Роль рослин у кругообігу кисню

ВСТУП Нині людство все більш чітко розуміє ту очевидну істину, яка вперше була обґрунтована видатними вченими К. А. Тімірязєвим і В. І. Вернадським, що екологічне благополуччя біосфери, а отже й існування людини та цивілізації в цілому, визначається станом рослинного покриву планети. У процесі фотосинтезу рослини виділяють вільний кисень, який при диханні використовують живі організми. Водночас вуглекислий газ, який виділяється при диханні, забезпечує фотосинтез. Збалансованість цих процесів стала можливою в результаті тривалої еволюції рослин і тварин. Тепер вони зумовлюють стабільний газовий склад атмосфери. Майже весь кисень сучасної атмосфери біогенного походження, тобто, нагромаджений в атмосфері внаслідок життєдіяльності живих організмів, зокрема, зелених рослин. Завдяки фотосинтезу на Землі часом до останніх десятиліть було відзначене зниження кількості вуглекислоти. На сьогодні ця рівновага порушується в протилежну сторону й відбувається зворотне — підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері. Єдиний відомий науці шлях збільшення концентрації кисню й зменшення змісту вуглекислого газу — максимально підвищити масу зелених насаджень. Рослинний покрив Землі щороку виділяє в атмосферу велику кількість кисню. Проте навіть такої кількості вистачає тільки для компенсування його природної витрати. Ось чому так важливо зберігати й поширювати зелені насадження. Завдяки їм у природі постійно відбувається кругообіг кисню. До того ж зелені насадження не тільки збагачують повітря киснем, а й сприяють очищенню його від різноманітних забрудників, затримують пил, знижують рівень шуму, що особливо важливо для великих міст.

Мета роботи — охарактеризувати роль рослин у кругообігу кисню.

Об'єктом дослідження курсової роботи є рослини як продуценти атмосферного кисню.

Предмет дослідження: роль рослин у кругообігу кисню на Землі.

Завдання моєї роботи полягає у вирішенні декількох питань, а саме:

1) Розглянути кругообіг кисню в складі біогеохімічних циклів

2) Дати характеристику рослинам як продуцентам атмосферного кисню

3) Розглянути процес фотосинтезу

4) Дати характеристику листку як органу фотосинтезу

При виконанні роботи були використані наступні методи дослідження: аналіз, синтез, порівняння, умовивід.

РОЗДІЛ І. БІОГЕОХІМІЧНІ ЦИКЛИ

1.1 Біологічний кругообіг хімічних елементів Усі геосфери Землі зв’язані єдиним циклом кругообігу хімічних елементів за рахунок процесів їх міграції. Такий кругообіг, рушійною силою якого є сонячна енергія та тектонічні процеси, отримав назву великого (геологічного) кругообігу. Цей кругообіг має абіотичний характер.

Виникнення життя на Землі стало причиною появи нової форми міграції хімічних елементів — біогенної. За рахунок біологічної міграції на великий кругообіг наклався малий (біогенний) кругообіг речовин. У малому біологічному кругообігу переміщуються в основному вуглець (1011 тонн у рік), кисень (2×1011 тонн у рік), азот (2×1011 тонн у рік) та фосфор (108 тонн у рік).

Зараз обидва кругообіги протікають одночасно та є тісно пов’язаними між собою. Завдяки взаємодії різних груп живих організмів з навколишнім середовищем та між собою в екосистемах виникає певна та характерна для кожного виду екосистем структура біомаси, формуються трофічні ланцюги, що визначають послідовність переходу органічних речовин від одних груп живих організмів до інших, створюється своєрідний тип потоку енергії та специфічні закономірності її передачі від однієї групи організмів до іншої.

Живі організми в біосфері є ініціаторами кругообігу речовин, також вони призводять до виникнення біогеохімічних циклів. Пріоритетні дослідження біогеохімічних циклів були розпочаті видатним вченим В.І.Вернадським ще на початку 20-х років XX ст. [14]

Біогеохімічний цикл можна визначити як поетапне, циклічне перетворення речовин та зміну потоків енергії з просторовим масоперенесенням, що здійснюється за рахунок сумісної дії абіотичної та біотичної трансформації речовин. Біогеохімічні цикли становлять собою циклічні переміщення біогенних елементів: вуглецю, кисню, азоту, водню, сірки, фосфору, калію, кальцію та ін. від одного компоненту біосфери до інших. На певних етапах цього кругообігу вони є складовою живої речовини. Утворення живої речовини та її розклад — це дві сторони єдиного процесу, який називається біологічним кругообігом хімічних елементів. Життя — це кругообіг елементів між організмами і середовищем (рис. 1.).

