Понятие об углеродном питании растений

Глава 5. Питание растении углеродом (фотосинтез)

Анализ органического вещества показывает, что оно состоит на 45% из углерода. Именно поэтому вопрос об источнике питания орга­низмов углеродом чрезвычайно важен. Все организмы можно раз­делить на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Гетеротрофные организмы строят ор­ганическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органи­ческих соединений, только перестраивая их. Иначе говоря, гетеро­трофные организмы живут за счет автотрофных. Для того чтобы осу­ществить синтез органического вещества, необходима энергия. В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ.

Из всех перечисленных типов питания углеродом фотосинтез, при котором построение органических соединений идет за счет простых неорганических веществ (СО₂ и Н₂О) с использованием энергии сол­нечного света, занимает совершенно особое место. Фотосинтез харак­терен для всех зеленых растений.

Общее уравнение фотосинтеза:

Фотосинтез — это процесс, при котором энергия солнечного света превращается в химическую энергию. В самом общем виде это можно представить следующим образом: квант света (hv) поглощается хло­рофиллом, молекула которого переходит в возбужденное состояние, при этом электрон переходит на более высокий энергетический уро­вень. В клетках зеленых растений в процессе эволюции выработался механизм, при котором энергия электрона, возвращающегося на ос­новной энергетический уровень, превращается в химическую энер­гию. Только с помощью зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде энергии химических связей. Таким образом, органические вещества, которыми питаются животные и человек, первоначально создаются в зеленом листе. Большая часть той энер­гии, которая используется человеком на заводах и фабриках, т. е. энергия, благодаря которой происходит движение различных меха­низмов, машин и самолетов,— это все энергия. Солнца, преобразован­ная в зеленом листе. Исследования показали, что весь кислород ат­мосферы фотосинтетического происхождения. Следовательно, процес­сы дыхания и горения стали возможны только после того, как возник фотосинтез. Все это и позволяет говорить о космическом значении фотосинтеза. Чтобы лучше представить себе масштабы процесса фо­тосинтеза, приведем несколько цифр. Ежегодно в процессе фотосинтеза растениями суши образуется 3,1 -10 10 т органического вещества, в том числе на долю лесов приходится 2,04-10 10 т, лугов, степей—0,3- 10’° т, пустынь — 0,11 — 10 10 т, культурных полей — 0,56-10 10 т. Если учесть продукцию органического вещества растений планктона, циф­ры значительно возрастут и достигнут величины примерно 5,8-10 10 т в год. Энергия, накапливаемая в процессе фотосинтеза за один год, приблизительно в 100 раз больше энергии сгорания всего добываемо­го в мире за этот же период угля.

Казалось бы, что при таком колоссальном годовом потреблении углерода весь С0₂ воздуха должен быть израсходован в течение не­многих лет. Однако содержание С0₂ в атмосфере непрерывно попол­няется за счет растворенных в воде карбонатов и бикарбонатов. Кро­ме того, углекислый газ выделяется из почвы в результате различных микробиологических процессов, связанных с окислением органиче­ских веществ (до 25—30 кг С0₂ на 1 га в сутки). Фотосинтез имеет важнейшее значение и в жизни самого растительного организма. В период наиболее активного роста растений суточные приросты сухого вещества достигают 300 и даже 500 кг/га. При этом в течение суток растение усваивает 1 — 2 кг N, 0,1—0,2 кг Р, 0,8—1,7 кг К и.до 1000 кг СО₂.

Учитывая значение процесса фотосинтеза, раскрытие его механиз­ма является одной из наиболее важных и интересных задач, стоящих перед физиологией растений.

Источник

Типы углеродного питания растений

1.Гетеротрофы – используют органические источники углерода, так как не способны синтезировать их сами.

2.Автотрофы – используют углекислый газ, энергию химических связей неорганических веществ, энергию солнца для синтеза органических соединений.

Автотрофный способ питания включает в себя:

1.Фоторедукция – восстановление углекислого газа с поглощением лучистой энергии, но без выделения кислорода. Фотосинтез у зеленых и серобактерий бактерий осуществляется по типу фоторедукции. Эти реакции происходят с поглощением лучистой энергии пигментом бактериохлорофиллом. Источником водорода для восстановления углекислого газа является сероводород, углеводы, карбоновые и жирные кислоты.

