Спецвыпуск

Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза. 9-й класс. Руководители: Л.Васильева, Т.Милованова

···· Портфолио ···

Евдокия ПАНКРАТОВА (ученица 9-го класса),
МОУ лицей г. Лобни, Московская обл.
Руководители: Л.В.ВАСИЛЬЕВА (учитель биологии),
Т.В.МИЛОВАНОВА <t.v.milovanova@mail.ru> (учитель физики)

Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

I. Введение

1. Энергетика фотосинтеза

Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза, он снабжает растения и животных энергией и углеродом, обеспечивает выделение кислорода в атмосферу. Растения поглощают около 1% падающей на Землю солнечной энергии, связывают углекислый газ атмосферы, а также и воду, превращая их в 150 млрд т сухого органического топлива в год (около 1 кг/м²). Часть этого органического вещества поедается травоядными животными, которыми питаются хищные животные и человек. Растительные и животные остатки разлагаются бактериями и грибами до уровня исходных неорганических веществ. Затем этот круговорот замыкается: энергия солнечного излучения, поглощённая растениями, переходит в тепло и излучается Землёй в космическое пространство. Можно сказать, что жизнь на Земле есть процесс поглощения солнечного света.

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является его протекание с использованием энергии солнечного света. Лучистая энергия – это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определённой длиной волны , частотой колебаний и скоростью распространения c – скоростью света, равной 3 · 10⁸ м/с. Эти величины связаны между собой следующим образом: Е = c/. Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, воспринимаемая человеческим глазом, лежит в диапазоне длин волн 400–700 нм. Более короткие волны характерны для ультрафиолетовых (УФ) лучей, а более длинные – для инфракрасных (ИК). Окраска видимого света зависит от длины волны. Обладая волновыми свойствами, свет проявляет и корпускулярные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде дискретных единиц – квантов, или фотонов. Квант света обладает энергией E = h = h·c/, где h – постоянная Планка. Из этой формулы ясно, что величина энергии квантов для разных участков спектра различна: чем короче длина волны, тем она больше:

2. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

Согласно первому закону фотохимии, только поглощённые лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае, если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ – фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторы – вещества, поглощающие энергию света и передающие её той или иной бесцветной молекуле.

Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощённые лучи, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К.А.Тимирязева. До этого господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют жёлтые лучи солнечного спектра, которые хлорофиллом не поглощаются. К.А.Тимирязев показал, что процесс усвоения CO₂ на свету представляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фотохимии, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света.

Наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных лучах. Затем, в направлении зелёной части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает, зелёные лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъём интенсивности фотосинтеза. Таким образом, кривая интенсивности фотосинтеза имеет два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия.

II. Экспериментальная часть

1. Цель: 1) выявить влияние световых волн разной длины на прорастание семян злаковых растений; 2) выявить влияние световых волн разной длины на интенсивность фотосинтеза в листьях растений.

Оборудование: четыре ёмкости с землёй; семена злаковых растений; штатив с укреплённой на нём люминесцентной лампой; световые фильтры (по 4 штуки сине-фиолетового, зелёного и оранжево-красного цветов); контейнер; сушильный шкаф; фарфоровые чашечки.

1-й этап выполнение работы

• 08.01.07 в четыре ёмкости с землёй были посеяны семена одинаковой злаковой культуры – овса.

• После посадки и первого полива три ёмкости поместили в контейнер под светофильтры разных цветов. Одна ёмкость – контрольная, семена в ней прорастали при естественном освещении.

• С этого дня полив осуществлялся регулярно.

Наблюдения

• 10.01.07 появились первые всходы в ёмкости под сине-фиолетовым светофильтром.

• Почти одновременно с ними, через несколько часов, появились всходы под оранжево-красным светофильтром.

• Через два дня, 12 января, появились всходы под зелёным светофильтром.

• И последними, 13 января, проросли семена в контрольной ёмкости.

2-й этап выполнения работы

• 18.01.07 и 25.01.07 были произведены срезы листьев растений и замеры площади и сырой массы срезанных листьев (см. таблицу).

• Для определения сухой массы растения были помещены в сушильный шкаф в фарфоровых чашечках на один час.

• После сушки растения были взвешены на весах (см. таблицу внизу).

