Фотосинтез и его значение

Факультативные гелиофиты (теневыносливые растения)

Факультативные гелиофиты предпочитают хорошую освещенность, но могут расти и в тени. Это растения лесных опушек, полян, вырубок, лугов, степей (лещина, ветреница лесная, сныть, черника, брусника, подорожник, злаковые травы, ежевика). Они образуют живой напочвенный покров, кустарниковый и нижний древесный ярусы в лесах умеренного пояса. На освещенных местах эти растения разрастаются часто сильнее, однако оптимальное проявление фотосинтетической активности у них происходит не при полном солнечном освещении.

Факультативные гелиофитыв зависимости от степени теневыносливости имеют приспособительные особенности, сближающие их то с гелиофитами, то со сциофитами.

У лиственных теневыносливых древесных пород и кустарников (дуб, липа, ель, сирень, лещина) листья, расположенные на периферии кроны, имеют структуру, сходную со структурой листьев гелиофитов, и называются световыми. В глубине кроны располагаются теневые листья, которые имеют структуру, сходную со структурой листьев сциофитов.

У деревьев и кустарников теневая или световая структура листа часто определяется условиями освещения предыдущего года, когда закладываются почки: если закладка почек идет на свету, то формируется световая структура, и наоборот.

Если в одном и том же местообитании закономерно периодически изменяется световой режим, растения в разные сезоны могут проявлять себя то как светолюбивые, то как теневыносливые.

!  Это интересно

Весной в дубравах под полог леса проникает 50—60 % солнечной радиации. Листья розеточных побегов сныти обыкновенной имеют световую структуру и отличаются высокой интенсивностью фотосинтеза. В это время они создают основную часть органического вещества годичной продукции. Листья сныти летней генерации, появляющиеся при развитом древесном пологе, когда к травянистому покрову проникает в среднем 3,5 % солнечной радиации, имеют типичную теневую структуру, и интенсивность фотосинтеза их значительно ниже (в 10—20 раз). Подобную двойственность по отношению к свету проявляет и осока волосистая, светолюбивая весной и теневыносливая летом. По-видимому, это свойственно и другим растениям дубравного разнотравья.

Иногда у растений меняются требования к световому режиму, когда они оказываются в иных климатических и эдафических условиях. Так, обычные теневыносливые растения хвойного леса: черника, седмичник европейский и некоторые другие — в тундре приобретают особенности гелиофитов.

Наиболее общая адаптация растений к максимальному использованию фотосинтетической активности — это пространственная ориентация листьев. При вертикальном расположении листьев солнечный свет полнее поглощается в утренние и в вечерние часы — при более низком стоянии солнца. При горизонтальной ориентации листьев полнее используются лучи полуденного солнца. При диффузном расположении, когда листья нижнего яруса отклонены горизонтально, среднего — направлены косо вверх, а верхнего — располагаются почти вертикально, солнечная радиация в течение дня утилизируется наиболее полно.

Изучение влияния солнечной радиации на растения

Солнечная радиация играет ключевую роль в жизни всех растений на Земле. Фотосинтез, процесс, при котором растения преобразуют солнечную энергию в органические вещества, является основным источником питания для большинства растительных организмов

Изучение влияния солнечной радиации на растения важно для понимания и оптимизации процесса фотосинтеза

Солнечная радиация содержит различные типы излучений, включая видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. Видимый свет с длиной волн от 400 до 700 нм является основным источником энергии для фотосинтеза. Зеленый пигмент хлорофилл в растениях поглощает энергию видимого света и использует ее для преобразования углекислого газа и воды в глюкозу и кислород.

Однако, солнечная радиация не всегда положительно влияет на растения. Избыточное или недостаточное количество солнечного света может негативно сказаться на росте и развитии растений. Высокая интенсивность света, особенно ультрафиолетового излучения, может повредить структуры хлорофилла и ДНК растений, вызывая стресс и повреждения клеток. Это может привести к ослаблению фотосинтетической активности, ухудшению питательного обмена и даже гибели растения.