2.Хемосинтез – усвоение углекислого газа с образованием органических веществ за счет энергии процессов окисления. Хемосинтез характерен для нитрифицирующих бактерий — сначала происходит окисление аммиака до азотистой кислоты бактериями, затем ее окисление до азотной. Обе реакции сопровождаются высвобождением энергии, которая используется для восстановления углекислого газа воздуха до органических соединений. Свет при этом не нужен. Хемосинтез в природе встречается реже, чем фотосинтез.

3.Фотосинтез – восстановление углекислого газа до органических веществ с помощью энергии солнца и воды с выделением кислорода. Характерен для большинства растений на земле (высших и низших).

Фотосинтез – это процесс трансформации поглощенной организмом энергии света в химическую энергию органических и неорганических соединений. Это использование энергии света для восстановления углекислого газа до уровня углеводов с выделением кислорода. Общее уравнение фотосинтеза:

6СО2 + 6Н2О —— С6Н12О6 + 12О2

Источник

5. Понятие об углеродном питании растений. Физиологическая сущность углеродного питания

Из всех перечисленных типов питания углеродом фотосинтез зеленых растений, при котором построение органических соединений идет за счет простых неорганических веществ (С0₂ и Н₂0) с использованием энергии солнечного света, занимает совершенно особое место. Общее уравнение фотосинтеза:

Фотосинтез — это процесс, при котором энергия солнечного света превращается в химическую энергию. В самом общем виде это можно представить следующим образом: квант света (hv) поглощается хлорофиллом, молекула которого переходит в возбужденное состояние, при этом электрон переходит на более высокий энергетический уровень. В клетках зеленых растений в процессе эволюции выработался механизм, при котором энергия электрона, возвращающегося на основной энергетический уровень, превращается в химическую энергию. Только с помощью зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде энергии химических связей. Большая часть энергии, используемой человеком на заводах и фабриках, т.е. энергия, благодаря которой происходит движение различных механизмов, машин и самолетов, — это все энергия Солнца, преобразованная в зеленом листе. Запасание энергии в результате фотосинтеза происходит на различные промежутки времени: от минут, часов до сотен миллионов лет (достаточно вспомнить образование торфа и каменного угля в результате разложения растений).

В процессе фотосинтеза из простых неорганических соединений (С0₂, Н₂0) строятся различные органические вещества. В результате происходит перестройка химических связей: вместо связей С-О и Н-О возникают связи С-С и С-Н, в которых электроны занимают более высокий энергетический уровень. Таким образом, богатые энергией органические вещества, которыми питаются и за счет которых получают энергию (в процессе дыхания) животные и человек, первоначально создаются в зеленом листе. Можно сказать, что практически вся живая материя на Земле является результатом фотосинтетической деятельности.

Физический смысл фотосинтеза состоит в том, что в этом процессе происходит электронная перестройка молекул. В целом фотосинтез — окислительно-восстановительный процесс, в ходе которого электроны от воды (редокс-потенциал Н₂О/О₂ Е = +0,81 В) переносятся к пиридиннуклеотидам (редокс-потенциал НАДФ+/НАДФН Е = — 0,32 В), где электроны находятся на более высоком энергетическом уровне. Перенос электрона идет против термодинамического потенциала и требует энергии. Разность окислительно-восстановительных потенциалов окисления воды и восстановления НАДФ+ равна 1,2 В. Следовательно, для переноса одного электрона термодинамически «вверх» (против термодинамического потенциала) необходимо затратить 1,2 эВ энергии. В итоге электронной перестройки компонентов и образования восстановленных соединений (НАДФН) накапливаются электроны с высоким энергетическим потенциалом. Таким образом, в световых реакциях фотосинтеза при поглощении энергии фотонов создается мощный восходящий поток электронов против градиента термодинамического потенциала. В результате создается большой фонд богатых энергией электронов с запасом энергии 1,5-2 эВ. Эта редокс-энергия в процессах фотосинтетического и окислительного фосфорилирования преобразуется в другие виды химической энергии (электрохимический потенциал, энергия фосфатных связей АТФ). Соединения, образующиеся в результате работы ЭТЦ, имеют высокий восстановительный потенциал (-0,43 В, — 0,6 В). создание мощного восстановительного потенциала в фотосинтезе имеет решающее значение для осуществления важнейших метаболических процессов (прежде всего — восстановление СО2). Образующийся восстановительный потенциал используется также для восстановления нитрита, сульфита и ряда соединений, участвующих в регуляции ферментов углеродного цикла.

Источник