2. Методика работы

• Определение площади листа. Метод основан на сопоставлении листа с некоторой простой геометрической фигурой, достаточно хорошо совпадающей с его конфигурацией. Лист вписывают в соответствующую фигуру так, чтобы основные параметры были общими. Так, листья злаков легко вписываются в вытянутый прямоугольник. Измеряя длину a и ширину b такого прямоугольника, находят его площадь: S = a · b.

• Определение чистой продуктивности фотосинтеза. На долю органических соединений, создаваемых в ходе фотосинтеза, приходится около 95% общей биомассы растительного организма. Поэтому изменение сухой массы может довольно объективно отражать ассимиляционную деятельность растения. Именно этот показатель и лёг в основу метода определения «нетто-ассимиляции», или чистой продуктивности фотосинтеза (ЧПФ).

ЧПФ представляет собой прирост сухой массы растений (в граммах) за определённое время (сутки), отнесённый к единице листовой массы поверхности (м²). Её учитывают путём периодического отбора проб растений, у которых определяют общую массу и площадь. Далее рассчитывают «нетто-ассимиляцию»:

где B₁ и B₂ – сухая масса растений в начале и конце учётного периода; (B₂ – B₁) – прирост сухой массы в течение n дней между двумя последовательными сроками наблюдений; Л₁ и Л₂ – площадь листьев в начале и в конце периода, м²; 0,5 (Л₁ + Л₂) – средняя работавшая площадь листьев за время опыта.

• Показатели чистой продуктивности фотосинтеза в природных условиях обычно колеблются от 0,1 до 20 г (и более) сухого вещества на 1 м² в сутки: у злаков в фазе интенсивного роста 40–50 г/ (м² · сут.), у основных сельскохозяйственных культур 4–10 г/ (м² · сут.).

3. Выводы на основе наблюдений

1. Площадь листьев быстрее нарастает у растений, находящихся под оранжево-красным и сине-фиолетовым светофильтрами.

2. ЧПФ имеет два пика: при красном (37,37 г/м²) и при сине-фиолетовом (26,3 г/м²) облучениях.

3. ЧПФ минимальна при зелёном облучении, т.к. зелёные световые лучи не поглощаются хлорофиллом, а отражаются от него.

III. Значение фотосинтеза в продукционном процессе. Фотосинтез и урожай

Ещё К.А.Тимирязев подчеркивал, что важнейшая задача изучения физиологии растений – найти путь, чтобы «вырастить два колоса там, где растёт один». Задача эта не только не потеряла значения, но стала ещё более острой. Большое значении в её решении играет управление фотосинтетической деятельностью растений. Фотосинтез является основным процессом образования сухого вещества растений. Однако зависимость между фотосинтезом и общей продуктивностью растительного организма, а тем более урожаем, далеко не простая. Л.А.Иванов предложил следующее уравнение, характеризирующее отношение между накоплением сухой массы растением (биологическим урожаем) и интенсивностью фотосинтеза: M = aST – bS₁T₁, где M – сухая масса растения, a – интенсивность фотосинтеза, S – фотосинтезирующая поверхность, T – время фотосинтеза, произведение aST – продуктивность фотосинтеза, b – интенсивность дыхания; S₁ – поверхность клеток, осуществляющих дыхание, T₁ – время дыхания. Надо учитывать, что фотосинтез осуществляется лишь в зелёных клетках, тогда как процесс дыхания идёт во всех клетках без исключения. Время, в течение которого осуществляется фотосинтез, также меньше времени дыхания. В связи с этим, чтобы сухое вещество накапливалось, интенсивность фотосинтеза должна примерно в 10 раз быть выше интенсивности дыхания. Связь между фотосинтезом и урожаем растений подробно освещена в работах А.А.Ничипоровича. Согласно ему, биологический урожай равен сумме приростов сухой массы за каждые сутки вегетационного периода: У_биол = C₁ + C₂ + ... + C_n, где C – прирост сухой массы (кг/га) за сутки, n – число суток. Прирост сухой массы в г/(м² · сут.) составляет C = (Ф_co2 · К_эф · Л)/1000, где Ф_co2 – интенсивность фотосинтеза (в граммах CO₂ за сутки на 1 м² листовой поверхности); К_эф – коэффициент, позволяющий перейти от количества усвоенного CO₂ к величине накопленного сухого вещества; Л – площадь листьев.

