Процесс фотосинтеза

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Процесс фотосинтеза 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

1.         Фотосинтез и первичная биологическая продуктивность

2.         Физиологическая роль азота, круговорот азота в атмосфере

3.         Поглощение минеральных веществ корнями растений

4.         Дерево испарило за 1 ч 500г H2О, а корневая система  поглотила за это время 450г воды. Какие условия внешней среды могли вызвать указанное несовпадение количества поглощенной и испаренной воды. Как это отразится на испарении

5. Библиографический  список 

1. Фотосинтез  и первичная биологическая продуктивность

Фотосинтез (от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

Фотосинтез является основным источником биологической  энергии, фотосинтезирующие автотрофы  используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы  существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания  и брожения. Энергия получаемая человечеством  при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также  является запасённой в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез является главным входом неорганического  углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы —  биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная  катастрофа) полностью изменило состояние  земной поверхности, сделало возможным  появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового  слоя, позволило жизни выйти на сушу.

Биологическая продуктивность, образование биомассы организмами, выражаемое потоками органического вещества и его потенциальной химической энергии на единицу площади за единицу времени. Понятие биологическая продуктивность применимо к растительности, сообществам (фитоценозам), к их отдельным ярусам, к отдельным популяциям растений и животных. Продуктивность всех популяций организмов на единицу площади характеризует биологическая продуктивность биогеоценозов и экосистем. Биологическая продуктивность количественно оценивают по её результату главным образом по годичной биологической продукции сухого органического вещества (в т/га • год, г/м2 • год), или энергии (Дж/м2 • год, ккал/га • год, кал/м2 • год). Специфику процесса изучает физиология растений. Биологическая продуктивность иногда отождествляют с запасами биомассы на единицу площади, что может лишь отчасти характеризовать биологическая продуктивность. Различают первичную и вторичную биологическую продуктивность. Первичная биологическая продуктивность характеризуется образованием биомассы (первичной продукции) в процессе фотосинтеза зелёными растениями (автотрофами), которые образуют первый трофический уровень экосистемы и служат началом всех цепей питания. К первичным продуцентам относят и некоторые хемосинтезирующие бактерии. В процессе утилизации вещества и энергии первичной продукции образуется биомасса всех гетеротрофных организмов (бактерий, грибов и животных), называемых консументами. Продукция консументов характеризует вторичную биологическая продуктивность, к которой относят и массу хищных животных, питающихся растительноядными и другими хищниками.  

Первичная биологическая продуктивность.  

При исследованиях  первичной биологической продуктивности наземных биогеоценозов определяют ряд показателей, которые затем  используют в качестве отдельных  статей баланса органические вещества на конкретных участках. Продукция, определяемая с учётом затрат вещества и энергии  на процессы метаболизма самих организмов-продуцентов, называется первичной брутто-продукцией, или валовой продукцией (обычно обозначают GPP — от англ, gross primary production). Разность между первичной брутто-продукцией и затратами растений на дыхание (Ra) определяет первичную нетто-продукцию — NPP (от англ, net primary production). В лесном фитоценозе NPP включает в себя не только чистую продукцию прироста за учитываемый период (истинный прирост фитомассы) — NEP (net ecosystem production), но и продукцию, перешедшую за то же время в опад (листья, цветки, семена и др.) и отпад (отмершие деревья, сучья и др.), которые суммарно обозначаются L, а также часть продукции живых растений, пошедшую на корм животных-фитофагов (консумпцию) — Сa. Сумму этих показателей часто называют гетеротрофным дыханием (Rh), поскольку энергия в обоих этих потоках (Rh=L+Ca) освобождается главным образом с участием гетеротрофных организмов. Для консументов, независимо от их трофической специализации, применяют иную схему. Отчуждаемая при консумпции фитофагами продукция растений в некотором количестве поедается животными, остальная (огрызки, объедки) поступает в опад. Съеденная пища частично ассимилируется организмами, частично экскре-тируется и поступает в детрит. За счёт продуктов ассимиляции происходит прирост биомассы, т. е. формируется продукция и поддерживаются процессы метаболизма. В продукцию включаются вещество или энергия прироста (привеса) животных за изучаемый период и прироста потомства. Эти величины, с учётом вещества и энергии элиминированных особей, характеризуют прирост биомассы животных. Биомасса животных-иммигрантов в продукцию не включается. При этом ассимилированная пища и прирост биомассы животных соответствуют общей (брутто) и чистой (нетто) продукции автотрофов.

