9. Космическая роль зеленого растения. Глобальная роль фотосинтеза. Уровни организации фотосинтетического аппарата. Лист как специализированный орган фотосинтеза.

КРЗР

Под фотосинтезом понимают процесс, в котором растения на солнечном свету синтезируют органические соединения из неорганических. Фотосинтез — единственный на Земле процесс, с помощью которого космическая энергия солнечного света трансформируется в энергию химических связей органических соединений, составляющих основу для жизнедеятельности всех гетеротрофных организмов — от бактерий до человека. Процесс ФС явление, протекающее с увеличением и запасанием свободной энергии. Все другие биологические процессы осуществляются за счет химической энергии, накапливаемой фотосинтезирующими организмами.

Впервые утверждение о том, что "зеленые растения преобразуют энергию солнечного света в химическую энергию", сделал в 1845 г Роберт Майер . В работе "Органическое движение в его связи с обменом веществ", в которой им впервые был сформулирован закон сохранения энергии, Р. Майер пишет: "Природа поставила себе задачей перехватить на лету притекающий на Землю свет и превратить эту подвижнейшую из сил в твердую форму, сложив ее в запас. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые в течение своей жизни воспринимают солнечный свет и, используя эту силу, создают постоянно нарастающую сумму химической разности. Эти организмы — растения". Фотосинтез способны осуществлять не только высшие растения, но также водоросли, папоротники, мхи, хвощи, плауны и некоторые виды бактерий. Процесс фотосинтеза поставляет нам не только пищу, но и различные виды топлива (как ископаемого, так и биомассу).

Фотосинтезирующие организмы так рационально решают проблемы эффективного улавливания солнечной энергии, ее преобразования и запасания в удобной для биологического потребления форме, что до сих пор не удается смоделировать эти процессы в искусственных условиях. Продукты фотосинтеза привлекают все большее внимание в связи с необходимостью прокормить, обеспечить энергией и одеть постоянно растущее население Земли.

Рассматривая вопросы о роли фотосинтеза следует отметить, что длярастений – это процесс воздушного углеродного питания, источник энергии кислорода. Однако ФС играет важнейшую роль в биосфере. Эту его глобальную роль К.А.Тимирязев назвал «космической ролью зеленого растения».

К. А. Тимирязев первым подчеркнул космическую роль зеленых растений: (думаю следующий далее отрывок можно не читать, ну если очень хочется то можно - но точно не запоминайте)

«Растение – посредник между небом и землёю. Оно истинный Прометей, похитивший огонь с неба. Похищенный им луч солнца горит и в мерцающей лучине, и в ослепительной искре электричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик гигантской паровой машины, и кисть художника, и перо поэта».А в другом источнике вот это: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического.»

ГРФС Глобальная роль и масштабы фотосинтетической деятельности в биосфере:

1) Создание первичной биологической продуктивности (100-170 млрд.тонн/год на суше и 60-70 млрд.тонн/год в океане). В ходе фотосинтеза создано:

• Живое вещество биосферы (2400 млрд.тонн растений, 23 млрд.тонн гетеротрофов)

• Гумус, торф, подстилка

• Уголь, газ, нефть

• Вещество осадочных пород

2) Трансформация энергии солнца в энергию химических связей органических соединений. 80-85% ФАР и около 25% ИК лучей поглощается листьями растений; пропускается, соответственно, 5% и 30%, отражается – 10% и 45%. Из поглощенной энергии эффективно тратится в процессе фотосинтеза 0,5-2% ФАР. Остальная энергия используется преимущественно для испарения воды.

3) Продукция кислорода (70-120 млрд.тонн/год), что обеспечивает жизнедеятельность всех аэробов и производственные нужды человечества.

4) Создание и поддержание озонового экрана. Эта функция связана с защитой от жесткого космического излучения всего живого на Земле. Формирование озонового экрана было важнейшим фактором выхода жизни из океана на сушу около 400-500 тыс. лет назад.

5) Поддержание концентрации углекислого газа в атмосфере. Баланс поступления: дыхание живых организмов (37 млрд.тонн/год); производство ( 5 млрд.тонн/год); геохимичекие процессы (0,5 млрд.тонн/год)– и поглощения (фотосинтез).

6) Предотвращение парникового эффекта.

7) Формирование и поддержание газового состава атмосферы.

Уровни организации фотосинтетического аппарата.

