чем состоит связь дыхания и фотосинтеза у растений

Преобразование энергии путем фотосинтеза и дыхания

Все живое на поверхности нашей планеты дышит являясь составной частью биосферы. Фотосинтез и дыхание осуществляют газообмен в биосфере.

Фотосинтез — процесс в результате которого высвобождается энергия получаемая от Солнца. С помощью хлорофилла у растений, бактериохлорофилла и бактериородопсина у бактерий солнечное излучение превращается в химическую энергию. Она преобразовывается в сахар, крахмал, жиры, белки и прочие энергетически богатые вещества. Такой процесс называется фотосинтезом.

Дыхание — изменение преобразующее эту энергию для клеток живых организмов. Известно, что любому организму для жизни необходима энергия. Таким образом, фотосинтез и дыхание взаимосвязанные процессы.

Образно выражаясь, фотосинтез — способ с помощью которого солнечные ресурсы попадают в биосферу в которой живет в том числе и человек.

Процесс преобразования солнечной энергии

Важнейшим химическим элементом в процессе фотосинтеза является углерод, поскольку он способен образовывать молекулярные цепочки. На суше это явление происходит прежде всего в зеленых растениях. В морях солнечное излучение поглощается одноклеточными организмами, известными под названием фитопланктона, содержащими хлорофилл, то есть зелень листьев. Фитопланктон использует для этого углекислый газ, растворенный в морской воде.
За один год с помощью образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету извлекается в общей сложности 200 миллиардов тонн углерода. Атомы углерода связаны в сложных молекулах организмов в биомассу. 90 ТВт – именно такое количество солнечного излучения ежесекундно превращается в химическую энергию биомассы для дальнейшего использования энергии.

Биомасса — это вещество, из которого состоит вся биосфера. Ежесекундно содержимое этой гигантской кладовой энергии уменьшается на 90 ТВт, используемых в процессе дыхания живых организмов, их отмирания, сгорания древесины, растительных и органических отходов. Но в то же время одинаковое количество солнечной энергии за счет светимости Солнца поступает в биосферу путем фотосинтеза (90 ТВт).

Организмы освобождают энергию из органического вещества биомассы (то есть пищи) в процессе дыхания. При этом используется кислород воздуха и вырабатывается углекислый газ и водяной пар.

Таким образом, дыхание — это процесс противоположный фотосинтезу.

Фотосинтез и дыхание дополняют друг друга обеспечивая нормальное течение метаболизма (обмена веществ). Они взаимообусловлены и не могут существовать отдельно. Ведь эти жизненно важные процессы возникли одновременно два миллиарда лет тому назад.

Источник

Взаимосвязь между фотосинтезом и дыханием

Физиологические функции фотосинтеза и дыхания — основа сложного комплекса обмена веществ и энергии зеленого растения. Фотосинтез и дыхание — процессы противоположные. При фотосинтезе углекислый газ и вода поглощаются, тогда как во время дыхания они освобождаются. В первом случае СО₂ и вода являются исходными соединениями для синтеза органических веществ, а во втором — конечными продуктами их распада в процессе дыхания.

Энергетически фотосинтез является процессом, направленным против градиента увеличения энтропии, тогда как процесс дыхания идет по градиенту уменьшения количества свободной энергии и сопровождается увеличением энтропии. Подтверждением этого могут быть такие факты: растения С₄-типа более урожайны, так как у них почти отсутствует фотодыхание; полуденная депрессия фотосинтеза при повышении температуры у ряда растений обусловлена усилением фотодыхания; для уменьшения интенсивности дыхания растений в ночное время в теплицах снижают температуру воздуха и т. д.

По мере изучения процессов фотосинтеза и дыхания накапливается все больше экспериментальных данных, которые свидетельствуют о глубокой взаимосвязи между этими процессами. Фотосинтез и дыхание на свету проходят одновременно с взаимно противоположным обменом углекислого газа и воды. Взаимосвязь между фотосинтезом и дыханием видна из приведенных ниже схем (рис. 46, 47).

Рис. 46. Связь между фотосинтетическим циклом и циклом трикарбоновых кислот.

Поворотным пунктом от фотосинтетического углеродного цикла к циклу ди- и трикарбоновых кислот является фосфоглицериновая кислота (ФГК). При ее интенсивном восстановлении с использованием энергии АТФ и участием НАДФН₂ происходит восстановительное превращение углерода (фотосинтез), а если осуществляется дефосфорилирование ФГК с последующим синтезом пировиноградной кислоты, то может образоваться ацетил-КоА, и превращение углерода будет проходить в цикле ди- и трикарбоновых кислот (дыхание).