С другой стороны, недостаточное количество солнечной радиации также может негативно сказаться на растениях. Недостаток солнечного света может привести к ослаблению фотосинтеза и роста растений, а также к искажению их морфологии. Например, растения, выращенные в условиях недостатка света, часто имеют тонкие и вытянутые стебли и листья, что делает их более уязвимыми для механического повреждения и болезней.

Изучение влияния солнечной радиации на растения включает исследование различных аспектов фотосинтеза, таких как физиологические исследования, измерение интенсивности света, составление спектра солнечной радиации и многое другое. Эти исследования помогают ученым лучше понять процессы, связанные с фотосинтезом, и разработать новые методы оптимизации растительного роста под воздействием солнечной радиации.

В целом, изучение влияния солнечной радиации на растения является важной научной дисциплиной, которая помогает улучшить знания в области растениеводства, разработать новые методы выращивания растений и оптимизировать процессы фотосинтеза для повышения эффективности использования солнечной энергии

Гелиофиты (светолюбивые растения)

Гелиофиты обитают на открытых территориях, поглощают много солнечной энергии. Это растения пустынь, степей, высокогорных лугов, пустырей и обочин дорог (ковыль, мать-и-мачеха, очиток, молочай), сорняки и культурные растения (лебеда, подсолнечник, кукуруза, пшеница). Светолюбивые деревья образуют светлые леса, их кроны не смыкаются (лиственница, сосна, осина, береза).

Гелиофиты часто имеют побеги с укороченными междоузлиями, сильно ветвящиеся, нередко розеточные.

Листья гелиофитов обычно мелкие или с рассеченной листовой пластинкой, с толстой наружной стенкой клеток эпидермиса, нередко покрытой восковым налетом или густым опушением. В листовых пластинках большое число устьиц на единицу площади, часто погруженных, имеется густая сеть жилок, хорошо развиты механические ткани. Листья ориентированы вертикально или под большим углом к горизонту, поэтому получают лишь скользящие лучи. У них есть приспособления для поворота листовых пластинок ребром к солнцу в зависимости от высоты его стояния.

Внутреннее строение листа приспособлено к более полному поглощению света и высокой фотосинтетической активности. Мезофилл (мякоть листа) хорошо развит, особенно столбчатая паренхима. Она может быть двухслойной или многослойной (у некоторых саванных растений Западной Африки — до 10 слоев), нередко развита как под верхним, так и нижним эпидермисом. Мелкие хлоропласты в большом числе (до 200 и более) расположены в клетках вдоль продольных стенок.

Вопрос-ответ:

Какой тип света наиболее важен для растений?

Наиболее важен для растений световой спектр, состоящий из красного и синего цветов, так как именно они обеспечивают процесс фотосинтеза, который является ключевым для питания растения.

Достаточно ли растениям получения света от ламп или необходим естественный свет?

Растения могут расти и развиваться при наличии и искусственного света, однако натуральный свет солнца является наиболее оптимальным и обеспечивает лучшее качество роста и развития растений.

Какая роль ультрафиолетового света для растений?

Ультрафиолетовый свет может повредить ткани растений, поэтому в природных условиях растения обеспечивают себе защиту от ультрафиолетовых лучей. Однако в небольших дозах ультрафиолетовый свет может стимулировать производство пигментов и антиоксидантов в растениях, что влияет на их здоровье и защиту.

Как свет влияет на форму растений?

Растения реагируют на световые условия разными способами: например, в тени они становятся более вытянутыми и бледными, а на солнце — более крепкими и насыщенными. Этот процесс называется фототропизмом и он влияет на форму и размер растений.

Как длительность светового дня влияет на растения?

Длительность светового дня влияет на многие процессы в растениях, включая бутоны, цветение, плодоношение и переход в состояние покоя. Растения получают сигналы о длительности дня от светочувствительных клеток, которые находятся в листьях и цветках, и на основе этой информации они регулируют свои процессы.

Какой свет больше всего нужен растениям

Для того чтобы объяснить это более наглядно и понятнее, проведем аналогию с чем-то съедобным. Допустим у вас на столе лежит спелый персик, ягода малины и груша.

