Фотосинтез — простіше простого

1. Ведення 3 2. Помилка Ван-Гельмонта 3 3. Найцікавіше з речовин в усьому органічному світі 6 4. Червоний колір — символ творення 7 5. Про що розповіли мічені атоми! 9 6. Зелена електростанція 10 7. Фотосинтез і врожай 13 8. «Чародейкою зимою приворожений, ліс стоїть…» 16 9. Ліси — легкі планети! 17 10. «Ліс, точно терем розписної, ліловий, золотий, багряний…» 20 11. Райдуга флори 23 12. Зелені тварини — реальність чи фантазія! 26 13. Укладання 30 14. Список використаних джерел 30.

Колись, десь на Землю упав промінь сонця, але упав не так на безплідну грунт, він упав зелену билинку пшеничного паростка, чи, краще сказати, на хлорофилловое зерно. Вдаряючись про нього, він згас, перестав бути світлом, але з зник… У тому або інший формі ввійшла у складі хліба, який послужив нам їжею. Він перетворився на наші м’язи, в наші нерви… Цей промінь сонця зігріває нас. Він наводить нашій рух. Можливо, у цю хвилину він грає у нашому мозгу.

Рослина з повітря утворює органічна речовина, з сонячного променя — запас сили. Воно вказує на саме ту машину, яку обіцяють в майбутньому Мушо і Еріксон, — машину, діючу даровою силою сонця. Цим пояснюється прибутковість праці хлібороба: витративши порівняно невеличке кількість речовини, добрив, то здобуває більше органічного речовини; витративши трохи сили, то здобуває величезний запас сили у вигляді палива й їжі. Сільський господар спалює ліс, нацьковує луг, продає хліб, і вони повертаються у його вигляді повітря, який за дії сонячного променя знову набуває форми лісу, луки, хліба. За сприяння рослини він перетворює які мають ціни повітря і світ у цінності. Він торгує повітрям і светом.

Помилка Ван-Гельмонта.

За старих часів лікар мав би знати ботаніку, адже чимало лікарських препаратів готувалися з рослин. Не дивно, що лікарі нерідко вирощували рослини, проводили із нею різні опыты.

Так, голландець Ян Баптист Ван-Гельмонт (1579—1644) як займався лікарським фахом, а й експериментував з рослинами. Він вирішив дізнатися, завдяки чому зростає рослина. З тваринами і людини начебто всі ясно: поїдаючи корм чи їжу, вони мають речовини, внаслідок чого збільшуються у розмірі. Але рахунок чого крихітне насіння, позбавлене рота, перетворюється на величезне дерево?

Щоб це питання, Ван-Гельмонт виконав таке. Узяв діжу, у якому насипав 91 кілограм висушеною в печі грунту, змочив її дощовій водою і посадив вербовий втеча масою 2,25 кілограма. Щодня протягом п’яти він поливав рослина чистої дощовій водою. Після завершення цього часу Ван-Гельмонт витягнув деревце, старанно очистив коріння від прилиплих частинок грунтів та зважив вміст кадуби і рослина. Виявилося, що маса грунту зменшилася лише на 57 грамів, тоді як маса верби зросла на 75 кілограмів. Результат експерименту дослідник пояснив виключно поглинанням води. Так виникла водна теорія харчування растений.

Джозеф Прістлі (1733— 1804) — відомий англійський вчений-хімік. Він відчинив кисень, отримав хлористий водень, аміак, фтористий кремній, сірчистий газ, оксид вуглецю. Привезений французом Шарлем Кондамином із Південної Америки каучук Прістлі в 1770 року запропонував використовувати для стирання написаного, назвавши його гуммиэластиком. Як хіміка Прістлі зацікавив питання: чому повітря полів і лісів чистіше міського? Вчений припустив, що рослини очищають його від речовин, виділених людьми при подиху, і навіть паруючими трубами заводів і фабрик. З метою перевірки свого припущення він посадив під скляний ковпак миша. Досить швидко тварина загинуло. Тоді експериментатор помістив під той самий ковпак іншу миша, але вже настав разом із гілкою м’яти. «Це було зроблено на початку серпня 1771 року. Через вісім-дев'ять днів я знайшов, що миша чудово могла жити у тієї частини повітря, у якій росла гілка м’яти. Пагін м’яти зріс майже втричі дюйма…"[1].

Досвід зацікавив учених, багато повторили у своїх лабораторіях, проте результати виходили неоднакові: тільки в випадках рослини справді очищали повітря і робили його придатним дихання миші, за іншими — цього спостерігалося. Треба сказати, що сама Прістлі при повторенні дослідів отримав суперечливі результати. Встановити істину учений не зміг, оскільки консервативні англійці розгромили його чудово обладнану лабораторію й найбагатшу бібліотеку за співчуття їх власника ідеям французької революції. Прістлі залишив наукову роботи й еміґрував до США.

У своїй роботі «Слово про шарах земних» він висловився про повітряному харчуванні рослин ще точніше: «Де ж новий сік сосни збираються і множить їх вік, у тому нічого очікувати запитувати, хто знає, численні голки нечутливими свердловинами почерпают у собі з повітря жирну вологу, яка найтоншими жилками з усього рослині розходиться і поділяється, звертаючись у б його їжу і тіло». «Нечутливі свердловини» — це що інше, як устячка, добре відомі кожному з шкільного підручника ботаники.