Рис. 47. Зависимость между фотосинтетическим и дыхательным, циклами.

Из других промежуточных продуктов фотосинтеза следует отметить фосфоглицериновый альдегид, фосфодигидрооксиацетон, фруктозо-1,6-дифосфат и др. Эти промежуточные продукты фотосинтеза могут быть субстратом для дыхания (А. Моиз). Фиксация и восстановление СО₂ осуществляются в хлоропластах с участием процесса &#946-карбоксилирования и образования органических кислот и аминокислот, часто одинаковых для фотосинтетического и дыхательного циклов. Кроме того, электронно-транспортная цепь (ЭТЦ) фотосинтеза по своим каталитическим системам идентична ЭТЦ дыхания. В частности, общим для обеих ЭТЦ является участие бензохиноновых соединений коэнзима Q: убихинона — при дыхании и пластохинона — при фотосинтезе.

Дыханию и фотосинтезу присущ общий кофермент никотинамидадениндинуклеотидфосфат — НАДФ. Как известно, он довольно широко распространен в природе и служит коферментом ряда дегидрогеназ, связанных с переносом электрона в процессе дыхания. Доказано также, что это соединение играет значительную роль в процессе фотосинтетического переноса электрона. Кроме дегидрогеназ, к общим для фотосинтеза и дыхания относятся такие ферменты, как киназа ФГК, изомераза триозофосфата, альдолаза, фосфатаза, транскетолаза, цитохромы (Fe-порфирины), родственные Mg-порфиринам (хлорофиллы). Общей для фотосинтетического и окислительного фосфорилирования является аденозинтрифосфорная кислота — АТФ, имеющая макроэргические связи. АТФ называют универсальной энергетической валютой живой клетки. В процессе дыхания источником электронов служит водород дыхательного субстрата. Известно, что весь водород органических веществ генетически связан с водой, поскольку их синтез осуществлялся с участием воды. Следовательно, вода как первоисточник электронов и протонов (водорода) присуща и дыханию, и фотосинтезу, а первоисточником энергии, получаемой электроном, являются кванты света.

Доказано, что электронный поток в хлоропластах и митохондриях связан с синтезом АТФ через электрохимический градиент водорода. О единстве фотосинтеза и дыхания свидетельствуют опыты, в которых было доказано, что более интенсивному фотосинтезу растений соответствует и более активное дыхание, т. е. между фотосинтезом и дыханием существует положительная корреляция. Доказано также, что для обеспечения: максимальной продуктивности посева должна происходить адаптация фотосинтетического аппарата к среднему радиационному режиму посева: чем меньше радиации получено листьями, тем меньше должен быть уровень плато их световых кривых (светонасьпцения) и тем менее интенсивным должно быть их дыхание. Наоборот, лист, который имеет высокоактивный фотосинтетический аппарат, показателем чего является высокое плато световой кривой фотосинтеза, отличается и более интенсивным дыханием (Ю. К. Росс). Наконец, электронно-микроскопические исследования показали, что иногда в клетке митохондрии плотно располагаются вокруг хлоропластов, что также свидетельствует о возможной контактной взаимосвязи этих энергетических центров клетки.

По данным А. Моиза, промежуточные продукты могут выделяться и диффундировать из хлоропластов в митохондрии и наоборот. При этом обмен продуктов неполного окисления обеспечивает синтез соединений с перестроенными углеродными звеньями, в частности некоторых аминокислот и хлорофилла.

Таким образом, фотосинтез и дыхание ассимилирующих клеток высших растений — это два противоположных процесса, но в зависимости от условий и функций клеток или органов растений они обеспечивают непрерывный биосинтез органических веществ. Основная роль в биосинтезе органических соединений, метаболизме веществ и энергии в зеленом растении принадлежит фотосинтезу.

Фотосинтез и дыхание, их соотношение, в конечном счете определяют урожайность сельскохозяйственных растений.

где М — сухая масса всего растения (без азота и золы) за весь вегетационный период; м — масса опавших за время вегетации частей растения; f — интенсивность фотосинтеза; а — интенсивность дыхания; Р — фотосинтезирующая площадь; Р₁ — масса растения; Т — длительность фотосинтетической деятельности растения; Т₁ — время дыхания.

В этом уравнении достаточно полно отображено соотношение между процессом фотосинтеза и накоплением сухой массы растения.

Фотосинтез, как правило, является фактором, определяющим урожай, а расход органического вещества на дыхание и опадение частей растения раньше учитывался лишь в случае его болезни (В. А. Бриллиант).