Для вашего желудка все равно что вы съедите. Он одинаково хорошо переварит все ягоды и фрукты. Но это не означает, что для вас в последствии не будет никакой разницы. Разные продукты все равно по-разному влияют на ваш организм.

Съесть 10 ягод клубники это не то же самое, что 10 груш или персиков. Вы должны найти определенный баланс.

То же самое происходит и со светом для растений. Ваша задача грамотно подобрать, насколько каждого света должно быть в общем спектре. Только таким образом можно рассчитывать на быстрый рост.

Самый главный вопрос — какой свет будет считаться лучшим? Казалось бы, что тут гадать. Лучший вариант это солнечный свет и его близкие аналоги.

Ведь миллионы лет растения именно под ним и развивались. Однако посмотрите на картинку ниже. Вот как реально выглядит интенсивность солнечного света.

Видите, насколько здесь много зеленого. А как мы выяснили ранее, он хоть и полезен, но не в такой степени как другие лучи. Когда говорят, что солнечный свет самый эффективный и нечего отступать от матушки природы, не учитывают один простой факт.

В реальной жизни, а не в экспериментах, растения адаптируются не только к солнечному свету, но также и к условиям окружающей их среды, в которой они произрастают.

Допустим на глубине водоема, где растет какая-то зелень, доминирует синий цвет. А вот в лесу под кроной деревьев, уже победителем выходит зеленый.

Поэтому мнение, что солнечный свет самый лучший, в корне не верно. Здесь нужно больше говорить о том, что он самый универсальный и подходит абсолютно для разных условий.

А вот по поводу его эффективности в отдельных случаях возникают существенные вопросы. Вот оптимальное распределение спектров для двух самых популярных у нас овощей — огурца и помидора:

Всего на этих двух элементарных примерах между огурцом и томатом хорошо видно, насколько у них разная потребность. И если одной и той же лампочкой засвечивать оба овоща сразу, то результаты будут совершенно непредсказуемыми.

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле. 

Параметры нормальной световой среды

Большое значение имеет не просто каждый фактор, но их правильная комбинация. При организации искусственного освещения необходимо обеспечить как нужное количество света, так и правильное чередование светлых и темных периодов. Например, если вы будете освещать светолюбивые виды маломощной лампой, они могут заболеть, даже при правильной длине светового дня.

Для активного развития и цветения разным видам нужна освещённость в следующих пределах:

• Яркий свет (8-10 тыс. люкс). Потребность в ярком свете имеется у кактусов, пальм и орхидей. Любит свет роза, бугенвиллея, гибискус и пеларгония.
• Умеренный (4-6 тыс. люкс). Некоторые кактусы и пальмы, каланхоэ, гибискус, плющ, амариллис, хризантема, бегония.
• Слабый(1-3 тыс. люкс). В слабом освещении хорошо себя чувствует папоротник, традесканция, драцена, спатифиллум, эхинантус, диффенбахия.

Индивидуальные условияИсточник shopify.com

Для развития растений важен такой параметр света, как его спектральный состав. Солнечный свет не является однородным, в нем присутствуют лучи с различной длиной волны. Спектр условно делится на два вида:

• Тёплый (длинноволновой, красный и оранжевый). Длина оранжевых лучей составляет 620-595 нм, красных – 720-600 нм. Цветовая температура равна 2700-3000 K.
• Холодный (коротковолновой, синий и фиолетовый). Длина волн колеблется в пределах 490-380 нм. Цветовая температура составляет около 4000-6500 K.

Обе части спектра нужны для развития цветов, но они оказывают разное влияние. Лампы искусственного света, предназначенные для растений, помечаются цифрами, и, чем выше указанное число, тем холоднее свет.

