Фотосинтез - проще простого

Стало расхожим утверждение, что зеленые растения накапливают в атмосфере кислород. Нередко в научно-популярной литературе приходится встречать утверждения, будто гектар кукурузных посевов выделяет за год 15 тонн кислорода, что достаточно для дыхания 30 человек, а дерево средней величины обеспечивает трех человек и т. д. Леса называют легкими планеты...

На первый взгляд эти утверждения представляются убедительными, ведь в соответствии с уравнением фотосинтеза в ходе образования органических веществ зелеными растениями и в самом деле выделяется кислород, причем чем больше органического вещества образуется в процессе фотосинтеза, тем интенсивнее выделяется кислород.

Авторы подобных утверждений забывают, однако, что органические вещества кукурузы превратятся в углекислый газ в результате гниения и дыхания животных организмов. При поедании кукурузы животными или человеком некоторое количество органических веществ растения трансформируется в новые органические вещества животного организма, которые в конечном счете превращаются в углекислый газ при дыхании. Дыхание — процесс обратный фотосинтезу:

С6Н12О6 + 6О2 ( 6СО2 + бН2О.

Если при образовании 1 тонны органического вещества в ходе фотосинтеза выделилось п килограммов кислорода, то точно такое же его количество потребуется для последующего окисления этого вещества.

То же самое происходит и с деревом. Разница лишь в том, что, превратившись в какую-нибудь поделку (стол, шкаф, оконную раму и т.п.), оно может разрушаться в течение длительного времени. Но ведь и растет дерево сотни лет! А вот сгореть может в мгновение ока. При этом израсходуется почти столько кислорода, сколько дерево выделило за всю свою долгую жизнь.
Так накапливают ли кислород современные растения?

В атмосфере и гидросфере Земли содержится 1,5-1015 тонн кислорода.
Считается, что он — результат деятельности древних анаэробных автотрофных организмов, осуществлявшейся на протяжении длительного периода истории
Земли. Накопление кислорода на нашей планете стало мощным стимулом для появления принципиально новых организмов — аэробных, способных извлекать энергию из органических веществ в результате окислительных процессов с участием атмосферного кислорода.

Кислород, образуемый современной растительностью в ходе фотосинтеза, расходуется на дыхание самих растений (около 1/3), а также животных и человека, на аэробное разложение органических веществ микроорганизмами и на процессы горения различных веществ, то есть почти весь его объем, выделяемый наземной растительностью, расходуется и накопления в атмосфере фактически не происходит. К тому же суммарное количество кислорода, выделяемого за год лесами, по подсчетам специалистов, ничтожно мало по отношению к общему запасу его в атмосфере Земли, а именно около 1/22 000.
Таким образом, вклад наземных экосистем в баланс кислорода на нашей планете весьма незначителен. Возмещение кислорода, расходуемого на процессы горения, происходит главным образом за счет фитопланктона. Дело в том, что в достаточно глубоких водоемах отмершие организмы опускаются на такую глубину, где их разложение осуществляется анаэробным путем, то есть без поглощения кислорода.

Гидросфера оказывает влияние на баланс газов в атмосфере еще и потому, что в ней иное соотношение между азотом и кислородом. Если в атмосфере оно равно четырем, то в водоемах относительная доля кислорода примерно в два раза выше. Правда, интенсивное загрязнение морей и океанов создает угрозу возникновения в них анаэробных условий.

Так, например, по сравнению с 1900 годом в некоторых впадинах
Балтийского моря содержание кислорода резко сократилось, а местами он практически отсутствует.

Что касается атмосферы, то в ней, как показывают систематические наблюдения за концентрацией кислорода, проводимые с 1910 года, содержание этого газа практически не изменилось и равно 20,9488 % ± 0,0017. Это отнюдь не означает, что нам не следует заботиться о сохранении растительного покрова Земли. Темпы использования кислорода резко возросли.
По некоторым данным, за последние 50 лет было использовано его в % отношении столько же, сколько за последний миллион лет, то есть примерно
0,02 % атмосферного запаса. Человечеству в ближайшем будущем не угрожает кислородное голодание, тем не менее для сохранения стабильности газового состава атмосферы предстоит шире использовать водную, ветровую, ядерную и другие виды энергий.

Следует иметь в виду, что в последние годы много говорят и пишут об абиогенном происхождении кислорода атмосферы, исключающем участие живых организмов в этом процессе. Так, например, в верхних слоях атмосферы под действием жесткого ультрафиолетового излучения молекулы воды могут распадаться на водород и кислород. Водород, как более легкий газ, преодолевает притяжение Земли и уходит в космос. В среднем около 10 % появившегося в стратосфере водорода навсегда покидает нашу планету.
Следовательно, соответствующее количество кислорода, образовавшегося при фотолизе молекул воды, остается без «напарника» и постепенно скапливается в атмосфере.

