6.5 Поняття про процес фотосинтезу

Фотосинтез у найбільш загальному розумінні - це засвоєння вуглекислого газу рослинами й відновлення вуглецю з утворенням органічних речовин за участю поглиненої енергії світла й виділенні вільного кисню. Узагальнена схема процесу фотосинтезу зображена на мал. 6.5, представленому в роботі В.Е. Некоса, з якої запозичені наступні положення.

У процесі фотосинтезу виділяють три фази:

1) фотофізична - поглинання фотона світла й перехід його енергії в збуджений стан електронів;

2) фотохімічна - перехід енергії збудженого стану електронів в енергію хімічних зв'язків;

3) біохімічна - що включає процеси перетворення органічних речовин аж до утворення кінцевих продуктів фотосинтезу. Реакції біохімічної фази відбуваються за участю ферментів і стимулюються температурою, тому цю фазу йменують також термохімічною. Частіше дві перші фази називають світловими, а біохімічну - темновою, тому що для неї світло необов'язкове.

У спрощену формулу фотосинтезу входять по 6 молекул вуглекислоти (СО₂) і води (Н₂О). У результаті фотосинтез призводить до утворення однієї молекули вуглеводню (глюкози С₆Н₁₂О₆) і 6 молекул кисню (О₂).

(6.1)

Дослідження показали, витрати енергії власне на синтез біомаси дуже невеликий - усього 0.1-1% від загальної кількості сонячної радіації, що поступила. Те ж саме слід зазначити й про приріст сухої біомаси рослин за період біосинтезу - вона по вазі в 300 разів менше витрати транспірування води за цей же період. Таким чином, у природних умовах рослинний покрив освоює тільки незначну частину наявних енергетичних і водних ресурсів.

Причини цього явища пояснюються будовою випарювального листа рослини - він пронизаний безліччю малих отворів - устячок, які можуть відкриватися й закриватися. У листі міститься багато хлоропластів із великою кількістю зерен хлорофілу. Поверхня хлоропластів сполучається з атмосферним повітрям через устячка, через них надходить з повітря вуглекислота. Тому для розвитку процесу фотосинтезу поверхня хлоропластів повинна постійно знаходитися в зволоженому стані, оскільки вуглекислота може асимілюватися тільки у вигляді водного розчину. Тому відносна вологість повітря в міжкліточниках велика й значно перевищує відносну вологість атмосферного повітря. У листі спостерігається підвищена дифузія водяної пари в атмосферу, тобто транспірування рослини. Звідси й така непомірна витрата води.

Окрім цього, колосальна енергія витрачається на підтримку різниці температур листа й повітря в літніх умовах. Звичайно, ця різниця складає близько 5°С.

Таким чином, продуктивність рослини істотно обмежена метеорологічними чинниками на різних рівнях рослинного покриву, тобто особливостями фотосинтезу по вертикалі.

У процесах фотосинтезу бере участь тільки фотосинтетична активна радіація (ФАР). Сонце випускає широкий спектр випромінювань. Рослини можуть використовувати енергію тільки певної частини цього спектра в діапазоні випромінювань з довжиною хвилі 400-700 нм., яку називають випромінюванням ФАР. Саме радіація ФАР забезпечує фіксацію вуглецю в тканинах рослин за допомогою пігментів на зернах хлорофілу. На цей діапазон припадає всього лише 14% всієї енергії Сонця, що досягає земної поверхні. Решта частини сонячного спектра не може служити джерелом енергії для земних рослин.

Дихання рослин. У найбільш загальній формі дихання - це процес зворотний фотосинтезу - молекула глюкози, взаємодіючи з 6 молекулами кисню, розчленовується на 6 молекул води й 6 молекул вуглекислоти. При цьому з одного моля глюкози (180 г) виділяється енергія 674 ккал теплоти.

Дихання займає величезне місце в життєдіяльності рослин. У ході цього процесу утворюються різноманітні органічні речовини, які використовуються для синтезу білків і інших важливих речовин.

Питання для самоперевірки.

1. Передача маси й енергії речовин по трофічних ланцюгах.

2. Основні закономірності кругообігу речовин у водній екосистемі.

3. Роль транспірації в кругообігу води.

4. Кругообіг вуглецю, його роль у глобальному потеплінні клімату.

5. Кругообіг кисню.

6. Кругообіг азоту.

7. Процес фотосинтезу, його фази.