Fotosintēzes intensitāte

Augu fizioloģijā tiek izmantoti divi jēdzieni: patiesā un novērotā fotosintēze. Tas ir saistīts ar šādiem apsvērumiem. Fotosintēzes ātrumu vai intensitāti raksturo CO 2 daudzums, ko laika vienībā absorbē lapas virsmas vienība. Fotosintēzes intensitātes noteikšana tiek veikta ar gazometrisko metodi, mainot (samazinot) CO 2 daudzumu slēgtā kamerā ar lapu. Taču līdz ar fotosintēzi notiek arī elpošanas process, kura laikā izdalās CO 2. Tāpēc iegūtie rezultāti sniedz priekšstatu par novērotās fotosintēzes intensitāti. Lai iegūtu patiesas fotosintēzes vērtību, ir jāveic elpošanas korekcija. Tāpēc pirms eksperimenta tumsā tiek noteikta elpošanas intensitāte un pēc tam novērotās fotosintēzes intensitāte. Tad CO 2 daudzums, kas izdalās elpošanas laikā, tiek pievienots CO 2 daudzumam, kas absorbēts gaismā. Ieviešot šo grozījumu, ņemiet vērā, ka elpošanas intensitāte gaismā un tumsā ir vienāda. Taču šīs korekcijas nevar dot aplēsi par patieso fotosintēzi, jo, pirmkārt, lapai kļūstot tumšākai, tiek izslēgta ne tikai patiesā fotosintēze, bet arī fotoelpošana; otrkārt, tā sauktā tumšā elpošana faktiski ir atkarīga no gaismas (skatīt zemāk).

Tāpēc visos eksperimentālajos darbos par lapas fotosintēzes gāzu apmaiņu priekšroka tiek dota datiem par novēroto fotosintēzi. Precīzāka metode fotosintēzes intensitātes pētīšanai ir iezīmēto atomu metode (mēra absorbētā 14 CO 2 daudzumu).

Gadījumā, ja ir grūti pārrēķināt absorbētā CO 2 daudzumu uz virsmas vienību (skuju koki, sēklas, augļi, stublājs), iegūtie dati attiecas uz masas vienību. Ņemot vērā, ka fotosintēzes koeficients (izdalītā skābekļa tilpuma attiecība pret absorbētā CO 2 tilpumu vienāds ar vienu, novērotās fotosintēzes ātrumu var novērtēt pēc skābekļa mililitru skaita, ko 1 stundas laikā izdala lapas laukuma vienība.

Fotosintēzes raksturošanai tiek izmantoti arī citi rādītāji: kvantu patēriņš, fotosintēzes kvantu iznākums, asimilācijas skaitlis.

Kvantu patēriņš ir absorbēto kvantu skaita attiecība pret asimilēto CO 2 molekulu skaitu. Abpusējs ir nosaukts kvantu raža.

Asimilācijas numurs- šī ir attiecība starp CO 2 daudzumu un hlorofila daudzumu, kas atrodas lapā.

Ātrums (intensitāte) fotosintēze ir viens no svarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē lauksaimniecības kultūru produktivitāti un līdz ar to arī ražu. Tāpēc, noskaidrojot faktorus, no kuriem ir atkarīga fotosintēze, vajadzētu uzlabot agrotehniskos pasākumus.

Teorētiski fotosintēzes ātrums, tāpat kā jebkura daudzpakāpju bioķīmiskā procesa ātrums, jāierobežo ar lēnākās reakcijas ātrumu. Tā, piemēram, fotosintēzes tumšajām reakcijām ir nepieciešams NADPH un ATP, tāpēc tumšās reakcijas ir atkarīgas no gaismas reakcijām. Vājā apgaismojumā šo vielu veidošanās ātrums ir pārāk zems, lai to nodrošinātu maksimālais ātrums tumšas reakcijas, tāpēc gaisma būs ierobežojošais faktors.

Ierobežojošo faktoru principu var formulēt šādi: ar vairāku faktoru vienlaicīgu ietekmi ķīmiskā procesa ātrumu ierobežo faktors, kas ir vistuvāk minimālajam līmenim (šī faktora izmaiņas tieši ietekmēs šo procesu).

Šo principu pirmo reizi noteica F. Blekmens 1915. gadā. Kopš tā laika ir vairākkārt pierādīts, ka dažādi faktori, piemēram, CO 2 koncentrācija un apgaismojums, var savstarpēji mijiedarboties un ierobežot procesu, lai gan bieži vien viens no tiem joprojām dominē. Galvenais ir apgaismojums, CO 2 koncentrācija un temperatūra ārējie faktori kas ietekmē fotosintēzes ātrumu. Taču liela nozīme ir arī ūdens režīmam, minerālbarībai u.c.

Gaisma. Novērtējot gaismas ietekmi uz konkrēto procesu, ir svarīgi nošķirt tās intensitātes, kvalitātes (spektrālā sastāva) un gaismas iedarbības laika ietekmi.

Vāja apgaismojumā fotosintēzes ātrums ir proporcionāls gaismas intensitātei. Pamazām ierobežo citi faktori, un ātruma pieaugums palēninās. Skaidrā vasaras dienā apgaismojums ir aptuveni 100 000 luksi, un pietiek ar 10 000 luksi, lai piesātinātu fotosintēzi ar gaismu. Tāpēc gaisma parasti var būt svarīgs ierobežojošs faktors ēnojuma apstākļos. Pie ļoti augstas gaismas intensitātes dažkārt sākas hlorofila krāsas maiņa, kas palēnina fotosintēzi; tomēr dabā augi, kas pakļauti šādiem apstākļiem, parasti no tā tiek aizsargāti tā vai citādi (bieza kutikula, nokarenas lapas utt.).

Fotosintēzes intensitātes atkarību no apgaismojuma raksturo līkne, ko sauc par fotosintēzes gaismas līkni (2.26. att.).

Rīsi. 2.26. Fotosintēzes intensitātes atkarība no apgaismojuma (fotosintēzes gaismas līkne): 1 ir CO2 izdalīšanās ātrums tumsā (elpošanas ātrums); 2 – fotosintēzes kompensācijas punkts; 3 – gaismas piesātinājuma pozīcija

Vājā apgaismojumā elpošanas laikā izdalās vairāk CO 2, nekā tas ir saistīts fotosintēzes laikā, tāpēc gaismas līknes sākums ar abscisu asi ir kompensācijas punkts fotosintēze, kas liecina, ka šajā gadījumā fotosintēze izmanto tieši tik daudz CO 2, cik tas izdalās elpošanas laikā. Citiem vārdiem sakot, laika gaitā pienāk brīdis, kad fotosintēze un elpošana precīzi līdzsvaros viens otru, tādējādi apstāsies redzamā skābekļa un CO 2 apmaiņa. Gaismas kompensācijas punkts ir gaismas intensitāte, pie kuras kopējā gāzes apmaiņa ir nulle.

Gaismas līknes nav vienādas visiem augiem. Augi, kas aug ārā saulainas vietas, CO 2 absorbcija palielinās, līdz gaismas intensitāte ir vienāda ar kopējo saules apgaismojumu. Augos, kas aug ēnainās vietās (piemēram, oksālis), CO 2 uzņemšana palielinās tikai pie zemas gaismas intensitātes.

Visus augus attiecībā pret gaismas intensitāti iedala gaismā un ēnā jeb gaismu mīlošajos un ēnu izturīgos. Lielākā daļa lauksaimniecības augu ir fotofīli.

Plkst ēnā izturīgi augi, pirmkārt, gaismas piesātinājums notiek pie vājāka apgaismojuma, otrkārt, tajos fotosintēzes kompensācijas punkts notiek agrāk, t.i., pie mazāka apgaismojuma (2.27. att.).

Pēdējais ir saistīts ar faktu, ka ēnā izturīgiem augiem ir raksturīga zema elpošanas intensitāte. Vāja apgaismojuma apstākļos fotosintēzes intensitāte ir augstāka ēnā izturīgos augos, bet spēcīgā gaismā, gluži pretēji, fotofilos augos.

Arī gaismas intensitāte ietekmē ķīmiskais sastāvs fotosintēzes galaprodukti. Jo lielāks apgaismojums, jo vairāk veidojas ogļhidrāti; vājā apgaismojumā - vairāk organisko skābju.

Eksperimenti laboratorijas apstākļos ir parādījuši, ka fotosintēzes produktu kvalitāti ietekmē arī asa pāreja "tumsa - gaisma" un otrādi. Sākumā pēc augstas intensitātes gaismas ieslēgšanas NADPH un ATP trūkuma dēļ pārsvarā veidojas produkti, kas nav ogļhidrāti, un tikai pēc kāda laika sāk veidoties ogļhidrāti. Un otrādi, pēc gaismas izslēgšanas lapas uzreiz nezaudē fotosintēzes spēju, jo vairākas minūtes šūnās saglabājas ATP un NADP krājumi.

Pēc gaismas izslēgšanas vispirms tiek kavēta ogļhidrātu un tikai pēc tam organisko vielu un aminoskābju sintēze. Galvenais šīs parādības iemesls ir fakts, ka FHA pārvēršanās par PHA (un caur to ogļhidrātos) kavēšana notiek agrāk nekā FHA inhibīcija par PEP (un caur to alanīnā, malātā un aspartātā).

Fotosintēzes veidošanās produktu attiecību ietekmē arī gaismas spektrālais sastāvs. Zilās gaismas ietekmē augos palielinās malāta, aspartāta un citu aminoskābju un olbaltumvielu sintēze. Šī reakcija uz zilo gaismu tika konstatēta gan C3 augos, gan C4 augos.

Gaismas spektrālais sastāvs ietekmē arī fotosintēzes intensitāti (2.28. att.). Rīsi. 2.28. Fotosintēzes darbības spektrs kviešu lapās

Darbības spektrs ir gaismas ķīmiskās (bioloģiskās) darbības efektivitātes atkarība no tās viļņa garuma. Fotosintēzes intensitāte dažādās spektra daļās nav vienāda. Maksimālā intensitāte tiek novērota, kad augi tiek apgaismoti ar tiem stariem, kurus maksimāli absorbē hlorofili un citi pigmenti. Sarkanajos staros fotosintēzes intensitāte ir vislielākā, jo tā ir proporcionāla nevis enerģijas daudzumam, bet kvantu skaitam.

No kopējā fotosintēzes vienādojuma:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

no tā izriet, ka 1 mola glikozes veidošanai ir nepieciešami 686 kcal; tas nozīmē, ka 686: 6 = 114 kcal ir nepieciešams, lai asimilētu 1 molu CO 2. Sarkanās gaismas 1 kvanta (700 nm) enerģijas rezerve ir 41 kcal uz enšteinu, bet zilā (400 nm) 65 kcal uz enšteinu. Minimālais kvantu patēriņš, kad tiek izgaismots ar sarkanu gaismu, ir 114:41 ≈ 3, bet patiesībā tiek iztērēti 8–10 kvanti. Tādējādi sarkanās gaismas izmantošanas efektivitāte ir 114/41 8 = 34%, bet zilā 114/65 8 = 22%.

