Факторы фотосинтеза
Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Его скорость зависит от нескольких условий: освещённости, концентрации углекислого газа, обеспеченности водой и температуры. Если один из факторов сильно ограничен, фотосинтез замедляется даже при благоприятных значениях остальных факторов.
Что называют скоростью фотосинтеза
Скорость фотосинтеза — это количество органического вещества или кислорода, образующееся за единицу времени. В школьных заданиях её могут оценивать по объёму выделившегося кислорода, массе образованного вещества или количеству поглощённого углекислого газа.
Скорость фотосинтеза — интенсивность протекания фотосинтеза, то есть количество продуктов фотосинтеза, образующихся за определённое время.
Здесь \(v\) — скорость процесса, \(\Delta m\) — изменение массы или количества вещества, \(\Delta t\) — промежуток времени. Если за одинаковое время выделилось больше кислорода, значит, скорость фотосинтеза была выше.
Фотосинтез происходит в хлоропластах, содержащих хлорофилл. Световая фаза использует энергию света, а в темновой фазе из углекислого газа образуются органические вещества. Подробнее эти этапы разобраны на страницах световая фаза фотосинтеза и темновая фаза фотосинтеза.
Свет и углекислый газ
При увеличении освещённости скорость фотосинтеза обычно возрастает: растение получает больше энергии для световой фазы. Однако рост продолжается только до определённого предела. Затем наступает световое насыщение: дальнейшее усиление света почти не увеличивает скорость, потому что ограничивающим становится другой фактор — например, количество углекислого газа, вода или температура.
Скорость фотосинтеза определяется фактором, значение которого наиболее далеко от оптимального. Увеличение другого фактора эффективно только до тех пор, пока ограничивающим не станет следующий.
Углекислый газ — исходное вещество для образования органических соединений. При увеличении его концентрации скорость фотосинтеза возрастает до некоторого предела. При дальнейшем повышении концентрации прироста может не быть, а слишком большое содержание углекислого газа способно повредить растению.
Поступление углекислого газа связано с продыхами листа. В засуху они закрываются, чтобы уменьшить испарение воды, и тогда внутрь листа поступает меньше углекислого газа. Поэтому недостаток воды косвенно снижает фотосинтез.
Растение освещают всё ярче, но после некоторого момента скорость фотосинтеза не меняется. Как это объяснить?
Вода и температура
Вода необходима как исходное вещество фотосинтеза и как среда для протекания химических реакций. При недостатке воды растение закрывает продыхи, уменьшает испарение и ограничивает поступление углекислого газа. Поэтому при засухе скорость фотосинтеза снижается. Полив помогает только тогда, когда причиной замедления действительно был недостаток воды.
Избыток воды также может быть вреден: переувлажнение почвы вытесняет воздух, корни получают меньше кислорода, нарушается их дыхание и поглощение минеральных веществ. Поэтому для нормального фотосинтеза важна не максимальная, а достаточная обеспеченность водой.
Температура влияет на ферменты, участвующие в реакциях фотосинтеза. При низкой температуре реакции идут медленно. При повышении температуры скорость возрастает до оптимума. После оптимальной температуры ферменты работают хуже, усиливается испарение воды, а при сильном перегреве фотосинтез резко замедляется.
Для большинства растений скорость фотосинтеза увеличивается при повышении температуры до оптимума, а затем уменьшается. Точная оптимальная температура зависит от вида растения и условий опыта.
Как анализировать опыт
В эксперименте изменяют только один фактор, а остальные условия стараются сохранить одинаковыми. Например, сравнивая влияние света, берут одинаковые растения, одинаковый объём воды и углекислого газа, а меняют только расстояние до лампы или её яркость.
- Определите, какой фактор изменяли: свет, концентрацию углекислого газа, воду или температуру.
- Найдите показатель скорости: объём кислорода, число пузырьков газа, массу вещества или другой результат за единицу времени.
- Сравните результаты только за одинаковые промежутки времени или пересчитайте их по формуле \(v=\frac{\Delta m}{\Delta t}\).
- Сделайте вывод: при каком значении фактора скорость выше, где начинается насыщение или достигается оптимум.
У двух одинаковых растений измеряли объём кислорода за 5 минут. Растение A выделило 20 мл, растение B — 35 мл. Определим скорость фотосинтеза и сравним растения.
Ответ: скорость фотосинтеза у растения B выше. Если растения находились при одинаковой температуре и получали одинаковое количество воды, вероятно, растение B было лучше освещено или получало больше углекислого газа. По одним только измерениям нельзя точно установить причину, если неизвестно, какой фактор меняли.
1. Нельзя считать, что чем больше света, тем быстрее фотосинтез без ограничений: существует насыщение и возможен перегрев. 2. Не путайте скорость фотосинтеза с общей массой растения. 3. При сравнении опытов учитывайте время измерения. 4. Закрытые продыхи уменьшают не только потерю воды, но и поступление углекислого газа. 5. Оптимальная температура не одинакова для всех растений.
Связь факторов с условиями жизни растения
В природе факторы действуют одновременно. Например, в жаркий солнечный день света много, но почва может быть сухой. Растение закрывает продыхи, в лист поступает меньше углекислого газа, и фотосинтез не достигает максимума. В тени света мало, поэтому даже достаток воды и углекислого газа не обеспечит высокую скорость.
На результат также влияют строение листа и его положение. Листовая пластинка улавливает свет, а листорасположение помогает растениям уменьшать или увеличивать взаимное затенение. При изучении опыта полезно отделять прямой фактор от условий, которые изменились вслед за ним.
Если в таблице или на графике один показатель сначала растёт, а затем почти не изменяется, ищите точку насыщения. Если после максимума показатель падает, речь идёт об оптимальном значении фактора и неблагоприятном избытке.
Быстрая проверка
Проверь себя
Главное
- Скорость фотосинтеза измеряют количеством образовавшегося продукта за единицу времени.
- Свет и концентрация углекислого газа увеличивают скорость только до уровня насыщения.
- Вода нужна как исходное вещество и для сохранения работы продыхов; засуха ограничивает газообмен.
- Температура имеет оптимум: холод замедляет реакции, перегрев снижает их эффективность.
- В опыте изменяют один фактор, остальные условия сохраняют одинаковыми.
- Скорость процесса определяется наиболее ограничивающим фактором.