Первичная биологическая  продуктивность зависит от интенсивности  фотосинтеза растениями и продолжительности  его периода, фотосинтезирующей  поверхности фитоценозов и древостоев, выражаемой индексом листовой поверхности  и характером расположения листвы в  толще полога, а также от кол-ва поступающей фотосинтетической  радиации, условий увлажнения и минерального питания. Кульминация первичной  продукции насаждений, выражаемая чистой продукцией (NPP) или истинным приростом  фитомассы (NEP), приходится на возраст 20—40 лет. Однако в искусств, насаждениях  она наступает раньше, чем в  естественных, хотя с возрастом различия Б. п. лесных культур и естественных древостоев сглаживаются. 

2. Физиологическая  роль азота, круговорот азота  в атмосфере

Азот – биоэлемент, структурная единица органических соединений, участвует в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Входит в состав важнейших биополимеров: белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); некоторых витаминов и гормонов. В воздухе азота содержится 78% по объему и 75,5% по массе.

Азотфиксирующие бактерии способны усваивать азот непосредственно  из воздуха, превращая его в аммиак. Они живут самостоятельно, например азотобактер, цианобактерии, азоспириллы, или поселяются в корнях бобовых  растений (клевер, горох, люпин, вика и  др.) – бактерии рода ризобиум. Над 1 га почвы в атмосфере содержится более 70 тыс. т свободного азота, и  только в результате азотфиксации часть  этого азота становится доступной для питания высших растений (содержание доступного для растения азота в почве очень невелико). При связывании N2 клубеньковыми бактериями в симбиозе с растениями семейства бобовых почва ежегодно обогащается азотом на 200–300 кг/га, а свободноживущие бактерии вносят в почву азота 1–3 кг/га в год. На рисовых полях свободноживущие цианобактерии фиксируют 30–50 кг молекулярного азота на 1 га в год. Известно довольно много азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибы, синезеленые водоросли.

Растения поглощают  азот из почвы в виде растворимых  нитратов и солей аммония (NH4+). Соли транспортируются в стебли и листья, где в процессе биосинтеза очень  быстро превращаются в аминокислоты и белки – неотъемлемую часть  любого живого организма.

Азот составляет 0,3–4,5% от массы растения. Он усиливает  рост стеблей и листьев. При недостатке азота замедляется рост растения, образование хлорофилла, листья приобретают  бледно-зеленую окраску и преждевременно желтеют, стебли становятся тонкими  и слабо ветвятся, вновь образующиеся листья мельчают, цветки, не раскрываясь, засыхают и опадают. При длительном азотном голодании бледно-зеленые  листья приобретают желтый, оранжевый  или красный оттенки.

Существуют растения-индикаторы, которые великолепно растут при  повышенном содержании азота в почве. Это хорошо знакомые нам крапива, малина, чистотел, пырей ползучий.

Азот — незаменимый  биогенный элемент, так как он входит в состав белков и нуклеиновых  кислот. Круговорот азота один из самых  сложных, поскольку включает как  газовую, так и минеральную фазу, и одновременно самых идеальных  круговоротов.

Круговорот азота  тесно связан с круговоротом углерода. Как правило, азот следует за углеродом, вместе с которым он участвует  в образовании всех протеиновых  веществ.

Атмосферный воздух, содержащий 78% азота, является неисчерпаемым  резервуаром. Однако основная часть  живых организмов не может непосредственно  использовать этот азот. Он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Например, для усвоения азота растениями необходимо, чтобы  он входил в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NO3-).

Газообразный  азот непрерывно поступает в атмосферу  в результате работы денитрофицирующих  бактерий, а бактерии-фиксаторы вместе с сине-зелеными водорослями (цианофитами) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты.

