Биологический каталог




Фотосинтез

Автор Д.Холл, К.Рао

uglena. Одноклеточные организмы удобнее для количественного исследования, поскольку их можно выращивать во всех лабораториях при вполне стандартных условиях. Они могут быть равномерно суспендированы, т. е. взвешены в водных буферных растворах, и нужный объем такой суспензии, или взвеси, можно брать пипеткой точно так же, как при работе с обычными растворами. Хлоропласты для опытов лучше всего выделять из листьев высших растений. Чаще всего используют шпинат, потому что его легко выращивать и свежие листья

обычно можно купить на рынке; иногда используются: листья гороха и салата-латука.

Поскольку СО2 хорошо растворяется в воде, а Ог относительно нерастворим в воде, то при фотосинтезе r замкнутой системе давление газа в этой системе должно>

изменяться. Поэтому влияние света на фотосинтетические системы часто исследуют с помощью респирометра Варбурга (Warburg), позволяющего регистрировать изменения объема Ог в системе. Впервые респирометр Варбурга был использован применительно к фотосинтезу в 1920 г. (подробнее эти вопросы описаны в книге Manometric Techniques; Umbreit, Burris, Stauffer; Burgess Publ. Co., USA).

Для измерения потребления или выделения кислорода в ходе реакции удобнее пользоваться другим прибором— кислородным электродом (рис. 2.2). В основе его устройства лежит использование полярографического метода. Кислородный электрод обладает достаточно высокой чувствительностью для того, чтобы обнаружить О? в таких низких концентрациях как 10~8 моль-см-* (0,01 ммоль в 1 л). Прибор состоит из катода — платино-f вой проволоки, герметично впрессованной в пластик, и знода, представляющего собой кольцо из серебряной проволоки, погруженной в насыщенный раствор КС1. Электроды отделены от смеси, в которой .протекает реакция, мембраной, проницаемой для Ог. Реакционная смесь находится в пластмассовом или стеклянном сосуде и постоянно перемешивается вращающимся стержневым магнитом. Когда к электродам приложено напряжение и платиновый электрод становится отрицательным .по отношению к стандартному электроду, кислород в растворе электролитически восстанавливается. При напряжениях от 0,5 до 0,8 В величина электрического тока линейно зависит от парциального давления кислорода в растворе. Обычно с кислородным электродом работают при напряжении около 0,6 В. Электрический ток измеряют, .присоединив электрод к подходящей регистрирующей системе. Электрод вместе с реакционной смесью термоста-тируют потоком воды от термостата. С помощью кислородного электрода измеряют действие света и различных химических веществ на фотосинтез. Преимущество кислородного электрода перед аппаратом Варбурга состоит в том, что кислородный электрод позволяет быстро и непрерывно регистрировать изменения содержания О^ в системе. С другой стороны, в приборе Варбурга можно одновременно исследовать до 20 образцов с различными реакционными смесями, тогда как при работе с кислородным электродом образцы приходится анализировать поочередно.

2.3. Лимитирующие факторы

Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в растении, зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наиболее важное значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, накопление продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых количеств необходимых неорганических веществ. Внешние факторы— это количество и качество света, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения.

2.3.1. Влияние интенсивности света

Влияние интенсивности света на фотосинтетическую активность суспензии интактных клеток Chlorella показано на рис. 2,3. При низких интенсивностях света скорость фотосинтеза, измеренная по выделению кислорода,

Y

Интенсивность падающего света

Рис. 2,3. Влияние внешних факторов на скорость фотосинтеза. Л -— влияние интенсивности света при температуре 25°С и концентрации углекислоты 0,4%; Б-—то же при 15°С и 0,4% С02; В — то» же при 25°С и 0,01 % СОг. Интенсивность света и скорость фотосинтеза отложены но осям в относительных единицах.

возрастает линейно, или прямо пропорционально увеличению интенсивности света. Соответствующий участок на графике, обозначенный буквой X, называют начальным участком, или областью, в которой скорость фотосинтеза лимитируется светом. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, когда освещенность достигает определенного уровня (около 10 000 лк, или около 1000 фут-свечей), дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза. На рисунке это соответствует горизонтальным участкам кривых, или плато. Область плато, обозначенная буквой Y, называется областью светового насыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 100000 лк, или около 1000 Вт-м-"2. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для насыщения их фотосинтети-ческой активности. Энергия квантов, соответствующих крайним участкам видимого диапазона — фиолетовому (около 400 нм) и дальнему красному (короче 800 нм), различается всего лишь в два раза, и все фотоны в этом диапазоне в принципе способны осуществить запуск фотосинтеза, хотя, как мы увидим далее, пигменты листа избирательно поглощают свет определенных длин волн.