Рис. 1. Кругообіг хімічних елементів Живі організми біосфери є ініціаторами та реалізаторами великої кількості широкомасштабних фізико-хімічних процесів. Обмін речовин живих організмів супроводжується серйозними змінами газового складу атмосфери. З атмосфери вилучаються або, навпаки, надходять до неї кисень, вуглекислий газ, азот, метан, аміак, водяна пара та інші речовини. Під впливом накопичення в атмосфері вільного кисню, що є продуктом життєдіяльності зелених рослин, на Землі почали переважати окислювальні процеси, які відіграють важливу роль в біогенному та абіогенному перетвореннях вуглецю, заліза, міді, азоту, сірки, фосфору та великої кількості інших елементів. У той же час збереглися і відновні процеси, які здійснюють анаеробні організми. [14]

Сукупність усіх живих організмів на планеті, біомаса яких становить мізерну частку біосфери (-0,001%), Володимир Іванович Вернадський назвав «живою речовиною». Аналізуючи біогеохімічні цикли, він виявив концентраційну функцію живої речовини. Під нею Вернадський мав на увазі здатність організмів до певного вибору з довкілля визначених хімічних елементів, які завдяки цьому накопичуються в живій речовині. Концентрація елементів відбувається з ряду різних причин, але частіше це пов’язано з фізіологічними потребами організмів, або ж внаслідок сильного зростання вмісту якої-небудь речовини в довкіллі, що й призводить до його біогенного виходу. За рахунок реалізації концентраційної функції жива речовина вибірково поглинає з навколишнього середовища хімічні елементи. Якщо наша планета в цілому сформована зі сполук заліза, нікелю, магнію, сірки, кисню в першу чергу, то за рахунок вибіркового поглинання та концентраційної функції склад біомаси є зовсім інший. Біомаса утворена вуглецем, воднем при порівняно малій участі інших елементів (рис. 2.).

Рис. 2. Співвідношення хімічних елементів на Земній кулі та в живих організмах. (Частка елементів, виражена у відсотках)

Хімічні елементи, які відіграють головну роль у побудові живої речовини та необхідні для синтезу, отримали назву біогенних. Концентраційна функція рослин та тварин реалізується по-різному щодо різних їхніх видів. Принцип циклічності в перетворенні та переміщенні речовин в біосфері є основоположним. Збереження циклічності - це головна умова існування біосфери.

Введення в біосферу однонаправлених процесів, які людина здійснює при конструюванні техносфери та агросфери, є для біосфери згубним та найбільш небезпечним. [14]

Для біосфери характерною є висока замкненість біогеохімічних циклів. Втрати речовин складають у них не більш 3 — 5%. Все ж, всі біогеохімічні цикли дають певну кількість «відходів». Такі природні відходи для біосфери не виявляються шкідливими. Вони є накопиченням у певній мірі інертних речовин, що акумулюються в атмосфері або тих речовин, що надходять у літосферу у вигляді осадових порід. Більш того, відходи деяких окремих біогеохімічних циклів є важливою умовою виникнення та підтримки існування багатьох груп живих організмів. Так, біогенне походження має весь кисень атмосфери, що виникає внаслідок фотосинтетичного процесу.

Біогеохімічні цикли еволюціонують разом з біосферою. Реалізація окремих біогеохімічних циклів та накопичення відходів є основою ускладнення вже існуючих біогеохімічних циклів або виникнення їх нового типу. Таким чином, накопичення вільного кисню в атмосфері створило передумову виникнення великої групи організмів, які використовують вільний кисень для дихання.

Сукупна біогеохімічна активність живої речовини призвела до значної зміни газового складу атмосфери, в результаті якої атмосфера відновного типу перетворилася в атмосферу окислювального типу зі значним вмістом кисню.

1.1.1 Кругообіг кисню Кисень — найпоширеніший хімічний елемент на Землі. Основна маса вільного кисню зосереджена не в атмосфері, а в складі молекул води в морях і океанах. зв’язаному стані він входить до складу руд, глини, піску й багатьох інших речовин. У живих організмах до 70% кисню. Він утримується в білках, жирах, вуглеводах. Всім відомо, що без кисню не може існувати живі організми (окрім анаеробів).

Кисень атмосфери має біогенне походження, вперше він з`явився в атмосфері Землі завдяки діяльності фотосинтезуючих бактерій. Він постійно надходить в атмосферу внаслідок перебігу процесів фотосинтезу. Вільний кисень використовується в процесі дихання аеробними організмами. Одним із кінцевих продуктів окиснення вуглецю є СО₂. В сполуці з вуглецем кисень повертається у зовнішнє середовище, щоб згодом знову надійти у фотосинтезуючі організми. Так як вивільнення енергії з органічних і неорганічних сполук супроводжується розщепленням їх у процесі окиснення, то кругообіг кисню забезпечує кругообіг усіх біогенних елементів. Частина виділеного рослинами кисню перетворюється на озон, який захищає Землю від жорсткого ультрафіолетового опромінення. Ось таким чином, зелені рослини забезпечують життя на Землі, відіграючи, за словами К.А. Тимірязєва, роль космічного фактора (рис. 3.).

Рис. 3. Кругообіг кисню в природі

Кругообіг кисню, вуглекислого газу, азоту та інших елементів, які беруть участь у процесах життєдіяльності живих організмів, створив і підтримує газовий склад сучасної атмосфери, потрібний для підтримання життя на Землі.

Так, за сонячний день 1 га лісу виділяє близько 200 кг кисню, поглинаючи при цьому 220−280 кг вуглекислого газу, а за рік 0,3 га лісу дає в середньому річну потребу в кисні однієї людини (близько 400 кг), 1 га лісу за рік поглинає приблизно 20 тонн вуглекислого газу. Сумарне річне поглинання вуглекислого газу лісами Землі складає до 30−50 млрд. тонн, що в 2−3 рази перевищує його виділення. Увесь кисень атмосфери кожні 2 тис. років проходить через живу речовину біосфери. [3]

Отже, поворотним моментом в еволюції органічного світу стала поява зелених рослин, здатних до фотосинтезу. Акумулюючи і перетворюючи сонячну енергію, зелені рослини планети щорічно накопичують сотні мільярдів тонн органічних речовин. Завдяки рослинним організмам у природі відбувається біологічний кругообіг речовин та підтримується стабільний газовий склад атмосфери.