Сад на стенеИсточник ytimg.com

Лампы выделенного света помогают решить следующие задачи:

• Красный и оранжевый спектр. Лучи отвечают за процессы фотосинтеза, влияют на скорость роста и развития, отвечают за цветение и плодоношение. Они будут полезны, если вы хотите разводить цветы или, например, лимоны, помидоры или перец. Лучи тёплого спектра полезны для роста корневой системы, а также в период подготовки к цветению.
• Синий и, особенно, фиолетовый спектр. Также принимают участие в фотосинтезе, но дополнительно стимулируют образование белков и рост зелёной массы листьев. Холодный спектр полезен, если вы собираетесь выращивать зелень или рассаду; его будет достаточно для корнеплодов. Под лучами лампы холодного спектра быстрее зацветут сорта, которые в природе привычны к короткому световому дню.

Технологии на службе у цветоводовИсточник tbistatic.com

Лучи тёплого спектра также отвечают за синтез витаминов; ещё они не дают цветкам чрезмерно вытягиваться. Более жёсткий ультрафиолет повышает устойчивость к холоду. Зелёные и жёлтые лучи оказывают минимальное влияние, и не являются жизненно важными для комнатной флоры.

Освещение для комнатных растений не обязательно должно быть узкоспециализированным. В большинстве случаев можно пользоваться осветительными приборами полного спектра; это значительно упростит жизнь.

Возможности современных устройствИсточник besthomeaccess.com

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Какой цвет лучше для растений

Однако как оказалось, КПД лампочки это не главное в правильном выращивании растений

Самое важное — это их спектр и насколько он отличается от естественного солнечного излучения. Ведь именно к нему привыкли все цветы, овощи, фрукты, ягоды

Что же прячется за таким научным названием как спектр излучения? Чтобы понять это, придется вспомнить что такое свет? А свет — это не что иное, как электромагнитная волна.

Причем каждый цвет имеет определенную длину волны, отсюда и получается радуга. Однако разная длина означает не только разный цвет, но самое главное — разное количество энергии.

Волны с меньшей длиной содержат в себе больше энергии.

Если все цвета условно представить не в виде привычной прямой линии, а в виде шариков, то синий шарик будет самым большим по размеру. Зеленый поменьше, а красный окажется самым маленьким.

Все цвета всегда упрощают именно до этих трех видов R-G-B:

красный

зеленый

синий

Почему синий шарик окажется самым объемным? Потому что длина его волны самая маленькая. Она меньше чем у зеленого цвета. А у зеленого в свою очередь, меньше чем у красного.

В итоге и получается, что красный цвет несет в себе меньше энергии, а синий больше всего.

И тут у многих может возникнуть логичный вопрос: «А есть ли разница в том, каким именно спектром освещать растения?» И если есть, можно ли эти знания как-то применить с пользой для дела?

Ведь если какой-то цвет окажется более эффективным, то нет ничего проще, как направить всю энергию на растение только от него. Если синий цвет самый «жирный», достаточно засвечивать растения только им и получать шикарный урожай круглый год.

Однако все оказывается не так просто. Здесь нужно учитывать еще одну характеристику света — его качественный или спектральный состав.

Суточные ритмы

Кроме правильно подобранного спектра, важную роль играет еще два параметра — время и ритм освещения.

Все растения изначально произрастали на улице при естественном солнце. А солнце как известно не висит в зените 24 часа в сутки. Утром всходит, а вечером заходит. То есть естественная интенсивность освещения сначала постепенно растет, а во второй половине дня, достигнув своего пика, начинает падать.

Это и есть так называемый ритм. И растения его хорошо чувствуют. Измените ритм, не меняя ничего другого, и ваши овощи могут начать болеть, почувствовав себя «не в своей тарелке».

Поэтому опытные садоводы выделили три группы растений — короткого, длинного и нейтрального дня.

Вот их некоторые разновидности:

Длинный день — это когда интенсивность света наблюдается более 13 часов. Короткий — до 12 часов. Растениям для нейтрального дня все равно когда созревать, хоть при коротком, хоть при длинном.

Не будете соблюдать заданный природой цикл и у вас упадет урожайность. Сами растения будут какими-то карликовыми.

Поэтому мало просто купить супер разрекламированные сорта, правильно их высадить, удобрять и поливать.

Как оказывается, еще нужно их правильно освещать. Причем и здесь нет универсального светильника для больших групп растений, везде требуется индивидуальный подход.

