Как растения производят кислород в процессе фотосинтеза

Растения производят кислород в процессе фотосинтеза — сложной последовательности реакций, во время которой энергия света используется для образования органических веществ. Для этого растению необходимы вода, углекислый газ, свет и работа фотосинтетических пигментов, прежде всего хлорофилла.

Кислород образуется не из углекислого газа, как иногда считают, а в результате расщепления молекул воды во время световых реакций. Одновременно растение запасает энергию, необходимую для последующего связывания углерода и построения органических соединений.

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в химическую энергию органических веществ. У растений он происходит главным образом в зелёных частях, содержащих хлоропласты.

В упрощённом виде общее уравнение фотосинтеза записывают так:

6CO₂ + 6H₂O + энергия света → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Эта формула показывает общий результат процесса:

• растение поглощает углекислый газ;
• корни получают воду;
• свет служит источником энергии;
• образуются органические вещества;
• в окружающую среду выделяется кислород.

В действительности фотосинтез состоит из множества отдельных реакций. Глюкоза не образуется за один этап: сначала формируются более простые углеродные соединения, из которых растение затем создаёт сахара, крахмал, целлюлозу и другие вещества.

Где в растении происходит фотосинтез

Основное место фотосинтеза — листья. Их строение помогает улавливать свет, принимать углекислый газ и проводить воду к клеткам.

В растительной клетке процесс связан с хлоропластами. Это органоиды, внутри которых находятся:

• тилакоиды — мембранные структуры, где проходят световые реакции;
• граны — стопки тилакоидов;
• строма — внутренняя среда хлоропласта, где происходит цикл Кальвина;
• хлорофилл и другие пигменты, поглощающие свет.

Фотосинтезировать могут также зелёные молодые стебли и другие части растения, если их клетки содержат работающие хлоропласты.

Какую роль выполняет хлорофилл

Хлорофилл — зелёный пигмент, участвующий в поглощении света. Он особенно эффективно использует красную и синюю части видимого спектра, а зелёный свет отражается сильнее, поэтому листья кажутся зелёными.

Хлорофилл не создаёт кислород самостоятельно. Его задача — поглощать энергию света и передавать её системе реакций, происходящих в мембранах тилакоидов.

В листьях присутствуют и другие пигменты, в том числе каротиноиды. Они расширяют диапазон используемого света и помогают защищать фотосинтетический аппарат от повреждения при его избытке.

Две основные стадии фотосинтеза

Фотосинтез условно разделяют на световые реакции и цикл Кальвина. Эти стадии связаны между собой: продукты световой фазы используются для связывания углекислого газа.

Световые реакции

Световые реакции проходят в мембранах тилакоидов и требуют энергии света. На этом этапе:

• хлорофилл и другие пигменты поглощают свет;
• вода участвует в реакции расщепления;
• образуются электроны и протоны;
• выделяется молекулярный кислород;
• создаются АТФ и НАДФН — переносчики энергии и восстановительной силы.

Упрощённое уравнение расщепления воды:

2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂

Именно эта реакция является непосредственным источником кислорода, выделяемого растениями.

Цикл Кальвина

Цикл Кальвина проходит в строме хлоропласта. Во время этой стадии углекислый газ включается в органические соединения с использованием АТФ и НАДФН, полученных в световых реакциях.

Цикл Кальвина часто называют «темновой фазой», однако такое название может вводить в заблуждение. Эти реакции не требуют непосредственного попадания света на молекулы, но зависят от продуктов световой фазы и обычно активно идут в освещённом растении.

Конечным непосредственным результатом цикла является не готовая молекула глюкозы, а более простые углеродные соединения. Из них растение впоследствии синтезирует сахара и другие органические вещества.

Откуда берётся кислород при фотосинтезе

Кислород, который растение выделяет во время фотосинтеза, происходит из воды. Корни поглощают воду из грунта, после чего она перемещается по проводящим тканям к листьям.

В хлоропластах вода участвует в световых реакциях. При её расщеплении освобождаются электроны, протоны и кислород. Молекулы кислорода затем выходят из листа преимущественно через устьица.

Углекислый газ при этом служит источником углерода для органических веществ. Поэтому нельзя говорить, что растение просто «превращает углекислый газ в кислород»: вода и углекислый газ выполняют в процессе разные функции.

Как углекислый газ попадает в лист

Углекислый газ проникает в лист через устьица — небольшие регулируемые отверстия в покровной ткани. Через них одновременно происходит газообмен и испарение воды.

Когда растение испытывает сильный недостаток влаги, устьица могут частично закрываться. Это уменьшает потерю воды, но одновременно ограничивает поступление углекислого газа и снижает скорость фотосинтеза.