РОЗДІЛ ІІ. РОСЛИНИ ЯК ПРОДУЦЕНТИ АТМОСФЕРНОГО КИСНЮ

2.1 Фотосинтез

2.1.1 Суть та значення фотосинтезу З появою автотрофних організмів, насамперед зелених рослин, став можливим синтез органічних речовин з неорганічних сполук завдяки використанню сонячної енергії, а отже, існування і подальший розвиток життя.

У зв’язку з виникненням фотосинтезу відбулась дивергенція органічного світу в двох напрямках, які відрізнялися способом живлення (автотрофні і гетеротрофні організми). Завдяки появі автотрофних фотосинтезуючих організмів вода й атмосфера почали збагачуватися вільним киснем. Це стало передумовою появи аеробних організмів, здатних до більш ефективного використання енергії в процесі життєдіяльності. Нагромадження кисню зумовило утворення озонового екрана у верхніх шарах атмосфери. Озоновий екран не пропускав згубного для життя ультрафіолетового випромінювання. Це забезпечило можливість виходу життя на суходіл. Поява фотосинтезуючих рослин, в свою чергу, забезпечила можливість існування і прогресивного розвитку гетеротрофних організмів.

Хлорофіл здатний досить ефективно поглинати променисту енергію і передавати її іншим молекулам. Завдяки цій здатності хлорофіл є єдиною структурою на Землі, що забезпечує процес фотосинтезу.

Фотосинтезом називають процес синтезу органічних сполук з неорганічних (СО₂ та Н₂С₂), який відбувається з використанням променистої енергії Сонця при участі хлорофілу. [18]

Цей складний і багатоступінчастий процес розпочинається з поглинання квантів світла молекулою хлорофілу. Його зелений колір зумовлений поглинанням переважно червоних і фіолетових променів сонячного спектра. З моменту поглинання хлорофілом сонячного світла розпочинається світлова стадія фотосинтезу.

Зараз важко, а то і зовсім неможливо знайти будь-які природні явища, які не були б пов’язані з фотосинтезом. Так, основним джерелом енергії для фотосинтезу та біологічної продуктивності слугує енергія Сонця. Рослини перехоплюють цю енергію, але використовують для фотосинтезу лише близько 2−5%, решта енергії витрачається на нагрівання рослин і довкілля, тому сонячна енергія визначає також температуру, за якої відбуваються фізіологічні процеси.

Датою відкриття фотосинтезу вважають 1771 рік. Англійський вчений Джозеф Прістлі звернув увагу на зміну складу повітря внаслідок життєдіяльності тварин. У присутності зелених рослин повітря знову ставало придатним як для горіння, так і для дихання.

В подальших роботах учених (Н. Соссюр, Ж. Сенеб'є, Ж. Бусенго, Й. Інгенхауз) було встановлено, що з повітря зелені рослини поглинають вуглекислий газ, із якого за участі води на світлі утворюється органічна речовина. Саме цей процес у 1877 р. німецьким вченим В. Пфеффером було названо фотосинтезом.

Дуже велике значення для розкриття суті процесу фотосинтезу мав закон збереження енергії, сформульований Р. Майєром у 1845році. Згідно з цим законом, енергія, яку використовують рослини, — це енергія Сонця, яку перетворюють на хімічну енергію в процесі фотосинтезу.

Процес фотосинтезу відбувається в дві фази — світлову та темнову. Під впливом фотонів світла відбувається збудження молекули хлорофілу, причому рівні збудження молекул можуть бути різними. Суть цього процесу полягає в тому, що електрони в молекулі хлорофілу, нагромаджуючи потенціальну енергію, переходять на вищий енергетичний рівень. Їх частина відразу повертається на попередній рівень, а енергія, яка виділяється при цьому переході, випромінюється у вигляді теплоти. Переважна частина електронів з високим рівнем енергії передає її іншим хімічним сполукам для виконання фотохімічної роботи, що здійснюється в декількох основних напрямках:

— перетворення енергії електронів на енергію АТФ. Оскільки приєднання залишків фосфорної кислоти відбувається за рахунок енергії світла, цей процес називається фотофосфорилюванням;

— перебіг процесу фотолізу води: Н2О —> Н⁺ + ОН^-. У результаті іони Н⁺, приєднуючи електрони з високим енергетичним рівнем, перетворюються на атомарний водень, що використовується в наступних реакціях фотосинтезу, а гідроксильні іони, внаслідок взаємодії між собою, утворюють молекулярний кисень, воду і вільні електрони;

— передача енергії електронами з високим енергетичним рівнем через низку проміжних речовин для відновлення універсального біологічного переносника (акцептора) водню НАДФ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат). Завдяки поглинанню енергії НАДФ приєднує два атоми водню, які вивільнились у процесі фотолізу води, і перетворюється на НАДФ * Н₂ (відновлена сполука).

Таким чином, для світлової стадії фотосинтезу характерне перетворення енергії - збудження електронів хлорофілу, фотоліз води, утворення АТФ і відновлення НАДФ.

