Фотосинтез аквариумных растений - как это работает или почему растения «пузыряют».
Наверняка вы не раз обращали как аквариумные растения «пускают пузыри». Задумывались ли вы, откуда эти пузыри берутся, какие процессы происходят в клетках растений? Замечали ли вы, что при увеличении мощности света, его интенсивности, пузыряние увеличивается? Так от чего же это происходит? Давайте будем разбираться. Пузыряние происходит от того, что кислород не успевает растворится в воде, так как выделяется очень быстро (а то есть это не означает что кислорода много или мало в воде).
Для начала, сразу оговоримся, что не все пузыряние – есть фотосинтез. Например, при подмене воды. Все из за того что в свежей воде находится большое количество газов, и кислорода и углекислоты.
Большое количество кислорода в свежей воде заставляет его выделятся на стенках, любых поверхностях. Растения тоже начинают пузырять, особенно из поврежденных мест. Конечно, иногда бывает, что при подмене с водой поступают необходимые питательные вещества, и растение начинает пузырять. Пузыряние поврежденных листьев/стеблей/корней обуславливается тем, что растению не нужно проталкивать воздух сквозь кожицу растения, ему проще выпускать его через поврежденное место. Настоящее же пузыряние отличается тем, что пузырьки воздуха образуются только на сильно освещенных частях растения (преимущественно на листьях), причем, пузыряние заканчивается сразу после выключения света.
А теперь поговорим о настоящем пузырянии, а точнее не пузырянии а о фотосинтезе.
Фотосинтез – это процесс поглощения, использования энергии фотонов света, углекислого газа и воды (а в нашем случае веществ, растворенных в воде) хлорофиллом в целях создания органических веществ для образования новых клеток.
Это определение отвечает на вопрос: что такое фотосинтез, но из ответа возникает еще два вопроса: что такое хлорофилл и что такое фотоны световой энергии.
Чтобы понять, что такое хлорофилл, давайте заглянем в клетки растения.
На фото показана клетка растения с хлоропластами (зелененькие круглые штучки).
-
Хлоропласт – это пластиды высших растений. В хлоропластах происходит процесс фотосинтеза. Размер одного хлоропласта от четырех до десяти мкм.Вкратце можно сказать так: клетки, имеющие хлоропласт есть и в листьях и в стеблях. В листе могут быть десятки тысяч клеток. Каждая клетка (высшего растения) может иметь от десяти до тысячи хлоропластов (остальное – ядро клетки и т.д нас не интересует) . Хлоропласт разделен мембранами (Граны) а внутри – строма, бесцветная жидкость, обтекающая граны, которые сложены стопкой. А между них – ламелы. Строма хранит в себе ДНК, благодаря ей растение имеет определенную форму и т.д. Граны имеют сотни молекул хлорофилла (зеленые пигменты) и каротиноидов: коричневых, желтых, оранжевых, красных. Эти каротиноиды определяют цвет растения (например, красные листья роталлы макранды, морковка - оранжевый b-каротин), а также поглощают определенный спектр света и передают его уже хлорофиллу, а точнее, его молекулам. Хлорофилл, в свою очередь, способен поглощать только синий и красный спектр, а зеленый и вовсе отражать (так как сам зеленый))). Хлорофилл бывает двух видов: «а» и «b». Есть и другие виды, например водоросли, имеют «а» и «d». По сути, «а» и «b» всего лишь отличаются структурой, но в целом, они очень схожи. Разница лишь в том, что хлорофилл «а» поглощает одну часть спектра, хлорофилл «b» другую. На фото представлен хлоропласт в разрезе:
Это все по строению. Теперь давайте разберемся со светом, его спектрами и фотонами.
Свет – это фотоны, имеющие различную длину волны, ну или же частоту излучения. Свет делится на видимый и невидимый спектр. К видимому можно отнести длину волн от 380 до 750, от черно-фиолетового до черно-красного (вспомните: каждый охотник желает знать). Чем меньше длина волны, тем меньше количества фотонов, но больше энергии на каждый фотон. С увеличением длины волны (от синего к красному) тем больше излучаемых фотонов, но с меньшей энергией излучения. В отличие от атмосферы, вода способна понижать интенсивность светового излучения. Чем краснее спектр (больше длина волны), тем сильнее идет поглощение.
-
Так, например, при глубине 30см красный спектр теряет половину всей своей энергии, в то время как синий теряет всего лишь пол процента. Растениям наиболее полезен и выгоден красный спектр (600-700мкм), потому как хлорофиллу нужны именно фотоны, а не энергия. А больше всего фотонов в красном спектре. Но это, ни в коем случае не значит, что можно поставить в аквариум лампу, с красным светом, достаточно мощную для пробивки толщи воды. Ничего хорошего из этого не выйдет. Так уж устроены хлоропласты – они способны поглощать практически весь спектр. Например, взгляните на график: если мы будем давать растению только красный свет,каротиноиды останутся ни с чем. К невидимому можно отнести ультрафиолет, который делится на короткие, средние и длинные лучи. На хлорофилл он не влияет, однако средние лучи действуют на холодостойкость растений. А длинные способствуют обмену веществ и исключают вытягивание растения.
-
Теперь перейдем к процессам, протекающим в клетках растений под действием света. Свет – это главный компонент, источник энергии для фотосинтеза. Углекислый газ со2, фосфор, азот, и некоторые другие элементы начинают перерабатываться растением в процессе фотосинтеза. А кислород (пузырьки) выделяются как «побочный» продукт жизнедеятельности. Как только пропадает свет, питательные элементы (фосфор, азот и т.д) начинают разлагаться. При этом растение выделяет углекислый газ и некоторое количество тепловой энергии.