На жаль, думки, висловлені великим Ломоносовим, залишилися невідомими науковим колам. І це ідею Прістлі про очищення повітря підтримали як вчені, вона почала популярна навіть у народі. Результатом стало масове розведення квітів у приміщеннях, де було хворі. У цьому двері зазвичай тримали щільно закритими, щоб «шкідливий» зовнішнє повітря було поринути у комнату.

Голландський лікар Ингенгауз (1730—1799) засумнівався у правильності такого використання рослині й провів ряд експериментів із метою перевірки дієвості цього прийому. Через війну своїх досліджень він зробив відкриття, що тільки зелені частини рослин можуть покращувати повітря, та й лише тому разі, коли вони знаходяться на світу. Решта — квіти, коріння, а також зелене листя, позбавлені світла, — повітря не исправляет.

Проробимо такий досвід. Візьмемо дві банки із жовтою водою. У одну наллємо воду зпід крана, а іншу — кип’ячену і охолоджену. При кип’ятінні, як відомо, видаляються гази, розчинені у питній воді. Потім у кожну банку помістимо гілочки водного рослини элодеи, накриємо їх воронками, на відростки яких одягнемо пробірки, наповнені водою. Обидві банки виставимо на свет.

Невдовзі ми зауважимо, що у банку не кип’яченою водою гілочки элодеи починають виділяти якийсь газ. Коли він заповнить пробірку, можна встановити, що це кисень: внесена в пробірку тліюча лучинка яскраво спалахує. У банку кип’яченою водою, де немає вуглекислого газу, гілочки элодеи кисню не выделяют.

Спробуємо довести, що справа саме у вуглекислому, а чи не у якомусь іншому газі, такого далекого під час кипіння. І тому пропустимо через кип’ячену воду вуглекислий газ, і гілочки элодеи стануть виділяти кислород.

Швейцарський натураліст Жан Сенебье (1742— 1809) першим встановив необхідність вуглекислого газу як джерела вуглецю для зелених рослин. Він також запропонував термін «фізіологія рослин» й у 1880 року написав перший підручник у цій дисциплине.

Його співвітчизник натураліст Нікола Теодор Соссюр (1767—1845) працював у сфері фізики, хімії і геології. Проте світову популярність придбав завдяки трудам у сфері фізіології рослин. З допомогою точних методів кількісного хімічного аналізу він переконливо довів, що рослини на світу засвоюють вуглець з вуглекислого газу, виділяючи у своїй кисень. Вчений також встановив, що рослини, як і домашні тварини, дихають, поглинаючи кисень і виділяючи вуглекислий газ.

Так поступово складалися ставлення до фотосинтезі як «про процесі, під час якого з вуглекислого газу й води зелені рослини на світу утворюють органічні речовини і виділяють кислород:

бСО2 + 6Н2О (С6Н12О6 + 6О2(.

Термін «фотосинтез» було запропоновано в 1877 року відомим німецьким фізіологом рослин Вільгельмом Пфеффером (1845—1920). У цього процесу сонячна енергія перетворюється на енергію хімічних зв’язків органічних соединений.

Найцікавіше з речовин в усьому органічному мире.

Так назвав хлорофіл великий Чарльз Дарвін, коли наш співвітчизник Климент Аркадійович Тімірязєв розповів йому про своє дослідах з цим речовиною. Тоді, коли хімічну природу процесу фотосинтезу представлялася дуже туманною, таке твердження був дуже цінним, оскільки приваблювало вчених до нової дуже перспективної проблемі. А сам термін «хлорофіл» було запропоновано в 1818 року французькими хіміками П. Пельтье і Ж. Каванту. Він освічений з грецьких слів «хлорос» — зелений і «филлон» — лист.

Виділити хлорофіл із листя нескладно. І тому измельчим листя будь-якого рослини ножицями, помістимо в ступку, прильем трохи спирту, разотрем і отфильтруем в чисту суху пробірку. Коли ви немає б під руками ступки, шматочки листя помістіть в невелику колбочку, улийте спирт і обережно нагрійте на спиртівці. Дуже швидко спирт офарбиться в смарагдовозелений колір через присутність хлорофилла.

Нині ж познайомимося з декотрими властивостями цього пігменту. Помістіть за пробіркою чорну папір чи якоїсь темний предмет і направте її у світло. Розчин хлорофілу відбиває світ із зміненої довжиною хвиль, тому хлорофіл набуває вишнево-червону забарвлення. Це носить назва флуоресценции.

У чому причини флуоресценции хлорофілу? Кванти світла падають з його молекули, перебувають у розчині, і викликають їх порушення. У цьому електрон молекули пігменту переходить більш високий енергетичний рівень. У розчині, на відміну зеленого аркуша, енергія порушеної електрона не витрачається синтез органічних речовин, тому цей електрон повертається колишній енергетичний рівень, а надлишок енергії випускається як квантів червоного світла. Видимий світло, як відомо, складається з різних променів: фіолетових, синіх, блакитних, зелених, жовтих, помаранчевих, червоних. Їх забарвлення залежить від довжини хвилі, яка збільшується в напрямку від синіх до червоних променям сонячного спектра. А ось величина квантів та його енергетичний потенціал змінюються причому у протилежному напрямі: кванти синіх променів значно багатшими енергією, ніж кванти червоних. Коли світло вихоплює молекули хлорофілу, частина енергії квантів розсіюється як тепла, тому відбиті кванти несуть менший запас енергії, а довжина хвилі світла збільшується, зміщуючись в бік довжини хвилі червоних променів. Ось чому бачимо червоне світіння при висвітленні хлорофілу білим світлом, тобто сукупністю різних променів сонячного спектра.