Після цього настає темнова стадія фотосинтезу, для перебігу якої світло не потрібне. За наявності вуглекислого газу та енергії АТФ, які утворилися внаслідок перебігу світлових реакцій, відбувається приєднання водню до CO₂, що надходить у хлоропласти із навколишнього середовища. За участю специфічних ферментів, відбуваються послідовні реакції, внаслідок чого утворюються різні сполуки, серед яких вуглеводи посідають перше місце. Загальне рівняння фотосинтезу виглядає так:

Таким чином, процес фотосинтезу включає в себе дві стадії:

— отримання водню (фотоліз) — і при цьому кисень виділяється як побічний продукт реакції;

— отримання глюкози (процес відновлення).

Фотосинтез має величезне значення для існування біосфери. Зелені рослини завдяки фотосинтезу щорічно вносять до складу органічних речовин близько 170 млрд. т вуглецю, вони здатні поновити увесь кисень атмосфери приблизно за 2 тис. років і увесь вуглекислий газ — десь за 300 років. Проте в процесі фотосинтезу використовується лише 1% усієї сонячної енергії, що потрапляє на рослини. [11]

Вагомий внесок у вивчення ролі хлорофілу і світла в процесі фотосинтезу зробив російський вчений К.А.Тімірязєв. За словами науковця, зелені рослини відіграють космічну роль завдяки тому, що вони здатні засвоювати сонячну енергію. І ця енергія, акумульована в органічних речовинах, використовується всіма живими організмами нашої планети.

Складні біохімічні процеси, що відбуваються під час світлової і темнової стадії фотосинтезу, зумовлюють і складний характер залежності цієї функції від умов життя рослини. На інтенсивність процесу фотосинтезу впливають як комплекс зовнішніх факторів — температура середовища, освітленість, вологість, вміст вуглекислого газу тощо, так і біологічні особливості рослин, специфіка їхньої реакції на впливи зовнішнього середовища. Ось чому процес фотосинтезу слід розглядати як результат взаємодії всього комплексу зовнішніх і внутрішніх чинників у життєдіяльності рослин.

Щодо освітленості, температури, вологості потреби різних видів рослин дуже відрізняються — є світлолюбні і тіневитривалі види, теплолюбні, холодостійкі, посухостійкі види і таке інше. Але можна сказати, що для більшості видів рослин інтенсивність фотосинтезу збільшується з підвищенням температури і стає максимальною за температури 25 °C, вмісту СО₂ близько 1% і насичення водою. Подальше підвищення цих показників може знижувати інтенсивність фотосинтезу. Збільшення інтенсивності сонячного освітлення від 1 до 30% (від максимального) спричинює значне підвищення інтенсивності фотосинтезу у вищих рослин, а подальше збільшення інтенсивності освітлення посилює фотосинтез лише у світлолюбних рослин.

Вранці ясного теплого дня фотосинтез йде слабо внаслідок невеликої інтенсивності світла і низької температури, незважаючи на високу вологість листя і високу концентрацію двоокису вуглецю в міжклітинниках листочків. При збільшенні інтенсивності світла та нагріванні повітря продихи відкриваються, нетто-фотосинтез починає швидко зростати і може досягти максимуму до полудня. Часто після досягнення максимуму настає полуденне зниження, яке може бути незначним або досить різким. Полуденна депресія нерідко змінюється новим посиленням фотосинтезу в більш пізню післяполуденну пору, а потім остаточно знижується. Спостерігається це, як правило, рано ввечері слідом за зниженням інтенсивності температури і світла. Внаслідок змін умов навколишнього середовища в різні дні та в межах одного дня, денний хід фотосинтезу часто значно відхиляється від описаного раніше. Більшість денних змін фотосинтезу, за винятком полуденного зниження, досить добре взаємодіють зі змінами інтенсивності світла.

Наприклад, на відкритому просторі максимум інтенсивності фотосинтезу трьох видів покритонасінних спостерігався опівдні і відповідав максимальному значенню інтенсивності загальної сонячної радіації. Під пологом лісу інтенсивність фотосинтезу значно змінювалася на протязі дня. При цьому найвища інтенсивність спостерігалася в сонячних відблисках. Денний хід фотосинтезу голонасінних різко відрізнявся у хмарні і в сонячні дні. Без затінення в похмурі або хмарні дні типова картина була такою: інтенсивність нетто-фотосинтезу підвищувалась, досягаючи максимального значення близько полудня, а потім або зменшувалася, або залишалася більш-менш постійною протягом 1−2 год і згодом знижувалася. У ясні сонячні дні фотосинтез зазвичай швидко зростав, досягав максимуму між 9 і 12 год ранку, а потім, до пізніх післяполудневих годин, знижувався. Пізніше він знов посилювався і досягав другого максимуму, але все ж нижчого.

Щодо причин денних змін фотосинтез, то регулювання денного ходу фотосинтезу під впливом різноманітних зовнішніх і внутрішніх чинників дуже складна. Головними з зовнішніх факторів є, напевно, світло, температура, наявність води, вміст СО₂ у повітрі та різні взаємодії між ними. Внутрішню регуляцію поглинання СО₂ відносили на рахунок різних причин: закривання продихів, водного стресу, надмірного дихання, накопичення кінцевих продуктів фотосинтезу і фотоокислення ферментів. Значення окремих факторів, що впливають на поглинання СО_2, досить часто змінюється. Наприклад, вранці, підвищення інтенсивності фотосинтезу взаємопов'язане з нагріванням повітря і збільшенням інтенсивності світла. Однак полуденний спад при найвищій інтенсивності світла часто відбувається, особливо у жаркі дні, внаслідок великої втрати води, супроводжуваної закриванням продихів.