Только в этом случае результат вас порадует и вкусом и размером.

Искусственное освещение: когда без него не обойтись

Чтобы установка досветки не стала неоправданной тратой семейного бюджета, полезно выяснить, когда она действительно необходима. Растениям не обойтись без дополнительного освещения в следующих случаях:

• Если в данной местности количество пасмурных дней преобладает над количеством солнечных.
• Если цветы содержатся на подоконнике, но из-за неудачного расположения (северная сторона) прямой солнечный свет задерживается менее чем на 3,5 часа.
• В осенне-зимний период в регионах с укороченным световым днём (вся средняя полоса России и более северные территории), если температура содержания превышает 22°C.

Для нежных суккулентовИсточник minifermer.ru

Искусственное освещение принесёт пользу, если будет соответствовать следующим критериям:

• Будет качественным. Солнечный свет складывается из волн разной длины. Они образуют полный спектр, распределяясь от коротких ультрафиолетовых, до длинных инфракрасных. Искусственное освещение должно максимально соответствовать солнечному. Задача усложняется тем, что в разные периоды жизни цветам полезны волны разной длины (из разных участков спектра).
• Будет иметь нужную продолжительность. Для разных видов благоприятная длина светового дня отличается, и это надо учитывать при выборе режима освещения. Некоторые цветы способны к цветению только, если находятся на свету по 12-14 часов в сутки; другим достаточно 8-10 часов.
• Будет иметь нужную интенсивность. Потребность в свете у разных видов отличается, и колеблется от 10 тыс. люкс (яркий) до 3 тыс. (слабый) свет.
• Будет иметь периодичность. В природе все циклично, поэтому для домашних растений важны не только параметры света, но и периодичность его появления.

Подходящие условия вдали от окнаИсточник pinimg.com

Поглощение света растениями и фотосинтез

Чтобы понять как отдельные цвета влияют на эффективность фотосинтеза, проводились научные эксперименты. Из целого листа выделялись отдельные чистые хлорофиллы. После чего, в течение длительного времени, их засвечивали светом различного спектра и проверяли результаты.

При этом в первую очередь, смотрели на эффективность поглощения СО2, то есть интенсивность фотосинтеза. Ниже представлен итоговый график такого эксперимента.

Из него видно, что хлорофилл в основном поглощается в синей и красной областях. В зеленой области эффективность минимальна.

Однако на этом не остановились и провели еще один эксперимент. В растениях также содержатся каротиноиды. Они хоть и играют незначительную роль, но и про них забывать не стоит.

Так вот, аналогичный опыт с каротиноидами показал, что ранее выделенные пигменты листа, поглощают в этом случае свет преимущественно в синей области спектра.

Посмотрев на это, все дружно решили что зеленый цвет абсолютно бесполезен и им можно пренебречь. Основной упор все специалисты предлагали делать только на синий и красный свет.

И соответственно более правильным считалось выбирать лампочки, которые излучают именно эти спектры больше всего.

Но как оказалось, изначальная ошибка экспериментаторов закралась в том, что они использовали не весь лист целиком, а выделяли из него пигменты и смотрели результаты только по ним.

На самом деле, в цельном листе свет очень сильно рассеивается. Провели еще опыты, но уже смотрели на весь лист и использовали разные растения. В итоге получили данные, которые более точно показывали насколько эффективно свет поглощается всем листком, а не его отдельными «кусочками». 

С одной стороны, здесь опять доминируют синий и красный свет. Отдельные пики потребления фотонов доходят до 90 процентов.

Однако к удивлению многих, и зеленые лучи оказались не столь бесполезны как думали раньше. Дело в том, что благодаря своей проникающей способности, зеленый снабжает энергией более глубокие участки листвы, куда не долетают ни красный, ни синий.

Таким образом, если полностью отказаться от зеленого, вы можете ненароком погубить растение, и даже не будете понимать в чем причина.

Получается, что все цвета R-G-B нормально усваиваются листьями и нельзя выбрасывать какой-то один из них. Вот только необходимость энергии на разных цветах у разных растений не равноценна.