CO 2 koncentrācija. Tumšām reakcijām ir nepieciešams oglekļa dioksīds, kas ir iekļauts organiskie savienojumi. Normālos lauka apstākļos tieši CO 2 ir galvenais ierobežojošais faktors. CO 2 koncentrācija atmosfērā ir 0,045%, bet, to palielinot, var palielināt fotosintēzes ātrumu. Pie īslaicīgas iedarbības optimālā CO 2 koncentrācija ir 0,5%, savukārt ar ilgstošu iedarbību ir iespējami augu bojājumi, tāpēc optimālā koncentrācija šajā gadījumā ir mazāka - aptuveni 0,1%. Jau tagad dažas siltumnīcas kultūras, piemēram, tomātus, ir sāktas audzēt atmosfērā, kas bagātināta ar CO 2 .

Pašlaik lielu interesi rada augu grupa, kas daudz efektīvāk absorbē CO 2 no atmosfēras un tādējādi dod lielāku ražu, tā sauktie C 4 augi.

IN mākslīgie apstākļi fotosintēzes atkarība no CO 2 koncentrācijas aprakstīta oglekļa dioksīda līknē, kas līdzinās fotosintēzes gaismas līknei (2.29. att.).

Ja CO 2 koncentrācija ir 0,01%, fotosintēzes ātrums ir vienāds ar elpošanas ātrumu (kompensācijas punkts). Oglekļa dioksīda piesātinājums notiek pie 0,2–0,3% CO 2, un atsevišķos augos pat šajās koncentrācijās tiek novērots neliels fotosintēzes pieaugums.

Rīsi. 2.29. Priežu skuju fotosintēzes intensitātes atkarība no CO 2 koncentrācijas gaisā

Dabiskos apstākļos fotosintēzes atkarību no CO 2 koncentrācijas raksturo tikai līknes lineārā daļa. No tā izriet, ka augu nodrošināšana ar CO 2 dabiskos apstākļos ir ražu ierobežojošs faktors. Tāpēc iekštelpās vēlams audzēt augus ar augstu CO 2 saturu.

Temperatūra ir jūtama ietekme uz fotosintēzes procesu, jo fotosintēzes tumšās un daļēji gaišās reakcijas kontrolē fermenti. Mērenā klimata joslā augiem optimālā temperatūra parasti ir aptuveni 25°C.

CO 2 uzņemšana un reģenerācija visos augos palielinās, palielinoties temperatūrai, līdz tiek sasniegts kāds optimālais līmenis. Lielākajā daļā mērenās joslas augu fotosintēzes intensitātes samazināšanās sākas pēc 30 ° C, dažos dienvidu sugas pēc 40 o C. Lielā karstumā (50-60 o C), kad sākas enzīmu inaktivācija, un tiek traucēta dažādu reakciju koordinācija, fotosintēze ātri apstājas. Paaugstinoties temperatūrai, elpošanas ātrums palielinās daudz ātrāk nekā dabiskās fotosintēzes ātrums. Tas ietekmē novērotās fotosintēzes apjomu. Novērotās fotosintēzes intensitātes atkarību no temperatūras raksturo temperatūras līkne, kurā tiek izdalīti trīs galvenie punkti: minimums, optimālais un maksimums.

Minimālā ir temperatūra, pie kuras sākas fotosintēze, optimālā ir temperatūra, kurā fotosintēze ir visstabilākā un sasniedz lielāko ātrumu, maksimums ir temperatūra, pēc kuras fotosintēze apstājas (2.30. att.).

Rīsi. 2.30. Fotosintēzes intensitātes atkarība no lapas temperatūras: 1 - kokvilna; 2 – saulespuķes; 3 - sorgo

Skābekļa ietekme. Pirms vairāk nekā pusgadsimta tika atzīmēta šķietami paradoksāla parādība. Gaisa skābeklis, kas ir fotosintēzes produkts, arī ir tā inhibitors: skābekļa izdalīšanās un CO 2 absorbcija samazinās, palielinoties O 2 koncentrācijai gaisā. Šī parādība tika nosaukta tās atklājēja vārdā - Vorburgas efekts. Šis efekts ir raksturīgs visiem C 3 -augiem. Un tikai C 4 -augu lapās to nevarēja noteikt. Tagad ir stingri noteikts, ka Warburg efekta raksturs ir saistīts ar Kalvina cikla galvenā enzīma RDF-karboksilāzes oksigenāzes īpašībām. Ar augstu skābekļa koncentrāciju sākas fotoelpošana. Konstatēts, ka, samazinot O 2 koncentrāciju līdz 2–3%, fosfoglikolāts neveidojas, kā arī izzūd Vorburga efekts. Tādējādi abas šīs parādības, RDF-karboksilāzes oksigenāzes īpašību izpausme un glikolāta veidošanās, kā arī fotosintēzes samazināšanās O2 klātbūtnē ir cieši saistītas viena ar otru.

Ļoti zems O 2 saturs vai pilnīgs trūkums, kā arī koncentrācijas palielināšanās līdz 25–30%, kavē fotosintēzi. Lielākajai daļai augu O 2 dabiskās koncentrācijas neliela samazināšanās (21%) aktivizē fotosintēzi.

Audu mitrināšanas ietekme. Kā jau minēts, ūdens piedalās fotosintēzes gaismas stadijā kā ūdeņraža donors CO2 samazināšanai. Taču fotosintēzi ierobežojošā faktora lomu spēlē nevis minimālais ūdens daudzums (apmēram 1% no ienākošā ūdens), bet gan ūdens, kas ir šūnu membrānu sastāvdaļa un ir visu bioķīmisko reakciju vide, aktivizējas. tumšās fāzes fermenti. Turklāt stomata atvēršanās pakāpe ir atkarīga no ūdens daudzuma aizsargšūnās, un visa auga turgora stāvoklis nosaka lapu atrašanās vietu attiecībā pret saules stariem. Ūdens daudzums netieši ietekmē cietes nogulsnēšanās ātruma izmaiņas hloroplasta stromā un pat izmaiņas tilakoīdu struktūrā un izvietojumā stromā.

Fotosintēzes intensitātes atkarību no ūdens satura augu audos, kā arī atkarību no temperatūras raksturo pārejas līkne, kurai ir trīs galvenie punkti: minimums, optimālais un maksimums.

Ar dehidratāciju mainās ne tikai fotosintēzes intensitāte, bet arī fotosintēzes produktu kvalitatīvais sastāvs: mazāk tiek sintezēts malāts, saharoze, organiskās skābes; vairāk - glikoze, fruktoze alanīns un citas aminoskābes.

Turklāt tika konstatēts, ka ar ūdens trūkumu lapās uzkrājas augšanas inhibitors ABA.

Hlorofila koncentrācija, kā likums, nav ierobežojošs faktors, tomēr hlorofila daudzums var samazināties ar dažādām slimībām (miltrasa, rūsa, vīrusu slimības), minerālvielu trūkumu un ar vecumu (normālas novecošanas laikā). Kad lapas kļūst dzeltenas, tās kļūst hlorotiskas, un pašu parādību sauc par hlorozi. Hlorotiski plankumi uz lapām bieži ir slimības vai minerālvielu trūkuma simptoms.

Hlorozi var izraisīt arī gaismas trūkums, jo gaisma ir nepieciešama hlorofila biosintēzes beigu posmā.

minerālu elementi. Hlorofila sintēzei nepieciešami arī minerālelementi: dzelzs, magnijs un slāpeklis (tā struktūrā ir iekļauti pēdējie divi elementi), tāpēc tie ir īpaši svarīgi fotosintēzei. Svarīgs ir arī kālijs.

Normālai fotosintēzes aparāta darbībai iekārta ir jānodrošina ar nepieciešamo daudzumu(optimālie) minerālu elementi. Magnijs, papildus tam, ka ir daļa no hlorofila, ir iesaistīts proteīnu konjugācijas darbībā ATP sintēzē, ietekmē karboksilēšanas reakciju aktivitāti un NADP + reducēšanu.

Dzelzs reducētā veidā ir nepieciešams hlorofila un hloroplastu dzelzi saturošu savienojumu (citohromu, ferredoksīna) biosintēzes procesos. Dzelzs deficīts traucē ciklisko un neciklisko fotofosforilāciju, pigmentu sintēzi un izmaiņas hloroplastu struktūrā.

Mangāns un hlors piedalās ūdens fotooksidācijā.

Varš ir daļa no plastocianīna.

Slāpekļa deficīts ietekmē ne tikai pigmentu sistēmu un hloroplastu struktūru veidošanos, bet arī RDP karboksilāzes daudzumu un aktivitāti.

Ar fosfora trūkumu tiek traucētas fotosintēzes fotoķīmiskās un tumšās reakcijas.

Kālijam ir daudzfunkcionāla loma fotosintēzes jonu regulēšanā, ar tā deficītu hloroplastos tiek iznīcināta granātas struktūra, stomas vāji atveras gaismā un nepietiekami aizveras tumsā, pasliktinās lapas ūdens režīms, ti, tiek traucēti visi fotosintēzes procesi.

Augu vecums. Tikai pēc fitotronu izveides, kur iespējams audzēt augus kontrolētos apstākļos, izdevās iegūt ticamus rezultātus. Tika konstatēts, ka visos augos tikai pašā sākumā dzīves cikls Kad veidojas fotosintēzes aparāts, fotosintēzes intensitāte palielinās, ļoti ātri sasniedz maksimumu, tad nedaudz samazinās un pēc tam mainās ļoti maz. Piemēram, graudaugos fotosintēze savu maksimālo intensitāti sasniedz dīgšanas fāzē. Tas izskaidrojams ar to, ka lapas maksimālā fotosintētiskā aktivitāte sakrīt ar tās veidošanās perioda beigām. Tad sākas novecošanās un fotosintēze samazinās.

Fotosintēzes intensitāte galvenokārt ir atkarīga no hloroplastu struktūras. Hloroplastiem novecojot, tilakoīdi tiek iznīcināti. Pierādiet to, izmantojot Hila reakciju. Tas kļūst sliktāk, jo vecāki ir hloroplasti. Tādējādi tika parādīts, ka intensitāti nosaka nevis hlorofila daudzums, bet gan hloroplasta struktūra.

IN optimālos apstākļos mitruma un slāpekļa uztura dēļ fotosintēzes samazināšanās ar vecumu notiek lēnāk, jo šādos apstākļos hloroplasti noveco lēnāk.

ģenētiskie faktori. Fotosintēzes procesi zināmā mērā ir atkarīgi no augu organisma iedzimtības. Fotosintēzes intensitāte ir atšķirīga dažādu sistemātisko grupu augos un dzīvības formas. Garšaugos fotosintēzes intensitāte ir augstāka nekā koksnes augiem (2.5. tabula).

Fotosintēzes intensitāte ir atkarīga no vairākiem faktoriem. Pirmkārt, uz gaismas viļņa garuma. Process visefektīvāk notiek spektra zili violetās un sarkanās daļas viļņu ietekmē. Turklāt fotosintēzes ātrumu ietekmē apgaismojuma pakāpe, un līdz noteiktam punktam procesa ātrums palielinās proporcionāli gaismas daudzumam, tad notis vairs nav no tā atkarīga.

Vēl viens faktors ir oglekļa dioksīda koncentrācija. Jo augstāks tas ir, jo intensīvāks ir fotosintēzes process. Normālos apstākļos oglekļa dioksīda trūkums ir galvenais ierobežojošais faktors, jo atmosfēras gaiss satur nelielu procentuālo daļu. Tomēr siltumnīcas apstākļos šo trūkumu var novērst, kas labvēlīgi ietekmēs fotosintēzes ātrumu un augu augšanas ātrumu.