2.3.2 Влияние температуры

Сравнение кривых Л и Б на рис. 2.3 показывает, что в случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15 и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при таких интенсивностях света, которые соответствуют области лимитирования светом, подобно истинным фотохимическим реакциям, не чувствительны к температуре. Однако при более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные условия— это температура около 25°С.

2.3.3. Влияние концентрации СОг- Компенсационный пункт

В области лимитирования светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации С02 (В на рис. 2.3). Отсюда можно сделать вывод, что С02 не участвует непосредственно в фотохимической реакции. В то же время при более высоких интенсивностях освещения, лежащих за пределами области лимитирования светом, фотосинтез существенно возрастает при увеличении концентрации СО2. У некоторых зерновых культур фотосинтез линейно возрастал .при увеличении концентрации С02 до 0,5% (эти измерения проводили в кратковременных опытах, поскольку длительное воздействие столь высоких концентраций СО2 повреждает листья). Очень высоких значений скорость фотосинтеза достигает при содержании СОг около 0,1%. Средняя концентрация углекислоты в атмосфере составляет от 0,03 до 0,04%. Поэтому в обычных условиях растениям не хватает С02 для того, чтобы с максимальной эффективностью использовать попадающий на них солнечный свет. Если лист, помещенный в замкнутый объем, освещать светом насыщающей интенсивности, то концентрация СОг в этом объеме воздуха будет постепенно уменьшаться и наконец достигнет постоянного уровня, ивзестного под названием «С02-компенсационного пункта». В этой точке потребление С02 при фотосинтезе уравновешивается выделением СОг в результате дыхания (темнового и светового). У растений разных видов положения компенсационных пунктов различны. Они очень низки (меньше 10 ч. на млн., или 0,001%) у растений типа С4 (см. гл. 6) и сравнительно высоки у растений типа С3 (превышают 50 ч. на млн., или 0,005% С02).

2 А. Световые и тем новые реакции. Опыты со вспышками света

Еще в 1905 г. английский физиолог растений Ф. Ф, Блэк-мэн (F. F. Blackman), интерпретируя форму кривой светового насыщения фотосинтеза, высказал .предположение, что фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимическую, т. е. световую,, реакцию и нефотохимическую, т. е. темновую, реакцию. Темновая реакция, будучи ферментативной, протекает медленнее, чем световая реакция, и поэтому при высоких интенсивностях света скорость фотосинтеза полностью определяется скоростью темновой реакции. Световая реакция либо вообще не зависит от температуры, либо зависимость эта выражена очень слабо, тогда как темновая реакция, как и все ферментативные процессы^ зависит от температуры в довольно значительной степени. Следует ясно представлять себе, что реакция, называемая темновой, может протекать как в темноте, так и на свету.

Световую и темновую реакции можно разделить, используя вспышки света, длящиеся краткие доли секунды. Вспышки света длительностью меньше одной миллисекунды (10~3 с) можно получить либо с помощью механического приспособления, поставив на пути пучка постоянного света вращающийся диск со щелью, либо электрически, заряжая конденсатор и разряжая его через вакуумную или газоразрядную лампу. В качестве источников света пользуются также рубиновыми лазерами с длиной волны излучения 694 нм. В 1932 г. Эмерсон (Emerson) и Арнольд (Arnold) освещали суспензию клеток Chlorella вспышками света от газоразрядной лампы с длительностью около 10~5 с. Они измеряли скорость выделения кислорода в зависимости от энергии вспышек, длительности темнового промежутка между вспышками и температуры суспензии клеток. При увеличении интенсивности вспышек насыщение фотосинтеза в нормальных клетках наступало, когда выделялась одна молекула 02 на 2500 молекул хлорофилла. Эмерсон и Арнольд сделали вывод, что максимальный выход фотосинтеза определяется не числом молекул хлорофилла, поглощающих свет, а числом молекул фермента, катализирующего темновую реакцию. Они также обнаружили, что при увеличении

страница 4
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Скачать книгу "Фотосинтез" (1.36Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(20.02.2020)