Цікаво у зв’язку з цим відзначити, що у прекрасних фресках геніального Андрія Рубльова ми часто бачимо поєднання зеленого з: в складках зеленої одягу хіба що ховаються червоні отсветы.

Якщо вже ви маєте спектроскоп — нескладний шкільний прилад, якого за допомоги призми видимий світло розкладається на складові компоненти, — можна вивчити спектр поглинання хлорофілу. Прикладіть пробірку з розчином хлорофілу до щілини спектроскопа і зазирніть у окуляр, ви не побачите потужну темну смугу поглинання у червоній частини спектра і менше виражену в синьої. Отже, хлорофіл поглинає червоні і сині промені спектра. І це зелені, безперешкодно проходячи через його розчин, повідомляють йому свою окраску.

Чому залежить зелена забарвлення пігменту? Додамо в пробірку з витяжкою хлорофілу кілька крапель слабкої соляної кислоти. Відразу ж забарвлення зміниться на оливково-бурую. Що за цьому відбулося з хлорофиллом?

Давно вже встановлено, що його молекула містить атом магнію. При взаємодії з соляної кислотою він витісняється з її атомами водню соляної кислоти. Не виключено, що наявність атома магнію яких і визначає зелену забарвлення пигмента.

Тепер у таку ж пробірку додамо небагато ацетату міді чи ацетату цинку і підігріємо вміст пробірки на спиртівці. Щойно рідина закипить, забарвлення розчину різко зміниться — замість оливково-бурой вона знову стане смарагдово-зеленої. Що й казати у своїй сталося? У молекулі хлорофілу цього разу місце атома магнію при взаємодії з соляної кислотою встав водень. Натомість, атоми водню при додаванні ацетату міді чи ацетату цинку і нагріванні витісняються атомами міді чи цинку. Відбувається відновлення металлоорганической зв’язку. Отже, зелена забарвлення хлорофілу визначається наявністю у ньому атома металу незалежно від того, буде це магній, мідь чи цинк.

Червоний колір — символ созидания.

Якщо сонячний спектр, який ми бачимо в спектроскопе, спроектувати на екран, можна вивчати швидкість фотосинтезу у різних променях — синіх, жовтих, зелених, красных.

Вперше інтенсивність фотосинтезу у різних променях спектра досліджував фізик У. Добени. У 1836 року він зробив дуже важливе відкриття: зелений лист може здійснювати фотосинтез окремими променях спектра, причому у залежність від характеру променів він йде з неоднаковою швидкістю. І ось на питання, у яких саме променях спектра фотосинтез протікає найбільш інтенсивно, У. Добени відповів неправильно. І тут методичні похибки під час проведення експерименту. По-перше, учений отримував ті чи інші промені, пропускаючи сонячне світло через кольорові скла чи забарвлені розчини. По-друге, він застосовував дуже примітивний метод обліку інтенсивності фотосинтезу. Вчений помістив відрізок втечі водного рослини элодеи в пробірку із жовтою водою зрізом вгору й за вважав, скільки пухирців кисню відривається із поверхні зрізу за одиницю часу. Добени прийшов висновку, що інтенсивність фотосинтезу пропорційна яскравості світла, а найяскравішими променями тоді вважалися жовті. Цієї ж погляду дотримувалися Джон Дрепер (1811—1882) і фізіологи рослин Ю. Сакс і У. Пфеффер. У 1846 року Дрепер вивчав інтенсивність фотосинтезу у різних променях спектра, испускаемых спектроскопом, й дійшов до того ж висновку, як і Добени.

Тим більше що твердження суперечило закону збереження енергії. Адже жовті промені, як ми знаємо, незначно поглинаються хлорофілом. Можуть вони бути головною двигуном процесу фотосинтеза?

Такою була обстановка у сфері вивчення фотосинтезу, коли до дослідженням у цій галузі приступив До. А. Тімірязєв. Будучи послідовним матеріалістом, він стверджував, що яскравість променів залежить від суб'єктивного сприйняття світла оком (сині промені здаються нам неяскравими, а жовті навпаки) і тому неспроможна визначати інтенсивність засвоєння вуглекислого газу зеленими рослинами. Найбільш діяльними у процесі фотосинтезу може лише ті промені, які поглинаються хлорофілом. Головною причиною помилки Дрепера він вважав недостатню чистоту окремих ділянок спектра, що виникла через широко відкритої щілини спектроскопа. Збільшувати ж щілину спектроскопа доводилося посилення інтенсивності світлового потоку, інакше фотосинтез з допомогою примітивних методів не виявляли. Щоб матимуть можливість працювати із вузькою щілиною спектроскопа, необхідно створити принципово нові, значно чутливіші методи обліку швидкості цього процесу. Сконструйовані До. А. Тимирязевым прилади дозволяли різко підвищити точність досліджень. У вісімдесятих роках минулого століття хімік П'єр Ежен Марсель Вертіло говорив До. А. Тімірязєву, що завжди він привозить в Париж новий метод аналізу газів, у тисячу разів більш удосконалений. З допомогою цієї апаратури До. А. Тімірязєв переконливо показав, що активно фотосинтез іде у червоних променях спектра, які, як вже зазначалося, інтенсивніше інших поглинаються хлорофілом. По до зеленої частини спектра інтенсивність фотосинтезу слабшає. У зелених променях вона мінімальна. І це цілком зрозуміла: якщо вони хлорофілом майже поглинаються. У сине-фиолетовой частини спостерігається новий підйом інтенсивності фотосинтезу. Отже, Тімірязєв встановив, що максимум засвоєння листом вуглекислого газу збігаються з максимумом поглинання світла хлорофілом. Інакше кажучи, він вперше експериментально довів, що закон збереження енергії справедливий і ворожість до фотосинтезу. Зелений колір рослин зовсім на випадковий. У процесі еволюції вони пристосувалися до поглинання саме тих променів сонячного спектра, енергія найбільш повно використовують у ході фотосинтеза.

