Роль зеленых растений при фотосинтезе

47. Космическая роль зеленых растений. Потенциальная продуктивность растений. Кпд фотосинтеза различных растений.

Действительно, фотосинтез — единственный процесс на Зем­ле, идущий в грандиозных масштабах и связанный с превраще­нием энергии солнечного света в энергию химических свя­зей. Эта космическая энергия, запасенная зелеными растениями, составляет основу для жизнедеятельности всех других гетеро­трофных организмов на Земле от бактерий до человека. Вы­деляют пять аспектов космической и планетарной роли расте­ний.

1. Накопление органической массы. В процес­се фотосинтеза наземные растения образуют 100—172 млрд. т, а растения морей и океанов — 60 — 70 млрд. т биомассы в год (в пересчете на сухое вещество). Общая масса растений на Земле в настоящее время составляет 2402,7 млрд. т, причем 90% этой сухой массы приходится на целлюлозу.

За время существования жизни на Земле органические ос­татки растений и животных накапливались и модифицирова­лись. На суше эти органические вещества представлены в виде подстилки, гумуса и торфа, из которых при определенных условиях в толще литосферы формировался уголь. В морях и океанах органические остатки оседали на дно и входили в состав осадоч­ных пород. При опускании в более глубокие области литосферы из этих остатков под действием микроорганизмов, повы­шенных температур и давления образовывались газ и нефть. Запасы древесины, а в последние 200 лет угля, нефти и газа используются человеком для получения энергии, необходи­мой в быту, промышленности и сельском хозяйстве.

2. Обеспечение постоянства содержания СО2 в атмосфере. Образование органических веществ гумуса, осадочных пород и горючих ископаемых выводило значи­тельные количества СО2 из круговорота углерода. В атмосфере Земли СО2 становилось все меньше и в настоящее время он составляет только 0,03% (по объему), или (в абсолютных значениях) 711 млрд. т в пересчете на углерод. Ежегодное поступление СО2 в атмосферу в пересчете на углерод (в млрд. т) обусловлено: дыханием расте­ний — 10, дыханием и брожением микроорганизмов — 25, дыха­нием животных и человека — 1,6, производственной деятель­ностью людей — 5, геохимическими процессами — 0,05. При отсутствии этого поступления весь СО2 атмосферы был бы свя­зан в ходе фотосинтеза за 6 — 7 лет. Мощным резервом диоксида углерода является Мировой океан, в водах которого растворено в 60 раз больше С02, чем находится в атмосфе­ре. Однако за последние десятилетия из-за все более возрастаю­щего сжигания человеком горючих ископаемых, а также из-за вырубки лесов и разложения гумуса содержание СО2 в атмосфере начало увеличиваться примерно на 0,23% в год.

3. Парниковый эффект. Поверхность Земли полу­чает теплоту главным образом от Солнца. Часть этой теплоты поступает обратно в космос в виде инфракрас­ных лучей. Диоксид углерода в атмосфере, а также вода поглощают инфракрасное излучение и таким образом сохраняют значительное количество теплоты на Земле (парниковый эффект). Микроорганизмы и растения в про­цессе дыхания или брожения поставляют 85 % обще­го количества СО2, поступающего ежегодно в атмосфе­ру, и вследствие этого оказывают влияние на тепловой режим нашей планеты.

4. Накопление кислорода в атмосфере. Первоначально в атмосфере Земли О2 присутствовал в следовых количествах. В настоящее время он составляет 21 % по объему воздуха. Появление и накопление О2 в атмосфере связано с жизнедеятельностью зеленых растений. Ежегодно в ходе фо­тосинтеза кислород поступает в атмосферу в количестве 70—120 млрд. т. Этот кислород необходим для дыхания всех гетеротрофов — бактерий, грибов, животных и человека, а также зеленых растений в ночное время.Особое значение в поддержании высокой концентрации О2 в атмосфере имеют леса. Подсчитано, что 1 га леса весной и летом за час выделяет О2 в количестве, достаточном для дыхания 200 человек.

5.Озоновый экран. Еще одно важнейшее следствие вьщеления растениями кислорода — образование озонового эк­рана в верхних слоях атмосферы на высоте около 25 км. Озон образуется в результате фотодиссоциации моле­кул О2 под действием солнечной радиации. Озон задерживает большую часть ультрафиолетовых лучей (240 — 290 нм), гу­бительно действующих на все живое.

Из всего солнечного излучения в жизнедеятельности расте­ния наиболее важную роль играет видимое излучение с длиной волны около 380 — 710 нм, которое и называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР). Количество ФАР, поглощенной посевом, растительным по­кровом, определяют по формуле, Дж/см2 в 1 мин: П=Q— R—Tn+Rn, где П — поглощенная посевом радиация; Q — суммарная радиация, падаю­щая на посев; R — радиация, отраженная от посева и вышедшая за преде­лы его верхней границы; Tn — радиация, проникшая к почве; Rn — радиация,, отраженная от почвы под растительностью.

