Биологический каталог




Фотосинтез

Автор Д.Холл, К.Рао

за дополнена новыми фактами, доложенными на Международном конгрессе по фотосинтезу в 1980 г. Переработаны также иллюстрации, а список литературы составлен заново.

Мы выражаем благодарность читателям и критикам за предложения, позволившие улучшить книгу, и готовы обсуждать новые замечания и комментарии и искать пути разрешения возникающих сомнений и вопросов.

Д. Холл К. Рао

Лондон, 1981 г.

1. Значение и роль фотосинтеза

1.1. Основной источник энергии

Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под действием света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс, посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганического сырья. Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют ее для синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию, поедая растения или других животных, питающихся растениями. Итак, в конечном счете источником энергии для всех метаболических процессов на нашей планете служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим для поддержания всех форм жизни на Земле.

Мы пользуемся ископаемым топливом — углем, природным газом, нефтью и т.д. Все эти виды топлива — не что иное, как продукты разложения наземных и морских растений или животных, и запасенная в них энергия была миллионы лет назад получена из солнечного света. Ветер и дождь тоже обязаны своим возникновением солнечной энергии, а следовательно, энергия ветряных мельниц и гидроэлектростанций в конечном счете также обусловлена солнечным излучением.

Важнейший путь химических реакций при фотосинтезе— это превращение углекислоты и воды в углеводы и кислород. Суммарную реакцию можно описать уравнением

Солнечный свет

С02 + Н20 >- [СН20] + 02. (Ы)

Растения углевод

Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СОг и НгО. Таким образом, за счет энергии Солнца энергетически бедные вещества СОз и Н2О превращаются в богатые энергией продукты — углеводы и кислород. Энергетические уровни различных реакций, описанных суммарным уравнением (1.1), можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения потенциалов показывают, сколько энергии запасается или растрачивается в каждой из реакций; подробнее мы познакомимся с этим в гл. 4. Итак, фотосинтез можно рассматривать как процесс преобразования лучистой энергии Солнца в химическую энергию растительных тканей.

1.2. Цикл двуокиси углерода

Содержание СО2 в атмосфере остается почти постоянным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и животные дышат. В процессе дыхания (в митохондриях) кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями, используется для окисления углеводов и других компонентов тканей с образованием в конечном счете двуокиси углерода и воды и с сопутствующим выделением энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в виде высокоэнергетического соединения— аденозинтрифосфа-та (АТР), который и используется организмом для выполнения всех жизненных функций. Таким образом, дыхание приводит к расходованию органических веществ и кислорода и увеличивает содержание СО2 на нашей планете. На процессы дыхания во всех живых организмах и на сжигание всех видов топлива, содержащего углерод, в совокупности расходуется в масштабах всей Земли в среднем около 10 000 тонн О2 в секунду. При такой скорости потребления весь кислород в атмосфере должен бы иссякнуть примерно через 3000 лет. К счастью для нас, расход органических веществ и атмосферного кислорода уравновешивается созданием углеводов и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных условиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в тех же тканях. Таким образом, фотосинтез служит очень важным фактором, регулирующим содержание О2 и СОг

Солнечная энергия и растения (фотосинтез)

сог+нго

Дыхание у растений и животных

в атмосфере Земли. Весь цикл взаимосвязанных процессов можно схематически изобразить, как показано на рис. 1.1. В ходе фотосинтеза вся имеющаяся в атмосфере двуокись углерода проходит через растения в среднем за 300 лет, а весь кислород совершает свой цикл за 2000 лет.

Следует пояснить, что энергия, высвобождающаяся при дыхании, в конечном счете рассеивается живыми организмами в виде тепла и поэтому непригодна для повторного использования в рассмотренном выше цикле. Следовательно, в течение многих миллионов лет энергия постоянно поступала от Солнца и терялась в земной атмосфере в виде тепла. Но и той энергии, которая еще остается в Солнце, достаточно, чтобы процесс фотосинтеза продолжался в течение грядущих миллионов лет.

