Фотосинтез в акваріумі або чому булькаючої рослини


Сріблясті кисневі пухирці на листках рослини це заворожуюче фантастичне видовище, що свідчать про активні процеси всередині рослини.

Пузиряніе це термін, який описує процес вивільнення рослиною бульбашок кисню. Пузиряніе відбувається в період освітлення і є індикатором найбільш активного періоду фотосинтезу у рослин.

Якщо інтенсивність освітлення збільшити (не плутати з тривалістю освітлення) і одночасно збільшити подачу кількості CO2 (вуглекислого газу), то пузиряніе відчутно посилюється. Чим активніше йде процес фотосинтезу, тим швидше виділяються бульбашки кисню.

При достатній кількості світла у водних рослин відбувається активний процес утворення органічних речовин з діоксиду вуглецю (CO2), води, мінеральних солей азоту, фосфору і деяких інших хімічних елементів. Світло, а точніше, світлова енергія це головна умова такого процесу, вуглекислий газ при цьому поглинається, і в результаті фотосинтезу рослинами активно виділяється кисень.

Якщо ж світло відсутня або рослина відчуває серйозний недолік освітлення, то відбувається процес, зворотний фотосинтезу - замість вуглекислого газу поглинається кисень (O2) і виділяється вуглекислий газ (CO2). У присутності кисню поживні елементи розкладаються, і виділяється певна кількість теплової енергії. Діоксид вуглецю (CO2) при цьому виділяється як побічний продукт. Іншими словами, без світла рослини дихають киснем і виділяють вуглекислий газ.

Фотосинтез рослини відбувається в листках і зелених стеблах, всередині клітинних структур, званих хлоропластами. Кожен лист містить в собі десятки тисяч клітин, в кожній з яких є від 40 до 50 хлоропластів.

Кожен окремо взятий хлоропласт розділений мембранами дископодібної форми, які називаються гранами (thylakoid). У мембранах гранов містяться сотні молекул хлорофілу - уловлюють світло зелених пігментах, які активно беруть участь в процесі фотосинтезу.

Хлоропласти - це пластиди вищих рослин, в яких йде процес фотосинтезу, використання енергії світлових променів для утворення з неорганічних речовин (вуглекислого газу і води) органічних речовин, з одночасним виділенням кисню. Хлоропласти мають форму двоопуклої лінзи, розмір їх близько 4-6 мкм.

Хлоропласти здатні переміщатися по клітці. На слабкому світлі вони розташовуються під тією стінкою клітини, яка більше звернена до світла. При цьому хлоропласти звертаються до світла своєю більшою поверхнею. Якщо світло занадто інтенсивний, вони навпаки повертаються до нього ребром і вибудовуються уздовж стінок, паралельних променів світла. При середньому ступені освітленості хлоропласти займають положення, середнє між двома крайніми, описаними вище. У будь-якому випадку, завжди досягається один результат: хлоропласти виявляються в найбільш сприятливих для фотосинтезу умовах освітлення.

Крім хлорофілу в мембранах також присутні каротиноїди, жовті, помаранчеві, червоні або коричневі додаткові пігменти-модифікатори, які поглинаючи певні ділянки сонячного спектра, передають енергію цих променів молекулам хлорофілу. Тим самим, вони сприяють використанню тих променів, які хлорофілом чи не поглинаються. Хлорофіл поглинає червоні і сині промені, тоді як зелені промені їм в основному відображаються.


Наявність хлорофілу * і картіноідов, що уловлюють різні промені спектру означає, що лист рослини має можливість абсорбції світла з широким спектром, що в свою чергу, призводить до того, що фотосинтез виконується постійно, навіть при мінливому спектрі світла.

* Серед пігментів переважає хлорофіл а. До допоміжних пігментів ставляться хлорофіл b, каротиноїди та ін.

Світло складається з фотонів з різною довжиною хвилі - частотою випромінювання. У цій таблиці хвиля довжиною 650 нанометрів містить найбільшу кількість фотонів на одиницю енергії і найменшу кількість самої енергії.

Молекули хлорофілу активізуються фотонами, а не енергією і фотосинтез досягає своєї верхньої точки при довжині хвилі з 600 по 700 нанометрів - найбільшої чисельності фотонів на одиницю енергії. Це найбільш важлива область нанометрів, що сприяє інтенсивному росту листя і осьових органів рослин.