Сезонні зміни фотосинтетичної здібності у голонасінних відбуваються більш поступово у порівнянні з листопадними покритонасінними. Коли температура навесні підвищується і нічні заморозки стають не такими частими, фотосинтетична здатність голонасінних поступово збільшується. Восени інтенсивність фотосинтезу також поступово знижується. У листопадних покритонасінних фотосинтез швидко прискорюється навесні, коли дерева знову покриваються листям, залишаючись високим протягом літа, швидко зменшується в кінці літа, коли листя старіє, і остаточно падає до нуля, коли воно опадає. Сезонні зміни фотосинтетичної здібності відрізняються у видів з різним характером розвитку листя. У видів, пагони яких повністю формуються в зимуючих бруньках, листкова поверхня досягає максимального значення на початку вегетаційного періоду. Гетерофільні види продовжують збільшувати кількість листя поступово або шляхом періодичного утворення нових пагонів на протязі усього сезону. Отже, сезонні зміни фотосинтетичної спроможності відбуваються при зміні площі листя. У голонасінних фотосинтетична здатність також змінюється при появі нового листя, а восени голонасінні значно довше, ніж покритонасінні, зберігають свою здатність до фотосинтезу. У районах з теплими зимами фотосинтез вічнозелених голонасінних може відбуватися протягом всього року. У місцях з суворими зимами процес фотосинтезу може відбуватися кілька тижнів або місяців.

Спостережуване поглинання СО₂ або приріст сухої маси протягом зими були встановлені для сосни Єжова і сосни ладанної на півдні Сполучених Штатів, для сосни чудовою і сосни звичайної в Аберістуїті (Уельс) і для широколистих вічнозелених рослин в Північній Італії. Дерева дугласії накопичували велику кількість продуктів фотосинтезу взимку в м’яких кліматичних умовах прибережного району північно-заходу Сполучених Штатів. У посушливий рік чистий приріст продуктів фотосинтезу протягом зими наближався до 1 / 4 загального приросту за весь рік. Вздовж всієї прибережної зони Норвегії у сосен і ялин зменшувалася суха маса протягом недовгих періодів взимку, але за всю зиму у них виявився чистий приріст, що довів перевищення фотосинтезу над диханням. Суха маса сіянців ялини ситхинской в Південній Шотландії подвоювалася за період приблизно з кінця вересня і до середини квітня. Велика частина приросту випадала на кінець березня — початок квітня, але деяка кількість сухої маси накопичувалося в середині зими.

У районах з холодними зимами інтенсивність фотосинтезу у вічнозелених рослин спостерігалася до точки замерзання або навіть трохи нижче. Наприклад, біля Мюнхена поглинання СО₂ ялиною європейською відбувалося навіть в дні, коли температура повітря була нижче нуля. У долині біля Інсбрука (Австрія) фотосинтез ялини європейської тривав і взимку до настання досить сильних морозів. Проте на кордоні деревної рослинності біля гори Патчеркофель морозна погода в листопаді (від -10 ° до -15 °)все ж викликала припинення фотосинтезу. Пізек і Віпклер (1958 рік) показали, що інтенсивність нетто-фотосинтезу ялини європейської і сосни кедрової європейської була помітною до пізньої осені. Наступні зміни температури на кілька градусів нижче і вище нуля викликали помітні коливання поглинання СО_2. Після морозу від -6 ° до -8 ° С нетто-фотосинтез припинявся, і необхідними були кілька днів з м’якою погодою для відновлення фотосинтетичної спроможності. Повністю фотосинтез поновлювався з підвищенням температури навесні. Особливо це стосувалося частин крони, у яких відбувався розпад хлорофілу узимку. Навесні разом із змінами температури змінювалась і інтенсивність фотосинтезу. Отже, фотосинтетичний апарат залишався функціонально активним тільки до тих пір, доки взимку не наступали морози.

2.1.2 Листок як орган забезпечення фотосинтезу Особливості морфології, анатомії та фізіології листка повною мірою забезпечують здійснення його основної функції — фотосинтезу (рис. 4.).

Рис. 4. Листок як орган фотосинтезу Поверхня листка вкрита епідермісом. Клітини нижнього та верхнього епідермісу, окрім тих, що створюють продиховий апарат, позбавлені хлоропластів. Вони тільки пропускають світлові промені, отже, безпосередньої участі в фотосинтезі не беруть. Характерною особливістю покривної тканини листка є наявність продихів, площа яких не перевищує 1% від загальної поверхні. Для того щоб фотосинтез протікав нормально, в клітини до зелених пластид має надходити вуглекислий газ. Кількість його в атмосферному повітрі становить близько 0,03%. Впродовж дня рослина засвоює таку кількість вуглекислоти, яка міститься приблизно в 30−60-метровому шарі повітря. Для утворення 1 г вуглеводів необхідно десь 1,47 г СО₂ (така кількість його міститься майже у 2500 л повітря). Це можливо завдяки неперервному турбулентному рухові повітряних мас навколо листків, що спричинюється нерівномірним нагріванням їх сонячними променями та вітром. [10]

Кількість води, яка витрачається на фотосинтез, становить незначну частину тієї кількості, яка поглинається та випаровується рослинним організмом. Дефіцит води зменшує швидкість фотосинтезу, адже закриття продихів припиняє доступ вуглекислого газу до мезофілу листка. Крім того, кисень, що виділяється в процесі фотосинтетичних реакцій фотолізу води, також потрапляє в зовнішнє середовище за допомогою продихи. Тому закриття продихів припиняє газообмін з атмосферою, хоча при цьому ні фотосинтез, ні дихання не припиняються. Як невід'ємні структури листка, продихи взаємодоповнюють один одного, постачаючи кисень та вуглекислий газ для відповідних реакцій.