Исходя из современных представлений дыхание характеризуется как элемент продукционного процесса растений, показатели которого применяются для оценки эффективности превращения ассимилятов в биомассу растения, взаимоотношения дыхания с фотосинтезом и ростом, с процессами транспорта, распределения и реутилизации веществ, устойчивости растений. Рассмотрим основные из этих показателей.

где P_g — брутто-фотосинтез целого растения (количество поглощенного СО₂); Р_n — нетто-фотосинтез надземной части за дневные часы (количество поглощенного СО₂ без выделенного на дыхание); R_t — дыхание целого растения за сутки; R_r — дыхание корней за сутки; R₈ — дыхание надземной части за ночные часы.

В том случае, если расход на дыхание относят к единице биомассы растения, получают удельное дыхание (УД, г СН₂О/г сут). Величина УД для разных видов и условий произрастания колеблется от 0,01 до 0,08 г СН₂О/г сут. У молодых растений первые 1-2 нед жизни УД=0,2-0,3 г СН₂О/г сут.

Обычно это соотношение составляет 30-60%, что позволяет судить об эффективности продуцирования биомассы разными видами или одним и тем же видом растений в различных условиях произрастания и выявить, насколько сельскохозяйственные культуры и сорта экономно используют ассимиляты на дыхание. При этом в стрессовых условиях фотосинтез подавляется быстрее, чем дыхание (Т. К. Головко).

Применяют также коэффициент эффективности роста в результате дыхания (КЭР). Эта величина у различных сельскохозяйственных культур варьирует от 0,3 до 0,8.

Установлено, что чем выше указанный коэффициент, тем ниже эффективность превращения субстрата в структурную биомассу. Для оценки выхода биомассы в результате образования ассимилятов в растении служит индекс I, показывающий, сколько единиц вегетативной массы синтезируется из единицы углеводов; обычно I = 0,65-0,85.

Установлено также, что чем выше содержание белка и липидов в биомассе и чем больше глюкозы используется для восстановления нитратов, тем ниже эффективность роста (Т. К. Головко).

Таким образом, разделение дыхания на компоненты позволяет получить информацию не только для понимания физиологической сущности самого процесса, но и для анализа направленности и интенсивности продукционного процесса и конечной продуктивности целого растения.

Дополнительные материалы по теме:

Источник

Особенности процессов дыхания и фотосинтеза у растений. Дыхание и фотосинтез растений

Дыхание и обмен веществ у растений

Растения, как все живые организмы, постоянно дышат. Для этого им необходим кислород. Он нужен и одноклеточным, и многоклеточным растениям. Кислород участвует в процессах жизнедеятельности клеток, тканей и органов растения.

Большинство растений получает кислород из воздуха через устьица и чечевички. Водные растения потребляют его из воды всей поверхностью тела. Некоторые растения, произрастающие на заболоченных местах, имеют особые дыхательные корни, поглощающие кислород из воздуха.

Дыхание – сложный процесс, протекающий в клетках живого организма, в ходе которого при распаде органических веществ высвобождается энергия, необходимая для процессов жизнедеятельности организма. Основным органическим веществом, участвующим в дыхательном процессе, являются углеводы, главным образом сахара (особенно глюкоза). Интенсивность дыхания у растений зависит от количества углеводов, накопленных побегами на свету.

Дыхание – это протекающий с участием кислорода процесс распада органических питательных веществ до неорганических (углекислого газа и воды), сопровождающийся выделением энергии, которая используется растением для процессов жизнедеятельности.

Дыхание – процесс, противоположный фотосинтезу. Сравним процессы дыхания и фотосинтеза в клетках зеленого листа растения.

Процесс дыхания связан с непрерывным потреблением кислорода днем и ночью. Особенно интенсивно идет процесс дыхания в молодых тканях и органах растения. Интенсивность дыхания обусловлена потребностями роста и развития растений. Много кислорода требуется в зонах деления и роста клеток. Образование цветков и плодов, а также повреждение и особенно отрывание органов сопровождается усилением дыхания у растений. По окончании роста, с пожелтением листьев и особенно в зимнее время интенсивность дыхания заметно снижается, но не прекращается.

Дыхание – непременное условие жизни растений.

Чтобы жить, растение обязательно должно получать путем питания и дыхания необходимые ему вещества и энергию.

Поглощенные вещества в процессе преобразований в клетках и тканях становятся веществами, из которых растение строит свое тело. Все преобразования веществ, происходящие в организме, всегда сопровождаются потреблением энергии. Зеленое растение (как автотрофный организм), поглощая световую энергию, преобразует ее в химическую и накапливает в сложных органических соединениях. В процессе дыхания при расщеплении органических веществ эта энергия высвобождается и используется растением на преобразование веществ и процессы жизнедеятельности, которые происходят в клетках.