Другой возможный путь поступления в атмосферу абиогенного кислорода — извержение вулканов. Дело в том, что в газообразных выделениях вулканов кислорода довольно много, иногда до 12— 15 % (после исключения паров воды и кислотных газов).

Отметим, однако, что этот источник представляется все же не очень существенным. По крайней мере нужны весомые доказательства и точные расчеты вклада абиогенных источников в формирование атмосферы Земли, накопление в ней кислорода.

Что же касается фотосинтезирующих организмов, то их участие в накоплении кислорода очевидно. Если величину огромных запасов каменного угля и некоторых других горючих ископаемых (например, торфа), использованных человеком и находящихся еще в недрах Земли, подставить в уравнение фотосинтеза, то можно рассчитать, сколько кислорода поступило в атмосферу в результате жизнедеятельности растении, давших начало этим полезным ископаемым.

Следует также учесть всю биомассу существующих ныне растений, органическое вещество которых образовалось с выделением кислорода.

Но все это еще не самое главное. Первичные запасы кислорода не могли быть созданы современными растениями или деревьями каменноугольного периода, поскольку совершенно исключена, возможность их существования в атмосфере, лишенной его.

Сторонники абиогенного происхождения кислорода на Земле, люди, как правило, не искушенные в биологии, спрашивают: если сначала в атмосфере
Земли кислорода не было, то где же первые растения брали кислород для дыхания? При этом они полагают, что своим вопросом нанесли нокаутирующий удар ретроградам-биологам, придерживающимся традиционного взгляда на природу атмосферного кислорода. Между тем ученые никогда не рассматривали современную растительность в качестве источника накопления первичного кислорода. В книге Э. Броды «Эволюция биоэнергетических механизмов» обстоятельно проанализированы различные точки зрения по этому вопросу.
Автор пишет: «Никто не сомневается, что до появления у растений фотосинтеза содержание свободного кислорода было незначительным... Единственным источником свободного молекулярного кислорода был фотолиз водяных паров в высших слоях атмосферы, который протекал под действием солнечного коротковолнового ультрафиолета. Свободный водород, возникавший при этом, постепенно диссипировал в пространство, оставляя в атмосфере кислород...
Количество фотолитически образованного кислорода, несомненно, было гораздо ниже тех количеств кислорода, которые высвобождаются при фотосинтезе в наше время за тот же промежуток времени».

Уже в очень древних геологических слоях Земли обнаружены синезеленые водоросли (сейчас их чаще называют цианобактериями), которые и явились накопителями первичного кислорода в атмосфере Земли. Вполне естественно, что древние синезеленые водоросли не обладали способностью дышать и механизм распада органических веществ в их клетках напоминал процесс брожения.

В пользу того, что первоначально атмосфера Земли не имела кислорода, свидетельствует факт существования в природе анаэробных организмов.
Любопытно отметить, что многочисленные реакции обмена аэробных организмов, в том числе современных животныхи растений, включают большое количество реакции анаэробного распада веществ. Создается впечатление, что организмы, приспособившись изначально обходиться без кислорода, упорно сохраняют свою привычку.

Итак, первичные синезеленые водоросли образовали органические вещества и кислород. Разрушение органического вещества происходило в анаэробных
(бескислородных) условиях, что и привело к накоплению значительных количеств кислорода.

Что касается современной растительности, то, как уже отмечалось, ее вклад в пополнение кислородного запаса на Земле весьма незначителен, поскольку подавляющее большинство живых организмов окисляет органические вещества только с его помощью. При этом устанавливается относительное равновесие: сколько кислорода выделяется в ходе фотосинтеза, столько же его поглощается при окислении образованного органического вещества.

Из сказанного вовсе не следует, что нужно и дальше безжалостно вырубать на Земле леса, все равно, дескать, от них нет проку с точки зрения накопления кислорода. Напротив, нам следует предпринять все возможные меры к расширению площади зеленых насаждении. Дело в том, что в современную эпоху очень резко возросла роль растении в очистке природной среды от токсических примесей, выделяемых транспортом, заводами, фабриками и т. д.

«Лес, точно терем расписной, лиловый, золотой, багряный...»