Эффективность фотосинтеза можно характеризовать коэффи­циентом полезного действия (КПД), который определяют по формуле Е % ( КПД) =В*100/А, где А — количество энергии, поступившей за период вегетации на 1 га по­сева, или энергии, которая была поглощена посевом, кДж; В — количество энергии, накопившейся в органической массе урожая (биологического или хозяйственного), кДж.

В среднем КПД фотосинтеза сельскохозяйственных растений составляет 0,5 — 1%, а теоретически возможный — 4 — 6%. Мак­симальный показатель использования энергии ФАР посевами и насаждениями обусловливается способностью поглощать не менее 60% энергии света, поступающего к ним. на протяжении вегетации. Из этого количества на фотосинтез идет 10%, на ды­хание расходуется около 20% энергии, усваивающейся в про­цессе фотосинтеза, или Е% (КПД) = 60*(10/100)*(80/100)=4.8%

Структурой посевов называется создаваемая архитектоника (построение) сообщества растений, которое ха­рактеризуется определенными морфологическими признаками я физиологическими функциями, а оптимальная структура — это такой посев, который имеет высокий КПД фотосинтеза и обес­печивает максимальный биологический и хозяйственный урожай.

Фотосинтез в естественных услови­ях — процесс очень изменчивый, и по основным его показате­лям — интенсивности (мг СО2 на 1 дм2 в 1 ч) и чистой продук­тивности (г/м2 в сутки) — наблюдается большая вариабель­ность. Чистую продуктивность фотосинтеза (Фч.пр.), которая характеризует интенсивность образования и на­копления органической массы урожая, определяют по формуле, г/м2: Фч.пр.=(В2-В1)/(Л1+Л2)*1/2n,

где В1и В2—масса сухого вещества пробы урожая в начале и конце учет­ного периода; В2—В1 —прирост сухой массы за учетный период (n дней); Л1 и Л2 — площадь листьев пробы в начале и .конце периода; (Л1+Л2)1/2п — средняя площадь листьев за указанный отрезок времени; n — число дней в учетном периоде.

Источник

7. Значение фотосинтеза. Планетарная роль зелёных растений

Фотосинтез — важнейший процесс превращения энергии Солнца в энергию органических соединений, необходимых для существования всех живых организмов, населяющих нашу планету.

Известный русский учёный К. А. Тимирязев утверждал, что растения выполняют на Земле космическую роль . Он писал:

Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического.

Все живые организмы на Земле живут за счёт той солнечной энергии, которая получена растениями и законсервирована в процессе фотосинтеза в углеводах и других органических веществах. Углеводы — важный продукт фотосинтеза.

У многих растений углеводы запасаются в органах в виде крахмала: в корнях, видоизменённых побегах (луковицах, клубнях, корневищах), в семенах, а также в виде сахаров (в ягодах, сочных плодах, корнеплодах сахарной свёклы, стеблях сахарного тростника). Именно углеводы используются клетками всех живых организмов в качестве основного источника энергии для жизни.

Часть поглощённой растениями энергии не расходуется и накапливается в органических веществах, входящих в состав древесины, торфа, нефти, угля, природного газа. Поэтому органические вещества — отличный энергоноситель. Люди используют их для получения тепла, которое выделяется при сгорании топлива.

В воздухе углекислого газа содержится около \(0,03\) % по объёму. Эта величина не изменяется много тысячелетий, хотя огромное количество живых существ постоянно выделяет углекислый газ при дыхании. Очень много этого газа образуется при гниении органических остатков, а также при сжигании топлива для обогрева помещений и в двигателях автомобилей. В воздух попадает углекислый газ при лесных пожарах и извержениях вулканов.

Углекислый газ поглощают и используют в фотосинтезе зелёные растения, поддерживая его содержание в воздухе на постоянном уровне.

Пока на Земле не было растений, в её атмосфере отсутствовал кислород. Современный газовый состав атмосферы сформировался благодаря процессу фотосинтеза. Сейчас в воздухе содержится \(21\) % кислорода и все живые организмы имеют возможность дышать им.

Из кислорода на высоте около \(20\) км над Землёй под влиянием солнечных лучей образуется газ озон . Слой озона окружает Землю и создаёт озоновый экран , который поглощает ультрафиолетовые лучи, опасные для всех живых организмов. Озоновый экран создаёт условия для жизни на поверхности суши.

Созданные растениями органические вещества используются другими живыми организмами (животными, грибами, бактериями). Продукты их жизнедеятельности, а также остатки этих организмов попадают в верхний слой земли, разлагаются там бактериями и создают очень важное природное образование — почву.

Почва — это продукт взаимодействия живых организмов с объектами неживой природы. Для образования почвы необходимы органические вещества, источником которых могут быть только живые организмы.

Фотосинтез — важнейший процесс на нашей планете. Он выполняет космическую функцию, запасая в зелёных растениях огромное количество энергии и поставляя в атмосферу кислород.

Источник