Чтобы перейти от массы усвоенного углекислого газа к сухому веществу, необходимо ввести коэффициент 0,64 (1 г усвоенного CO₂ соответствует 0,64 г углеводов). Однако не всё образовавшееся сухое вещество накапливается. Частично оно расходуется в процессе дыхания, теряется при опадении отдельных органов, а также при экзосмосе, – эти потери составляют 25–30%. Вместе с тем определённое количество веществ поступает через корневую систему (5–10% от общей массы растения). В итоге можно считать К_эф = 0,5.

Следовательно, общее накопление сухой массы растений зависит от интенсивности фотосинтеза, коэффициента эффективности (куда входит трата на процесс дыхания), размера листовой пластины и суммы дней вегетационного периода.

Как видно из приведённых уравнений, накопление сухой массы зависит не только от площади листьев, но и от интенсивности фотосинтеза. Расчёты показывают, что интенсивность фотосинтеза может достигать 100 мг CO₂/(дм² · ч), а обычно составляет 10–15 мг CO₂/(дм² · ч). Необходимо учесть, что в агрономической практике важен не столько биологический, сколько хозяйственный урожай. Хозяйственный урожай – это доля полезного продукта, ради которой возделывают данное растение (зерно, корнеплоды, волокно и т.д.): У_хоз = У_биол · К_хоз. Коэффициент К_хоз может колебаться от 50% для сахарной свёклы до 1% для волокна хлопчатника, а также значительно изменяться и для одного и того же растения.

В большей степени биологический, а следовательно, и хозяйственный урожай зависят от площади листьев. Необходимо добиваться быстрого развития листовой поверхности в начале вегетационного периода. Однако при чрезмерном развитии листьев они затеняют друг друга, их работоспособность уменьшается. Могут быть даже случаи, когда листья из снабжающих органов становится потребляющими. Вместе с тем лист – это не только орган фотосинтеза, но и орган транспирации. Следовательно, чем больше площадь листьев, тем больше растение теряет воды в процессе испарения.

КПД фотосинтеза в естественных условиях ничтожно мал. Для его повышения очень важно уменьшать затраты солнечной энергии на транспирацию. В частности, это может быть достигнуто улучшением условий корневого питания.

Наконец, для получения наибольшего хозяйственного урожая большое значение имеет повышение К_хоз, иначе говоря, увеличение доли полезного продукта в урожае. Это может быть достигнуто прежде всего путём изменения направления оттока ассимилянтов из листьев и связанной с этим различной скоростью роста отдельных органов. В этом отношении существенную роль должно сыграть умелое применение регуляторов роста – фитогормонов. Важно также, чтобы в конце вегетационного периода питательные вещества как можно полнее использовались на формирование хозяйственно ценных органов. В связи с этим могут быть полезны все приёмы, которые усиливают отток ассимилянтов и даже отмирание листа в конце вегетационного периода

Наконец, большую роль играет селекционный отбор растений. В настоящее время показана возможность отбора сортов сельскохозяйственных растений, характеризующихся более высокой интенсивностью как световых, так и темновых реакций.

Подводя итоги, можно сказать, что, отмечая важность фотосинтеза в продукционном процессе, необходимо учитывать его связь с процессами роста, развития, дыхания, водного и минерального питания.

Литература:

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3 томах. Пер. с англ. /Под ред. Р.Сопера – 2-е издание. – М: Мир , 1996.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ООО ЮКЭА, 1997.

Практикум по физиологии растений: Под ред. Н.Н.Третьякова. – М.: Колос, 1982.

Якушкина Н.Н., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений: Учеб. для студентов вузов. – М: Владос, 2005.

 

Евдокия Панкратова получила аттестат с отличием по окончании основной школы, сейчас учится в 10-м классе естественно-математического профиля. Участвовала в прошлом учебном году в пяти олимпиадах и на четырёх заняла 1-е место, а на одной – 2-е. В нынешнем учебном году из пяти олимпиад выиграла четыре, на одной заняла 3-е место. Стипендиат Главы г. Лобни за 2007 г. Собирается поступать в медицинский институт.