Фотосинтетический аппарат – материальная основа фотосинтеза, совокупность структур, обеспечивающих фотосинтез. Как все биологические системы он представлен структурами разного иерархического уровня:

(из методички Киселевой –нз что именно имелось ввиду под уровнями)

• Растительность Земного шара

• Растительность биомов

• Фитоценоз

• Растение

• Лист

• Фототрофные ткани

• Клетка мезофилла

• хлоропласт

Лист как специализированный орган фотосинтеза. Фотосинтетический аппарат растения.

Специализированным органом воздушного питания растений является лист, который представляет собой уникальную структуру для поглощения и преобразования энергии света в ходе фотосинтеза. В функции листа также входят газообмен, транспирация, терморегуляция, синтез ряда органических соединений, например гормонов, которыми снабжается все растение. Как правило, лист имеет плоскую форму, что обеспечивает наибольшую поверхность на единицу объема ткани и наилучшие условия для воздушного питания.

Важнейшей тканью листа, в которой протекает процесс ФС, является хлоренхима, состоящая из содержащих хлоропласты паренхимных клеток. Хлоренхиму листа часто называют мезофиллом, поскольку она расположена между слоями эпидермиса и проводящими пучками. Мезофилл представлен двумя типами клеток — клетками столбчатой и губчатой паренхимы

Столбчатая (палисадная) паренхима обычно представляет собой один или несколько слоев плотно прилегающих друг к другу клеток. Число слоев клеток мезофилла и их форма зависят от интенсивности освещения. Столбчатая паренхима, которая обращена к свету, содержит большую часть всех хлоропластов и выполняет основную нагрузку по ассимиляции углекислоты. В губчатой паренхиме клетки связаны между собой рыхло, что во много раз (по сравнению с наружной поверхностью листа) увеличивает поверхность, доступную для газо- и водообмена.

Лист покрыт эпидермой, клетки которой не содержат хлоропластов. Эпидерма нетолько защищает ткани листа от внешних воздействий, но также регулирует газообмен и транспирацию через устьица, ограниченные двумя замыкающими клетками. На свету устьичные щели, как правило, широко открыты. Исключение составляют только растения семейства толстянковых (Crassulaceae). У некоторыхвидов растений клетки эпидермиса благодаря своей форме могут фокусировать свет, увеличивая его интенсивность в толще листа в 15—20 раз.

Сосудистая система листа представлена флоэмой, обеспечивающей отток ассимилятов, и ксилемой,

по которой в лист поступают вода и минеральные вещества.

Корни и другие гетеротрофные органы растения зависят от ассимилятов, поступающих из листа и образующихся в ходе фотосинтеза. Стебель необходим растительному организму для того, чтобы разместить листья в пространстве определенным образом и передать от них в корни ассимиляты, а также снабжать листья

водой и минеральными элементами.

Структурная организация хлоропластов.

В отличие от других типов пластид, хлоропласты, отличаются наличием сложно организованной системы внутренних мембран. Это позволяет строго упорядочить компоненты реакционного центра, пространственно разделить восстановленные и окисленные продукты фотосинтеза и отделить фотофизические процессы, протекающие со скоростями10^-9 —10^-12 с, от более медленных химических процессов ( 10^-4 — 10^-2 с). Оболочка хлоропласта состоит из двух мембран.

Наружная мембрана хлоропласта проницаема для большинства органических молекул. Внутренняя мембрана оболочки хлоропласта сходна с плазмалеммой, обладает избирательной проницаемостью и контролирует передвижение белков, липидов, углеводов и органических кислот между хлоропластом и цитоплазмой.

Внутренняя система мембран хлоропластов включает тилакоиды гран и тилакоиды стромы. Они пронизывают весь хлоропласт и соединяют отдельные граны в единую мембранную систему пластиды Во внутренних мембранах обоих типов тилакоидов локализованы фотосинтетические пигменты, компоненты ЭТЦ и синтеза АТФ.

Хлоропласты большинства растений способны перемещаться в клетке в зависимости от интенсивности освещения и его направления. Сильный свет вызывает отрицательный фототаксис хлоропластов, обуславливая их перемещение к боковым стенкам клеток палисадной паренхимы. При ослаблении светового потока хлоропласты распределяются по клетке равномерно. У светолюбивых растений пластиды значительно мельче, чем у теневыносливых. Функционально активные хлоропласты присутствуют также в стеблях и черешках листьев, остях и чешуях колоса и даже в освещаемых корнях некоторых растений.