Сучасна наука підтвердило слушність поглядів До. А. Тімірязєва щодо виняткової ваги для фотосинтезу саме червоних променів сонячного спектра. Виявилося, що коефіцієнт використання червоного світла під час фотосинтезу вище, ніж синіх променів, які теж поглинаються хлорофиллом.

Червоні промені, за уявленнями До. А. Тімірязєва, грають основну роль процесі Світобудови і творення життя. У статтіпритчі «Червоний прапор», написаної у червні 1917 року, читаємо: «Якщо червоний колір є фактично ознакою, вираженням працездатності світла творчий процес творення життя, то ми не чи варто визнати його найбільш вдалою емблемою, вираженням працездатності світла знання, світла науки?». Цікаво у зв’язку з цим відзначити, що у державі древніх інків Тауантинсуйю червоний колір шанувався священным.

Про що розповіли мічені атомы!

Американський учений Мэлвин Кальвін вивчення темновых реакцій фотосинтезу, що з фіксацією і перетворення вуглекислого газу, широко використовував метод мічених атомов.

Речовини, мають радіоактивну мітку, за хімічними властивостями мало від звичайних. Проте наявність радіоактивного атома дозволяє простежити за долею молекули, її перетвореннями до інших сполуки, адже випромінювання, испускаемое міткою під час розпаду, то, можливо легко обмірювано з допомогою приладів. М. Кальвін щодо реакцій фотосинтезу використовував також метод хроматографічного поділу суміші сполук. Якщо краплю розчину, що містить суміш різних молекул, завдати на хроматографическую папір, а кінець її розмістити у відповідний розчинник, то речовини надійдуть у рух і кожен займе особливу зону на хроматограмме. З допомогою приладів легко можна знайти місця розташування радіоактивних сполук, перевести в розчин і побачити хімічну природу. З допомогою цього вдалося, які речовини у якій послідовності утворюються у зеленому аркуші на світу після введення міченого вуглекислого газа.

М. Кальвін обрав як об'єкт дослідження зелену водорість хлореллу. Після короткочасного висвітлення присутності радіоактивного вуглекислого газу її швидко вбивали (фіксували) гарячим спиртом, щоб призупинити які у ній реакції. Потім спиртову витяжку концентрували, поділяли на хроматограмме й провели аналіз на зміст різних радіоактивних соединений.

Досить п’яти секунд перебування у атмосфері вуглекислого газу, щоб мічений вуглець цього сполуки опинявся в трехуглеродном органічному речовині під назвою фосфоглицериновая кислота. Як він утворилося? Кальвін припустив, що вуглекислий газ приєднується до якомусь пятиуглеродному з'єднанню. Через війну виникає шестиуглеродное з'єднання, які з причини своєї нестійкості на хроматограммах не можна знайти. Воно, ледь виникнувши, відразу ж розпадається на дві молекули фосфоглицериновой кислоты.

Припущення М. Кальвіна підтвердилося — вуглекислий газ справді приєднується до пятиуглеродному речовини під назвою рибулезодифосфат.

Роботи М Кальвіна зі з’ясовування сутності темпових реакцій фотосинтезу — найбільше досягнення сучасної фізіології рослин. У 1961 року він був визнаний гідним Нобелівської премии.

Зелена электростанция.

Є ще єдиний шлях використання людиною сонячної енергії, засвоєної рослинами, — безпосередня трансформація світловий енергії в электрическую.

Вище ми простежили шлях порушеної квантом світла електрона під час фотосинтезу. Нині він вивчений досить детально. Саме здатність хлорофілу під впливом світла віддавати і приєднувати електрони є основою роботи генераторів, містять хлорофилл.

М. Кальвін, роботи якого вже неодноразово згадували, в 1972 року висунув ідею створення фотоелемента, у якому ролі джерела електричного струму служив б хлорофіл, здатний при висвітленні забирати електрони від якихось певних речовин і передавати їх іншим. Кальвін використовував у ролі провідника, контактирующего з хлорофілом, оксид цинку. При висвітленні цією системою у ній виникав електричний струм щільністю 0,1 микроампера на квадратний сантиметр. Цей фотоелемент функціонував порівняно недовго, оскільки хлорофіл швидко втрачав здатність віддавати электроны.

Для продовження часу дії фотоелемента використали додаткове джерело електронів — гідрохінон. У новій системі зелений пігмент віддавав як свої, а й електрони гидрохинона. Розрахунки показують, що така фотоелемент площею 10 кв. метрів може мати потужністю близько киловатта.

Японський професор Фудзио Такахасі щоб одержати електроенергії використовував хлорофіл, вибравшись з листя шпинату. Транзисторний приймач, якого була приєднана сонячна батарейка, успішно працював. З іншого боку, у Японії проводяться дослідження з перетворенню сонячної енергії у електричну з допомогою ціанобактерій, вирощених у живильному середовищі. Тонким шаром їх завдають на прозорий електрод з оксиду цинку разом із противоэлектродом занурююється у буферний розчин. Якщо тепер бактерії висвітлити, то ланцюга виникне електричний ток.

