10441 (Процесс фотосинтеза)

Введение

1. Фотосинтез и первичная биологическая продуктивность

2. Физиологическая роль азота, круговорот азота в атмосфере

3. Поглощение минеральных веществ корнями растений

4. Дерево испарило за 1 ч 500г H2О, а корневая система поглотила за это время 450г воды. Какие условия внешней среды могли вызвать указанное несовпадение количества поглощенной и испаренной воды. Как это отразится на испарении

5. Библиографический список

1. Фотосинтез и первичная биологическая продуктивность

Фотосинтез (от греч. φωτο- — свет и σύνθεσις — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также является запасённой в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы — биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.

Биологическая продуктивность, образование биомассы организмами, выражаемое потоками органического вещества и его потенциальной химической энергии на единицу площади за единицу времени. Понятие биологическая продуктивность применимо к растительности, сообществам (фитоценозам), к их отдельным ярусам, к отдельным популяциям растений и животных. Продуктивность всех популяций организмов на единицу площади характеризует биологическая продуктивность биогеоценозов и экосистем. Биологическая продуктивность количественно оценивают по её результату главным образом по годичной биологической продукции сухого органического вещества (в т/га • год, г/м2 • год), или энергии (Дж/м2 • год, ккал/га • год, кал/м2 • год). Специфику процесса изучает физиология растений. Биологическая продуктивность иногда отождествляют с запасами биомассы на единицу площади, что может лишь отчасти характеризовать биологическая продуктивность. Различают первичную и вторичную биологическую продуктивность. Первичная биологическая продуктивность характеризуется образованием биомассы (первичной продукции) в процессе фотосинтеза зелёными растениями (автотрофами), которые образуют первый трофический уровень экосистемы и служат началом всех цепей питания. К первичным продуцентам относят и некоторые хемосинтезирующие бактерии. В процессе утилизации вещества и энергии первичной продукции образуется биомасса всех гетеротрофных организмов (бактерий, грибов и животных), называемых консументами. Продукция консументов характеризует вторичную биологическая продуктивность, к которой относят и массу хищных животных, питающихся растительноядными и другими хищниками.

Первичная биологическая продуктивность.

При исследованиях первичной биологической продуктивности наземных биогеоценозов определяют ряд показателей, которые затем используют в качестве отдельных статей баланса органические вещества на конкретных участках. Продукция, определяемая с учётом затрат вещества и энергии на процессы метаболизма самих организмов-продуцентов, называется первичной брутто-продукцией, или валовой продукцией (обычно обозначают GPP — от англ, gross primary production). Разность между первичной брутто-продукцией и затратами растений на дыхание (Ra) определяет первичную нетто-продукцию — NPP (от англ, net primary production). В лесном фитоценозе NPP включает в себя не только чистую продукцию прироста за учитываемый период (истинный прирост фитомассы) — NEP (net ecosystem production), но и продукцию, перешедшую за то же время в опад (листья, цветки, семена и др.) и отпад (отмершие деревья, сучья и др.), которые суммарно обозначаются L, а также часть продукции живых растений, пошедшую на корм животных-фитофагов (консумпцию) — Сa. Сумму этих показателей часто называют гетеротрофным дыханием (Rh), поскольку энергия в обоих этих потоках (Rh=L+Ca) освобождается главным образом с участием гетеротрофных организмов. Для консументов, независимо от их трофической специализации, применяют иную схему. Отчуждаемая при консумпции фитофагами продукция растений в некотором количестве поедается животными, остальная (огрызки, объедки) поступает в опад. Съеденная пища частично ассимилируется организмами, частично экскре-тируется и поступает в детрит. За счёт продуктов ассимиляции происходит прирост биомассы, т. е. формируется продукция и поддерживаются процессы метаболизма. В продукцию включаются вещество или энергия прироста (привеса) животных за изучаемый период и прироста потомства. Эти величины, с учётом вещества и энергии элиминированных особей, характеризуют прирост биомассы животных. Биомасса животных-иммигрантов в продукцию не включается. При этом ассимилированная пища и прирост биомассы животных соответствуют общей (брутто) и чистой (нетто) продукции автотрофов.