Хлоропласты в клетках способны «подстраиваться» под свет. Хлоропласты свободно перемещаются по клеткам, поэтому при слабой интенсивности света они поворачиваются самой широкой поверхностью прямо под лучи. При сильной интенсивности они встают параллельно лучам света, что позволяет им «не обжечься». Свободное перемещение по клеткам позволяет добиться наивыгоднейшего положения для хлоропластов в целях фотосинтеза.
Условно процесс фотосинтеза можно поделить на две стадии: стадия, использующая свет, и стадия без использования света.
Схематично можно разглядеть процесс на картинке:
В двух словах: энергия фотона действует на хлоропласт. Хлоропласт превращает световую энергию в химическую, состоящую из двух молекул: НАДФН (никотинамидадениндинуклеотид-фосфат) и АТФ (аденозинтрифосфат). Далее НАДФ-Н2 отдает атомы водорода, при этом вырабатывается глюкоза, энергии для выработки которой, хватает АТФ. В процессе этих рекаций разлагатся вода на кислород и водород. При этом, кислород выделяется в воду (пузыряние), а водород связывается белком ферредоксином.
Глюкоза образуется в процессе фотосинтеза и используется как топливо в процессе построения клеток, а так же трансформируется в целлюлозу. Растения могут накапливать глюкозу «впрок» и хранить её в корнях. Что касается температуры, то наилучший фтосинтезический эффект наблюдается при температуре 26 градусов Цельсия.
-
Еще один фактор, необходимый для фотосинтеза – углекислый газ СО2. В атмосфере его достаточно. А вот в воду он может попасть, только растворившись в ней. Добиться этого можно лишь двумя способами: принудительным растворением (подача в аквариум различными способами) либо же большой площадью поверхности воды. Также, углекислый газ вырабатывается растениями в темное время суток, рыбами, а также корнями растений в грунте. Большая поверхность рек, озер и морей, при взаимодействии с атмосферой, насыщается как кислородом, так и углекислотой. Так зачем же он, углекислый газ, растениям? Дело в том, что растения если не на 50, то на 40 процентов точно состоят из углерода. Вспомните уголь. Это полезное ископаемое, состоящие из «бывших» органических веществ, а если быть точным, клеток растений. Углерод – это, можно сказать, кирпичики растительных клеток. Но, как и настоящим кирпичикам нужен раствор, так и «растительным кирпичикам» - углероду, нужен раствор. А раствор этот прост – фосфор и азот. Эти два компонента, равно как и песок с цементом, «скрепляют» «кирпичики». Сейчас мы рассмотрим, какие элементы и для чего нужны. Компоненты для роста аквариумных растений делятся на микро и макро. Микро в основном служат для поддержания здорового вида растений. В то время как макро служат для «строительства» клеток. Тем самым, обеспечив растения макроэлементами, они будут расти, однако, вид у них будет, мягко говоря, не очень. К микро относятся металлы, такие как бор, цинк, медь и т.д. Также сюда входит хлор и т.д
К макро элементам относят фосфор, калий, железо, азот.
Азот является составляющим белков-ферментов растений. По этому без него никак.
Фосфор принимает участие на всех этапах фотосинтеза. По сути, фотосинтез невозможен без фосфора, потому как фосфорные соединения способны накапливать световую энергию. К тому же, без фосфора невозможно фосфорилирование – процесс присоединения атома фосфата при переходе из адф в атф.
Калий, а точнее его катионы и анионы отвечают за открытие и закрытие пор, через которые происходит газо и водо-обмен, а также, поступление питательных веществ. Соответственно, если нарушен газообмен, то пузыряния вы не дождетесь. Также, недостаток калия влияет на атф, и транспортировка глюкозы внутри клеток замедляется. Однако, не забывайте, что избыток калия также способен блокировать поступление питательных веществ.
Магний также необходим. Молекула хлорофилла имеет атом магния, поэтому магний обязателен. Без магния не будет хлорофилла, а соответственно пожелтение листьев растений. Однако, избыток магния приводит к чрезмерному увеличению количества хлорофилла относительно каротиноидов, что ни есть хорошо.
Железо – источник для зеленого пигмента хлорофилла. При нехватке железа растения бледнеют и даже желтеют, соответственно фотосинтез замедляется.
Марганец. Его отсутствие отрицательно сказывается на распаде воды и процессах накопления световой энергии.
Также, для фотосинтеза и здорового развития необходимы и другие микроэлементы, такие как медь, хлор, цинк и т.д.
Многие жалуются, мол, и по тестам все показатели в норме, и газа много подается – а фотосинтез не наблюдается. А много и таких: растения прут как ошпаренные, здоровые и красивые, газа и света много подаю, а пузырьков не вижу. По этому, полагаться на пузырьки не стоит, это вовсе не показатель что что-то плохо или хорошо, нужно полагаться на вид, окраску, темпы роста. Конечно, если поставить очень сильный свет и подавать много углекислого газа, не используя удобрения, растения будут фотосинтезировать. Однако этот фотосинтез будет неправдоподобный. То есть, распад воды будет, но хорошего здорового роста – нет.
Интересный факт: ученые ломают голову, как использовать фотосинтезические свойства в целях получения «чистой энергии», а то есть водорода. Клетки водорослей имеют хлорофилл группы а, b, с. Клетка водоросли может иметь всего один хлоропласт (например эвглена). Этого ей вполне хватает. Сами посудите, если бы водоросли имели много хлоропластов, то они бы пузыряли еще сильнее, чем высшие.