Деякі хімічні реакції, наприклад, можуть початися тільки при опроміненні речовини світлом, частота якого вище певного порогового значення; випромінювання, частота якого нижче за це значення, незалежно від інтенсивності, не може ініціювати таку реакцію.

Якщо розглядати видиму частину спектра, то відомо, що найкоротші фіолетові промені спектру мають довжину 380 нанометрів, а найдовші червоні промені до 750 нанометрів.

Отже докладніше про променях, в більшій мірі впливають на рослини.

Червоні промені в поєднанні з помаранчевими є основний вид енергії для фотосинтезу. Це світло дуже повно поглинається хлорофілом і збільшує утворення вуглеводів при фотосинтезі. Зона червоно-оранжевого світла має вирішальне значення для всіх фізіологічних процесів в рослинах.

Промені фіолетові і сині гальмують зростання стебел, листових черешків і пластинок, тo є формують більш компактні рослини і більш товсті листи, що дозволяють краще поглинати і використовувати світло в цілому. Ці промені стимулюють утворення білків і органічний синтез рослин. Синьо-фіолетова частина спектра світла майже повністю поглинається хлорофілом, що створює умови для максимальної інтенсивності фотосинтезу.

Зелені промені практично проходять через листові пластинки, які не поглинаючись ними. Останні під їх дією стають дуже тонкими, а осьові органи рослин витягуються. Рівень фотосинтезу - найнижчий. Зелене світло хлорофілом відбивається, що й надає рослинам специфічну зелене забарвлення, якщо вона не маскується іншими пігментами

Крім видимої частини світло для рослин має значення невидимий світ - ультрафіолет (UV), який в свою чергу, ділиться на короткі (UVC), середні (UVB) і довгі промені (UVA).

Середні ультрафіолетові промені (довжиною 280-315 нанометрів) діють на зразок знижених температур, сприяючи процесу загартовування рослин і підвищуючи їх холодостійкість. На хлорофіл ультрафіолетові промені практично не діють, у рослин, переміщених з темряви на світло (етіолірованних *), хлорофіл інтенсивно утворюється. Довгі ультрафіолетові промені (довжиною 315-380 нанометрів) необхідні для обміну речовин і росту рослин. Вони так само затримують витягування стебел і підвищують вміст вітаміну С.

* Етіольовані рослини, які виросли при недоліку світла або в темряві. Відрізняються білого або жовтуватого забарвленням через відсутність зеленого пігменту рослин - хлорофілу, сильно витягнутим стеблом, слабким розвитком листя, механічних тканин, устьиц.

При проходженні атмосфери промені розсіюються незначно. Однак, при проходженні товщі води вони поглинаються, втрачаючи енергію. Вода неоднаково поглинає світлові промені різних довжин хвиль, тобто володіє виборчим (селективним) поглинанням. Найсильніше поглинаються червоні промені, втрата енергії на глибині 30 см становить 50%. При цьому втрата енергії синього променя на глибині в 1 метр становить всього лише 0,5%.

Але це не означає, що для акваріума потрібно вибирати світло-синього відтінку. Чим червоно колір, тим нижче колірна температура, ніж синє колір, тим колірна температура вище. Колірна температура вимірюється в Кельвіна (К). При кольоровій температурі нижче 5000К рослини і вода набувають нездоровий жовтий відтінок, а при 10000К рослини виглядають неприродно синіми. Оптимальною колірною температурою, при якій рослини виглядають найбільш природно, може вважатися колірна температура від 7000-8000 К.

Отже, з переліченого вище ясно, що для здійснення фотосинтезу необхідні, як мінімум дві обов'язкові умови: достатня кількість світла і вуглекислого газу (CO2). Буквальне значення терміна фотосинтез - будувати зі світла.

Спрощено сам процес фотосинтезу відбувається в два етапи. У перший етап реакція залежить від світла. Хлоропласт вловлює енергію фотона і трансформує її в хімічну енергію, що складається з двох молекул: НAДФH (відновлена форма коферменту никотинамидадениндинуклеотид-фосфату) і ATФ (аденозинтрифосфат).