Svarīgs fotosintēzes intensitātes faktors ir temperatūra. Visas fotosintēzes reakcijas katalizē fermenti, kuriem optimālais temperatūras diapazons ir 25-30 ° C. zemas temperatūras fermentu darbības ātrums ir krasi samazināts.

Ūdens - svarīgs faktors kas ietekmē fotosintēzi. Tomēr šo faktoru nav iespējams noteikt, jo ūdens ir iesaistīts daudzos citos vielmaiņas procesos, kas notiek augu šūnā.

Fotosintēzes nozīme. Fotosintēze ir būtisks dzīvās dabas process. Pateicoties viņam, no neorganiskām vielām - oglekļa dioksīda un ūdens - ar enerģijas līdzdalību saules gaisma zaļie augi sintezē organiskās vielas, kas nepieciešamas visas dzīvības dzīvībai uz Zemes. Šo vielu primārā sintēze nodrošina asimilācijas un disimilācijas procesu īstenošanu visos organismos.

Fotosintēzes produktus - organiskās vielas - izmanto organismi:

• veidot šūnas;
• kā enerģijas avots dzīvības procesiem.

Cilvēks izmanto augu radītās vielas:

• kā pārtika (augļi, sēklas utt.);
• kā enerģijas avots (ogles, kūdra, koksne);
• kā būvmateriāls.

Cilvēce ir parādā savu eksistenci fotosintēzei. Visas degvielas uz Zemes ir fotosintēzes produkti. Izmantojot fosilo kurināmo, mēs iegūstam enerģiju, kas uzkrāta seno augu fotosintēzes rezultātā, kas pastāvēja iepriekšējos ģeoloģiskajos laikmetos.

Vienlaikus ar organisko vielu sintēzi Zemes atmosfērā izdalās fotosintēzes blakusprodukts skābeklis, kas nepieciešams organismu elpošanai. Bez skābekļa dzīvība uz mūsu planētas nav iespējama. Tās rezerves pastāvīgi tiek tērētas dabā sastopamajiem sadegšanas, oksidēšanās un elpošanas produktiem. Pēc zinātnieku domām, bez fotosintēzes viss skābekļa krājums tiktu izlietots 3000 gadu laikā. Tāpēc fotosintēzei ir vislielākā nozīme dzīvībai uz Zemes.

Daudzus gadsimtus biologi ir mēģinājuši atklāt zaļās lapas noslēpumu. Ilgu laiku tika uzskatīts, ka augi rada barības vielas no ūdens un minerālvielām. Šī pārliecība ir saistīta ar nīderlandiešu pētnieces Annas van Helmontas eksperimentu, kas veikts tālajā 17. gadsimtā. Viņš iestādīja vītolu vannā, precīzi izmērot auga masu (2,3 kg) un sauso augsni (90,8 kg). Piecus gadus viņš augu tikai laistīja, neko nepievienojot augsnei. Pēc pieciem gadiem koka masa pieauga par 74 kg, savukārt augsnes masa samazinājās tikai par 0,06 kg. Zinātnieks secināja, ka augs visas vielas veido no ūdens. Tādējādi tika noteikta viena viela, ko augs absorbē fotosintēzes laikā.

Pirmo mēģinājumu zinātniski noteikt zaļās lapas funkciju 1667. gadā veica itāļu dabaszinātnieks Marčello Malpigi. Viņš novērojis, ja ķirbju stādiem norauj pirmās dīgļlapas, tad augs pārstāj attīstīties. Pētot augu uzbūvi, viņš izdarīja pieņēmumu: saules gaismas ietekmē auga lapās notiek zināmas pārvērtības un ūdens iztvaiko. Tomēr toreiz šie pieņēmumi tika ignorēti.

Pēc 100 gadiem Šveices zinātnieks Čārlzs Bonets veica vairākus eksperimentus, ievietojot auga lapu ūdenī un apgaismojot to ar saules gaismu. Tikai viņš izdarīja nepareizu secinājumu, uzskatot, ka augs nepiedalās burbuļu veidošanā.

Zaļās lapas lomas atklājums pieder angļu ķīmiķim Džozefam Prīstlijam. 1772. gadā, pētot gaisa nozīmi vielu sadegšanā un elpošanā, viņš veica eksperimentu un atklāja, ka augi uzlabo gaisu un padara to piemērotu elpošanai un dedzināšanai. Pēc vairākiem eksperimentiem Prīstlijs pamanīja, ka augi uzlabo gaisu gaismā. Viņš bija pirmais, kas ierosināja gaismas lomu augu dzīvē.

1800. gadā Šveices zinātnieks Žans Senebjē zinātniski izskaidroja šī procesa būtību (līdz tam laikam Lavuazjē jau bija atklājis skābekli un izpētījis tā īpašības): augu lapas sadala oglekļa dioksīdu un izdala skābekli tikai saules gaismas iedarbībā.

19. gadsimta otrajā pusē no zaļo augu lapām ieguva spirta ekstraktu. Šo vielu sauc par hlorofilu.

Vācu dabaszinātnieks Roberts Maijers atklāja, ka augi absorbē saules gaismu un pārvērš to enerģijā. ķīmiskās saites organiskās vielas (augā uzkrātā oglekļa daudzums organisko vielu veidā ir tieši atkarīgs no gaismas daudzuma, kas krīt uz augu).

Krievu zinātnieks Kliments Arkadjevičs Timirjazevs pētīja dažādu saules gaismas spektra daļu ietekmi uz fotosintēzes procesu. Viņam izdevās noskaidrot, ka tieši sarkanajos staros fotosintēze notiek visefektīvāk, un pierādīt, ka šī procesa intensitāte atbilst hlorofila gaismas absorbcijai.

K.A. Timirjazevs uzsvēra, ka, asimilējot oglekli, augs asimilē arī saules gaismu, pārvēršot savu enerģiju organisko vielu enerģijā.

Raksts publicēts ar "Sampad Computer Courses" atbalstu. Uzņēmums "Computer Courses Sampad" piedāvā pieteikties kursiem par interneta veikala izveidi Novosibirskā. Uzņēmuma pieredzējušie pasniedzēji pēc iespējas īsākā laikā nodrošinās apmācību PHP programmēšanai, kas ļaus izveidot jebkuras sarežģītības vietnes. Uzziniet vairāk par piedāvātajiem kursiem, izlasiet klientu atsauksmes, pieprasiet atzvanīšanu un piesakieties tiešsaistes lietojumprogramma Jūs varat pieteikties apmācībām uzņēmuma Sampad Computer Courses oficiālajā tīmekļa vietnē, kas atrodas vietnē http://pc-nsk.ru/

Zaļās lapas ir dzīvības avots uz mūsu planētas. Ja nebūtu zaļo augu, uz Zemes nebūtu ne dzīvnieku, ne cilvēku. Tā vai citādi augi kalpo kā barības avots visai dzīvnieku pasaulei.

Cilvēks izmanto ne tikai saules staru enerģiju, kas tagad krīt uz zemi, bet arī to, kas uz tās krita pirms desmitiem un simtiem miljonu gadu. Galu galā ogles, nafta un kūdra ir ķīmiski pārveidotas augu un dzīvnieku atliekas, kas dzīvoja tajos tālajos laikos.

Pēdējo desmitgažu laikā vadošo speciālistu uzmanība vairākās dabaszinātņu nozarēs ir pievērsta fotosintēzes problēmai, tās dažādie aspekti tiek vispusīgi un padziļināti pētīti daudzās laboratorijās visā pasaulē. Interesi galvenokārt nosaka fakts, ka fotosintēze ir visas biosfēras enerģijas apmaiņas pamatā.

Fotosintēzes intensitāte ir atkarīga no daudziem faktoriem. gaismas intensitāte , kas nepieciešams vislielākajai fotosintēzes efektivitātei, dažādiem augiem ir atšķirīgs. Ēnu izturīgos augos maksimālā fotosintēzes aktivitāte tiek sasniegta, kad ir aptuveni puse no pilnas saules gaismas, bet fotofīlajiem augiem - gandrīz pilnā saules gaismā.

Daudziem ēnu izturīgiem augiem lapās neveidojas palisādes (kolonnveida) parenhīma, un ir tikai sūkļveida (majlilija, nagaina). Turklāt šiem augiem ir lielākas lapas un lielāki hloroplasti.

Ietekmē arī fotosintēzes ātrumu temperatūra vide . Vislielākā fotosintēzes intensitāte novērojama 20–28 °C temperatūrā. Ar turpmāku temperatūras paaugstināšanos fotosintēzes intensitāte samazinās, un palielinās elpošanas intensitāte. Kad fotosintēzes un elpošanas ātrums sakrīt, viņi runā par kompensācijas punkts.

Kompensācijas punkts mainās atkarībā no gaismas intensitātes, temperatūras pieauguma un krituma. Piemēram, aukstumizturīgās brūnās aļģēs tas atbilst apmēram 10 ° C temperatūrai. Temperatūra ietekmē, pirmkārt, hloroplastus, kuros struktūra mainās atkarībā no temperatūras, kas ir skaidri redzama elektronu mikroskopā.

Tas ir ļoti svarīgi fotosintēzei oglekļa dioksīda saturs gaisā ap augu. Vidējā oglekļa dioksīda koncentrācija gaisā ir 0,03% (pēc tilpuma). Oglekļa dioksīda satura samazināšanās negatīvi ietekmē ražu, un tā palielināšana, piemēram, līdz 0,04%, var palielināt ražu gandrīz 2 reizes. Nozīmīgāks koncentrācijas pieaugums ir kaitīgs daudziem augiem: piemēram, pie ogļskābās gāzes satura aptuveni 0,1%, tomātu augi saslimst, to lapas sāk čokuroties. Siltumnīcās un siltumnīcās ogļskābās gāzes saturu var palielināt, izlaižot to no speciāliem baloniem vai ļaujot iztvaikot sausajam ogļskābajam gāzim.

Dažādu viļņu garumu gaisma arī dažādos veidos ietekmē fotosintēzes intensitāti. Pirmo reizi fotosintēzes intensitāti dažādos spektra staros pētīja fiziķis V. Daubenijs, kurš 1836. gadā parādīja, ka fotosintēzes ātrums zaļā lapā ir atkarīgs no staru rakstura. Metodiskās kļūdas eksperimenta laikā lika viņam izdarīt nepareizus secinājumus. Zinātnieks ievietoja elodejas dzinuma segmentu mēģenē ar izgrieztu ūdeni, apgaismoja mēģeni, izlaižot saules gaismu caur krāsainiem stikliem vai krāsainiem šķīdumiem, un ņēma vērā fotosintēzes intensitāti pēc skābekļa burbuļu skaita, kas izdalās no griezuma. virsma laika vienībā. Daubenijs nonāca pie secinājuma, ka fotosintēzes intensitāte ir proporcionāla gaismas spožumam, un spožākie stari tajā laikā tika uzskatīti par dzelteniem. Džons Drapers (1811-1882), kurš pētīja fotosintēzes intensitāti dažādos spektroskopa izstarotajos spektra staros, pieturējās pie tāda paša viedokļa.

Hlorofila lomu fotosintēzes procesā pierādīja izcilais krievu botāniķis un augu fiziologs K.A. Timirjazevs. Pavadījis 1871.-1875. virkni eksperimentu viņš atklāja, ka zaļie augi visintensīvāk absorbē saules spektra sarkanās un zilās daļas starus, nevis dzeltenos, kā tika uzskatīts pirms viņa. Absorbējot spektra sarkano un zilo daļu, hlorofils atstaro zaļos starus, tāpēc tas izskatās zaļš.

