Глава 5. Питание растении углеродом (фотосинтез)

Анализ органического вещества показывает, что оно состоит на 45% из углерода. Именно поэтому вопрос об источнике питания орга­низмов углеродом чрезвычайно важен. Все организмы можно раз­делить на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы характеризуются способностью синтезировать органическое вещество из неорганических соединений. Гетеротрофные организмы строят ор­ганическое вещество своего тела из уже имеющихся готовых органи­ческих соединений, только перестраивая их. Иначе говоря, гетеро­трофные организмы живут за счет автотрофных. Для того чтобы осу­ществить синтез органического вещества, необходима энергия. В зависимости от используемого соединения, а также от источников энергии различают следующие основные типы питания углеродом и построения органических веществ.

Из всех перечисленных типов питания углеродом фотосинтез, при котором построение органических соединений идет за счет простых неорганических веществ (СО₂ и Н₂О) с использованием энергии сол­нечного света, занимает совершенно особое место. Фотосинтез харак­терен для всех зеленых растений.

Общее уравнение фотосинтеза:

свет

6СО₂ + 12 Н₂О --------------→ С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ + 6Н₂О

хлорофилл

Фотосинтез — это процесс, при котором энергия солнечного света превращается в химическую энергию. В самом общем виде это можно представить следующим образом: квант света (hv) поглощается хло­рофиллом, молекула которого переходит в возбужденное состояние, при этом электрон переходит на более высокий энергетический уро­вень. В клетках зеленых растений в процессе эволюции выработался механизм, при котором энергия электрона, возвращающегося на ос­новной энергетический уровень, превращается в химическую энер­гию. Только с помощью зеленых растений энергия Солнца может накапливаться в виде энергии химических связей. Таким образом, органические вещества, которыми питаются животные и человек, первоначально создаются в зеленом листе. Большая часть той энер­гии, которая используется человеком на заводах и фабриках, т. е. энергия, благодаря которой происходит движение различных меха­низмов, машин и самолетов,— это все энергия. Солнца, преобразован­ная в зеленом листе. Исследования показали, что весь кислород ат­мосферы фотосинтетического происхождения. Следовательно, процес­сы дыхания и горения стали возможны только после того, как возник фотосинтез. Все это и позволяет говорить о космическом значении фотосинтеза. Чтобы лучше представить себе масштабы процесса фо­тосинтеза, приведем несколько цифр. Ежегодно в процессе фотосинтеза растениями суши образуется 3,1 -10¹⁰ т органического вещества, в том числе на долю лесов приходится 2,04-10¹⁰ т, лугов, степей—0,3- 10'° т, пустынь — 0,11 - 10¹⁰ т, культурных полей — 0,56-10¹⁰ т. Если учесть продукцию органического вещества растений планктона, циф­ры значительно возрастут и достигнут величины примерно 5,8-10¹⁰т в год. Энергия, накапливаемая в процессе фотосинтеза за один год, приблизительно в 100 раз больше энергии сгорания всего добываемо­го в мире за этот же период угля.

Казалось бы, что при таком колоссальном годовом потреблении углерода весь С0₂ воздуха должен быть израсходован в течение не­многих лет. Однако содержание С0₂ в атмосфере непрерывно попол­няется за счет растворенных в воде карбонатов и бикарбонатов. Кро­ме того, углекислый газ выделяется из почвы в результате различных микробиологических процессов, связанных с окислением органиче­ских веществ (до 25—30 кг С0₂ на 1 га в сутки). Фотосинтез имеет важнейшее значение и в жизни самого растительного организма. В период наиболее активного роста растений суточные приросты сухого вещества достигают 300 и даже 500 кг/га. При этом в течение суток растение усваивает 1 — 2 кг N, 0,1—0,2 кг Р, 0,8—1,7 кг К и.до 1000 кг СО₂.

Учитывая значение процесса фотосинтеза, раскрытие его механиз­ма является одной из наиболее важных и интересных задач, стоящих перед физиологией растений.