Изменение окраски листьев — одна из первых примет осени. Много ярких красок в осеннем лесу! Березы, ясени и липы желтеют, розовеют листья бересклета, пунцово-красными становятся узорные листья рябины, оранжевыми и багряными листья осин. Чем же обусловлено это цветовое многообразие?

В листьях растений наряду с зеленым хлорофиллом содержатся другие пигменты. Для того чтобы убедиться в этом, проделаем простой опыт. Прежде всего приготовим вытяжку хлорофилла, как это было описано нами выше. Вместе с хлорофиллом в спирте находятся также желтые пигменты. Чтобы разделить их, небольшое количество спиртовой вытяжки (около двух миллилитров) нальем в пробирку, добавим две капли воды и около 4 миллилитров бензина. Вода вводится для того, чтобы легче происходило расслоение двух жидкостей.
Закрыв пробирку пробкой или пальцем, следует энергично встряхнуть ее.
Вскоре можно заметить, что нижний (спиртовой) слой окрасился в золотисто- желтый цвет, а верхний (бензиновый) — в изумрудно-зеленый. Зеленая окраска бензина объясняется тем, что хлорофилл лучше растворяется в бензине, нежели в спирте, поэтому при встряхивании он обычно полностью переходит в бензиновый слой.

Золотисто-желтая окраска спиртового слоя связана с присутствием ксантофилла, вещества, нерастворимого в бензине. Его формула С40Н5бО2. По химической природе ксантофилл близок к каротину, присутствующему в корнях моркови, — С40Н56, поэтому их объединяют в одну группу — каротиноидов. Но каротин также имеется в листьях зеленых растений, только он, как и хлорофилл, лучше растворяется в бензине, поэтому мы не видим его: интенсивно-зеленая окраска хлорофилла «забивает» желтый цвет каротина, и мы не различаем его, как ранее ксантофилл в спиртовой вытяжке. Чтобы увидеть каротин, нужно преобразовать зеленый пигмент в соединение, нерастворимое в бензине. Этого можно достигнуть с помощью щелочи. В пробирку, где произошло отделение ксантофилла, добавим кусочек щелочи (КОН или NаОН). Пробирку закроем пробкой и тщательно взболтаем ее содержимое. После расслоения жидкостей можно увидеть, что картина распределения пигментов изменилась: нижний спиртовой слои окрасился в зеленый цвет, а верхний — бензиновый — в желто-оранжевый, характерный для каротина.

Эти опыты наглядно свидетельствуют о том, что в зеленом листе одновременно с хлорофиллом присутствуют желтые пигменты — каротиноиды.

При наступлении холодов образования новых молекул хлорофилла не происходит, а старые быстро разрушаются. Каротиноиды же устойчивы к низким температурам, поэтому осенью эти пигменты становятся хорошо заметными. Они и придают листьям многих растений золотисто-желтый и оранжевый оттенок.

Каково же значение каротиноидов в жизни растений? Установлено, что эти пигменты защищают хлорофилл от разрушения светом. Кроме того, поглощая энергию синих лучей солнечного спектра, они передают ее на хлорофилл. Это позволяет зеленым растениям более эффективно использовать солнечную энергию для синтеза органического вещества.

Осенний лес окрашен, однако, не только в желтые тона. С чем связана лиловая и багряная окраска листьев? Наряду с хлорофиллом и каротиноидами в листьях растений имеются пигменты, которые носят название антоцианов. Они хорошо растворимы в воде и содержатся не в цитоплазме, а в клеточном соке вакуолей. Эти пигменты очень разнообразны по окраске, которая зависит в основном от кислотности клеточного сока. В этом легко убедиться на опыте.

Прежде всего приготовьте вытяжку антоцианов. С этой целью листья бересклета или какого-то другого растения, окрашенные осенью в красные или фиолетовые тона, измельчите ножницами, поместите в колбочку, прилейте воды и нагрейте на спиртовке Вскоре раствор станет красновато-синим от присутствия антоцианов. Полученную вытяжку пигментов налейте в две пробирки. В одну добавьте слабой соляной или уксусной кислоты, а в другую — раствор аммиака.

Под действием кислоты раствор станет розовым, тогда как в присутствии щелочи — в зависимости от количества и концентрации этой щелочи — зеленым, синим и желтым.

Антоцианы, как и каротиноиды, более устойчивы к низким температурам, чем хлорофилл. Поэтому они и обнаруживаются в листьях осенью. Исследователи установили, что образованию антоцианов способствуют высокое содержание
Сахаров в растительных тканях, сравнительно низкая температура и интенсивное освещение.