Pamatojoties uz šiem datiem, vācu augu fiziologs Teodors Vilhelms Engelmans 1883. gadā izstrādāja baktēriju metodi augu oglekļa dioksīda asimilācijas pētīšanai.

Viņš ierosināja, ja ūdens pilē ievieto zaļā auga šūnu kopā ar aerobām baktērijām un apgaismo tās ar dažādu krāsu stariem, tad baktērijām jākoncentrējas tajās šūnas daļās, kurās visvairāk sadalās ogļskābā gāze un ir skābeklis. atbrīvots. Lai to pārbaudītu, Engelmans nedaudz uzlaboja gaismas mikroskopu, virs spoguļa uzstādot prizmu, kas sadala saules gaismu atsevišķos spektra komponentos. Kā zaļo augu Engelmans izmantoja zaļo aļģi Spirogyra, kuras lielajās šūnās ir gari spirālveida hromatofori.

Ievietojis aļģu gabalu ūdens pilē uz stikla priekšmetstikliņa, Engelmans tur ieviesa dažas aerobās baktērijas, pēc tam preparātu pārbaudīja mikroskopā. Izrādījās, ka, ja nebija prizmas, sagatavotais preparāts tika izgaismots ar vienmērīgu baltu gaismu, un baktērijas bija vienmērīgi sadalītas pa visu aļģu laukumu. Prizmas klātbūtnē no spoguļa atstarotais gaismas stars tika lauzts, apgaismojot aļģu laukumu zem mikroskopa ar dažāda viļņa garuma gaismu. Pēc dažām minūtēm baktērijas koncentrējās tajās vietās, kuras tika apgaismotas ar sarkanu un zilu gaismu. Pamatojoties uz to, Engelmans secināja, ka oglekļa dioksīda sadalīšanās (un līdz ar to arī skābekļa izdalīšanās) zaļajos augos tiek novērota papildus pamatkrāsas (t.i., zaļajiem) stariem - sarkanajam un zilajam.

Dati saņemti moderns aprīkojums, pilnībā apstiprina Engelmana vairāk nekā pirms 120 gadiem iegūtos rezultātus.

Hlorofila absorbētā gaismas enerģija piedalās fotosintēzes pirmās un otrās stadijas reakcijās; trešās pakāpes reakcijas ir tumšas; notiek bez gaismas līdzdalības. Mērījumi ir parādījuši, ka vienas skābekļa molekulas samazināšanas procesam ir nepieciešami vismaz astoņi gaismas enerģijas kvanti. Tādējādi fotosintēzes maksimālā kvantu raža, t.i. skābekļa molekulu skaits, kas atbilst vienam auga absorbētās gaismas enerģijas kvantam, ir 1/8 jeb 12,5%.

R. Emersons un kolēģi noteica fotosintēzes kvantu ražu, kad augus apgaismo ar dažāda viļņa garuma monohromatisku gaismu. Tika konstatēts, ka iznākums paliek nemainīgs 12% apmērā lielākajā daļā redzamā spektra, bet strauji samazinās tuvu sarkanajam apgabalam. Šis zaļo augu samazinājums sākas pie viļņa garuma 680 nm. Garumos, kas pārsniedz 660 nm, gaismu absorbē tikai hlorofils. a; hlorofils b ir maksimālā gaismas absorbcija pie 650 nm, un pie 680 nm praktiski neuzsūc gaismu. Pie viļņa garuma, kas lielāks par 680 nm, fotosintēzes kvantu iznākumu var palielināt līdz maksimālā vērtība 12% ar nosacījumu, ka iekārta vienlaikus tiek apgaismota arī ar gaismu ar viļņa garumu 650 nm. Citiem vārdiem sakot, ja gaismu absorbē hlorofils bet ko papildina hlorofila absorbēta gaisma b, tad fotosintēzes kvantu iznākums sasniedz normālu vērtību.

Fotosintēzes intensitātes palielināšanos, vienlaikus apgaismojot augu ar diviem dažāda viļņa garuma monohromatiskās gaismas stariem, salīdzinot ar tās intensitāti, kas novērota atsevišķā apgaismojumā ar tiem pašiem stariem, sauc. Emersona efekts. Eksperimentējiet ar dažādām tālās sarkanās gaismas un gaismas kombinācijām ar vairāk īss garums viļņi pār zaļajām, sarkanajām, zilganzaļajām un brūnajām aļģēm parādīja, ka vislielākais fotosintēzes pieaugums tiek novērots, ja otro staru ar īsāku viļņa garumu absorbē palīgpigmenti.

Zaļajos augos šādi palīgpigmenti ir karotinoīdi un hlorofils. b, sarkanaļģēs - karotinoīdi un fikoeritrīns, zilaļģēs - karotinoīdi un fikocianīns, brūnaļģēs - karotinoīdi un fukoksantīns.

Turpmāka fotosintēzes procesa izpēte ļāva secināt, ka palīgpigmenti no 80 līdz 100% no to absorbētās gaismas enerģijas pārnes uz hlorofilu. bet. Tādējādi hlorofils bet uzkrāj gaismas enerģiju, ko absorbē augu šūna, un pēc tam izmanto to fotosintēzes fotoķīmiskajās reakcijās.

Vēlāk tika atklāts, ka hlorofils bet atrodas dzīvā šūnā formu veidā ar dažādiem absorbcijas spektriem un dažādām fotoķīmiskām funkcijām. Viena no hlorofila formām bet, kura absorbcijas maksimums atbilst viļņa garumam 700 nm, pieder pigmentu sistēmai, t.s. fotosistēma I, otrā hlorofila forma bet ar absorbcijas maksimumu 680 nm, pieder fotosistēmai II.

Tātad augos tika atklāta fotoaktīvā pigmenta sistēma, kas īpaši spēcīgi absorbē gaismu spektra sarkanajā reģionā. Tas sāk darboties pat vājā apgaismojumā. Turklāt ir zināms vēl viens regulējošā sistēma, kas selektīvi absorbē un izmanto fotosintēzei zila krāsa. Šī sistēma darbojas pietiekami spēcīgā apgaismojumā.

Tāpat noskaidrots, ka dažu augu fotosintēzes aparāts fotosintēzei lielākoties izmanto sarkano gaismu, bet citi – zilo gaismu.

Lai noteiktu ūdensaugu fotosintēzes intensitāti, var izmantot skābekļa burbuļu skaitīšanas metodi. Gaismā lapās notiek fotosintēzes process, kura produkts ir skābeklis, kas uzkrājas starpšūnu telpās. Nogriežot kātu, no griezuma virsmas sāk izdalīties liekā gāze nepārtrauktas burbuļu plūsmas veidā, kuru veidošanās ātrums ir atkarīgs no fotosintēzes intensitātes. Šī metode nav ļoti precīza, taču tā ir vienkārša un sniedz vizuālu priekšstatu par fotosintēzes procesa atkarību no ārējiem apstākļiem.

Pieredze 1. Fotosintēzes produktivitātes atkarība no gaismas intensitātes

Materiāli un aprīkojums: elodea; NaHCO 3, (NH 4) 2 CO 3 vai minerālūdens ūdens šķīdumi; apmetās krāna ūdens; stikla stienis; diegi; šķēres; 200 W elektriskā lampa; pulkstenis; termometrs.

1. Eksperimentam tika atlasīti veseli aptuveni 8 cm gari elodejas dzinumi intensīvi zaļā krāsā ar neskartu galu. Tās tika sagrieztas zem ūdens, ar diegu piesietas pie stikla stieņa un otrādi nolaistas glāzē ūdens istabas temperatūrā (ūdens temperatūrai jāpaliek nemainīgai).

2. Eksperimentam mēs ņēmām nosēdinātu krāna ūdeni, kas bagātināts ar CO 2, pievienojot NaHCO 3 vai (NH 4) 2 CO 3, vai minerālūdens, un spilgtā gaismā pakļāva glāzi ar ūdensaugu. Mēs novērojām gaisa burbuļu parādīšanos no auga griezuma.

3. Kad burbuļu plūsma kļuva vienmērīga, tika saskaitīts 1 minūtē atbrīvoto burbuļu skaits. Skaitīšana tika veikta 3 reizes ar 1 min pārtraukumu, datus ierakstīja tabulā un noteica vidējo rezultātu.

4. Stikls ar augu tika noņemts no gaismas avota par 50–60 cm un tika atkārtotas 3. punktā norādītās darbības.

5. Eksperimentu rezultāti tika salīdzināti un izdarīts secinājums par atšķirīgo fotosintēzes intensitāti spilgtā un vājā gaismā.

Eksperimentu rezultāti ir parādīti 1. tabulā.

Izvade: pie izmantotajām gaismas intensitātēm fotosintēzes intensitāte palielinās, palielinoties gaismas intensitātei, t.i. jo vairāk gaismas, jo labāk notiek fotosintēze.

1. tabula. Fotosintēzes atkarība no gaismas intensitātes

Pieredze 2. Fotosintēzes produktivitātes atkarība no gaismas spektrālā sastāva

Materiāli un aprīkojums: elodea; gaismas filtru komplekts (zils, oranžs, zaļš); septiņas augstas platmutes burkas; nostādināts krāna ūdens; šķēres; 200 W elektriskā lampa; pulkstenis; termometrs; mēģenes.

1. Mēģene tika piepildīta līdz 2/3 no tilpuma ar nosēdinātu krāna ūdeni un ievietota tajā. ūdens augs no augšas uz leju. Kāts tika nogriezts zem ūdens.

2. Augstas platmutes burkā tika ievietots zils gaismas filtrs (apļveida), zem filtra tika ievietota mēģene ar augu, un burka tika pakļauta spilgtai gaismai, lai tā nokristu uz augu, izejot caur gaismas filtru. . Mēs novērojām gaisa burbuļu parādīšanos no auga stumbra griezuma.

3. Kad burbuļu plūsma kļuva vienmērīga, tika saskaitīts 1 minūtē atbrīvoto burbuļu skaits. Aprēķins tika veikts 3 reizes ar 1 min pārtraukumu, tika noteikts vidējais rezultāts, dati tika ievadīti tabulā.

4. Zilās gaismas filtrs tika aizstāts ar sarkanu, un 3. punktā norādītās darbības tika atkārtotas, pārliecinoties, ka attālums no gaismas avota un ūdens temperatūra paliek nemainīga.

5. Eksperimentu rezultāti tika salīdzināti un izdarīts secinājums par fotosintēzes intensitātes atkarību no gaismas spektrālā sastāva.

Eksperimenta rezultāti ir parādīti 2. tabulā.

Izvade: fotosintēzes process oranžā gaismā ir ļoti intensīvs, zilā krāsā tas palēninās, un zaļā tas praktiski nenotiek.

2. tabula. Fotosintēzes produktivitātes atkarība no gaismas spektrālā sastāva

pieredzes numurs	gaismas filtrs	Pirmā dimensija	Otrā dimensija	trešā dimensija	Vidēji
	apelsīns

Pieredze 3. Fotosintēzes intensitātes atkarība no temperatūras

Materiāli un aprīkojums: elodea; trīs augstas platmutes burkas; nostādināts krāna ūdens; šķēres; mēģenes; 200 W elektriskā lampa; pulkstenis; termometrs.

1. 2/3 mēģene tika piepildīta ar nosēdinātu krāna ūdeni, un tajā tika ievietots ūdensaugs ar augšpusi uz leju. Kāts tika nogriezts zem ūdens.