1.3. Превращения энергии и эффективность фотосинтеза

Солнечная энергия, достигающая в течение года атмосферы Земли, составляет примерно 56 • 1023 Дж. Около половины этой энергии отражается облаками и газами в верхних слоях атмосферы и не попадает на Землю, Из той энергии, которая достигает поверхности Земли, лишь 50% приходится на спектральный диапазон, соответствующий видимому излучению, которое способно вызвать фотосинтез, а другая половина — это инфракрасное излучение. Таким образом, годовое поступление энергии в виде фотосинтетически активной радиации, т. е. в виде света от фиолетового до красного, составляет в масштабах всей Земли около 15-1023 Дж. Однако примерно 40% этой энергии отражается .поверхностью океанов, попадает в пустыни и т, п., и лишь оставшаяся доля может быть поглощена наземными и водными растениями. Согласно приведенным в последнее время данным, аутотрофные растения производят за год примерно 2* 10й тонн биомассы, что эквивалентно энергии 3-1021 Дж. Около 40% этого органического материала синтезируется фитопланктоном, мельчайшими растениями, обитающими вблизи поверхности океанов. Ежегодное потребление продуктов питания всем населением Земли (если считать численность населения равной 4,3 млрд. человек) составляет около 800 млн. тонн, или 13? 1018 Дж. Таким образом, получается, что средний коэффициент использования фотосинтетически активной радиации всей флорой нашей планеты составляет всего лишь 0,2% (3-1021/15• 1023), но и из той энергии, которая была поглощена в процессе фотосинтеза, человечество потребляет в виде энергии питательных веществ менее 0,5% (13* 1018/3 • 1021). Интересно отметить, что в 1976 г. потребление энергии в мировом масштабе составило 3-Ю20 Дж, или одну десятую долю энергии, запасенной за год благодаря фотосинтезу! По сути дела, энергия, содержащаяся в биомассе, имеющейся на сегодняшний день на поверхности Земли (90% этой биомассы составляют деревья), эквивалентна всем нашим разведанным запасам ископаемого топлива, т. е. угля, нефти и газа; а эти запасы по запасенной в них энергии приблизительно соответствуют чистой продукции фотосинтеза всего лишь за 100 лет.

1.4. Спектр солнечного излучения

Свет — это один из видов электромагнитного излучения. Любое электромагнитное излучение имеет волновые свойства и распространяется (в пустоте) с одной и той же скоростью, равной 3-108 м/с (скорость света обозначается буквой с). При этом разные виды электромагнитного излучения различаются по длине волны, т. е. по расстоянию между ее соседними максимумами. Длины волн, соответствующие гамма-излучению и рентгеновским лучам, очень малы (меньше 10~и м), в то время как длины радиоволн могут составлять сотни метров. Длины волн видимого света принято выражать в нанометрах. Один нанометр — это одна миллиардная часть метра (1 нм=10~9 м). Со времен Исаака Ньютона известно, что, пропуская белый свет через призму, можно разложить его в спектр, напоминающий радугу. Видимый участок спектра простирается от фиолетовых лучей с длиной волны около 380 нм до красных лучей с длинами волн до 750 нм (рис. 1.2).

Атмосфера Солнца состоит в основном из водорода. Энергия, излучаемая Солнцем, выделяется при слиянии четырех ядер водорода с образованием одного ядра гелия:

4 1Н гНе+ 2е~ + Ь (энергия). (1.2)

Эта энергия, высвобождающаяся при слиянии ? ядер, поддерживает температуру поверхности Солнца на уровне около 6000 К. Электромагнитное излучение- Солнца охватывает очень широкий диапазон. Но атмосфера Земли прозрачна лишь для небольшой его части — она пропускает часть ультрафиолетового, часть инфракрасного излучения и весь видимый свет. Ультрафиолетовое излучение, длины волн которого несколько меньше, чем у

Длина волиы, см

10

.12

1010

JQ"

10'

10"

102

ш1

10'

I

Космические лучи

Гамма-лучи

Ультра фиолетовое

1—Г

Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли

Инфракрасный

Рентгеновское

излучение

излучение

Видимый

диапазон

Радиоволны

x о

Рис. 1.2. Спектр электромагнитного излучения.

фиолетовых лучей видимого спектра, поглощается кислородом и озоном в верхних слоях атмосферы. Это можно считать благоприятным обстоятельством, поскольку ультрафиолетовые лучи вредоносны для живых организмов. При температуре поверхности Солнца (6000 К) наибольшая интенсивность излучения приходится на оранжевую часть видимого света с длинами волн около 600 нм.

1.5. Квантовая теория

В 1900 г. Макс Планк сформулировал теорию, согласно которой перенос энергии в нагретых телах осуществляется дискретными порциями, называемыми квантами. Теорию Планка можно выразить математически с помощью равенства

? = Лу, (1.3)

где Е— энергия, одного кванта, v — частота излучения (т. е. число волн, распространяющихся за единицу вре^ мени), h — постоянная величина. Постоянная Планка h имеет размерность произведения энергии на время, и в системе СИ она равна 6,626- IQr^4 Дж-с. По теории Планка, осциллятор, имеющий основную частоту v, может принять энергию, равную hv, 2-hv, 3*/iv, n-hv, но не может поглотить энергию, меньшую чем энергия целого числа

страница 2
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Скачать книгу "Фотосинтез" (1.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.10.2020)