Оба эти процесса – фотосинтез и дыхание – идут путем последовательных многочисленных химических реакций, в которых одни вещества преобразуются в другие.

Например, в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуются сахара, которые затем через ряд промежуточных реакций превращаются в крахмал, клетчатку или белки, жиры и витамины – вещества, необходимые растению для питания и запасания энергии.

Весь процесс дыхания протекает в клетках растительного организма. Он состоит из двух этапов, в ходе которых сложные органические вещества расщепляются на более простые, неорганические – углекислый газ и воду. На первом этапе при участии специальных белков, ускоряющих процесс (ферментов), происходит распад молекул глюкозы. В итоге из глюкозы образуются более простые органические соединения и выделяется немного энергии. Этот этап дыхательного процесса происходит в цитоплазме.

На втором этапе простые органические вещества, образовавшиеся на первом этапе, взаимодействуя с кислородом, окисляются – образуют углекислый газ и воду. При этом высвобождается много энергии. Второй этап дыхательного процесса протекает только с участием кислорода в специальных органоидах клетки – митохондриях.

Таким образом, в процессе дыхания происходит расщепление более сложных органических веществ на простые неорганические соединения – углекислый газ и воду. При этом растение обеспечивается высвобождающейся энергией. Одновременно идет передача различных химических элементов из одних соединений в другие. Эти превращения веществ в организме называют обменом веществ. Обмен веществ – один из важных признаков жизни.

Обмен веществ – это совокупность протекающих в организме различных химических превращений, обеспечивающих рост и развитие организма, его воспроизведение и постоянный контакт с окружающей средой.

Обмен веществ связывает все органы организма в единое целое. Вместе с этим благодаря обмену веществ организм объединяется с окружающей средой. Из нее растение поглощает вещества через корни и листья и выделяет в среду продукты своей жизнедеятельности. Дыхание, как и питание, – необходимое условие обмена веществ, а значит, и жизни организма.

Таблица 3.2. Характерные черты процессов фотосинтеза и дыхания

1. Видоизменения подземных побегов

2. Происхождение растений. Перейдите по ссылке http://tepka.ru/biologiya_5/24.html

3. Вегетативное размножение.

Воздушное питание растений – фотосинтез. Фотосинтез – создание органических веществ. Корневое питание дает растению только минеральные соли и воду. Органические вещества и заключенную в них энергию растение получает в процессе фотосинтеза (от греч. фотос – «свет» и синтезис – «соединение»). Фотосинтез протекает в хлоропластах. В ходе этого процесса за счет энергии солнечного света растение с помощью зеленого хлорофилла листьев образует необходимые ему органические вещества из неорганических – углекислого газа и воды. Так как основным поставщиком углекислого газа для фотосинтеза является воздух, то этот способ получения растением органических веществ называют воздушным питанием.

Фотосинтез всегда поддерживается корневым питанием – поглощением из почвы воды и минеральных солей. Без воды фотосинтез не происходит.

Зеленый лист – специализированный орган воздушного питания. Благодаря плоской форме листовой пластинки лист имеет большую поверхность соприкосновения с воздушной средой и солнечным светом. Присутствие же в мякоти листа многочисленных хлоропластов с хлорофиллом создает огромную фотосинтезирующую поверхность, превращая таким образом лист в могучую фабрику образования органических веществ.

Роль света в фотосинтезе. Доказать, что зеленое растение только на свету образует органические вещества, можно простым опытом. Зеленое растение, например пеларгонию зональную (герань), помещают в темный шкаф. Через 2-3 дня у этого растения черной бумагой или фольгой затемняют небольшую часть одного листа и ставят растение на свет. Через 8-10 часов срезают этот лист, снимают с него затемняющую пластинку. Затем для обесцвечивания листа его кипятят в спирте (при этом разрушается хлорофилл и зеленая окраска исчезает). После этого лист помещают в раствор йода. В результате проведения опыта можно увидеть, что незатемненная часть листа, содержавшая крахмал, посинела (крахмал от йода становится синим), тогда как затемненная часть листа приобрела желтый цвет йода. Это свидетельствует о том, что здесь, в затемненной части листа. крахмал не образовался, так как клетки листа не получали световой энергии. Крахмал – это органическое вещество, которое растение образует на свету в процессе фотосинтеза.

процесс, в котором зеленое растение из неорганических веществ (углекислого газа и воды) с использованием энергии солнечного света образует органические вещества – углеводы (глюкозу. фруктозу, крахмал), а также кислород.

