеводы и создавать новые.

Важной особенностью растений является превращение солнечной энергии в энергию химических связей. Главными исходными соединениями для синтеза сложных молекул служат вода и углекислый газ. Именно из них под действием солнечного света в зеленых клетках растений образуются сложные органические соединения, обладающие запасом химической энергии.

Первая стадия образования органических веществ из неорганических под действием света носит название фотосинтеза и в самом элементарном виде выражается схемой:

СO₂ + H₂O → Питательные вещества (углеводы) + O₂

Понятие «фотосинтез» — это целая цепь реакций от поглощения исходных реагентов и световой энергий до образования органических веществ. Эта цепь длинная и сложная. Мы не стремимся описать полностью процесс фотосинтеза, дадим лишь упрощенное представление об основных этапах этого сложного процесса и внешних условиях, влияющих на ход реакций.

В процессе фотосинтеза можно выделить две последовательные серии реакций; первая серия «быстрых» реакций происходит на свету и зависит от интенсивности освещения; другая серия состоит из ряда более медленных реакций, идет с поглощением тепла и может происходить без света.

Прежде чем рассматривать реакции ассимиляции CO₂, необходимо ознакомиться с частями клетки, принимающими участие в этих процессах.

Под микроскопом хорошо заметно, что зеленый пигмент в клетке не распределен равномерно, а сосредоточен в мелких телах, называемых хлоропластами. Они и определяют зеленую окраску листа. В свою очередь, цвет самих хлоропластов — это цвет зеленого пигмента хлорофилла. Хлорофилл кажется зеленым, потому что из потока падающего света он поглощает лучи в красной и синей зонах и отражает зеленые, которые уже и воспринимаются глазом. Кроме хлорофилла в хлоропластах содержатся желтые, оранжевые и бурые пигменты, называемые каротиноидами. Они играют вспомогательную роль в фотосинтезе, поглощая свет с другими длинами волн и передавая энергию хлорофиллу.

Молекула хлорофилла состоит из атомов водорода, углерода и азота, а в центре молекулы расположен атом магния. Упрощенная формула хлорофилла выглядит так:

Структура хлорофилла определяет его роль в процессе фотосинтеза — эффективно поглощать световую энергию и передавать ее другим молекулам. Хлорофилл поглощает единицу световой энергия, при этом один из его электронов, приобретая энергию отрыва, отделяется от молекулы и участвует в процессе восстановления никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ+) с участием катионов водорода. НАДФ при этом переходит в свою восстановительную форму:

H⁺ + НАДФ⁺ +2e‾ → НАДФ • H

При такой реакции активизированные световой энергией электроны используются для присоединения иона водорода к переносчику водорода.

Восстановительный процесс, связанный с потерей хлорофиллом электрона, компенсируется окислением молекул воды:

2H₂O → 4e‾ + 4H⁺ + O₂

Образующийся в результате разложения кислород — побочный продукт фотосинтеза. Часть его растения используют для дыхания, а излишки выбрасывают в окружающую среду.

Важную роль в процессе фотосинтеза играет образование аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия, поглощенная хлорофиллом и другими пигментами, концентрируется в молекулах хлорофилла. При этом отдельные активные электроны, последовательно переходя с одного потенциального уровня к другому, более высокому, получают большой запас энергии, которая используется для образования высокоэнергетических фосфатных связей в молекуле АТФ, образующейся из адезиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата (Ф_Н)

АДФ + Ф_Н + энергия хлорофилла → АТФ

АТФ служит источником энергии для химических реакций, с их помощью происходит освобождение клетки от отходов, он выполняет транспортные и многие другие функции. За счет запаса АТФ клетка может синтезировать питательные вещества, аккумулируя, таким образом, энергию и при необходимости использовать этот запас энергии для образования новых молекул АТФ.

В молекуле АТФ имеются две высокоэнергетические фосфатные связи. При их разрыве высвобождается большое количество энергии. Обычно от АТФ отрывается только одна из фосфатных групп, при этом образуется аденозиндифосфат (АДФ) и свободный неорганический фосфат Ф_Н:

АТФ → АДФ + Ф_Н + энергия

Итак, конечными продуктами световых реакций фотосинтеза являются НАДФ • H и АТФ. Эти соединения на следующей стадии используются соответственно как восстановитель и источник энергии для превращения CO₂ в сахар. Этапы, из которых слагается это превращение, известны под общим названием «темновых реакций фотосинтеза».

Ассимиляция CO₂ происходит в процессе темновых реакций, где для образования молекул сахара с шестью молекулами углерода используется энергия АТФ и НАДФ • H, запасенная в ходе световых реакций. В реакциях, протекающих в хлоропласте, одновременно принимают участие многие молекулы. Часть этих молекул соединяется друг с другом, образуют шестиуглеродные сахара, в том числе молекулы глюкозы и фруктозы (состав обеих С₆Н₁₂O₆), которые, соединяясь между собой, образуют сахарозу, целлюлозу и другие органические молекулы. Другая часть используется для синтеза аминокислот. И третья группа вовлекается в длинную цепь реакций, в результате которых из пяти трехуглеродных молекул образуются три пятиуглеродные. При этом замыкается цикл темновых реакций.

Суммируя уравнения всех промежуточных световых и темновых реакций фотосинтеза, можно получить уравнение, выражающее стехиометрию процесса:

CO₂ + H₂O → С₆Н₁₂O₆ + 6O₂.

Для того, чтобы происходил процесс фотосинтеза, клеткам зеленых растений необходим постоянный приток воды, углекислого газа, лучистой энергии, а также минеральных веществ, которые участвуют в промежуточных стадиях и играют роль катализаторов. При наличии этих исходных составляющих может нормально осуществляться фотосинтез и в дальнейшем из шестиуглеродных сахаров (глюкозы, фруктозы) будут образовываться ткани растений. Недостаток одной из составляющих не может быть компенсирован избытком других (скорость процесса определяется по самому слабому звену). Для того чтобы добиться успехов в культивировании растений, надо учитывать все факторы, влияющие на фотосинтез. Аквариумные растения не могут испытывать недостатка в воде. Вопросы, связанные с подачей углекислого газа в условиях аквариума, нами уже рассмотрены. Напомним, что основными источниками CO₂ являются рыбы и другие водные животные; атмосферный углекислый газ; CO₂, выделяемый растениями в ночное время; углекислый газ, поглощаемый из растворенных в воде гидрокарбонатов кальция и магния.

Необходимые растениям другие минеральные вещества содержатся в воде, поэтому вопрос об их использовании гидрофлорой напрямую связан с химическими свойствами и составом воды и будет рассмотрен в следующей главе.