Факторы, влияющие на процесс накопления энергии при фотосинтезе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, Ижевск

Факторы, влияющие на процесс накопления энергии при фотосинтезе

И.Г. Поспелова

Г.А. Кораблев

В.Н. Костылев

Лучистая энергия солнца - является основным источником энергии на Земле. По сравнению с ней энергия, получаемая землей от других источников, ничтожна. Биомасса запасает лучистую энергию солнца в химическую, и сохраняет ее в веществах с помощью фотосинтеза[1-5].

Суммарное уравнение фотосинтеза имеет вид [6]

Где hн - энергия кванта света, (СН₂О) - часть молекулы углевода. При фотореакции, связанной с разложением воды, выделяется энергия 470 кДж/моль. Изменение свободной энергии в процессе фотосинтеза при образовании одной молекулы О₂ составляет около 500 кДж/моль, на что затрачивается 8 квантов света с суммарной энергией примерно 1470 кДж/моль. Тем самым коэффициент использования солнечной энергии равен 500/1470=0,34. Выделение 470 кДж/моль энергии следует из баланса:

Энергия двух связей С=О в СО₂ 798Ч2=1596

Энергия двух связей О-Н в Н₂О 462 Ч 2=924

Итого 2520

Энергия связи О=О в О₂ 487

Энергия двух связей С-Н в формальдегиде СН₂О 86Ч2=772

Энергия связи С=О в СН₂О 798

Итого 2057

2520-2057=463 кДж/моль

То же самое количество энергии выделяется из окислительно-восстановительного потенциала пары 1/2О₂/Н₂О, то есть +0,81 эВ, и пары СО₂/СН₂О+Н₂О, то есть -0,40 эВ. Итого в сумме 1,21 эВ. В ходе фотосинтеза для восстановления СО₂ до уровня углевода нужно перенести 4 атома водорода с Н₂О на СО₂:

Баланс энергии: 1,21·4=4,84 эВ?470 кДж/моль.

Фотосинтез можно определить, как процесс фотоиндуцированного электронного транспорта, конечным результатом которого является усвоение СО₂. Скорость фотосинтеза зависит от интенсивности падающего света I. Грубо говоря, скорость образования некоего субстрата пропорциональна числу поглощенных квантов [6].

Скорость фотосинтеза можно представить эмпирической формулой

где k_E - константа скорости ферментативной реакции, n - молекулы субстратаn?8, , Е - концентрация фермента.

Скорость фотосинтеза х зависит от температуры. При большой интенсивности падающего светаI >> T наступает насыщение, х_max=k_EE/n. Константа скорости ферментативной реакции k_E находится измерением зависимости выхода молекулы кислорода О₂от продолжительности интервалов времени между вспышками t_dпри импульсном освещении. В среднем, время превращения одной молекулы субстрата, составляет около 0,02 с. Иными словами, k_E=1/0,02=50 с^-1. Концентрация Е=[Ch]/300, [Ch] - концентрация хлорофилла. Получаем х_max=50[Ch]/n·300?0,02[Ch]с^-1. Наибольшая скорость протекания фотосинтеза при постоянном освещении равна одной молекуле кислорода О₂ на молекулу хлорофилла за 50 с[5, 6].

Скорость протекания фотосинтеза в зеленых растениях также может выражаться в следующих единицах: в миллиграммах С0₂, ассимилированного 1 дм² листа за 1 ч; в миллилитрах 0₂, выделенного 1 дм² листа за 1 ч; в миллиграммах сухого вещества, накопленного 1 дм² листа за 1 ч[7-10].

Интенсивность фотосинтеза зависит от многих факторов и при различных условиях протекает с разной скоростью. Так, например, интенсивность фотосинтеза зависит от фазы развития растения, и максимальная интенсивность наблюдается в фазе цветения.

Проанализировав результаты исследований, можно утверждать, что на скорость или интенсивность фотосинтеза влияют как внешние факторы, так и внутренние. К внешним факторам относят: интенсивность света, температуру, содержание CO₂ и О₂ в воздухе, снабжение водой (влажность), снабжение кислородом, минеральное питание. К внутренним факторам относят: отток ассимилянтов, содержание хлорофилла, возраст листа, степень открытости устьиц[10].

