6. Воздействие оптического излучения на растения. Спектр действия фотосинтеза

Из всех организмов на Земле только зеленые расте­ния могут самостоятельно преобразовывать энергию оп­тического излучения в химическую энергию органических веществ. Процесс создания в растениях богатых хими­ческой энергией органических веществ из минеральных под воздействием энергии излучения называют фото­синтезом. Влияние оптического излучения на растения много­сторонне. От условий облучения зависят не только фотосин­тез, но и многие другие физиологические процессы расте­ний: рост, развитие листьев и других органов. Однако ос­новным наиболее характерным процессом зеленых ра­стений является фотосинтез. Этим процессом в конечном счете определяется урожайность растений. Общее энергетическое действие излучения на расте­ния складывается из фотосинтезного и теплового. Погло­щенная растениями энергия излучения частично исполь­зуется на осуществление фотосинтеза, а часть ее идет на нагрев и испарение воды (транспирация). Фотосинтез-ным действием обладают излучения с длинами волн от 300 до 750 нм. Тепловое действие на растения могут ока­зывать не только видимое, но и УФ и ИК излучения. Это действие излучения в известной мере можно заменить нагревом растений от окружающей среды. Излучение действует на растения не только как ис­точник энергии, но и как своеобразный регулятор или раздражитель. Характерным примером такого действия излучения является фотопериодическая реакция растений. Чтобы вызвать эту реакцию, требуется во много раз меньшее количество энергии, чем для осуществле­ния фотосинтеза. Вызывать фотопериодическую реакцию растений и оказывать на нее влияние может также фото-синтетически неактивное излучение, например ИК. Ультрафиолетовое излучение с длинами волн короче 295 нм при поглощении протоплазмой клеток вызывает разрушение белковых веществ. Это излучение при боль­ших дозах оказывает вредное (разрушающее) воздей­ствие на растения. Зеленый лист растения поглощает 80 ...90% падающе­го на него суммарного фотосинтетически активного из­лучения, отражает 5... 10%, и примерно у всех зеленых растений эти соотношения носят одинаковый характер. В естественных условиях из всей энергии, падающей на растения, примерно 2% используется на фотосинтез, остальная поглощенная энергия излучения превращается в растении в тепло. К. А. Тимирязев впервые установил, что хлорофилл, поглощая энергию излучения, вступает в окислительно-восстановительную реакцию с СО₂ и Н₂О, в результате которой образуются углеводы и свободный кислород, ко­торым растения обогащают воздух. Фотосинтез — сложная многоступенчатая реакция. Часть элементарных реакций фотосинтеза может проте­кать только при наличии видимого излучения, а часть — в темноте. В связи с этим различают световую и темно-вую стадии фотосинтеза. Конечными продуктами фото­синтеза могут быть самые разнообразные органические вещества (углеводы, белки, жиры и т. д.). Общий путь превращения энергии излучения в про­цессе фотосинтеза в химическую энергию у всех видов растений одинаков. В установках, применяемых на практике для искус­ственного облучения растений, используют источники с неоднородным излучением. Для получения хорошо раз­витых растений и высокой продуктивности фотосинтеза источники в облучательных установках должны содер­жать в своем спектре все излучения области 300...750 нм. Спектральная интенсивность фотосинтеза разных ви-Дов растений различна. Она может быть также неоди­наковой для растений одного и того же вида, но выра­щенных в различных условиях или имеющих разный возраст или фазу развития,

Рис. 2.2. Световая кривая фо­тосинтеза:

/ — при температуре 20 °С; 2 — при температуре 10 °С.

Для разработки специ­альных источников для ус­тановок искусственного об­лучения растений важно знать некоторый средний спектр действия фотосин­теза.

На рисунке 2.1, а приве­ден спектр действия излуче­ния на так называемый средний лист растения (кри­вая 3).

У растений одновременно с процессом фотосинтеза происходит и процесс дыхания. Разлагая органические вещества, растения затрачивают на дыхание энергию. При этом они выделяют углекислый газ и поглощают кислород. При малых значениях облученности интен­сивность фотосинтеза бывает настолько мала, что усваи­ваемой при этом энергии недостаточно для покрытия расхода ее на дыхание. При низких облученностях про­цесс дыхания может преобладать над фотосинтезом. По мере повышения облученности наступает такое ее зна­чение, при котором количество энергии, накапливаемой растением путем фотосинтеза, равно энергии, расходуе­мой на дыхание. Облученность, при которой фотосинтез уравновеши­вается дыханием, называют компенсационной. При повышении облученности, начиная от компенсационного значения, интенсивность фотосинтеза возрастает пропор­ционально облученности. Как видно из рисунка 2.2, прямолинейный участок световой кривой фотосинтеза заканчивается при некото­ром значении облученности и начинается плавный изгиб, который затем переходит в плато насыщения. 'Значение облученности, начиная с которого дальнейшее увеличение ее не приводит к повышению интенсивности фотосинте­за, называют насыщающим. Компенсационное и насыщающее значения облучен­ности для разных видов растений могут быть разными. Эти значения облученности зависят от внешних условий произрастания растений и их физиологического состоя­ния.