Увеличение содержания сахаров в осенних листьях происходит за счет гидролиза крахмала. Это имеет важное значение для транспортировки ценных питательных веществ из отмирающих листьев во внутренние части растений.
Ведь сам крахмал нетранспортабелен в растении. Однако скорость оттока образующихся в результате его гидролиза Сахаров из листьев при низких температурах невелика. Кроме того, при падении температуры ослабляется дыхание растений и, следовательно, лишь незначительное количество Сахаров подвергается окислению. Все эти факторы благоприятствуют накоплению в растительных тканях Сахаров, которые начинают использоваться в синтезе других веществ, в частности антоцианов.

О превращении избытка сахаров в антоцианы свидетельствуют и другие факты. Если у виноградной лозы путем кольцевания (удаление части коры в виде кольца) затруднить отток продуктов фотосинтеза, то листья, расположенные выше кольца, через две-три недели приобретают красный цвет из- за накопления антоцианов. При этом их образуется так много, что зеленая окраска хлорофилла становится незаметной.

То же самое наблюдается не только при понижении температуры или кольцевании, но и при недостатке фосфора. Если, например, томаты выращивать на питательном растворе, лишенном этого элемента, то нижняя часть листьев, а также стебли приобретают синий цвет. Дело в том, что при отсутствии фосфора в растениях не может осуществляться процесс окисления Сахаров без соединения с остатком фосфорной кислоты молекула сахара остается неактивной. Поэтому в растительных тканях происходит накопление избыточных количеств Сахаров, которые используются на синтез антоцианов. Увеличение содержания этих веществ ведет к посинению стеблей и листьев растений, испытывающих нехватку фосфора.

Образование антоцианов зависит также от интенсивности света. Если осенью внимательно приглядеться к яркой окраске деревьев и кустарников, то можно заметить, что багряный цвет имеют в основном те листья, которые лучше всего освещены. Раздвиньте пылающий огненными красками куст бересклета, и вы увидите внутри желтые, бледно-желтые и даже зеленые листья. Во время дождливой и облачной осени листва дольше сохраняется на деревьях, однако она не так ярка из-за недостатка солнца. Преобладают желтые тона, обусловленные присутствием каротиноидов, а не антоцианов.

Низкая температура также способствует образованию антоцианов. Если стоит теплая погода, то лес изменяет свою окраску медленно, но едва ударит морозец, как сразу запылают осины и клены.

М. М. Пришвин в миниатюре «Светильники осени» писал: «В темных лесах загорелись светильники осени, иной лист на темном фоне так ярко горит, что даже больно смотреть. Липа стоит уже вся черная, но один яркий лист ее остался, висит, как фонарь, на невидимой нити и светит».

Радуга флоры

Уж коли мы заговорили о пигментах растений, следует рассказать и о причинах разнообразия окраски цветков.

Зачем цветкам их яркая, сочная окраска? В конечном счете для того, чтобы привлечь к себе насекомых-опылителей. Многие растения опыляются лишь определенными видами насекомых, поэтому окраска цветков часто зависит от того, для каких именно насекомых предназначены цветовые сигналы. Дело в том, что в отношении цвета насекомые бывают довольно капризны. Скажем, пчелы, шмели, осы предпочитают розовые, фиолетовые и синие цветки, а около
. желтых обычно толкутся мухи. Красный же цвет многие насекомые, наделенные не слишком совершенным зрением, путают с темно-серым. Поэтому в наших широтах чисто-красные цветки довольно редки. Исключение — мак, но и его лепестки имеют примесь желтого цвета; обычно именно этот оттенок и замечают пчелы. Лучше других насекомых красный цвет различают бабочки — они-то, как правило, и опыляют красные цветки наших широт, например гвоздики. А вот среди тропических растений красный цвет более распространен, и отчасти это связано с тем, что опыляют их цветки не насекомые, а птицы: колибри или нектарницы, у которых зрение более развито.

Бывает, что у одного и того же растения окраска цветков с возрастом изменяется. Это хорошо заметно у ранневесеннего растения медуницы: розовый цвет ее молодых цветков сменяется по мере старения синим. Старые цветки медуницы пчелы уже не посещают: они, как правило, опылены и нектара не содержат. И в этом случае смена окраски служит сигналом для насекомых — не теряйте времени даром!

А вот у гилии (США) — красивого растения из семейства синюховых, родственницы флоксов, произрастающей в горах штата Аризона (США), цветки первоначально имеют алый цвет, который, как уже отметили, привлекает птиц. Но когда колибри покидают горы, гилия меняет окраску вновь появляющихся цветков: они становятся бледно-красными или даже белыми.

Страницы: 1, 2, 3, 4