Отже, функціонування продихів регулює газообмін — надходження вуглекислого газу, виділення кисню та випаровування води. Як правило, продихів більше з нижнього боку листка, куди не потрапляють сонячні промені напряму. На верхній частині їх кількість значно менша, що зменшує випаровування води під дією тих самих променів.

Основну ж тканину листка займає мезофіл, який буває двох типів: губчастий та палісадний (рис. 5.).

рослина кисень кругообіг фотосинтез Рис. 5. Анатомічна структура листка Найбільшу кількість хлоропластів мають клітини палісадної або, як її ще називають, стовбчастої паренхіми (декілька десятків на одну клітину). Ці клітини щільно прилягають одна до одної, на відміну від пухко розміщених клітин губчастого мезофілу. Від 15 до 20% загального об'єму листка становить міжклітинний простір, наявність якого характерна, перш за все, для губчастої паренхіми. Завдяки міжклітинникам значно зростає внутрішня поверхня листка (вона в 7−10 разів більша за зовнішню поверхню), створюється відповідне співвідношення газового складу, яке відрізняється від атмосферного, хоча міжклітинний простір і поєднується з повітрям атмосфери за допомогою продихів. Саме за рахунок міжклітинного простору СО₂ постійно надходить з атмосфери, бо губчаста тканина мезофілу розміщується поблизу нижнього епідермісу там, де розташовані численні продихи. Мезофіл листка пронизаний сіткою судинно-волокнистих пучків, до складу яких входить ксилема, котра постачає воду та мінеральні речовини, і флоема, яка забезпечує відтік продуктів фотосинтезу.

Характерно, що прямого контакту між клітинами флоеми та кожною клітиною паренхіми немає. Це свідчить про те, що внутрішнє транспортування всіх необхідного для фотосинтезу речовин, як і відтік його продуктів на короткі відстані, здійснюється за участі симпласту й апопласту. 7]

Для здійснення фотосинтезу в нормальному режимі, листок повинен отримувати достатню кількість сонячної енергії, води та вуглекислого газу.

Фотосинтез здійснюється під час безперервного надходження великої кількості світлової енергії в певні ділянки клітин. Тому в процесі еволюції рослин в клітині сформувалися спеціалізовані структури — хлоропласти (рис. 6.).

Рис. 6. Будова хлоропласта: 1 — зовнішня оболонка; 2— внутрішня оболонка; 3 — строма; 4 — краплини ліпідів; 5— грана; 6 — тилакоїди строми; 7 — крохмальні зерна; 8 — оболонка хлоропласта; 9 — рибосоми

Довжина хлоропластів становить 4−10 мкм. Їх кількість у клітині може коливатися від одного до 100 і більше. Загальна сумарна поверхня хлоропластів перевищує площу листків у десятки, і навіть у сотні разів.

Хлоропласти — це напівавтономна, саморегулювальна система рослинної клітини, яка для розвитку та функціонування використовує генетичну інформацію як свого власного, так і ядерного, а можливо і мітохондріального, геномів.

Пігментний комплекс є одним із найважливіших компонентів фотосинтетичного апарату. Прокаріоти не мають спеціалізованих фотосинтетичних органел, тому їхній пігментний апарат представлений в окремих мембранах, які дифузно розсіяні в клітині. Представники ж еукаріотів мають спеціалізовані органели — хлоропласти, де й зосереджено весь пігментний комплекс. Виявлено, що фізико-хімічні властивості пігментів краще всього реалізуються саме в хлоропластах.

Хлорофіл, а наявний у хлоропластах або в аналогічних структурах всіх організмів, що здатні до фотосинтезу, за винятком бактерій які містять бактеріохлорофіл а.

Усі вищі рослини та зелені водорості містять також хлорофіл b. Різниця між ними полягає в тому, що до хлорофілу б біля третього атома вуглецю другого пірольного кільця замість метильної групи (-СН₃), яка характерна для хлорофілу а, приєднана альдегідна (-СОН) група. Ці два хлорофіли відрізняються також за забарвленням: хлорофіл, а має синьо-зелений відтінок, тоді як хлорофіл bжовто-зелений. Вміст хлорофілу, а в листку приблизно втроє більший, ніж хлорофілу b.

Встановлено, що хлорофіл у мембранах пластид перебуває у вигляді пігмент-ліпопротеїдних комплексів та має різний ступінь агрегації. Особливості спектра дії фотосинтезу свідчать про те, що в процесах поглинання світла також беруть участь і додаткові пігменти. [10]

Поряд із зеленими пігментами в хлоропластах є й такі, що належать до групи каротиноїдів. Каротиноїди — це найпоширеніші в рослинному світі жиророзчинні оранжеві, жовті та червоні пігменти аліфатичної будови. Вони є обов’язковим компонентом фотосинтетичного апарату. За хімічною природою всі вони — полімери вуглеводню і складають ланцюг із 40 вуглецевих атомів, побудований з 8 залишків ізопрену.