Другий етап це вже незалежна від світла реакція, коли НАДФ-Н2 віддає атоми водню для створення глюкози, при цьому АТФ забезпечує достатню кількість енергії для синтезу глюкози. При розкладанні води утворюються кисень і водень. Кисень виділяється в воду, а водень зв'язується білком ферредоксин. На всіх етапах фотосинтезу беруть участь фосфорильовані сполуки. АТФ утворюється з АДФ шляхом приєднання до нього ще одного фосфату (Р).

6 CO2 + 6 H2O + світлова енергія -> C6H12O6 + 6 O2
вуглекислий газ + вода + світлова енергія призводять до утворення глюкози + кисню

Глюкоза це паливо, яке утворюється в процесі фотосинтезу і використовується рослиною для побудови листя, стебел і т.п. Надлишки глюкози зберігаються в коренях, стеблах і листках рослини в якості резерву. Глюкоза може бути трансформована в целюлозу, яка використовується в якості матеріалу для побудови клітинної пористої структури.

В АТФ акумулюється багато енергії - вона потім використовується для синтезу, а також для інших потреб клітини. НАДФ-H2 - акумулятор водню, причому, легко його віддає. Отже, НАДФ-H2 є хімічним відновником. Велике число биосинтезов пов'язано саме з відновленням, і в якості постачальника водню в цих реакціях виступає НАДФ-H2. Роль АТФ та відновленого НАДФ складається просто в постачанні енергії та водню для темнових реакцій.

Безліч водних рослин, які зараз ростуть в акваріумах, спочатку були взяті з природи. У природних умовах вони розростаються над водою або плавають на поверхні, де, по-перше, освітлення більш інтенсивно, по-друге, таким чином, вони додатково отримують вуглекислий газ з атмосфери. Ті рослини, які під час свого життєвого циклу постійно занурені в воду, часто відчувають брак діоксиду вуглецю і недолік освітлення, тому не можуть досягти необхідного рівня фотосинтезу, для цього в акваріумах існують певні норми освітлення і подачі CO2. При подачі вуглекислого газу важливо враховувати зміну властивостей води, зокрема, рН. Найбільш оптимальним для фотосинтезу вважається проміжок pH від 6,6 до 7,3, концентрацією CO2 від 25 до 30 ppm.

Деякі види рослин здатні засвоювати діоксид вуглецю через коріння з скупчився на дні мулу. Іл може містити вуглекислий газ, що утворюється в результаті розкладання органічної матерії і CO2, що виділяється в результаті життєдіяльності бактерій.

Живлення рослин так само грає істотну роль в процесі фотосинтезу, оскільки крім світла і діоксиду вуглецю (CO2) для реакції необхідні певні хімічні речовини - макро і мікроелементи. Потреби рослин у хімічних елементах відрізняються від умов і місця проживання, тому кількісні складові, як правило, беруться у вигляді середніх значень сухої маси речовин що містяться в рослинах.

Особливе значення для фотосинтезу водоростей мають три макроелементи: азот, фосфор і калій. Потреба рослин в цих елементах дуже значна. Після них йдуть кальцій, магній, сірка і залізо

Азот (N). В процесі фотосинтезу беруть участь численні білки-ферменти, що мають у своїй структурі атоми азоту. У зв'язку з цим зрозуміло велике значення рівня азотного живлення.

Фосфор (P). На всіх етапах фотосинтезу беруть участь фосфорильовані сполуки. АТФ утворюється з АДФ шляхом приєднання до нього ще одного фосфату. Цей процес носить назву фосфорилювання і вимагає витрати енергії, тому значення фосфору в процесі фотосинтезу велике. Енергія світла акумулюється в фосфорних зв'язках. При дефіциті фосфору порушуються фотохімічні і темнові * реакції фотосинтезу

* Темнова, а в деякій мірі і світлові реакції контролюються ферментами, тому температура води має велике значення. Для найбільш сприятливою температурою є температура приблизно 26 ° С. При підвищенні температури на кожні 10 ° С швидкість реакції подвоюється, (аж до 35 ° С), проте є дані, що свідчать, що при 26 С рослина розвивається краще.