Поэтому длительная пересушка влияет не только на упругость листьев. Она ограничивает газообмен и образование органических веществ.

Что происходит с водой после поглощения корнями

Корни получают воду из грунта, а затем она движется вверх по ксилеме. Значительная часть воды испаряется через листья, поддерживая транспирационный поток и охлаждение растения.

Для непосредственного образования кислорода используется только часть поглощённой воды. Намного больше влаги участвует в транспирации, поддержании давления в клетках, переносе минеральных веществ и регулировании температуры.

Из этого не следует, что частый полив ускоряет фотосинтез. Переувлажнение вытесняет воздух из грунта, ухудшает работу корней и в итоге также может уменьшать рост.

Какие организмы производят кислород

Кислородный фотосинтез осуществляют не только наземные растения. В нём участвуют:

• деревья и кустарники;
• травянистые растения;
• мхи и другие зелёные наземные организмы;
• водоросли;
• фитопланктон;
• цианобактерии.

Наземная растительность и фотосинтезирующие организмы водоёмов вместе поддерживают глобальный круговорот кислорода и углерода.

Растения также создают органическое вещество, находящееся в основе большинства пищевых цепей. Подробнее эта связь разобрана в статье о растениях как источнике пищи для людей и животных.

Что влияет на скорость фотосинтеза

Фотосинтез не идёт с постоянной скоростью. Он зависит от внешних условий, состояния растения и особенностей конкретного вида.

Освещение

При недостатке света скорость фотосинтеза снижается. Растение может продолжать жить, но рост новых листьев становится медленным, расстояние между узлами увеличивается, а пестролистная окраска нередко становится менее выраженной.

Избыток света тоже способен повредить фотосинтетический аппарат. Особенно это актуально, если растение резко переместили из тени под интенсивное прямое солнце.

Углекислый газ

Углекислый газ необходим для образования органических веществ. Однако в обычной квартире искусственно повышать его концентрацию для комнатных растений не требуется. Регулярного проветривания и нормального воздухообмена обычно достаточно.

Вода

При недостатке воды устьица закрываются, а при длительном переувлажнении страдают корни. В обоих случаях фотосинтез и рост могут замедлиться.

Температура

Фотосинтез включает ферментативные реакции, чувствительные к температуре. Слишком холодные или чрезмерно жаркие условия нарушают их нормальную работу.

Оптимальный диапазон зависит от происхождения вида. Тропическое комнатное растение и садовое хвойное дерево реагируют на одинаковую температуру по-разному.

Минеральное питание

Для образования хлорофилла, белков, ферментов и новых тканей растению необходимы минеральные элементы. Но увеличение дозы удобрения не ускоряет фотосинтез бесконечно.

Избыток солей повреждает корни и нарушает поглощение воды. Подкормки помогают только тогда, когда растение получает достаточно света и находится в подходящем грунте.

Состояние листьев

Повреждения вредителями, сильный слой пыли, ожоги, хлороз и болезни уменьшают площадь нормально работающей ткани. Поэтому состояние листьев напрямую влияет на общую продуктивность растения.

Фотосинтез и дыхание растений

Растения не только фотосинтезируют, но и постоянно дышат. Во время клеточного дыхания органические вещества используются для получения энергии, при этом поглощается кислород и выделяется углекислый газ.

• Фотосинтез требует света и создаёт органические вещества.
• Дыхание идёт и днём, и ночью и обеспечивает клетки доступной энергией.

Днём при достаточном освещении фотосинтез обычно превышает дыхание, поэтому растение в целом поглощает углекислый газ и выделяет кислород. В темноте фотосинтез прекращается, но дыхание продолжается.

Производят ли растения кислород ночью

Обычное растение не производит кислород без света, поскольку расщепление воды требует энергии световой фазы. Ночью оно продолжает дышать и потреблять небольшое количество кислорода.

Некоторые растения, включая сансевиерии и многие суккуленты, используют CAM-фотосинтез. Они открывают устьица преимущественно ночью и запасают углекислый газ, что помогает экономить воду.

Однако это не означает, что сансевиерия активно производит кислород всю ночь. Ночное поглощение углекислого газа и выделение кислорода в световой фазе — разные процессы. Для образования кислорода растению всё равно необходим свет.

Могут ли комнатные растения заметно повысить уровень кислорода

Комнатные растения действительно участвуют в газообмене, но несколько горшков не способны существенно изменить содержание кислорода во всём помещении. Масштаб фотосинтеза отдельного растения слишком мал по сравнению с объёмом воздуха и обычным воздухообменом комнаты.

