Воздействие оптического излучения на растения.

Из всех организмов на земле только зеленые растения могут самостоятельно преобразовывать энергию оптического излучения и химическую энергию органических веществ. К.А. Тимирязев впервые установил, что хлорофилл, поглощая энергию излучения, вступает в окислительно-восстановительную реакцию с СО₂ и Н₂О, в результате которой образуются углеводы и свободный кислород, которым растения обогащают воздух. Процесс создания в растениях богатых химической энергией органических веществ из минеральных под воздействием энергии излучения называют фотосинтезом.

Влияние оптического излучения на растения многосторонне. Не только фотосинтез, но и многие другие физиологические процессы растений зависят от условий облучения. Рост и развитие растений, образование листьев и других органов в значительной степени зависят от облучения. Однако основным, наиболее характерным процессом зеленых растений является фотосинтез. Этим процессом определяется урожай растений.

В воздействии излучения на растения можно выделить две стороны. В первую очередь излучение является основным и незаменимым источником энергии для растения. Общее энергетическое действие излучения на растения складывается из фотосинтетического и теплового. Поглощенная растениями энергия излучения частично используется на осуществление фотосинтеза, а часть ее идет на нагрев и испарение воды (транспирация). Фотосинтетическим действием обладают только излучения с длинами волн от 300 до 750 нм. Тепловое действие на растения могут оказывать не только видимые и ультрафиолетовые, но и инфракрасные излучения. Это действие излучения в известной мере можно заменить нагревом растений от окружающей среды.

Излучение действует на растения не только как источник энергии, но и как своеобразный регулятор или раздражитель. Характерным примером такого действия излучения является фотопериодическая реакция растений. Чтобы вызвать ее, требуется во много раз меньшее количество энергии, чем для осуществления фотосинтеза. Вызывать фотопериодическую реакцию растений и оказывать на нее влияние может также фотосинтетически неактивное излучение, например, инфракрасное.

Ультрафиолетовое излучение с длинами волн короче 295 нм при поглощении протоплазмы клеток вызывает разрушение белковых веществ. Это излучение при больших дозах оказывает вредное (разрушающее) воздействие на растения.

Поглощение листьями излучения зависит от его спектрального состава, толщины листа, внутреннего строения и состояния его поверхности, а также от состава и концентрации в листе пигментов. В листьях растений осуществляется фотосинтез, а также образуются различные физиологически активные вещества.

Зеленый лист растения поглощает 80…90% падающего на него суммарного фотосинтетически активного излучения, отражает 5…10 % и примерно столько же пропускает. Спектр поглощения оптического излучения у всех зеленых растений носит одинаковый характер. В естественных условиях из всей энергии, падающей на растения, примерно 2% используется на фотосинтез, остальная поглощенная энергия излучения превращается в растении в теплоту.

Суммарное уравнение фотосинтеза обычно записывают в виде реакции превращения углекислого газа и воды в гексозу: 6СО₂ + 6Н₂О + nhv + хлорофилл → С₆Н₁₂ + 6О₂ + хлорофилл. Это уравнение соответствует обращенному суммарному процессу дыхания, что свидетельствует о противоположности этих процессов. В противоположность фотосинтезу при дыхании происходит окисление органического вещества и выделение углекислого газа и воды.

Суммарное уравнение не выражает особенностей процесса фотосинтеза, являющегося сложной многоступенчатой реакцией. Часть элементарных реакций фотосинтеза может протекать только на свету, а часть в темноте. В связи с этим различают световую и темновую стадии фотосинтеза. Конечными продуктами фотосинтеза могут быть самые разнообразные органические вещества (углеводы, белки, жиры и т.д.).

Общий путь превращения энергии излучения в процессе фотосинтеза в химическую энергию у всех видов растений одинаков. По современным представлениям энергия отдельных квантов излучения, поглощенная любым фотосинтетическим пигментом, передается затем молекулам хлорофилла «а». При этом молекулы хлорофилла «а» переходят в возбужденное состояние. Внутренняя энергия каждой из этих молекул повышается на величину, равную энергии квантов излучения с длиной волны 680 нм. Поэтому, независимо от длины волны излучения только этой части энергии квантов может превращаться в химическую энергию, остальная же часть энергии квантов превращается в теплоту. Другими словами, при фотосинтезе наиболее полно используют излучение с длиной волн 680 нм.

По мере уменьшения длины волны доля энергии каждого кванта, используемая на фотосинтез, уменьшается. Однако под источниками с однородным монохроматическим излучением не удается получить полноценных растений. В установках, применяемых на практике для искусственного облучения растений, используют лампы с неоднородным облучением. Для получения хорошо развитых растений и высокой продуктивности фотосинтеза лампы облучательных установок должны содержать на своем спектре все излучения области 300…750 нм. При этом желательно, чтобы большая часть приходилась на область оранжево – красных и сине – фиолетовых излучений. Энергия различных длин волн в разной мере используется на фотосинтез. Спектр действия фотосинтеза, по экспериментальным данным различных авторов, приведен на рис 1.6. Большое расхождение данных различных авторов в коротковолновой области спектра обусловлено трудностью получения однородных монохроматических излучений требуемой мощности в этой области и сложной зависимостью фотосинтеза от многих внешних условий и состояния растений. Спектральная интенсивность фотосинтеза разных видов растений может различаться. Она может быть неодинаковой для растений одного и того же вида, но выращенных в различных условиях или имеющих разный возраст или фазу развития.

Для разработки ламп и установок искусственного облучения растений очень важно знать некоторый средний спектр действия фотосинтеза. На рис 1.7. приведен спектр действия, так называемого, среднего листа растения, полученный расчетным путем по спектрам поглощения фотосинтетических пигментов и их усредненной концентрации в листе.

У растений одновременно с процессом фотосинтеза происходит и процесс дыхания. Разлагая органические вещества, растения затрачивают на дыхание энергию. При этом они выделяют углекислый газ и поглощают кислород. При малых значениях облученности интенсивность фотосинтеза бывает настолько мала, что усваиваемой при этом энергии бывает недостаточно для покрытия расхода ее на дыхание.

300 400

Рис.1.6 Спектральная чувствительность

1-среднего листа растения; 2-фитофотометра

При низких облученностях процесс дыхания может преобладать над фотосинтезом. По мере повышения облученности наступает такое ее значение, при котором количество энергии, накапливаемой путем фотосинтеза, равно энергии, расходуемой на дыхание. Это значение облученности называют компенсационным. При повышении облученности, начиная от компенсационного значения, интенсивность фотосинтеза возрастает пропорционально облученности. Как видно из рис. 1.7, прямолинейный участок световой кривой фотосинтеза заканчивается при некотором значении облученности и начинается плавный изгиб, который затем переходит в плато насыщения. Значение облученности, начиная с которого дальнейшее увеличение ее не приводит к повышению интенсивности фотосинтеза, называют насыщающим.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Е, клк

Рис.1.7 Световая кривая фотосинтеза: 1-при температуре 20⁰; 2-при температуре 10⁰

Компенсационное и насыщающее значения облученности для разных видов растений могут быть различными. Эти значения облученности зависят от внешних условий произрастания растений и их физиологического состояния.