Первичная биологическая продуктивность зависит от интенсивности фотосинтеза растениями и продолжительности его периода, фотосинтезирующей поверхности фитоценозов и древостоев, выражаемой индексом листовой поверхности и характером расположения листвы в толще полога, а также от кол-ва поступающей фотосинтетической радиации, условий увлажнения и минерального питания. Кульминация первичной продукции насаждений, выражаемая чистой продукцией (NPP) или истинным приростом фитомассы (NEP), приходится на возраст 20—40 лет. Однако в искусств, насаждениях она наступает раньше, чем в естественных, хотя с возрастом различия Б. п. лесных культур и естественных древостоев сглаживаются.

2. Физиологическая роль азота, круговорот азота в атмосфере

Азот – биоэлемент, структурная единица органических соединений, участвует в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности. Входит в состав важнейших биополимеров: белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК); некоторых витаминов и гормонов. В воздухе азота содержится 78% по объему и 75,5% по массе.

Азотфиксирующие бактерии способны усваивать азот непосредственно из воздуха, превращая его в аммиак. Они живут самостоятельно, например азотобактер, цианобактерии, азоспириллы, или поселяются в корнях бобовых растений (клевер, горох, люпин, вика и др.) – бактерии рода ризобиум. Над 1 га почвы в атмосфере содержится более 70 тыс. т свободного азота, и только в результате азотфиксации часть этого азота становится доступной для питания высших растений (содержание доступного для растения азота в почве очень невелико). При связывании N2 клубеньковыми бактериями в симбиозе с растениями семейства бобовых почва ежегодно обогащается азотом на 200–300 кг/га, а свободноживущие бактерии вносят в почву азота 1–3 кг/га в год. На рисовых полях свободноживущие цианобактерии фиксируют 30–50 кг молекулярного азота на 1 га в год. Известно довольно много азотфиксаторов: бактерии, актиномицеты, дрожжевые и плесневые грибы, синезеленые водоросли.

Растения поглощают азот из почвы в виде растворимых нитратов и солей аммония (NH4+). Соли транспортируются в стебли и листья, где в процессе биосинтеза очень быстро превращаются в аминокислоты и белки – неотъемлемую часть любого живого организма.

Азот составляет 0,3–4,5% от массы растения. Он усиливает рост стеблей и листьев. При недостатке азота замедляется рост растения, образование хлорофилла, листья приобретают бледно-зеленую окраску и преждевременно желтеют, стебли становятся тонкими и слабо ветвятся, вновь образующиеся листья мельчают, цветки, не раскрываясь, засыхают и опадают. При длительном азотном голодании бледно-зеленые листья приобретают желтый, оранжевый или красный оттенки.

Существуют растения-индикаторы, которые великолепно растут при повышенном содержании азота в почве. Это хорошо знакомые нам крапива, малина, чистотел, пырей ползучий.

Азот — незаменимый биогенный элемент, так как он входит в состав белков и нуклеиновых кислот. Круговорот азота один из самых сложных, поскольку включает как газовую, так и минеральную фазу, и одновременно самых идеальных круговоротов.

Круговорот азота тесно связан с круговоротом углерода. Как правило, азот следует за углеродом, вместе с которым он участвует в образовании всех протеиновых веществ.

Атмосферный воздух, содержащий 78% азота, является неисчерпаемым резервуаром. Однако основная часть живых организмов не может непосредственно использовать этот азот. Он должен быть предварительно связан в виде химических соединений. Например, для усвоения азота растениями необходимо, чтобы он входил в состав ионов аммония (NH4+) или нитрата (NO3-).