Калій (K). На світлі в замикаючих клітинах інтенсивно накопичуються катіони калію і супутні їм аніони, які відповідають за прискорення відтоку асимілятів з листя, збільшення ступеня відкриття продихів закриття продихів (пор листа, через які відбувається газообмін діоксиду вуглецю на кисень в процесі фотосинтезу, а так само водообмін і отримання поживних елементів). Глюкоза, яка виробляється в результаті фотосинтезу, повинна транспортуватися до всіх частин рослини для використання або зберігання. Для цього необхідна енергія АТФ. Якщо калію недостатньо, утворюється менше АТФ і транспортування сповільнюється, інтенсивність фотосинтезу знижується. При нестачі калію інтенсивність фотосинтезу знижується дуже швидко. При інтенсивному газообмене в процесі фотосинтезу кисень утворює бульбашки, які і позначаються терміном пузиряніе.

Магній (Mg) і кальцій (Ca). Процеси фотофосфорилування вимагають також обов'язкової присутності магнію. До складу молекули хлорофілу входить плоска голова, що поглинає світло, в центрі якої розташований атом магнію. Цим можна пояснити, чому рослини потребують магнії, і чому дефіцит магнію призводить до зменшення утворення хлорофілу і пожовтіння листя рослини. Відносне збільшення вмісту магнію призводить до посиленого накопичення хлорофілів в порівнянні з каротиноїдами. Протилежне вплив робить збільшення вмісту кальцію.

Залізо (Fe). Інший приклад, це хлорофіл - вловлюють світло пігменти, при нестачі заліза листя рослини жовтіють, оскільки недостатньо виробляється зеленого пігменту хлорофілу і фотосинтез істотно сповільнюється.

Потреба в інших хімічних елементах проявляється в набагато меншому ступені споживання їх водними рослинами, тому їх називають мікроелементами. Серед мікроелементів знаходяться: хлор, мідь, марганець, цинк, молібден, бор.

Марганець (Mn). Відсутність марганцю різко пригнічує реакцію Хілла і процес нециклічного фотофосфорилування в процесі фотосинтезу. Все це означає, що роль марганцю визначається його участю в реакціях фотоокислення води (розкладання води на кисень, електрони і протони). У природних умовах фотоокислення води проводиться за участю комплексу протеїнів, що отримав назву «фотосистема II», до якого входять ензими, що містять марганець (вони і служать каталізаторами).

Для поповнення поживних речовин у воді виготовляються рідкі і прикореневі добрива, що містять макро і мікроелементи в різних пропорціях, дозування і застосування таких добрив бажано розраховувати виходячи з кожного конкретного випадку і параметрів води.

Всі ці процеси необхідна частина життєвого циклу і зростання рослин, збільшення інтенсивності освітлення і вмісту вуглекислого газу у воді пропорційно збільшує активність фотосинтезу і потреба рослини в поживних елементах.

При наявності всіх обов'язкових умов для фотосинтезу відбувається швидке зростання рослини і посилюється його життєздатність.

Інтенсивний фотосинтез це саме те, що відрізняє здорове акваріумні рослина від того, яке всього лише виживає в акваріумі

Розуміння основ фотосинтезу і уявлення про те, як це працює - це ключ до успіху, щоб легко створювати оптимальні умови для активного зростання красивих водних рослин в акваріумі і ефектного пузирянія.

Спеціально для AQA.ru,
Button

У статті використовувалися наступні матеріали і фотографії:

Important Plant Enzymes Identified, Brookhaven National Laboratory, www.physorg.com; The Role of Photosynthesis in the Aquarium, Robert Paul Hudson, www.aquabotanic.com, Warner Moll, Swammerdan Institute, Netherlands (1971); Рослинна клітина, Н. І. Арронет, www.zr.molbiol.ru; Сприйнятливість рослин до спектру, www.optipar.ru; Фотосинтез водних рослин www.science.viniti.ru; Robert Fenner, Aquarium Plant Nutrition. Light Transmissivity in Water ADA, www.leavingbio.net, Photosynthesis. www.acuaticplantcentral.com, vafd

Записів не знайдено.

13.09.2011
Редизайн сайта
В 2011 году был проведен редизайн сайта нашей компании и его запуск в сеть Интернет. Услуги редизайна сайта и его продвижения оказала нам дизайн-студия Web Skill.
все новости
ОДО "Машиностроительный завод "БУРАН"© 2007-2011 | Все права защищены