У 1973 року американці У. Стокениус і Д. Остерхельт описали незвичний білок з мембран фіолетових бактерій, які у солоних озерах Каліфорнійських пустель. Його назвали бактериородопсином. Це речовина є білок, з'єднаний з каротиноидом (про каротиноидах ми поговоримо нижче) ретиналем, що складається з 20 вуглецевих атомів. Схожий він родопсин — пігмент сітківки очі хребетних тварин, що визначило за його назву. Білкова частина родопсина представлена полипептидной ланцюгом помірної довжини, що з 248 амінокислотних залишків, послідовність розташування що у молекулі вияснена вченими. Вагомий внесок у дослідження структури бактериородопсина внесли радянські вчені, працювали під керівництвом академіка Ю. А. Овчинникова.

Наприкінці 1973 року у АН СРСР розроблений проект порівняльного вивчення тварини бактеріального пігментів, який отримав назву «Родопсин». У 1978 року в журналі «Биоорганическая хімія» статтю, у якій викладалася послідовність розташування амінокислот в молекулі бактериородопсина. Лише рік такої роботи було завершено в США під керівництвом відомого біохіміка Р. Кораны.

Цікаво зазначити, що бактериородопсин з’являється у мембранах галобактерий за браку кисню. А дефіцит кисню в водоймах виникає у разі інтенсивному розвиткові галобактерий. З допомогою бактериородопсина бактерії засвоюють енергію Сонця, компенсуючи цим що виник результаті припинення дихання дефіцит энергии.

Бактериородопсин можна з галобактерий, помістивши ці соелюбивые створення, чудово які почуваються в насиченому розчині кухонної солі, в воду. Відразу вони переповнюються водою і лопаються, при цьому їхні вміст змішується з довкіллям. І тільки мембрани, містять бактериородопсин, не руйнуються через міцної «упаковки» молекул пігменту, що утворюють білкові кристали (не знаючи структури, вчені назвали їх фіолетовими бляшками). Вони молекули бактериородопсина об'єднують у тріади, а тріади — в правильні шестиугольники.

Оскільки бляшки значно крупніша від інших компонентів галобактерий, їх неважко виділити шляхом центрифугування. Після промивання центрифугата виходить пастообразная маса фіолетового кольору. На 75% вона складається з бактериородопсина і 25 — з фосфоліпідів, що заповнюють проміжки між білковими молекулами. Фосфоліпіди — це молекули жирів в поєднанні із рештками фосфорної кислоти. Інші речовини в центрифугате відсутні, що створює сприятливі умови для експериментування з бактериородопсином. До того йому це складне з'єднання дуже стійке до чинникам довкілля. Воно не втрачає активність за нагріванні до 100 °З повагою та може зберігатися не в холодильнику роками. Бактериородопсин стійкий до кислотам й різним окислителям. Причина його високої стійкості зумовлена тим, що це гало-бактерии живуть надзвичайно суворих умовах — в насичених сольових розчинах, якими, сутнісно, є води деяких озер у зоні обпалених тропічним спекою пустель. У такій надзвичайно солоною, і до того є ж ще і перегрітої, середовищі організми, які мають звичайними мембранами, існувати що неспроможні. Ця обставина представляє великий інтерес у зв’язку з можливістю використання бактериородопсина як трансформатора світловий енергії в электрическую.

Якщо який випав в осад під впливом іонів кальцію бактериородопсин висвітлити, те з допомогою вольтметра можна знайти наявність електричного потенціалу на мембранах. Якщо вимкнути світло, він зникає. Отже, вчені довели, що бактериородопсин може функціонувати як генератор електричного тока.

У лабораторії відомого радянського вченого, фахівця у галузі біоенергетики У. П. Скулачева старанно досліджувалися процес вбудовування бактериородопсина в пласку мембрану й умови функціонування їх у ролі светозависимого генератора електричного тока.

Пізніше тієї ж лабораторії було створено електричні елементи, в яких використовувалися білкові генератори електричного струму. У цих елементах були мембранні фільтри, просочені фосфолипидами з бактериородопсином і хлорофілом. Вчені гадають, що такі фільтри з белками-генераторами, з'єднані послідовно, можуть бути в ролі електричної батареи.

Дослідження з прикладному використанню белков-генераторов, виконані лабораторії члена-кореспондента АН СРСР У. П. Скулачева. притягнуто до собі пильна увага учених. У Каліфорнійському університеті створили ті ж самі батарею, яка за одноразовому використанні протягом півтори години змушувала світитися електричну лампочку. Результати експериментів вселяють надію, що фотоелементи на основі бактериородопсина і хлорофілу знайдуть використання у ролі генераторів електричної енергії. Проведені досліди — перший етап в створення нових видів фотоелектричних і паливних елементів, здатних трансформувати світлову енергію з великою эффективностью.

Фотосинтез і урожай.

Життя сучасної людини немислима без вирощування різних культурних рослин. Органічні речовини, утворювані ними на ході фотосинтезу, є основою харчування людини, виробництва ліків, вони потрібні виготовлення папери, меблів, будівельних матеріалів тощо. п.

Культурні рослини здатні швидко розмножуватися, покривати зеленим екраном своєї листя величезні площі, вловлювати колосальне кількість сонячної енергії і утворювати безліч різноманітних органічних речовин. Через війну фотосинтезу створюється 95% сухого речовини рослин. Тому ми цілком резонно можемо стверджувати, що управління цим процесом одне з найбільш ефективних шляхів на продуктивність рослині, з їхньої врожай. Фізіологи рослин цілком правильно вважають, що завдання робіт у галузі фотосинтезу — збереження та підтримка більш рівні фотосинтетичної діяльності природною рослинності Землі, максимальне підвищення фотосинтетичної продуктивності культурних растений.

