Особенности фотосинтеза суккулентов
О влиянии солнечной энергии на хлорофилл, усвоении и преобразовании ее в химические соединения написаны огромные тома. Процесс поглощения квантов света и превращения углекислого газа в органические соединения — фотосинтез — в настоящее время в биологии изучен детально.
Влияние света на зеленые растения изучалось довольно продолжительное время. Впервые синтез органических веществ благодаря солнечной энергии был назван фотосинтезом в 1877 году. Приведем определение: «фотосинтез — это процесс поглощения электромагнитной энергии солнца хлорофиллом и вспомогательными пигментами и превращения ее в химическую энергию, поглощение углекислого газа из атмосферы, синтез органических соединений и выделение кислорода в атмосферу». Таким образом, для успешного протекания фотосинтеза требуется свет, углекислый газ, вода и специальный пигмент — хлорофилл.
Элементарное уравнение фотосинтеза выглядит так:
6С02 + 6Н20 + 674 ккал — (свет, хлорофилл) — С6Н1206 + 602
Как видно, углекислый газ восстанавливается до простых сахаров, которые должны были бы тут же окисляться свободным кислородом и превращаться опять в углекислый газ. Однако продукты фотосинтетических реакций разделены благодаря уникальному строению специальных клеточных образований — хлоропластов.
Хлоропласта представляют собой овальные тельца, свободно расположенные в цитоплазме клетки. По строению хлропласты представляют собой мешок, образованный двумя двойными мембранами, пронизанными порами.
Внутренняя полость заполнена студенистым веществом — стромой, в которой расположены уплощенные округлые мешочки — тилакоиды, сложенные наподобие столбиков монет в граны. Обычно в развитом хлоропласте находится 100—150 гран, состоящих из 10—30 тилакоидов. Если учитывать, что пигменты сосредоточены в мембранах тилакоидов, то суммарная фотосинтетическая поверхность во много раз превышает поверхность клеточной мембраны.
Хлоропласты имеют зеленую окраску благодаря хлорофиллу. Кроме них, в клетках находятся еще два вида пластид: желтые и оранжевые — хромопласты и бесцветные — лейкопласты.
В процессе фотосинтеза происходит поглощение света пигментами хлоропластов. Большая часть солнечной энергии поглощается хлорофиллами и каротиноидами. Наиболее важные из них: хлорофилл а, имеющий сине-зеленую окраску; хлорофилл b — светло-зеленую; каротин — оранжевую и ксантофилл — желтую (последние два относятся к группе каротиноидов).
По химическому строению хлорофилл весьма близок к красному пигменту крови — гемму, но содержит не атом железа, а атом магния. Хлорофилл а отличается от хлорофилла b только тем, что у второго метильная группа заменена на радикал -СОН. Для образования хлорофилла в растениях необходимо несколько четко определенных условий: присутствие пропластид, способных к позеленению (будущих хлоропластов), света и солей железа, являющихся катализаторами энергопоглотительных процессов, при отсутствии которых наблюдается побледнение (хлороз) зеленых тканей растения.
В зеленых клетках листьев мезофитных растений в результате фотосинтетической реакции образуются простые сахара (глюкоза, фруктоза), которые затем синтезируются в крахмал. Химизм фотосинтеза довольно сложен и представляет собой ряд превращений соединений углерода и образование богатых энергией органических соединений фосфора, происходит накопление энергии в виде химических связей.
Все реакции фотосинтеза условно делятся на: световые и темповые.
Световые реакции происходят под действием энергии солнца. К ним относятся: разложение воды на кислород и водород, образование энергетических фосфорных соединений и синтез аминокислот и белков.
Темновые реакции проходят (не обязательно ночью и в темноте) под действием энергии химических связей и имеют конечным результатом образование простых Сахаров и выделение в атмосферу молекулярного кислорода. Оптимальная температура процессов фотосинтеза лежит в пределах 20— 30 °С. У мезофитных растений в вегетационный период днем идет поглощение углекислого газа, синтез органических веществ и выделение кислорода. Процесс дыхания, который по своей сути обратен фотосинтезу, проходит постоянно в течение суток, но его интенсивность изменяется в связи с суточными колебаниями температуры окружающей среды. Температурный оптимум дыхания значительно выше, чем фотосинтетический, поэтому на свету при температуре 15—30 °С синтез преобладает над распадом. Если же температура воздуха повышается до 45—50 °С, фотосинтез почти прекращается, в то время как процесс дыхания идет полным ходом. То есть одной из причин угнетения и гибели мезофитных растений при повышенной температуре является их истощение при активном дыхании и угнетении фотосинтеза.