Для качества воздуха в квартире важнее:

• регулярное проветривание;
• исправная вентиляция;
• контроль влажности;
• отсутствие дыма и других источников загрязнения;
• своевременная уборка пыли.

Комнатные растения стоит выбирать прежде всего за их декоративность и возможность создать более живой интерьер, а не как замену вентиляции.

Подходящие виды можно посмотреть в категории комнатных растений с доставкой по Еревану.

Как поддержать нормальный фотосинтез комнатного растения

Для эффективной работы листьев не нужны специальные домашние средства. Важнее обеспечить основные условия ухода.

• Разместить растение в месте, соответствующем его потребности в свете.
• Не допускать длительного переувлажнения или полной пересушки.
• Использовать воздухопроницаемый грунт и горшок с дренажными отверстиями.
• Очищать крупные листья от пыли мягкой влажной тканью.
• Не превышать дозу удобрений.
• Защищать растение от вредителей.
• Не переставлять его резко из глубокой тени на сильное солнце.
• Учитывать сезонное уменьшение света зимой.

Подробные рекомендации по освещению, поливу, грунту и подкормкам собраны в статье об основах ухода за комнатными растениями.

Как понять, что растению не хватает света

На недостаточное освещение могут указывать:

• медленный рост;
• вытянутые и слабые побеги;
• увеличенные промежутки между листьями;
• мелкие новые листья;
• потеря яркой пестролистной окраски;
• наклон растения в сторону окна;
• отсутствие цветения при нормальном общем состоянии;
• слишком медленное просыхание грунта.

Эти признаки оценивают вместе. Пожелтение листьев само по себе не доказывает недостаток света: похожий симптом возникает при переувлажнении, повреждении корней, холоде и других проблемах.

Фотосинтез у цветковых и голосеменных растений

Основная логика кислородного фотосинтеза одинакова у цветковых и голосеменных растений. И широкие листья фикуса, и хвоя сосны содержат фотосинтетические клетки, способные использовать световую энергию.

Различия связаны с формой листьев, сезонностью, строением покровных тканей и приспособлением к климату. Хвоя многих голосеменных помогает уменьшать потерю воды, а широкие листья цветковых растений часто позволяют эффективно улавливать свет при достаточной влажности.

О строении и разнообразии покрытосеменных можно прочитать в статье о цветковых растениях. Хвойные и другие виды для двора представлены в категории садовых растений.

Роль фотосинтеза в экосистемах

Фотосинтез обеспечивает образование органического вещества, которое затем используется растениями, животными, грибами и микроорганизмами. Благодаря этому процессу солнечная энергия включается в пищевые цепи.

Одновременно фотосинтез участвует в круговороте углерода. Углекислый газ связывается в растительных тканях, а затем может возвращаться в окружающую среду при дыхании, разложении или горении.

Важно различать валовое производство кислорода и его чистое накопление. Значительная часть произведённого кислорода снова расходуется при дыхании организмов и разложении органического вещества. Поэтому нельзя оценивать вклад леса или отдельного растения только по количеству кислорода, которое образовалось в световой фазе.

Распространённые заблуждения о фотосинтезе

• «Кислород образуется из углекислого газа». Выделяемый кислород происходит главным образом из воды.
• «Цикл Кальвина проходит только в темноте». Ему не нужен прямой свет, но он зависит от продуктов световой фазы.
• «Растение ночью не дышит». Клеточное дыхание идёт круглосуточно.
• «Сансевиерия производит много кислорода ночью». CAM-растения ночью преимущественно поглощают и запасают углекислый газ, а кислород образуют при наличии света.
• «Чем больше поливать, тем активнее фотосинтез». Переувлажнение повреждает корни и может замедлять процесс.
• «Удобрение компенсирует недостаток света». Без достаточного освещения дополнительное питание не решает основную проблему.
• «Несколько растений полностью очищают и насыщают кислородом комнату». Для реального воздухообмена необходима вентиляция.

Главное о производстве кислорода растениями

Кислород образуется во время световых реакций фотосинтеза при расщеплении воды. Углекислый газ при этом используется как источник углерода для построения органических веществ.

Скорость фотосинтеза зависит от света, воды, температуры, газообмена, минерального питания и состояния листьев. Растение одновременно фотосинтезирует и дышит, поэтому количество выделяемого кислорода меняется в зависимости от условий и времени суток.

Для домашнего растения важнее всего подходящее освещение, правильный полив и здоровая корневая система. При таких условиях листья смогут нормально работать, а растение — формировать новые ткани и поддерживать естественный газообмен.