2. Trīs platmutes burkās ielej dažādu temperatūru (no 14°C līdz 45°C) nostādinātu krāna ūdeni, vidējas temperatūras ūdens burkā (piemēram, 25°C) ievietoja mēģeni ar augu un ierīce tika pakļauta spilgtai gaismai. Mēs novērojām gaisa burbuļu parādīšanos no auga stumbra griezuma.

3. Pēc 5 minūtēm tika saskaitīts 1 min laikā izdalīto burbuļu skaits. Aprēķins tika veikts 3 reizes ar 1 min pārtraukumu, tika noteikts vidējais rezultāts, dati tika ievadīti tabulā.

4. Mēģeni ar augu ievietoja burkā ar citas temperatūras ūdeni un atkārtoja 3. punktā norādītās darbības, pārliecinoties, ka attālums no gaismas avota un ūdens temperatūra paliek nemainīga.

5. Eksperimentu rezultāti tika salīdzināti un izdarīts rakstisks secinājums par temperatūras ietekmi uz fotosintēzes intensitāti.

Eksperimenta rezultāti ir parādīti 3. tabulā.

Izvade: pētāmajā temperatūras diapazonā fotosintēzes intensitāte ir atkarīga no temperatūras: jo augstāka tā, jo labāk norit fotosintēze.

3. tabula. Fotosintēzes atkarība no temperatūras

Pētījuma rezultātā mēs izdarījām šādus secinājumus.

1. Fotoaktīvā pigmenta sistēma īpaši spēcīgi absorbē gaismu spektra sarkanajā apgabalā. Zilos starus diezgan labi uzsūc hlorofils un ļoti maz zaļā, kas izskaidro augu zaļo krāsu.

2. Mūsu eksperiments ar elodejas zaru pārliecinoši pierāda, ka fotosintēzes maksimālā intensitāte tiek novērota, ja to apgaismo sarkanā gaisma.

3. Fotosintēzes ātrums ir atkarīgs no temperatūras.

4. Fotosintēze ir atkarīga no gaismas intensitātes. Jo vairāk gaismas, jo labāk notiek fotosintēze.

Šāda darba rezultātiem var būt praktiska nozīme. Siltumnīcās ar mākslīgo apgaismojumu, izvēloties gaismas spektrālo sastāvu, var palielināt ražu. Agrofizikālajā institūtā Ļeņingradā 80. gadu beigās. laboratorijā B.S. Moshkov, izmantojot īpašus apgaismojuma režīmus, tika iegūti 6 tomātu ražas gadā (180 kg / m 2).

Augiem ir nepieciešami visu krāsu gaismas stari. Kā, kad, kādā secībā un proporcijā to piegādāt ar starojuma enerģiju, ir vesela zinātne. Gaismas kultūras izredzes ir ļoti lielas: no laboratorijas eksperimentiem tā var pārvērsties par rūpniecisku dārzeņu, zaļo, dekoratīvo un ārstniecības kultūru ražošanu visu gadu.

LITERATŪRA

1. Genkel P.A. Augu fizioloģija: Proc. piemaksa par izvēles kursu 9. klasei. - M: Izglītība, 1985. - 175 lpp., ill.
2. Kretovičs V.L. Augu bioķīmija: mācību grāmata biol. universitāšu fakultātes. – M.: vidusskola, 1980. - 445 lpp., ill.
3. Ravens P., Everts R., Eihorns S. Mūsdienu botānika: 2 sējumos: Per. no angļu valodas. - M.: Mir, 1990. - 344 lpp., ill.
4. Salamatova T.S. Augu šūnu fizioloģija: Apmācība. - L .: Ļeņingradas universitātes izdevniecība, 1983. - 232 lpp.
5. Teilors D., Grīns N., Stouts V. Bioloģija: 3 sējumos: Per. no angļu valodas / Red. R. Sopera - M .: Mir, 2006. - 454 lpp., ill.
6. http://sc.nios.ru (zīmējumi un diagrammas)

No visiem faktoriem, kas vienlaikus ietekmē fotosintēzes procesu ierobežojoši būs tas, kurš būs tuvāk minimālajam līmenim. Tas ir instalēts Blekmens 1905. gadā. Ierobežojoši var būt dažādi faktori, taču viens no tiem ir galvenais.

1. Vāja apgaismojumā fotosintēzes ātrums ir tieši proporcionāls gaismas intensitātei. Gaisma ir ierobežojošais faktors vāja apgaismojuma apstākļos. Pie lielas gaismas intensitātes hlorofils maina krāsu un fotosintēze palēninās. Šādos apstākļos dabā augi parasti tiek aizsargāti (bieza kutikula, pubescējošas lapas, zvīņas).

1. Fotosintēzes tumšajām reakcijām ir nepieciešamas oglekļa dioksīds, kas ir iekļauts organisko vielu sastāvā, ir ierobežojošs faktors šajā jomā. CO 2 koncentrācija atmosfērā svārstās no 0,03-0,04%, bet, to palielinot, var palielināt fotosintēzes ātrumu. Dažas siltumnīcas kultūras tagad audzē ar paaugstinātu CO 2 saturu.
2. temperatūras koeficients. Tumšās un dažas gaismas fotosintēzes reakcijas kontrolē fermenti, un to darbība ir atkarīga no temperatūras. Optimālā temperatūra augiem mērenajā zonā ir 25 °C. Ar katru temperatūras paaugstināšanos par 10 °C (līdz 35 °C) reakcijas ātrums dubultojas, bet vairāku citu faktoru ietekmē augi labāk aug 25 °C temperatūrā.
3. Ūdens- fotosintēzes izejmateriāls. Ūdens trūkums ietekmē daudzus procesus šūnās. Bet pat īslaicīga vītināšana izraisa nopietnus ražas zudumus. Iemesli: nokalstot, augu stomas aizveras, un tas traucē brīvu CO 2 piekļuvi fotosintēzei; ar ūdens trūkumu dažu augu lapās uzkrājas abscīnskābe. Tas ir augu hormons – augšanas inhibitors. Laboratorijas apstākļos to izmanto, lai pētītu augšanas procesa kavēšanu.
4. Hlorofila koncentrācija. Hlorofila daudzums var samazināties līdz ar miltrasu, rūsu, vīrusu slimībām, minerālvielu deficītu un vecumu (ar normālu novecošanos). Kad lapas kļūst dzeltenas, hlorozes parādības vai hloroze. Iemesls var būt minerālvielu trūkums. Hlorofila sintēzei nepieciešams Fe, Mg, N un K.
5. Skābeklis. Augsta skābekļa koncentrācija atmosfērā (21%) kavē fotosintēzi. Skābeklis sacenšas ar oglekļa dioksīdu par CO 2 fiksācijā iesaistītā enzīma aktīvo vietu, kas samazina fotosintēzes ātrumu.
6. Specifiski inhibitori. Labākais veids augu nogalināt nozīmē fotosintēzes nomākšanu. Lai to izdarītu, zinātnieki ir izstrādājuši inhibitorus - herbicīdi- dioksīni. Piemēram: DHMM - dihlorfenildimetilurīnviela- kavē fotosintēzes gaismas reakcijas. Veiksmīgi izmantots fotosintēzes gaismas reakciju pētīšanai.
7. Vides piesārņojums. Rūpnieciskas izcelsmes gāzes, ozons un sēra dioksīds, pat nelielā koncentrācijā, nopietni bojā vairāku augu lapas. UZ skāba gāzeķērpji ir ļoti jutīgi. Tāpēc ir metode ķērpju indikācijas– vides piesārņojuma ar ķērpjiem noteikšana. Kvēpi aizsprosto stomatu un samazina lapu epidermas caurspīdīgumu, kas samazina fotosintēzes ātrumu.

6. Augu dzīves faktori, siltums, gaisma, gaiss, ūdens Augi visu mūžu pastāvīgi mijiedarbojas ar ārējā vide. Augu prasības dzīvības faktoriem nosaka augu iedzimtība, un tās ir atšķirīgas ne tikai katrai sugai, bet arī katrai konkrētas kultūras šķirnei. Tieši tāpēc padziļinātas zināšanas par šīm prasībām ļauj pareizi noteikt sējumu platību struktūru, kultūraugu rotāciju, izvietošanu augsekas.
Normālai dzīvei augiem nepieciešama gaisma, siltums, ūdens, barības vielas, tostarp oglekļa dioksīds un gaiss.
Galvenais augu gaismas avots ir saules starojums. Lai gan šis avots ir ārpus cilvēka ietekmes, saules gaismas enerģijas izmantošanas pakāpe fotosintēzei ir atkarīga no lauksaimniecības tehnikas līmeņa: sēšanas metodes (rindas virzītas no ziemeļiem uz dienvidiem vai no austrumiem uz rietumiem), diferencētas sēšanas likmes, augsnes apstrādes u.c. .
Savlaicīga augu retināšana un nezāļu iznīcināšana uzlabo augu apgaismojumu.
Siltums augu dzīvē, kopā ar gaismu, ir galvenais augu dzīves faktors un nepieciešamais nosacījums bioloģiskajiem, ķīmiskajiem un fizikālajiem procesiem augsnē. Katrs augs dažādās attīstības fāzēs un pakāpēs izvirza noteiktas, bet nevienlīdzīgas prasības siltumam, kuru izpēte ir viens no augu fizioloģijas un zinātniskās lauksaimniecības uzdevumiem. siltums augu dzīvē ietekmē attīstības ātrumu katrā augšanas stadijā. Lauksaimniecības uzdevums ietver arī augsnes termiskā režīma un tā regulēšanas metožu izpēti.
Ūdens augu dzīvē un barības vielas, izņemot oglekļa dioksīdu, kas nāk gan no augsnes, gan atmosfēras, ir augu dzīves faktori. Tāpēc ūdeni un barības vielas sauc par augsnes auglības elementiem.
Gaiss augu dzīvē(atmosfēras un augsnes) ir nepieciešams kā skābekļa avots augu un augsnes mikroorganismu elpošanai, kā arī oglekļa avots, ko augs uzņem fotosintēzes laikā. Turklāt gaiss augu dzīvē ir nepieciešams augsnē notiekošajiem mikrobioloģiskajiem procesiem, kuru rezultātā augsnes organiskās vielas sadalās ar aerobo mikroorganismu palīdzību, veidojot šķīstošus slāpekļa, fosfora, kālija un citu augu minerālsavienojumus. barības vielas.

7 . Kultūraugu fotosintēzes produktivitātes rādītāji

Kultūra rodas fotosintēzes procesā, kad zaļajos augos no oglekļa dioksīda, ūdens un minerālvielām veidojas organiskās vielas. Saules stara enerģija tiek pārvērsta augu biomasas enerģijā. Šī procesa efektivitāte un galu galā raža ir atkarīga no kultūras kā fotosintēzes sistēmas funkcionēšanas. Lauka apstākļos sēšana (cenoze) kā augu kopums uz platības vienību ir sarežģīta dinamiska pašregulējoša fotosintēzes sistēma. Šī sistēma ietver daudzas sastāvdaļas, kuras var uzskatīt par apakšsistēmām; tas ir dinamisks, jo laika gaitā pastāvīgi maina savus parametrus; pašregulējoša, jo, neskatoties uz dažādām ietekmēm, sēja noteiktā veidā maina savus parametrus, saglabājot homeostāzi.

