Фотосинтез: Что, где, как и почему?
Введение в фотосинтез
Что такое фотосинтез? Для многих это то, о чём мы когда-то узнали или слышали, но с годами подробности ускользнули из нашей памяти. Поэтому мы решили, что будет полезно рассмотреть основные моменты и терминологию этого удивительного процесса.
Некоторое количество биохимии неизбежно, но мы постараемся сделать материал простым и понятным. Вот темы:
Мы надеемся, что к концу этой статьи вы сможете кратко изложить суть фотосинтеза, как настоящий профессионал.
Рис. 1
Что такое фотосинтез?
Как известно, фотосинтез — это процесс, в ходе которого растения используют энергию света для получения «сахаров».
В конечном итоге растение использует эти сахара в качестве источника энергии, необходимой для многих процессов обмена веществ, таких как рост стебля, образование листьев, цветение и плодоношение.
Рис. 2
Место проведения фотосинтеза — где он происходит?
Для зеленых растений фотосинтез фотосинтез происходит в «зелёных» частях растения, а именно в листьях.
Пожалуйста, ознакомьтесь с рисунком 4.
- Листья состоят из растительных клеток, окруженных внешней оболочкой.
- Внутри клетки листа находятся более мелкие структуры, похожие на бобы, которые называются хлоропластами.
- Внутри хлоропласта расположены слоистые структуры, похожие на блинчики, которые называются тилакоидами.
- Тилакоиды имеют наружную мембрану — именно внутри этой мембраны происходит первая стадия фотосинтеза.
Рис. 3 (Альберт Мелу на Unsplash)
Рис. 4 — Где происходит фотосинтез.
How does the Photosynthesis factory work?
Фотосинтез можно представить себе как небольшую фабрику, производящую сахар. Заводу необходимы такие ресурсы, как энергия и сырье.
В нашей фабрике фотосинтеза лист использует энергию света, H2O (воду) и C02 (углекислый газ).
А в результате получаются сахар и кислород. Сахар возвращается в растение для нужд обмена веществ. Кислород выделяется в качестве продукта жизнедеятельности и становится воздухом, которым мы дышим.
Рис. 5 — Фотосинтез похож на завод
Рис. 6 — Входные и выходные показатели фотосинтеза
Почему фотосинтез важен?
История двух «фабрик» фотосинтеза
Фактически, «фотосинтез» состоит из двух этапов: световых реакций и цикла Кальвина.
Сначала мы рассмотрим световые реакции, происходящие в тилакоидной мембране. Цель данного завода заключается в преобразовании энергии света в более пригодную для использования форму.
Рис. 7 — Два «завода» фотосинтеза.
Завод «Light Reactions» — ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
На рисунке 9 вы можете увидеть, как свет попадает в нашу систему. Вы также можете увидеть, как вода поступает в систему. И вы можете видеть, как кислород выходит из системы.
Рис. 8 — Тилакоид
Рис. 9 — Входные данные для реакций, связанных со светом
Световые реакции — накопление энергии
На рисунке 11 (красные кружки) энергия света преобразуется в ионы H+ и электроны (e-) в процессе, называемом переносом электронов. Это энергия или электричество, накопленное в ходе всего технологического процесса.
Кроме того, на рисунке 11 (синие кружки) показаны продукты данного процесса: АТФ и НАДФН. Они представляют собой временные накопители энергии (запасы), используемые на втором этапе фотосинтеза. Итак, первая стадия фотосинтеза направлена на накопление запасов энергии, которые будут использоваться во второй стадии.
Рис. 10 — Тилакоид
Рис. 11 — Световые реакции — Накопление энергии
Вторая «фабрика» фотосинтеза — цикл Кальвина
На втором этапе происходит синтез сахара — этот процесс называется циклом Кальвина, названным в честь известного биохимика Мелвина Кальвина.
На рисунке 13 показано, как АТФ и НАДФН, полученные в ходе световой реакции, поступают в цикл Кальвина (буквы E и D).
Также обратите внимание, что углекислый газ используется и в цикле Кальвина (буква F). Конечным продуктом является 3-фосфоглицерат сахара (буква G).
Обратите внимание, что цикл Кальвина протекает непосредственно за пределами тилакоидов, в пространствах стромы хлоропласта.
Рис. 12 — Мелвин Кальвин
Fig 13 — История двух «фабрик» фотосинтеза — цикл Кальвина. (5 сентября 2023 г.). В Википедии. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle
А как насчёт хлорофилла?
Нам ещё предстоит поговорить о хлорофилле — важнейшей молекуле, отвечающей за поглощение энергии света.
Хлорофилл — это пигментная молекула, получившая такое название из-за того, что она отражает цвет, придающий листьям зелёный оттенок. Остальные цвета поглощаются, особенно в синей и красной областях.
Рис. 14 — Молекула хлорофилла
Рис. 15 — Лампы для выращивания растений
Если мы вернёмся к линии синтеза световых реакций в тилакоидной мембране, вы заметите модули PSII и PSI. Именно здесь находится хлорофилл.
PSII и PSI содержат два типа хлорофилла: а и b. Оба типа хлорофилла поглощают синий и красный свет, и именно поэтому лампы для выращивания растений, как правило, бывают синего и красного цвета.
Однако растения наиболее чувствительны к красному свету. PSII наиболее эффективно поглощает красный свет с длиной волны 680 нм, а PSI — свет с длиной волны 700 нм, который можно отнести к категории дальнего красного света. В основном речь идет о хлорфилле-а.
Рис. 16 — Хлорофилл в PSII и PSI
Что такое световая энергия?