Які ж шляху управління людиною фотосинтетичної діяльністю растений?

Часто стримуючим чинником фотосинтезу є недолік вуглекислого газу. Зазвичай, у повітрі присутній близько 0,03% СО2. Проте над інтенсивно фотосинтезирующим полем його зміст зменшується іноді у три-чотири рази проти наведеної цифрою. Цілком природно, що від цього фотосинтез гальмується. Тим більше що щоб одержати середнього врожаю цукрової буряків один гектар її посівів повинен засвоювати на добу близько 300—400 кілограмів вуглекислого газу. Стільки міститься у колосальному обсязі воздуха.

Досліди відомого вітчизняного фізіолога рослин У. М. Любименко показали. що передвиборне збільшення кількості вуглекислого газу атмосфері до $ 1,5% призводить до прямо пропорційному зростанню інтенсивності фотосинтезу. Отже, одне із шляхів підвищення продуктивності фотосинтезу — збільшення концентрації вуглекислого газу воздухе.

Сучасний рівень технології, загалом, дозволяє виконати завдання в глобальні масштаби. Проте дуже сумнівне, щоб молода людина ризикнув провести практиці здійснити цьому проекті. Річ у тім, що як високий рівень змісту вуглекислого газу повітрі призведе зміну теплового балансу планети, до її перегріву внаслідок з так званого «парникового ефекту». «Парниковий ефект» зумовлено тим, що за наявності великого кількості вуглекислого газу атмосфера починає сильніше затримувати генеровані поверхнею Землі теплові лучи.

Перегрів планети можуть призвести до таненню льодів в полярних областях й у високогір'ях, до підняття рівня Світового океану, до зменшення площі суші, зокрема зайнятою культурної рослинністю. Коли ж врахувати, що Землі збільшується щотижня на 1 мільйон 400 тисяч жителів, то зрозуміла крайня небажаність таких изменений.

Людство дуже стурбоване природним зростанням концентрації вуглекислого газу атмосфері, піднаглядним останніми роками внаслідок інтенсивному розвиткові промисловості, автомобільного, залізничного і авіаційного транспорту. Тому навряд чи наважиться коли-небудь свідомо стимулювати цей процес на глобальних масштабах.

У теплицях і полі збільшення змісту вуглекислого газу має важливого значення підвищення врожайності культурних рослин. Для цього він у теплицях спалюють тирса, розкладають сухий лід на стелажах, випускають вуглекислий газ з балонів. Основний спосіб підвищення концентрації СО2 над полем — активізація життєдіяльності ґрунтових мікроорганізмів шляхом внесення змін до грунт органічних і мінеральних добрив. У процесі дихання мікроби виділяють дуже багато вуглекислого газу. Останніми роками для збагачення грунтів та припочвенного повітря СО2 поля стали поливати водою, насиченою вуглекислим газом.

Інший шлях подолання негативного впливу низькою концентрації вуглекислого газу атмосфері на врожай — поширення такі форми рослин, які дуже інтенсивне фотосинтезируют навіть за мізерно малому його сюжеті. Це — С4 — рослини. Але вони рекордні показники інтенсивності фотосинтеза.

Поширення таких рослин, подальше вивчення особливостей їх фотосинтезу є досить за потрібне і перспективным.

Рослинність земної кулі досить неефективно використовує сонячну енергію. Коефіцієнт корисної дії в багатьох дикорослих рослин не перевищує 0,2%, у культурних він дорівнює загалом одному %. При оптимальному постачанні культурних рослин водою, мінеральними солями коефіцієнт корисної використання світла підвищується чотирьох — шести %. Теоретично ж може бути ККД, рівний восьми—десяти %. Зіставлення наведених цифр говорить про великих можливостях у збільшенні фотосинтетичної продуктивності рослин. Проте практична їх реалізація зустрічає великі трудности.

Підвищити ефективність використання сонячної енергії під час фотосинтезу можна, розмістивши рослини на оптимальній відстані друг від друга. У изреженных посівах значної частини світла пропаде даремно, тоді як у загущених рослини затінюють одне одного, їх стебла стають довгими і ламкими, легко полегающими од дощівки і вітру. Зокрема й другому випадках відбувається зниження врожаю. Саме тому дуже важливо вибрати кожної культури найбільш оптимальне відстань. У цьому треба враховувати, що оптимальна щільність посівів може бути різною залежно від забезпеченості рослин водою, елементами мінерального харчування й від їхніх особливостей. На жаль, багато агрономи не приймають до уваги названі чинники, тому так повільно зростає продуктивність наших полів. Найчастіше рослини неефективно фотосинтезируют через брак води і елементів мінерального харчування. Якщо поліпшення умов водопостачання і харчування, то розміри листовий поверхні збільшаться, а з-поміж них і величиною врожаю зазвичай є прямий залежність. Проте є певний межа зростання ефективності фотосинтезу, коли подальше поліпшення водопостачання і мінерального харчування це не дає результатів. Річ у тому, що за певного розмірі листовий поверхні (зазвичай, коли на 1 вартість квадратного метра посівів доводиться чотири-п'ять кв. метрів листя) рослини поглинають практично всю енергію світла. Якщо ж одиницю площі поля доводиться ще більше поверхню листя, то результаті затінення їх одне іншому рослини витягнуться, інтенсивність фотосинтезу зменшиться. Саме тому поліпшення постачання рослин водою і елементами мінерального харчування неэффективно.