Как уже было отмечено, в естественной природе происходит сложное взаимодействие всех как внешних, так и внутренних факторов. В связи с этим протекание фотосинтеза в течение суток так же неустойчиво и подвержено значительным изменениям. При средней дневной температуре и достаточной влажности суточный процесс фотосинтеза примерно соответствует изменению интенсивности солнечной активности. Утром с восходом солнца фотосинтез начинается, достигает максимума в полуденные часы, к вечеру постепенно снижается и прекращается с заходом солнца[10].

В естественной природе все факторы взаимодействуют друг с другом, и действие одного фактора зависит от интенсивности всех остальных. Поэтому изменение интенсивности одного фактора при неизменности других влияет на фотосинтез, начиная от минимума, при котором процесс начинается, и кончая оптимумом, при достижении которого процесс перестает изменяться. Чаще всего увеличение интенсивности фактора после определенного уровня приводит даже к замедлению процесса. Однако если начать изменять какой-либо другой фактор, то оптимальное значение интенсивности первого фактора меняется в сторону увеличения. Скорость процесса фотосинтеза зависит в первую очередь от интенсивности того фактора, который находится в минимуме. Для примера можно привести взаимодействие таких факторов, как интенсивность света Iи содержание углекислого газа С0₂.В [9, 10] было обнаружено, что при повышенном (в определенных пределах) содержании в воздухе углекислого газа фотосинтез перестаёт возрастать при увеличении интенсивности света.

Эффективность процесса фотосинтеза в естественных условиях очень мала. Для ее повышения очень важно уменьшение затрат солнечной энергии на процесс испарения воды растением. В этой связи регуляция водного обмена растений возможна путем сокращения испарения воды растением, в частности, улучшением условий корневого питания[10].

Исходя из выше изложенного, можно сделать вывод, что в процессе фотосинтеза играют важную роль все факторы, как внешние, так и внутренние, например, процессы роста и развития, дыхания, водного и минерального питания и т.д. Изучив влияние каждого, позволит корректировать эффективность процесса фотосинтеза в большую сторону для запаса энергии в биомассе.

Литература

фотосинтез энергия молекула

1. Касьянов А.С. Энергетический потенциал соломы как биотоплива // Инженерный вестник Дона, 2014, № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2225/.

2. Korablyov, G.A. Energy Criterions of Photosynthesis / G.A. Korablyov, G.E. Zaikov // Progress in Chemistry and Biochemistry, kinetics, Thermodynamics, Synthesis, Properties and Applications: Festschrift in Honor of the 75^th Birthday of Professor Gennady E. Zaikov. - New York, 2009. - Volume 3. - pp. 377-392.

3. Кораблев Г.А., Поспелова И.Г. Биотехнология и энергетика фотосинтеза // Инженерный вестник Дона, 2014, № 2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2429/.

4. Korablev G.A. Spatial-Energy Principles of Complex Structures Formation, Netherlands, Brill Academic Publishers and VSP, 2005,426 p. (Monograph).

5. Korablev G.A., Zaikov G.E. Energy of chemical bond and spatial-energy principles of hybridization of atom orbitals // Journal of Applied Polymer Science. USA, 2006, V.101, №3, pp. 2101-2107.

6.Волькенштейн М.В. Биофизика: Учебное пособие. 3-е изд., стер. - СПб: Издательство «Лань», 2008. - 608 с.: ил.

7. Клейтон Р. Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели // М.: Мир, 1984. - 350 с.

8. Фотосинтез /Под ред. Говинжи. т. 1-1987, 728 с; Т. 2-1987. - М.: Мир. 460 с.

9. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3 и С4-растений: Механизмы и регуляция // М.: 1986. - 134 с.

10. Фотосинтез URL: do.gendocs.ru/docs/index-63065/html.

Размещено на Allbest.ru