Свет содержит энергию, которая обеспечивает всю фотосинтетическую деятельность. Рассматривая энергию света, можно подойти к этому вопросу с двух точек зрения — свет как частицы и свет как волны — это и есть двойственная природа света.
Рис. 17 — Спектр, полученный с помощью спектрометра
Свет как частицы
Если представить себе свет в виде частиц, можно представить себе капельки света, падающие на лист. Эти частицы называются фотонами.
Рис. 20 — Свет как частицы
Если увеличить яркость или интенсивность света , количество фотонов увеличивается, а энергия возрастает.
Рис. 18 — Яркость или интенсивность
Свет как волны
Когда вы представляете себе свет в виде волн, вам следует подумать о цветах. При этом мы описываем цвет с помощью величин длины волны.
Длины волн с более высокими частотами относятся к синей части спектра и обладают большей энергией, тогда как длины волн с более низкими частотами относятся к красной части спектра и обладают меньшей энергией.
Рис. 21 — Цвет, длина волны и энергия
Фотон имеет соответствующую длину волны
Каждому фотону света соответствует определённая длина волны. Итак, у вас будут синие фотоны, красные фотоны, зеленые фотоны, желтые фотоны и т. д. Синие фотоны будут обладать большей энергией, чем красные.
ФС II будет поглощать синие фотоны в качестве источника очень высокой энергии для синтеза NADPH и АТФ, насыщенных энергией. Большинство листьев, расположенных выше кроны, получают достаточное количество синего света для фотосинтеза.
Тем не менее, листья, расположенные под пологом, по-прежнему могут участвовать в процессе фотосинтеза, поскольку часть синего и красного света всё же проникает к ним. На самом деле спектр поглощения хлорофилла-а шире, чем у хлорофилла-b, что позволяет максимально эффективно поглощать свет даже в тени.
Рис. 22 — Фотоны и длины волн
Использование спектрального измерителя PAR для измерения световой энергии.
Вы можете использовать спектральный измеритель PAR для определения количества световой энергии, излучаемой лампами для выращивания растений или солнцем.
На рисунке 23 представлена спектральная диаграмма, на которой показаны длины волн фотонов и их интенсивности.
Мы наблюдаем обилие высокоэнергетических синих фотонов, которые может использовать PSII — однако синий цвет не соответствует оптимальному поглощению хлорофилла. По форме спектра можно определить, что это светодиодная лампа для выращивания растений — если это светодиодная лампа типа «Dynamic», необходимо настроить цветовую гамму.
Рис. 23 — Фотоны и длины волн
Фотосинтез Резюме
Фотосинтез — это процесс, с помощью которого растения вырабатывают сахар, который является жизненно важным веществом, участвующим во многих метаболических процессах. Этот процесс происходит глубоко внутри клетки растения, в структуре, называемой тилакоидной мембраной. Это похоже на производственную линию на заводе, где есть исходные ресурсы (свет, вода, CO₂) и конечные продукты (кислород и сахар).
Фотосинтез состоит из двух этапов — световой реакции и цикла Кальвина. На этапе световой реакции энергия света преобразуется в более пригодную для использования форму (АТФ и НАДФН).
В цикле Кальвина АТФ и НАДФН используются для синтеза сахара, необходимого для последующих метаболических процессов, таких как рост растений, цветение и плодоношение.
Фотосинтез — одно из чудес природы, и глубокое понимание его основ позволяет фермерам с уверенностью корректировать параметры и повышать производительность сельского хозяйства.
Однако фотосинтез — это лишь половина истории о световых системах для выращивания растений. В следующей публикации мы расскажем, как растения используют свет для роста, цветения и плодоношения.
Похожие посты:
- Что такое лампа для роста? Как она работает и чем отличается от обычных ламп?
- Светильники для рассады: Какой свет лучше всего подходит для выращивания рассады?
- Какой цвет лампы для выращивания лучше всего подходит?
Почему лампы для роста фиолетовые? - Может ли свет для растений заменить солнечный свет? Чем свет от лампы для выращивания растений отличается от солнечного света?
- Что такое человекоцентричное освещение? Проектирование, области применения и решения
- Человекоцентричное освещение для офисов: Влияние, преимущества и система
- Система визуализации Вестерн-блот: Какой аппарат используется для вестерн-блота?
Рис. 24 — Фотосинтез
Получите свою БЕСПЛАТНУЮ копию UPRtek Grow Light Handbook!
Изучите, как освещение влияет на рост растений - от настройки спектра до измерительных инструментов. Идеально подходит для садоводов, исследователей и специалистов по освещению в садоводстве. Просто введите свой e-mail, чтобы мгновенно скачать.
PG200N Spectral PAR Meter
Измерение спектрального PAR позволяет фермерам и исследователям воспользоваться преимуществами экспертного освещения при настройке цветовых параметров для улучшения качества, сроков и количества производимой продукции.
Горячий продукт
серия справочников
Руководство по мерцанию
Все, что вам нужно знать о мерцании, коварном и потенциально серьезном световом артефакте, влияющем на визуальную безопасность в общественных местах, таких как больницы, офисы, библиотеки и т. д.
О компании UPRtek
United Power Research and Technology
UPRtek (дата основания 2010 г.) является производителем портативных, высокоточных приборов для измерения освещенности; портативные спектрометры, PAR-метры, спектрорадиометры, решения для калибровки света.
UPRtek Штаб-квартира, отдел исследований и разработок и производство находятся на Тайване, а всемирное представительство осуществляется через наших сертифицированных глобальных реселлеров.
Последние статьи
Категория
0 Комментариев