Газообразный азот непрерывно поступает в атмосферу в результате работы денитрофицирующих бактерий, а бактерии-фиксаторы вместе с сине-зелеными водорослями (цианофитами) постоянно поглощают его, преобразуя в нитраты.

Важную роль в превращении газообразного азота в аммонийную форму в ходе так называемой азотофиксации играют бактерии из рода Rhizobium, живущие в клубеньках на корнях бобовых растений. Растения обеспечивают бактерий местообитанием и пищей (сахара), получая взамен от них доступную форму азота. По пищевым цепям органический (входящий в состав органических молекул) азот передается от бобовых другим организмам экосистемы. В процессе клеточного дыхания белки и другие содержащие азот органические соединения расщепляются, азот выделяется в среду большей частью в аммонийной форме (NH4+). Некоторые бактерии способны переводить ее и в нитратную (NO3-) форму. Отметим, что обе эти формы азота усваиваются любыми растениями. Азот, таким образом, совершает круговорот как минеральный биоген. Однако такая минерализация обратима, так как почвенные бактерии постоянно превращают нитраты снова в газообразный азот.

В водной среде также существуют различные виды нитрофицирующих бактерий, но главная роль в фиксации атмосферного азота здесь принадлежит многочисленным видам способных к фотосинтезу сине-зеленых водорослей из родов Anabaena, Nostoc, Frichodesmium и др.

Круговорот азота четко прослеживается и на уровне деструкторов. Протеины и другие формы органического азота, содержащиеся в растениях и животных после их гибели, подвергаются воздействию гетеротрофных бактерий, актиномицетов, грибов (биоредуцирующих микроорганизмов), которые вырабатывают необходимую им энергию восстановлением этого органического азота, преобразуя его таким образом в аммиак.

В почвах происходит процесс нитрификации, состоящий из цепи реакций, где при участии микроорганизмов осуществляется окисление иона аммония (МН4+) до нитрита (NO2-) или нитрита до нитрата (NО3-). Восстановление нитритов и нитратов до газообразных соединений молекулярного азота (N2) или окиси азота (N2O) составляет сущность процесса денитрификации.

Образование нитратов неорганическим путем в небольших количествах постоянно происходит и в атмосфере: путем связывания атмосферного азота с кислородом в процессе электрических разрядов во время гроз, а затем выпадением с дождями на поверхность почвы.

Еще одним источником атмосферного азота являются вулканы, компенсирующие потери азота, выключенного из круговорота при седиментации или осаждении его на дно океанов.

В целом же среднее поступление нитратного азота абиотического происхождения при осаждении из атмосферы в почву не превышает 10 кг (год/га), свободные бактерии дают 25 кг (год/га), в то время как симбиоз Rhizobium с бобовыми растениями в среднем продуцирует 200 кг (год/га). Преобладающая часть связанного азота перерабатывается денитрифицирующими бактериями в N и вновь возвращается в атмосферу. Лишь около 10% аммонифицированного и нитрифицированного азота поглощается из почвы высшими растениями и оказывается в распоряжении многоклеточных представителей биоценозов.

3. Поглощение минеральных веществ корнями растений

Корень зеленого растения имеет свое характерное строение. Верхняя, наиболее старая, его часть покрыта слоем пробковой ткани и не участвует в питании растений, нижняя, молодая, - оболочками, легко проницаемыми для воды и солей. Растущий корень имеет 4 зоны.

Самой молодой растущей частью корня является его кончик, покрытый снаружи защитным корневым чехликом (рис. 7). Корневой чехлик предохраняет нежные делящиеся клетки корневой меристемы от разрушения, способствует росту корня и проникновению его в глубь почвы. Клетки корневого чехлика содержат крахмальные зерна, которые редко используются растением для питания. Наружные клетки чехлика систематически стираются при росте корня и гибнут, образуя большое количество слизи, которая облегчает продвижение корня в почве. Внутри чехлика все время нарастают новые клетки, поэтому объем его не изменяется.