Отже, каротиноїди розширюють спектр дії фотосинтезу, забезпечуючи, поглинання від 10 до 20% енергії сонячних квантів, причому приблизно 50% енергії поглинається в короткохвильовій області — зоні високих енергій. Ці пігменти виконують функцію світлопоглинання, передаючи енергію свого електронно-збудженого стану до хлорофілу а. Зворотний процес передачі є неможливим. Слід згадати, що каротиноїди, на відміну від хлорофілів, не здатні до флуоресценції. Каротиноїдам належить ще одна специфічна функція в регулюванні фотосинтетичного апарату рослинного організму. А саме те, що хлоропласти переміщуються в клітині під впливом синіх променів, які знову ж таки поглинаються каротиноїдами.

Фізіологічна функція каротиноїдів не обмежується їхньою участю в передачі енергії на молекули хлорофілів. Каротиноїди є переносниками активного кисню, вони беруть участь в окисно-відновних реакціях завдяки наявності великої кількості подвійних зв’язків. Також їм належить певна функція у статевому процесі рослин, а саме: вони зумовлюють забарвлення пелюсток квітів, плодів, коренеплодів. Мало з’ясована їхня функція в кисневому обміні, участь у формуванні фотоперіодичної реакції, в ростових процесах, зокрема під час проростання насіння, в проявах фототаксису та фототропізму.

Синьо-зелені водорості, червоні та деякі інші представники водоростей, окрім хлорофілів і каротиноїдів, мають ще одну групу допоміжних пігментів — фікобіліни. Пігменти даної групи виконують функцію світлозбиральної антени та забезпечують ефективну передачу поглинутої енергії сонячного світла до хлорофілів а. [17]

2.1.3 Експериментальне доведення продукування кисню внаслідок фотосинтезу У 1772 британський вчений Джозеф Прістлі провів досить простий експеримент, проте, зробив важливе відкриття. Він помістив втечу зеленого рослини в спеціальний контейнер, потім поставив у нього запалену свічку і загерметизував контейнер. Свічка згоріла повністю. Пізніше Прістлі посадив у подібну конструкцію мишу і вона залишилася жива після того, як свічка догоріла. Тобто, вчений виявив, що повітря, зіпсоване горінням або диханням, знову стає придатним для дихання під дією зелених частин рослин. Так він став першим, хто довів, що зелені рослини поглинають з повітря вуглекислий газ і виділяють кисень.

Пізніше, проводячи спостереження за зеленими рослинами, які проростали на стінках скляних посудин, Прістлі встановив, що при розміщенні на сонячне світло, вони виділяють газ схожий з тим, який виходив при експериментах з оксидом ртуті (кисень). Таким чином, Прістлі задокументував процес фотосинтезу. [4]

У тому, що при фотосинтезі виділяється кисень, можна легко переконатися, спостерігаючи за водними рослинами, наприклад за гілочками Елодеї, зануреними у воду, в якій є вуглекислота. На яскравому світлі з пошкоджених місць виділяються бульбашки газу. Якщо його зібрати в пробірку і опустити туди тліючу лучинку, то остання яскраво спалахне, так як в кисні відбувається посилене горіння.

8 вересня 2011 року в ЗМІ з’явилось повідомлення, що британський науковець зголосився бути добровольцем у ризикованому експерименті, покликаному «продемонструвати важливість фотосинтезу для виживання людства»: професора Ієна Стюарта на 48 годин мали помістити в прозорий і герметичний плексигласовий бокс об'ємом 30 кубометрів разом з 150 рослинами. Таким чином, науковці мали бажання відтворити дослід, вперше поставлений ще в XVIII столітті Джозефом Прістлі, — з тією різницею, що тоді випробування проводилися на миші, а не на людині.

Кількість рослин для досліду було вибрано вченими з розрахунку продукування кисню, мінімально необхідного для підтримки життя людини.

Більш того, рівень кисню в боксі повинен був бути заздалегідь штучно знижено, таким чином, що професор Стюарт, який читає лекції з геології в університеті Плімута, мав повністю залежати від кисню, який синтезують рослини з видихуваного ним вуглекислого газу.

Для досвіду було обрано ті види рослин, які фотосинтезують найбільш ефективно, — міскантус, кукурудза і банан. За рівнем кисню в повітрі мали стежити лікарі, щоб не допустити кисневого голодування добровольця.

Вже 19 вересня 2011 року ЗМІ повідомили, що вчений Ієн Стюарт успішно закінчив свій експеримент по перебуванню у скляному боксі з рослинами. Вченому вдалося довести, що дихаючи лише тим киснем, який виділяють рослини у процесі фотосинтезу, можна повноцінно існувати.

Британський біолог і професор університету Плімута Ієн Стюарт провів рівно дві доби в герметичному скляному боксі об'ємом 30 кубометрів, оточений 120 дрібними й 30 великими рослинами. Вміст кисню в боксі, який на 48 годин став для вченого будинком, був знижений майже у два рази порівняно з нормою. Таким чином, досліднику доводилося дихати лише тим киснем, який виділяли в процесі фотосинтезу оточуючі рослини. Своїм вчинком учений хотів показати, наскільки важлива роль рослин для людини і навколишнього середовища в цілому.