Kultūraugu fotosintēzes aktivitātes rādītāji. Sēšana ir optiska sistēma, kurā lapas absorbē PAR. Sākotnējā augu attīstības periodā asimilācijas virsma ir maza un ievērojama daļa PAR iet garām lapām un netiek ar tām uztverta. Palielinoties lapu laukumam, palielinās arī to saules enerģijas absorbcija. Kad lapu virsmas indekss* ir 4...5, ti, lapu platība kultūraugā ir 40...50 tūkst.m 2 /ha, PAR uzsūkšanās kultūrauga lapās sasniedz maksimālo vērtību - 75...80% no redzamā, 40% no kopējā starojuma. Turpinot palielināt lapu laukumu, PAR absorbcija nepalielinās. Kultūraugos, kur lapu laukuma veidošanās gaita ir optimāla, PAR absorbcija var būt vidēji 50...60% no krītošā starojuma veģetācijas periodā. PAR, ko absorbē augu segums, ir fotosintēzes enerģijas pamats. Tomēr tikai daļa no šīs enerģijas tiek uzkrāta ražā. PAR izmantošanas koeficientu parasti nosaka saistībā ar PAR incidentu uz veģetācijas seguma. Ja biomasas raža Krievijas vidienē uzkrāj 2...3% no PAR sējuma, tad visu augu orgānu sausmasa būs 10...15 t/ha, un iespējamā raža būs 4...6 t no. graudi uz 1 ha. Retajos kultūrās PAR izmantošanas koeficients ir tikai 0,5...1,0%.

Uzskatot kultūraugus kā fotosintēzes sistēmu, sausās biomasas raža, ko rada augšanas sezona, vai tā pieaugums noteiktā laika posmā ir atkarīgs no vidējā lapu platības, perioda ilguma un fotosintēzes neto produktivitātes šajā periodā.

Y \u003d FP NPF,

kur Y ir sausās biomasas raža, t/ha;

FP - fotosintētiskais potenciāls, tūkst.m 2 - dienas / ha;

AES - fotosintēzes neto produktivitāte, g/(m2 - dienas).

Fotosintēzes potenciālu aprēķina pēc formulas

kur Sc ir perioda vidējā lapu platība, tūkst.m 2 /ha;

T ir perioda ilgums, dienas.

Galvenie rādītāji cenozei, kā arī raža tiek noteikti uz platības vienību - 1 m 2 vai 1 ha. Tātad lapu laukums tiek mērīts tūkstošos m 2 / ha. Turklāt viņi izmanto tādu indikatoru kā lapu virsmas indekss. Asimilācijas virsmas galveno daļu veido lapas, tieši tajās notiek fotosintēze. Fotosintēze var notikt arī citās zaļajās augu daļās – kātos, zīlēs, zaļajos augļos u.c., taču šo orgānu ieguldījums kopējā fotosintēzē parasti ir neliels. Ir pieņemts salīdzināt kultūras savā starpā, kā arī vienas kultūras dažādus stāvokļus dinamikā pēc lapu platības, identificējot to ar jēdzienu "asimilācijas virsma". Lapu laukuma dinamika kultūrā ievēro noteiktu regularitāti. Pēc dīgšanas lapu platība lēnām palielinās, tad augšanas ātrums palielinās. Brīdī, kad apstājas sānu dzinumu veidošanās un augi aug augstumā, lapu laukums sasniedz maksimālo vērtību veģetācijas periodā, pēc tam tas sāk pakāpeniski samazināties apakšējo lapu dzeltēšanas un nāves dēļ. Līdz augšanas sezonas beigām daudzu kultūru kultūrās (graudaugi, pākšaugi) zaļās lapas uz augiem nav. Dažādu lauksaimniecības augu lapu platība augšanas sezonā var ievērojami atšķirties atkarībā no ūdens apgādes apstākļiem, uztura un lauksaimniecības prakses. Maksimālā platība lapas sausos apstākļos sasniedz tikai 5 ... 10 tūkstošus m 2 / ha, un ar pārmērīgu mitrumu un slāpekļa uzturu tas var pārsniegt 70 tūkstošus m 2 / ha. Tiek uzskatīts, ka ar lapu virsmas indeksu 4...5, sēja kā optiskā fotosintēzes sistēma darbojas optimālais režīms, absorbējošs lielākais skaits PAR. Ar mazāku lapu laukumu daļu PAR lapas neaizņem. Ja lapu platība ir lielāka par 50000 m2/ha, tad augšējās lapas noēno apakšējās, un to īpatsvars fotosintēzē strauji samazinās. Turklāt augšējās lapas "baro" apakšējās, kas ir nelabvēlīga augļu, sēklu, bumbuļu u.c. veidošanai. Lapu laukuma dinamika liecina, ka dažādi posmi veģetācijas periodā sēja kā fotosintēzes sistēma funkcionē atšķirīgi (3. att.). Pirmajās 20...30 veģetācijas dienās, kad lapu vidējā platība ir 3...7 tūkst.m 2 /ha, lielāko daļu PAR lapas neuztver, un tāpēc PAR izmantošanas koeficients nevar būt augsts. Turklāt lapu laukums sāk strauji palielināties, sasniedzot maksimumu. Parasti tas notiek zilzālēm graudu pienainuma fāzē, labības pākšaugiem sēklu pilnīgas piepildīšanas fāzē vidējā līmenī, daudzgadīgie garšaugi ziedēšanas fāzē. Tad lapu laukums sāk strauji samazināties. Šajā laikā dominē vielu pārdale un aizplūšana no veģetatīviem orgāniem uz ģeneratīvajiem. Šo periodu ilgumu un to attiecību ietekmē dažādi faktori, arī agrotehniskie. Ar to palīdzību ir iespējams regulēt lapu platības palielināšanas procesu un periodu ilgumu. Sausos apstākļos apzināti tiek samazināts augu blīvums un līdz ar to arī lapu platība, jo ar lielu lapu laukumu palielinās transpirācija, augi vairāk cieš no mitruma trūkuma un samazinās raža.

Pētījumi

Tēma: Dažādu faktoru ietekme uz fotosintēzes ātrumu

Darba vadītājs:Logvins Andrejs Nikolajevičs, bioloģijas skolotājs

ciems Shelokhovskaya

2009

Ievads - 3. lpp

1. nodaļa. Fotosintēze - 4. lpp

2. nodaļa. Abiotiskie faktori - gaisma un temperatūra. To nozīme augu dzīvē – 5. lpp

2.1. Gaisma - 5. lpp

2.2. Temperatūra - 6. lpp

2.3. Gaisa gāzes sastāvs - 7. lpp

3.nodaļa. Dažādu faktoru ietekme uz fotosintēzes ātrumu - 983.lpp.1. Cietes pārbaudes metode - 9. lpp

3.2. Fotosintēzes atkarība no gaismas intensitātes – 10. lpp

3.3. Fotosintēzes intensitātes atkarība no temperatūras - 11. lpp

3.4. Fotosintēzes intensitātes atkarība no oglekļa dioksīda koncentrācijas atmosfērā - 12. lpp.

Secinājums - 12.lpp

Informācijas avoti - 13.lpp

Darot

Dzīve uz zemes ir atkarīga no saules. Saules staru enerģijas uztvērējs un akumulators uz Zemes ir augu zaļās lapas kā specializēti fotosintēzes orgāni. Fotosintēze ir unikāls organisko vielu radīšanas process no neorganiskām. Šis ir vienīgais process uz mūsu planētas, kas saistīts ar saules gaismas enerģijas pārvēršanu organisko vielu sastāvā esošo ķīmisko saišu enerģijā. Tādā veidā no kosmosa saņemtā saules gaismas enerģija, ko zaļie augi uzglabā ogļhidrātos, taukos un olbaltumvielās, nodrošina visas dzīvās pasaules – no baktērijām līdz cilvēkam – vitālo darbību.

Izcils krievu zinātnieks XIX beigās - XX gadsimta sākumā. Kliments Arkadjevičs Timirjazevs (1843-1920) zaļo augu lomu uz Zemes nosauca par kosmisku.

K.A. Timirjazevs rakstīja: “Visas organiskās vielas, lai arī cik daudzveidīgas tās būtu, lai kur tās atrastos, augā, dzīvniekā vai cilvēkā, izlaistas cauri lapai, radušās no vielām, ko ražo lapa. Ārpus lapas vai drīzāk ārpus hlorofila grauda dabā nav nevienas laboratorijas, kurā tiktu izolētas organiskās vielas. Visos citos orgānos un organismos tas transformējas, transformējas, tikai šeit atkal veidojas no neorganiskām vielām.

Izvēlētās tēmas aktualitāte ir saistīta ar to, ka mēs visi esam atkarīgi no fotosintēzes augiem un ir jāzina, kā palielināt fotosintēzes intensitāti.

Pētījuma objekts- telpaugi

Studiju priekšmets– dažādu faktoru ietekme uz fotosintēzes ātrumu.

Mērķi:

1. Sistematizēšana, padziļināšana un zināšanu nostiprināšana par augu fotosintēzi un abiotiskajiem vides faktoriem.

2. Izpētīt fotosintēzes ātruma atkarību no apgaismojuma intensitātes, temperatūras un oglekļa dioksīda koncentrācijas atmosfērā.

Uzdevumi:

1. Izpētīt literatūru par augu fotosintēzi, vispārināt un padziļināt zināšanas par abiotisko faktoru ietekmi uz augu fotosintēzi.
2. Izpētīt dažādu faktoru ietekmi uz fotosintēzes ātrumu.

Pētījuma hipotēze:Fotosintēzes ātrums palielinās, palielinoties gaismas intensitātei, temperatūrai un oglekļa dioksīda koncentrācijai atmosfērā.

Pētījuma metodes:

1. Literatūras izpēte un analīze
2. Novērošana, salīdzināšana, eksperiments.

1. nodaļa. Fotosintēze.

Organisko vielu veidošanās process zaļo augu un zilaļģu šūnās, piedaloties gaismai. Zaļos augos tas notiek, piedaloties pigmentiem (hlorofiliem un dažiem citiem), kas atrodas šūnu hloroplastos un hromatoforos. No enerģētiski vājām vielām (oglekļa monoksīda un ūdens) veidojas ogļhidrātu glikoze un izdalās brīvais skābeklis.

Fotosintēzes pamatā ir redoksprocess: elektroni tiek pārnesti no donora-reducētāja (ūdens, ūdeņraža u.c.) uz akceptoru (oglekļa monoksīdu, acetātu). Ja ūdens tiek oksidēts, veidojas reducēta viela (ogļhidrātu glikoze) un skābeklis. Ir divas fotosintēzes fāzes:

Gaisma (vai atkarīga no gaismas);

Tumšs.

Gaismas fāzē notiek brīvo ūdeņraža atomu, enerģijas uzkrāšanās (tiek sintezēts ATP). tumšā fāzefotosintēze - secīgu fermentatīvu reakciju virkne un galvenokārt oglekļa dioksīda saistīšanās reakcijas (iekļūst lapā no atmosfēras). Rezultātā veidojas ogļhidrāti, vispirms monosaharīdi (heksoze), tad saharīdi un polisaharīdi (ciete). Glikozes sintēze notiek ar liela enerģijas daudzuma absorbciju (tiek izmantots gaismas fāzē sintezēts ATP). Lai noņemtu lieko skābekli no oglekļa dioksīda, tiek izmantots ūdeņradis, kas veidojas vieglajā fāzē un ir nestabilā savienojumā ar ūdeņraža nesēju (NADP). Skābekļa pārpalikums ir saistīts ar to, ka oglekļa dioksīdā skābekļa atomu skaits ir divreiz lielāks par oglekļa atomu skaitu, un glikozē oglekļa un skābekļa atomu skaits ir vienāds.