Плауны. Хвощи. Папоротники.арство растений. Хвощи

Современные хвощи – многолетние травянистые растения с жестким стеблем и хорошо развитым подземным корневищем. От корневища отходят придаточные корни. Характерна членистость побегов. На стеблях в узлах мутовки ветвей и мелких чешуевидных листьев.

Хвощи (слева направо): спороносный и бесплодный стебли полевого хвоща, лесной хвощ, луговой хвощ

Питание автотрофное – хлорофилл содержится в хлоропластах зеленых клеток летних побегов. Весной на корневищах вырастают побеги, которые заканчиваются спороносными колосками. Здесь формируются споры. Созревшие споры высыпаются и, попав в благоприятные условия, прорастают, образуются разнополые гаметофиты – половое поколение. Оплодотворение происходит в воде.

Развитие бесполого поколения хвоща – спорофит:

– Заросток (гаметофит) спермии + яйцеклетка зигота спорофит (зародыш) спора заросток (гаметофит).

Хвощи растут на полях, в лесах или около водоемов обычно на участках с влажной почвой (сохранилось всего около 30 видов). На полях, где живут хвощи, почва нуждается в известковании.

На хвощёвой подкормке коровы и козы дают больше молока. Питаются хвощами и некоторые дикие животные — олени и кабаны. В то же время для лошадей хвощи являются ядовитыми растениями.

В медицине используются препараты хвоща полевого, которые обладают разносторонним и разнообразным действием. Их применяют как мочегонное, противовоспалительное, кровоостанавливающее, общеукрепляющее, ранозаживляющее и вяжущее средство. Помогают они при сердечной недостаточности, улучшают водно-солевой обмен. В составе различных сборов хвощ применяют для лечения гипертонической болезни, подагры и заживления ран. Эффективно растение при отёках различного происхождения и экссудативных (влажных) плевритах.

В народной медицине область применения хвоща та же. Кроме того, считают, что трава хвоща помогает при некоторых злокачественных новообразованиях, внутренних и наружных кровотечениях, жёлчно- и почечнокаменной болезни.

Царство растений. Плауны

Многолетние вечнозеленые, травянистые растения с прямостоячими и ползучими побегами, встречаются в хвойных и смешанных лесах. Произошли от псилофитов. От стелющихся по земле участков побега отходят придаточные корни. Листья мелкие, различной формы, располагаются на побегах поочередно, супротивно или мутовчато.

Плауны (слева направо): плаун-баранец, плаун булавовидный, плаун годичный

Размножение вегетативное – за счет отмирания участков старых побегов и укоренения жизнеспособных фрагментов, которые дают начало новым растениям. Бесполое размножение осуществляется и спорами.

Виды плаунов используют как лекарственные, красильные, косметические и декоративные растения.

В научной медицине применяют споры (обычно плауна булавовидного) — прежде в России их называли ликоподий, или плаунное семя — для приготовления детских присыпок, пересыпания пилюль. Споры содержат до 50 % жирного невысыхающего масла, алкалоиды, фенольные кислоты, белки, сахара, минеральные соли. Наравне со спорами этого вида используют споры плаунов годичного и сплюснутого.

Заготовку спор производят в конце лета — начале осени, после пожелтения спороносных колосков. Колоски срезают ножницами или острым ножом, обычно в сырую погоду, складывая в мешочки из плотной ткани, затем высушивают на открытом воздухе и просеивают через мелкое сито для отделения спор.

В народной медицине споры плаунов применяют как заживляющее средство для засыпки ран, ожогов, обморожений, при экземах, фурункулах, лишаях, рожистых воспалениях. Стебли используют при заболеваниях мочевого пузыря, печени, дыхательных органов, при недержании мочи, болях в желудке, при геморрое, диспепсиях и ревматизме.
Побеги плауна-баранца применяются как рвотное, слабительное средство, для лечения хронического алкоголизма и табакокурения. Всё растение плауна-баранца содержит ядовитый алкалоид селягин, поэтому лечение должно проводиться под наблюдением врача.

В ветеринарии применяют плауны сплюснутый и баранец, для лечения поноса у коров. Отвар из побегов имеет также и инсектицидное действие, им моют животных (коров, коней, овец, свиней) для защиты от паразитов.

В косметологии плауны применяют при фурункулёзе и против облысения.

Споры также применяют в металлургии для обсыпания форм при фасонном литье — при сгорании их образуется слой газов, препятствующих прилипанию изделия и придающих металлу гладкую поверхность.

В пиротехнике споры иногда добавляют в составы бенгальских огней.

Стебли всех видов плауна дают синюю краску, пригодную для окрашивания тканей.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Источник