У чому вихід із становища? Вчені думають, що у виведенні нових сортів культурних рослин, відмінних вигідним будовою тіла. Зокрема, вони повинні мати компактну низькорослу крону, з вертикально орієнтованими листям, мати великими запасающими (цибулини, бульби, коріння, кореневища) і репродуктивними (насіння, плоди) органами.

На підвищення родючості грунтів та поліпшення водопостачання ці сорти будуть реагувати посиленням інтенсивності фотосинтезу, помірним споживанням продуктів фотосинтезу (ассимилятов), до зростання листя та інших вегетативних органів, і навіть активним використанням ассимилятов формування репродуктивних і запасающих органов.

От на які жорсткі вимоги пред’являються тепер до науки, що займається виведенням нових сортів культурних рослин, — селекції. З сказаного ясно, що тісного співробітництва селекціонерів з фізіологами рослин створення перспективних сортів стає практично невозможным.

Селекціонери вивели сорти, відповідальні сучасним вимогам. Серед них — низькорослий рис, створений в Міжнародному інституті рису в Манілі, бавовник Дуплекс, з вертикально орієнтованими листям, не затеняющими одне одного, карликова пшениця мексиканської селекції. Ще на тлах високого родючості дають на півтора разу було вищі врожаї, ніж їх попередники. Однак лише одне із шляхів збільшення фотосинтетичної продуктивності рослин. Подальші зусилля мають бути спрямовані на підвищення активності самого фотосинтетического аппарата.

Як відомо, процес фотосинтезу ввозяться особливих органоидах — хлоропластах. Тут йде чимало реакцій, перш ніж із вуглекислого газу й води утворюються молекули органічних речовин. Управляти цими процесами, безумовно, непросто, але можна. Про це свідчать той факт, що інтенсивність фотосинтезу в різних рослин неоднакова. У одних листовая поверхню площею 1 квадратний дециметр засвоює протягом години від чотирьох сьомої міліграмів СО2, а й у інших — 60— 80 і навіть 100, тобто у 20 разів більше! Рослини неоднаково реагують з його низьку концентрацію в повітрі, інтенсивність освітлення і т. д.

Вивчення особливостей фотосинтезу в різних рослин, безумовно, сприятиме розширенню можливостей людини у управлінні їх фотосинтетичної діяльністю, продуктивністю і урожаем.

«Чародейкою зимою приворожений, ліс стоит…».

Цілком неживим здається нам зимовий ліс. Саме тоді року в рослин різко заторможено обмін речовин, інтенсивність дихання в 200— 400 разів менша, ніж влітку, припиняється видимий зростання. Проте процеси життєдіяльності йдуть: крохмаль перетворюється на цукру й жири, цукру витрачаються у процесі дыхания.

А як з фотосинтезу? Зрозуміло, не про березі чи лещине, які скинули свої листя ще восени, йдеться про хвойних деревах і чагарниках, зберіг свій фотосинтетический апарат. Останні роки з цього питання отримані дуже цікаві дані. Вчені встановили, що озимі злаки, хвойні і пояснюються деякі листяні вічнозелені рослини засвоюють вуглекислий газ навіть за температурах — 1… -5°С.

Використання методу мічених атомів дозволило детальніше прояснити це запитання. При зниженні температури до —12 °З швидкість фотосинтезу у різних рослин знижувалася в 3—17 раз. Найбільш стійкими виявилися ялина звичайна, сосна звичайна, ліннея північна — низькорослий лісової кустарничек з сімейства жимолостных, лишайник леканора темна. Деякі мохи продовжували засвоювати вуглекислий газ навіть за температурі —14 °С, причому цей процес тривав успішно під порівняно товстим сніжним покровом, сягаючим 26 сантиметрів. Хоча інтенсивність світла, який струменіє через такий шар снігу, слабшала приблизно 20 раз, швидкість фотосинтезу у не покритих і покритих снігом рослин майже однакова. Цей дивовижний факт можна пояснити так: під снігом рослини опинилися у сприятливіших температурних умовах, котрі дозволили компенсувати падіння фотосинтезу, викликане зниженням освещенности.

Ці досліди переконливо показують, що за умови багатомісячної зими фотосинтез як може бути, а й необхідний нормального енергозабезпечення зимнезеленых растений.

Ліси — легкі планеты!

Стало розхожим твердження, що зелені рослини накопичують в атмосфері кисень. Нерідко в науково-популярній літературі доводиться зустрічати затвердження, ніби гектар кукурудзяних посівів виділяє протягом року 15 тонн кисню, що достатньо дихання 30 людина, а дерево середньої величини забезпечує трьох людей тощо. буд. Ліси називають легкими планеты…

На погляд ці твердження видаються переконливими, либонь у відповідність до рівнянням фотосинтезу під час освіти органічних речовин зеленими рослинами у самому справі виділяється кисень, причому, чим більше органічного речовини утворюється у процесі фотосинтезу, тим інтенсивніше виділяється кислород.

Автори подібних тверджень забувають, проте, що органічні речовини кукурудзи перетворяться на вуглекислий газ результаті гниття й дихання тварин організмів. При поїданні кукурудзи тваринами чи людиною певна кількість органічних речовин рослини трансформується на нові органічні речовини тваринного організму, які у кінцевому підсумку перетворюються на вуглекислий газ при подиху. Подих — процес зворотний фотосинтезу:

С6Н12О6 + 6О2 (6СО2 + бН2О.