Проект, у рамках якого вчений здійснював ризикований експеримент, отримав назву «Едем». За подіями пильно стежила бригада лікарів і камери телеканалу BBC₂. Пізно вночі 12 вересня Ієн Стюарт увійшов до скляного акваріуму, після чого кришка над теплицею зачинилася, а в павільйоні, де тривав експеримент, запалилися потужні лампи денного світла. З собою в акваріум біолог взяв кілька книг, ноутбук і рацію, щоб постійно залишатися на зв’язку. Учений припускав, що перебування в приміщенні з пониженим вмістом кисню може викликати у нього нудоту, напад астми чи непритомність.

Проте все закінчилося благополучно: пробувши в герметично закритій теплиці 48 годин, Ієн Стюарт сказав, що відчуває лише легкий головний біль. За словами вченого, з таким же успіхом він міг провести два дні на висоті 4500 км над рівнем моря — вміст кисню на піку найвищих гір Землі можна порівняти з кількістю життєво необхідного газу, який був у акваріумі біолога. Вчений назвав рослини «останніми рятівниками людства», які необхідно берегти як зіницю ока, навіть якщо це уповільнить технічний прогрес. [5]

ВИСНОВКИ Вивчення фотосинтезу показало велике значення зеленої рослини в житті нашої планети. Зелені рослини є тією єдиною в світі лабораторією, яка засвоює сонячну енергію і зберігає її у вигляді енергії хімічних сполук, що утворюється в процесі фотосинтезу.

З появою автотрофних організмів, насамперед зелених рослин, став можливим синтез органічних речовин з неорганічних сполук завдяки використанню сонячної енергії (космічна роль рослин), а отже, існування й подальший розвиток життя. З виникненням фотосинтезу відбулася дивергенція органічного світу в двох напрямках, які відрізнялися способом живлення (автотрофні і гетеротрофні організми). Завдяки появі автотрофних фотосинтезуючих організмів вода й атмосфера почали збагачуватися на вільний кисень. Це стало передумовою появи аеробних організмів, здатних до ефективнішого використання енергії в процесі життєдіяльності. Нагромадження кисню зумовило утворення у верхніх шарах атмосфери озонового екрана, який не пропускає згубне для життя ультрафіолетове випромінювання. Рослинний покрив збагачує атмосферу киснем і є основним джерелом енергії та органічного матеріалу майже для всіх екосистем. Фотосинтез радикально змінив склад ранньої земної атмосфери, яка містить в даний час приблизно 21% кисню. Ось чому так важливо зберігати і поширювати зелені насадження.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Бугай С. М. Растенееводство: підручник / С. М. Бугай. — К.: Вища школа, 1975. — 375 с.

2. Васюкова Г. Т. Екологія / Г. Т. Васюкова, О. І. Ярошева. — К.: Кондор, 2009. — 524 с.

3. Джигирей В. С. Екологія та охорона навколишнього природного середовища: Навч. посібник / В. С. Джигирей. — 3-є вид. — К.: Т-во «Знання», КОО, 2004. — 309 с.

4. Джозеф Прістлі [Електронний ресурс] // Режим доступу: http://uk.wikipedia.org/wiki/Джозеф_Прістлі

5. Експеримент вченого, що 48 годин провів у боксі з рослинами [Електронний ресурс] // Режим доступу: http://novynar.com.ua/tech/188 137

6. Злобін Ю. А. Основи екології: підручник / Ю. А. Злобін. — К.: Лібра, 1998. — 249 с.

7. Кочубей С. М. Организация фотосинтетического аппарата высших растений: підручник / С. М. Кочубей.— К.: Альтерпрес, 2001. — 204 с.

8. Кравченко С. М. Екологічна етика і психологія людини / С. М. Кравченко, М. В. Костицький. — Львів: Світ, 1992. — 523 с.

9. Кучерявий В. П. Екологія: підручник / В. П. Кучерявий. — Львів: Світ, 2001. — 500 с.

10. Малиновский В. И. Физиология растений: підручник / В. И. Малиновский. — Владивосток: ДВГУ, 2004. — 205 с.

11. Мокроносов А. Т. Фотосинтез: физиологические и биохимические аспекты / А. Т. Мокроносов, В. Ф. Гавриленко. — М.: Моск. ун-та, 1992. — 319 с.

12. Мусієнко М. М. Фізіологія рослин: підручник / М. М. Мусієнко. — К.: Либідь, 2005. — 808 с.

13. Олійник Я. Б. Загальне землезнавство / Я. Б. Олійник, Р. П. Федорищак, П. Г. Шищенко. — К.: Знання-Прес, 2003. — 247 с.

14. Потіш Л. Екологія: навчальний посібник / Л. Потіш — К.: Знання, 2008. — 271 с.

15. Рубин Б. А. Курс физиологии растений: підручник / Б. А. Рубин. — М.: Высшая школа, 1961. — 583 с.

16. Силаева А. Й. Структура хлоропластов и факторы среды: підручник / А. Й. Силаева. — К.: Наук. думка, 1978. — 157 с.

17. Уокер Д. Фотосинтез С3 и С4 растений: механизмы и регуляция / Д. Уокер, Дж. Эдвардс; пер. с англ. — М.: Мир, 1986. — 590 с.

18. Фотосинтез [Електронний ресурс] // Режим доступу: http://uk.wikipedia.org/wiki/Фотосинтез

19. Хржановский В. Г. Практикум по курсу общей ботаники / В. Г. Хржановский, С. Ф. Пономаренко. — М.: Высш. Школа, 1979. — 422 с.