Fotosintēze ir vienīgais process biosfērā, kas noved pie biosfēras enerģijas palielināšanās ārēja avota - Saules ietekmē un nodrošina gan augu, gan visu heterotrofo organismu eksistenci.

Mazāk nekā 1-2% saules enerģijas nonāk labībā.

Zudumi: nepilnīga gaismas absorbcija; procesa ierobežošana bioķīmiskā un fizioloģiskā līmenī.

Veidi, kā palielināt fotosintēzes efektivitāti:

Augu nodrošināšana ar ūdeni;

Minerālu un oglekļa dioksīda nodrošināšana;

Fotosintēzei labvēlīgas kultūraugu struktūras izveide;

Šķirņu izvēle ar augstu fotosintēzes efektivitāti.

2. nodaļa. Abiotiskie faktori - gaisma un temperatūra.

To loma augu dzīvē.

Abiotiskie faktoritiek saukti visi nedzīvās dabas elementi, kas ietekmē ķermeni. Starp tiem svarīgākie ir gaisma, temperatūra, mitrums, gaiss, minerālsāļi uc Tie bieži tiek apvienoti faktoru grupās: klimatiskie, augsnes, orogrāfiskie, ģeoloģiskie utt.

Dabā ir grūti nošķirt viena abiotiskā faktora darbību no cita, organismi vienmēr piedzīvo savu kopējo ietekmi. Tomēr pētījuma ērtībai abiotiskie faktori parasti tiek aplūkoti atsevišķi.

2.1. Gaisma

Starp daudzajiem faktoriem gaisma kā saules enerģijas nesēja ir viens no galvenajiem. Bez tā zaļo augu fotosintētiskā aktivitāte nav iespējama. Tajā pašā laikā gaismas tiešā ietekme uz protoplazmu ir letāla organismam. Tāpēc daudzas organismu morfoloģiskās un uzvedības īpašības ir saistītas ar gaismas iedarbību.

Saule kosmosā izstaro milzīgu enerģijas daudzumu, un, lai gan Zeme veido tikai vienu divu miljono daļu no saules starojuma, ar to pietiek, lai uzsildītu un apgaismotu mūsu planētu. Saules starojums ir dažāda garuma elektromagnētiskie viļņi, kā arī radioviļņi, kuru garums nepārsniedz 1 cm.

Starp Saules enerģiju, kas iekļūst Zemes atmosfērā, ir redzami stari (ir aptuveni 50%), silti infrasarkanie stari (50%) un ultravioletie stari(apmēram 1%). Ekologiem svarīgas ir gaismas kvalitatīvās īpašības: viļņa garums (vai krāsa), intensitāte (efektīvā enerģija kalorijās) un iedarbības ilgums (dienu garums).

Redzamie stari (mēs tos saucam par saules gaismu) sastāv no dažādu krāsu un dažāda viļņa garuma stariem. Gaismai ir liela nozīme visas organiskās pasaules dzīvē, jo ar to ir saistīta dzīvnieku un augu darbība - fotosintēze notiek tikai redzamas gaismas apstākļos.

Organismu dzīvē svarīgi ir ne tikai redzamie stari, bet arī citi starojuma enerģijas veidi, kas sasniedz zemes virsmu: ultravioletie un infrasarkanie stari, elektromagnētiskie (sevišķi radioviļņi) un pat gamma un rentgena starojums. Piemēram, ultravioletajiem stariem ar viļņa garumu 0,38-0,40 mikroni ir liela fotosintētiskā aktivitāte. Šie stari, īpaši mērenās devās, stimulē šūnu augšanu un vairošanos, veicina ļoti aktīvo bioloģisko savienojumu sintēzi, palielinot vitamīnu un antibiotiku saturu augos, kā arī paaugstina augu šūnu izturību pret dažādām slimībām.

Starp visiem saules stariem parasti izšķir starus, kas vienā vai otrā veidā ietekmē augu organismus, īpaši fotosintēzes procesu, paātrinot vai palēninot tā gaitu. Šos starus sauc par fizioloģiski aktīvo starojumu (saīsināti PAR). Aktīvākie starp PAR ir: oranži sarkani (0,65-0,68 mikroni), zili violeti (0,40-0,50 mikroni) un gandrīz ultravioletie (0,38-0,40 mikroni). Dzeltenzaļie stari (0,50-0,58 mikroni) tiek absorbēti vismazāk, un infrasarkanie stari gandrīz netiek absorbēti. Augu siltuma apmaiņā piedalās tikai tālie infrasarkanie stari, kuru viļņa garums pārsniedz 1,05 mikronus, un tāpēc tiem ir zināma pozitīva ietekme, īpaši vietās ar zemu temperatūru.

Zaļajiem augiem gaisma ir nepieciešama hlorofila veidošanai, hloroplastu granulētās struktūras veidošanai; regulē stomatāla aparāta darbu, ietekmē gāzu apmaiņu un transpirāciju, aktivizē vairākus fermentus, stimulē proteīnu biosintēzi un nukleīnskābes. Gaisma ietekmē šūnu dalīšanos un stiepšanos, augšanas procesus un augu attīstību, nosaka ziedēšanas un augļu rašanās laiku, kā arī veido formu. Taču gaismai ir vislielākā nozīme augu gaisa uzturā, saules enerģijas izmantošanā fotosintēzes procesā.

2.2. Temperatūra

Termiskais režīms ir viens no būtiski nosacījumi organismu esamība, jo visi fizioloģiskie procesi ir iespējami tikai noteiktā temperatūrā. Siltuma nokļūšanu uz zemes virsmas nodrošina saules stari, un tas tiek sadalīts pa zemi atkarībā no saules augstuma virs horizonta un saules staru krišanas leņķa. Tāpēc termiskais režīms nav vienāds dažādos platuma grādos un plkst atšķirīgs augstums virs jūras līmeņa.

Temperatūras faktoru raksturo izteiktas sezonālās un ikdienas svārstības. Šai faktora darbībai vairākos Zemes reģionos ir svarīga signāla vērtība organismu darbības laika regulēšanā, nodrošinot to ikdienas un sezonālo dzīvesveidu.

Raksturojot temperatūras faktoru, ļoti svarīgi ir tā ekstremālie rādītāji, to darbības ilgums un arī to atkārtošanās biežums. Temperatūras izmaiņas biotopos, kas pārsniedz organismu tolerances slieksni, pavada to masveida bojāeja.

Temperatūras nozīme organismu dzīvībai svarīgai darbībai izpaužas faktā, ka tā maina fizikāli ķīmisko procesu ātrumu šūnās. Temperatūra ietekmē organismu anatomiskās un morfoloģiskās īpatnības, ietekmē fizioloģisko procesu norisi, augšanu, attīstību, uzvedību un daudzos gadījumos nosaka augu ģeogrāfisko izplatību.

2.3. Gaisa gāzes sastāvs.

Papildus gaisa vides fizikālajām īpašībām tās ķīmiskās īpašības ir ārkārtīgi svarīgas sauszemes organismu pastāvēšanai. Gaisa gāzu sastāvs atmosfēras virsmas slānī ir diezgan viendabīgs galveno komponentu satura ziņā (slāpeklis - 78,1, skābeklis - 21,0, argons - 0,9, oglekļa dioksīds - 0,03 tilpuma%) augstās difūzijas dēļ. gāzu ietilpība un pastāvīga sajaukšanās ar konvekcijas un vēja straumēm. Tomēr dažādiem gāzveida, pilienu-šķidruma un cieto (putekļu) daļiņu piemaisījumiem, kas no vietējiem avotiem nonāk atmosfērā, var būt nozīmīga ekoloģiska nozīme.

Augstais skābekļa saturs veicināja sauszemes organismu metabolisma palielināšanos salīdzinājumā ar primārajiem ūdens organismiem. Skābeklis, pateicoties tā pastāvīgi augstajam saturam gaisā, nav faktors, kas ierobežo dzīvību sauszemes vidē. Tikai vietām īpašos apstākļos veidojas īslaicīgs deficīts, piemēram, trūdošu augu atlieku uzkrājumos, graudu, miltu krājumos u.c.

Oglekļa dioksīda saturs noteiktās gaisa virsmas slāņa zonās var atšķirties diezgan ievērojamās robežās. Piemēram, ja centrā nav vēja lielajām pilsētām tā koncentrācija palielinās desmitkārtīgi. Diennakts ogļskābās gāzes satura izmaiņas virsējos slāņos ir regulāras, saistītas ar augu fotosintēzes ritmu, un sezonālas, ko izraisa dzīvo organismu, galvenokārt augšņu mikroskopiskās populācijas, elpošanas intensitātes izmaiņas. Paaugstināts gaisa piesātinājums ar oglekļa dioksīdu notiek vulkāniskās aktivitātes zonās, termālo avotu un citu šīs gāzes pazemes izplūdes vietu tuvumā. Lielā koncentrācijā oglekļa dioksīds ir toksisks. Dabā šādas koncentrācijas ir reti sastopamas.

Dabā galvenais oglekļa dioksīda avots ir tā sauktā augsnes elpošana. Oglekļa dioksīds no augsnes izkliedējas atmosfērā, īpaši enerģiski lietus laikā.

IN mūsdienu apstākļos spēcīgs papildu CO daudzuma avots 2 cilvēka darbība fosilā kurināmā sadedzināšanai atmosfērā.

Zemais oglekļa dioksīda saturs kavē fotosintēzes procesu. Iekštelpu apstākļos fotosintēzes ātrumu var palielināt, palielinot oglekļa dioksīda koncentrāciju; to izmanto siltumnīcu un siltumnīcu praksē. Tomēr pārmērīgs CO daudzums 2 izraisīt augu saindēšanos.

Gaisa slāpeklis lielākajai daļai sauszemes vides iedzīvotāju ir inerta gāze, taču virkne mikroorganismu (mezglu baktērijas, Azotobacter, klostridijas, zilaļģes u.c.) spēj to saistīt un iesaistīt bioloģiskajā ciklā.

Vietējie piemaisījumi, kas nonāk gaisā, var būtiski ietekmēt arī dzīvos organismus. Īpaši tas attiecas uz toksiskām gāzveida vielām - metānu, sēra oksīdu (IV), oglekļa monoksīdu (II), slāpekļa oksīdu (IV), sērūdeņradi, hlora savienojumiem, kā arī gaisu piesārņojošām putekļu, kvēpu u.c. daļiņām. industriālajos rajonos. Galvenais mūsdienu ķīmiskā un fiziskā atmosfēras piesārņojuma avots ir antropogēns: dažādu cilvēku darbs rūpniecības uzņēmumi un transports, augsnes erozija utt. Sēra oksīds (S0 2 ), piemēram, ir indīgs augiem pat koncentrācijā no vienas piecdesmit tūkstošdaļas līdz vienai miljonajai daļai no gaisa tilpuma. Ap rūpnieciskajiem centriem, kas piesārņo atmosfēru ar šo gāzi, gandrīz visa veģetācija iet bojā. Dažas augu sugas ir īpaši jutīgas pret S0 2 un kalpo kā jutīgs indikators tā uzkrāšanai gaisā. Piemēram, ķērpji mirst pat tad, ja apkārtējā atmosfērā ir sēra oksīda (IV) pēdas. To klātbūtne mežos ap lielajām pilsētām liecina par augstu gaisa tīrību. Izvēloties sugas ainavu veidošanai, tiek ņemta vērā augu izturība pret gaisa piemaisījumiem apmetnes. Jutīgs pret dūmiem, piem. egle un priede, kļava, liepa, bērzs. Visizturīgākās ir tūja, Kanādas papele, Amerikas līmvielas, plūškoks un daži citi.