Важную роль в превращении газообразного  азота в аммонийную форму в  ходе так называемой азотофиксации  играют бактерии из рода Rhizobium, живущие  в клубеньках на корнях бобовых растений. Растения обеспечивают бактерий местообитанием и пищей (сахара), получая взамен от них доступную форму азота. По пищевым цепям органический (входящий в состав органических молекул) азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду большей  частью в аммонийной форме (NH4+). Некоторые  бактерии способны переводить ее и  в нитратную (NO3-) форму. Отметим, что  обе эти формы азота усваиваются  любыми растениями. Азот, таким образом, совершает круговорот как минеральный  биоген. Однако такая минерализация обратима, так как почвенные бактерии постоянно превращают нитраты снова в газообразный азот.

В водной среде  также существуют различные виды нитрофицирующих бактерий, но главная  роль в фиксации атмосферного азота  здесь принадлежит многочисленным видам способных к фотосинтезу  сине-зеленых водорослей из родов Anabaena, Nostoc, Frichodesmium и др.

Круговорот азота  четко прослеживается и на уровне деструкторов. Протеины и другие формы  органического азота, содержащиеся в растениях и животных после  их гибели, подвергаются воздействию  гетеротрофных бактерий, актиномицетов, грибов (биоредуцирующих микроорганизмов), которые вырабатывают необходимую  им энергию восстановлением этого  органического азота, преобразуя его  таким образом в аммиак.

В почвах происходит процесс нитрификации, состоящий  из цепи реакций, где при участии  микроорганизмов осуществляется окисление  иона аммония (МН4+) до нитрита (NO2-) или  нитрита до нитрата (NО3-). Восстановление нитритов и нитратов до газообразных соединений молекулярного азота (N2) или окиси азота (N2O) составляет сущность процесса денитрификации.

Образование нитратов неорганическим путем в небольших  количествах постоянно происходит и в атмосфере: путем связывания атмосферного азота с кислородом в процессе электрических разрядов во время гроз, а затем выпадением с дождями на поверхность почвы.

Еще одним источником атмосферного азота являются вулканы, компенсирующие потери азота, выключенного из круговорота при седиментации или осаждении его на дно океанов.

В целом же среднее  поступление нитратного азота абиотического  происхождения при осаждении  из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25 кг (год/га), в то время как симбиоз Rhizobium с бобовыми растениями в среднем  продуцирует 200 кг (год/га). Преобладающая  часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N и  вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного  и нитрифицированного азота поглощается  из почвы высшими растениями и  оказывается в распоряжении многоклеточных представителей биоценозов.

3. Поглощение  минеральных веществ корнями  растений

Корень зеленого растения имеет свое характерное  строение. Верхняя, наиболее старая, его  часть покрыта слоем пробковой  ткани и не участвует в питании  растений, нижняя, молодая, - оболочками, легко проницаемыми для воды и  солей. Растущий корень имеет 4 зоны.

Самой молодой  растущей частью корня является его  кончик, покрытый снаружи защитным корневым чехликом (рис. 7). Корневой чехлик предохраняет нежные делящиеся клетки корневой меристемы от разрушения, способствует росту корня и проникновению  его в глубь почвы. Клетки корневого  чехлика содержат крахмальные зерна, которые редко используются растением  для питания. Наружные клетки чехлика  систематически стираются при росте  корня и гибнут, образуя большое  количество слизи, которая облегчает  продвижение корня в почве. Внутри чехлика все время нарастают  новые клетки, поэтому объем его  не изменяется.

Рис. Продольный разрез кончика корня пшеницы:

1 - зона всасывания  с корневыми волосками; 2 - зона  роста; 3 - зона делящихся клеток; 4 - корневой чехлик 

Непосредственно под корневым чехликом находится  конус нарастания корня. Эта часть  корня называется зоной делящихся  клеток и по длине занимает всего  несколько миллиметров. Выше зоны делящихся  клеток находится зона роста, которая  также составляет несколько миллиметров.