3. nodaļa. Dažādu faktoru ietekme uz fotosintēzes ātrumu.

Fotosintēzes ātrums ir atkarīgs gan no gaismas intensitātes, gan temperatūras. Fotosintēzes ierobežojošie faktori var būt arī oglekļa dioksīda, ūdens, minerālvielu barošanas elementu koncentrācija, kas iesaistīti fotosintēzes aparāta konstrukcijā un ir organisko vielu fotosintēzes sākotnējās sastāvdaļas.

Nosakot fotosintēzes intensitāti, tiek izmantotas divas metožu grupas: 1) gasometriskā - absorbētā oglekļa dioksīda vai izdalītā skābekļa daudzuma reģistrēšana; 2) fotosintēzes laikā izveidotās organiskās vielas daudzuma uzskaites metodes.

Vienkārša un vizuāla "cietes testa" metode. Metode pamatojas uz fotosintēzes laikā uzkrātās cietes daudzuma noteikšanu un novērtēšanu, izmantojot joda šķīdumu kālija jodīdā.

3.1. "Cietes testa" metode

Mērķis . Iepazīstieties ar "cietes testa" metodi.

Pieredzes metodoloģija.

Augu bagātīgi laistiet, novietojiet siltā tumšā vietā (skapī vai atvilktnē) vai aptumšojiet atsevišķas lapas ar tumšiem bieza melna papīra maisiņiem. Tumsā lapas pamazām zaudē cieti, kas hidrolizējas līdz cukuriem un tiek izmantota elpošanai, augšanai un tiek izvadīta citos orgānos.

Pēc 3-4 dienām. pārbaudiet lapu atslāņošanos. Lai to izdarītu, no tumšas loksnes izgrieziet gabalus, ievietojiet mēģenē ar ūdeni (2 - 3 ml) un vāriet 3 minūtes, lai iznīcinātu šūnas un palielinātu citoplazmas caurlaidību. Pēc tam noteciniet ūdeni un vairākas reizes vāriet etilspirtā (katra 2-3 ml), šķīdumu mainot ik pēc 1-2 minūtēm, līdz lapas audu gabals ir mainījis krāsu (jāvāra ūdens vannā, jo alkohols var uzliesmot izmantojot spirta lampu!). Nolejiet pēdējo spirta porciju, pievienojiet nedaudz ūdens, lai lapu audi kļūtu mīksti (spirtā tie kļūst trausli), ievietojiet salvetes gabalu Petri trauciņā un apstrādājiet ar joda šķīdumu. Pilnībā krāsojot cieti, nav zilas krāsas un ir iespējams veikt eksperimentu ar šādām lapām. Ja cietes ir kaut neliels daudzums, ar lapu nevajadzētu rīkoties, jo tas apgrūtinās cietes veidošanās novērošanu. Cietes noņemšana jāpagarina vēl par 1-2 dienām.

Lapas, kurās nav cietes, jānogriež no auga, jāatjauno griezums zem ūdens un jānolaiž kāts mēģenē ar ūdeni. Labāk ir strādāt ar nogrieztām lapām, jo ​​jaunizveidotā ciete šajā gadījumā neplūst uz citiem orgāniem.

Lapas tiek novietotas dažādos apstākļos, ko paredz šī darba mērķi. Cietes uzkrāšanai lapas jātur vismaz 30-40 cm attālumā no 100-200 W lampas un jāizvairās no pārkaršanas ar ventilatoru. Pēc 1-1,5 stundām no katras opcijas lapām izgrieziet trīs vienādas formas auduma gabalus (aplis, kvadrāts), apstrādājiet tāpat kā pārbaudot cietēšanas pilnīgumu. Atkarībā no eksperimenta apstākļiem lapās uzkrāsies dažādi cietes daudzumi, ko var noteikt pēc tās ziluma pakāpes. Tā kā cietes uzkrāšanās atsevišķās lapas daļās var atšķirties, no tās tiek ņemti vismaz trīs gabali, lai analizētu tās saturu. Lai novērtētu rezultātus, tiek izmantotas trīs atkārtojumu vidējās vērtības.

Zilās lapas pakāpe tiek novērtēta punktos:

tumši zils - 3;

vidēji zils - 2;

vāji zils - 1;

bez krāsas - 0.

3.2. Fotosintēzes atkarība no gaismas intensitātes.

Mērķis . Noteikt fotosintēzes atkarību no apgaismojuma intensitātes.

Pieredzes metodoloģija.

Pelargonija lapas, sagatavotas eksperimentam, vieta: viena pilnīgā tumsā; otrais - uz izkliedētu dienas gaismu; trešais - uz spilgtu gaismu. Pēc noteiktā laika nosaka cietes klātbūtni lapās.

Izdariet secinājumu par gaismas intensitātes ietekmi uz fotosintēzes ātrumu.

Darba process.

Bagātīgi dzirdina ģerāniju, noliek siltā tumšā vietā (skapī).

Pēc 3 dienām tika pārbaudīta lapu atslāņošanās. Lai to izdarītu, no tumšas loksnes izgrieziet gabalus, ievietojiet mēģenē ar ūdeni (2–3 ml) un vāriet 3 minūtes, lai iznīcinātu šūnas un palielinātu citoplazmas caurlaidību. Pēc tam ūdeni notecināja un vairākas reizes vārīja ūdens peldē etilspirtā (2-3 ml katrā), mainot šķīdumu ik pēc 1-2 minūtēm, līdz lapas audu gabals mainīja krāsu. Viņi izlēja pēdējo spirta porciju, pievienoja nedaudz ūdens, lai mīkstinātu lapu audus (spirtā tie kļūst trausli), ievietoja audu gabalu Petri trauciņā un apstrādāja ar joda šķīdumu.

Mēs novērojam pilnīgu cietes atdalīšanu - nav zilas krāsas.

No auga tika nogrieztas lapas, kurās nebija cietes, griezumu atjaunoja zem ūdens, un kātiņu nolaida mēģenē ar ūdeni. Eksperimentam sagatavotās ģerānijas lapas tika novietotas: viena pilnīgā tumsā; otrais - uz izkliedētu dienas gaismu; trešais - uz spilgtu gaismu.

Pēc 1 stundas no katra varianta lapām tika izgriezti trīs vienādas formas audu gabali, kurus apstrādāja tāpat kā pārbaudot cietes noņemšanas pilnīgumu.

Rezultāts.

Lapu ziluma pakāpe tumsā ir 0 balles, izkliedētā gaismā - 1 punkts, spilgtā gaismā - 3 balles.

Izvade. Palielinoties gaismas intensitātei, palielinājās fotosintēzes ātrums.

3.3. Fotosintēzes intensitātes atkarība no temperatūras.

Mērķis . Noteikt fotosintēzes atkarību no temperatūras.

Pieredzes metodoloģija.

Novietojiet sagatavotās pelargonija lapas vienādā attālumā no spēcīga gaismas avota: vienu aukstumā (starp logu rāmjiem), otru telpas temperatūra. Pēc norādītā laika nosaka cietes klātbūtni.

Izdariet secinājumu par temperatūras ietekmi uz fotosintēzes ātrumu.

Darba process.

Lapas bez cietes tika novietotas vienādā attālumā no lampas: viena aukstumā (starp logu rāmjiem), otra istabas temperatūrā. Pēc 1 stundas no katra varianta lapām tika izgriezti trīs vienādas formas audu gabali, kurus apstrādāja tāpat kā pārbaudot cietes noņemšanas pilnīgumu.

Rezultāts.

Lapu ziluma pakāpe aukstumā ir 1 punkts, istabas temperatūrā - 3 balles.

Izvade. Paaugstinoties temperatūrai, palielinās fotosintēzes ātrums.

3.4. Fotosintēzes intensitātes atkarība no oglekļa dioksīda koncentrācijas atmosfērā.

Mērķis. Noteikt fotosintēzes intensitātes atkarību no oglekļa dioksīda koncentrācijas atmosfērā

Pieredzes metodoloģija.

Pelargonija lapas, kas sagatavotas darbam, liek traukā ar ūdeni, bet trauku - uz stikla gabala zem stikla vāciņa. Tur arī ievieto nelielu krūzīti ar 1-2 g sodas, kurā pievieno 3-5 ml 10% sērskābes vai sālsskābes. Nosedziet savienojumu starp stiklu un vāciņu ar plastilīnu. Otru lapu atstājiet klasē. Šajā gadījumā abu lapu apgaismojumam un temperatūrai jābūt vienādai. Pēc noteiktā laika ņem vērā lapās uzkrāto cieti, izdari secinājumu par CO2 koncentrācijas ietekmi uz fotosintēzes intensitāti.

Darba process.

Ģerānijas lapas, kas sagatavotas darbam, ievietoja traukā ar ūdeni, un trauku novietoja uz stikla gabala zem stikla vāciņa. Tur tika ievietota arī neliela krūze ar 2 g sodas, kurā pievienoja 5 ml 10% sālsskābes. Savienojums starp stiklu un vāciņu tika pārklāts ar plastilīnu. Klasē tika atstāta vēl viena lapa. Tajā pašā laikā abu lapu apgaismojums un temperatūra ir vienāda.

Rezultāts.

Zilās lapas pakāpe klasē - 2 punkti, zem cepures - 3 punkti.

Izvade. Palielinoties oglekļa dioksīda koncentrācijai atmosfērā, palielinās fotosintēzes ātrums.

Secinājums

Pabeidzot praktisko daļu pētnieciskais darbs, mēs secinājām, ka mūsu hipotēze ir apstiprināta. Patiešām, fotosintēzes intensitāte ir atkarīga no temperatūras, apgaismojuma, oglekļa dioksīda satura atmosfērā.

Informācijas avoti.

1. Lemeza N.A., Lisov N.D. Šūna ir dzīvības pamats. Proc. Ieguvums. - Minska: NKF "Ekoperspektīva", 1997.

2. Nikišovs A.I. Bioloģija. Abstrakts kurss. Studiju ceļvedis. - M .: TC "Sfēra", 1999.

3. Ponomareva I.N., Korņilova O.A., Kumčenko V.S. Bioloģija: 6. klase: Mācību grāmata izglītības iestāžu audzēkņiem / Red. prof. I.N. Ponomarjova. – M.: Ventana-graph, 2008.

4. Ponomareva I.N. Ekoloģija. – M.: Ventana-Graf, 2006.

5. Černova N.M., Bylova A.M. Ekoloģija: mācību grāmata biol. speciālists. ped. biedrs. - M.: Apgaismība, 1988. gads

Ponomareva I.N., Korņilova O.A., Kumčenko V.S. Bioloģija: 6. klase: Mācību grāmata izglītības iestāžu audzēkņiem / Red. prof. I.N. Ponomarjova. – M.: Ventana-graph, 2008.

Černova N.M., Bylova A.M. Ekoloģija: mācību grāmata biol. speciālists. ped. biedrs. - M.: Apgaismība, 1988. gads