Якщо за освіті 1 тонни органічного речовини під час фотосинтезу виділилося п кілограмів кисню, то точно таке ж її кількість знадобиться на подальше окислення цього вещества.

Це ж відбувається з деревом. Різниця у цьому, що, перетворившись на якусь виріб (стіл, шафу, віконну раму тощо.), воно може руйнуватися протягом багато часу. Але й зростає дерево сотні років! І це згоріти може у вмить. У цьому витратиться не менше кисню, скільки дерево виділило за своє довге життя. Так накопичують чи кисень сучасні растения?

У атмосфері й гідросфері Землі міститься 1,5−1015 тонн кисню. Вважається, що він — результат діяльності древніх анаеробних автотрофных організмів, здійснюваною протягом тривалого історії Землі. Нагромадження кисню на планеті стала потужним стимулом для появи принципово нових організмів — аеробних, здатних видобувати енергію із органічних речовин, у результаті окисних процесів з участю атмосферного кислорода.

Кисень, утворюваний сучасної рослинністю під час фотосинтезу, витрачається подих самих рослин (близько 1/3), і навіть тварин і звинувачують людини, на аэробное розкладання органічних речовин мікроорганізмами і процеси горіння різних речовин, тобто весь його обсяг, що виділяється наземної рослинністю, витрачається та накопичення грошових у атмосфері фактично немає. До того ж сумарне кількість кисню, який виділяється протягом року лісами, за підрахунками спеціалістів, мізерно мало по відношенню до загальної запасу їх у атмосфері Землі, саме близько 1/22 000. Отже, внесок наземних екосистем до паливно-енергетичного балансу кисню на планеті дуже незначний. Відшкодування кисню, расходуемого до процесів горіння, відбувається переважно з допомогою фітопланктону. Річ у тім, що у досить глибоких водоймах відмерлі організми опускаються ж на таку глибину, де з їхніми розкладання здійснюється анаэробным шляхом, тобто без поглинання кислорода.

Гідросфера впливає на баланс газів у атмосфері ще й тому, що інше співвідношення між азотом і киснем. Якщо атмосфері воно дорівнює чотирьом, то водоймах відносна частка кисню приблизно два разу вищу. Щоправда, інтенсивне забруднення морів, і океанів створює загрозу виникнення у яких анаеробних условий.

Приміром, проти 1900 роком, у деяких впадинах Балтійського моря зміст кисню різко скоротилося, а місцями він практично отсутствует.

Що ж до атмосфери, то ній, як свідчать систематичні контролю над концентрацією кисню, що проводяться з 1910 року, зміст цього газу мало змінився і одно 20,9488% ± 0,0017. Це зовсім на означає, що мені годі було перейматися збереженням рослинного покриву Землі. Темпи використання кисню різко зросли. За деякими даними, протягом останніх 50 років було використане їх у % відношенні стільки ж, скільки в останній мільйон років, тобто 0,02% атмосферного запасу. Людство у майбутньому не загрожує кисневе голодування, тим щонайменше задля збереження стабільності газового складу атмосфери доведеться ширше використовувати водну, вітрову, ядерну і решта видів энергий.

Слід пам’ятати, що останні роки багато і пишуть про абиогенном походження кисню атмосфери, яка виключає участь живих організмів у цьому процесі. Приміром, у верхніх шарах атмосфери під дією жорсткого ультрафіолетового проміння молекули води можуть розпадатися на водень і кисень. Водень, як більше легкий газ, долає тяжіння Землі та іде у космос. У середньому близько 20% що у стратосфері водню назавжди залишає нашу планету. Отже, відповідне кількість кисню, що утворився при фотолизе молекул води, залишається без «напарника» та поступово накопичується в атмосфере.

Інший можливі шляхи надходження у атмосферу абіогенного кисню — виверження вулканів. Річ у тім, що у газоподібних виділеннях вулканів кисню значна частина, іноді до 12— 15% (після винятку водяної пари і кислотних газов).

Зазначимо, проте, що це джерело представляється навряд чи дуже істотним. По крайнього заходу потрібні вагомі докази декларативності й точні розрахунки вкладу абиогенных джерел у формування атмосфери Землі, накопичення в ній кислорода.

Що ж до фотосинтезирующих організмів, їх що у накопиченні кисню очевидно. Якщо величину величезних запасів кам’яного вугілля й деяких інших горючих копалин (наприклад, торфу), використаних людиною й перебувають ще надрах Землі, підставити в рівняння фотосинтезу, можна розрахувати, скільки кисню надійшов на атмосферу внаслідок життєдіяльності рослині, дали початок цим корисним ископаемым.

Слід врахувати всю біомасу існуючих нині рослин, органічна речовина яких утворилося із кислорода.

Але це ще найголовніше. Первинні запаси кисню було неможливо створити сучасними рослинами чи деревами кам’яновугільного періоду, бо партія абсолютно виключена, можливість існування в атмосфері, позбавленої его.

Прибічники абіогенного походження кисню Землі, люди, як правило, не досвідчених біології, запитують: якщо спочатку у атмосфері Землі кисню був, то де перші рослини брали кисень для дихання? Водночас вважають, що своїм питанням завдали нокаутирующий удар ретроградам-биологам, який дотримується традиційного погляду природу атмосферного кисню. Тим більше що вчені будь-коли розглядали сучасну рослинність як джерело накопичення первісного кисню. У вашій книзі Еге. Броди «Еволюція біоенергетичних механізмів» грунтовно проаналізовані різні погляду з цього питання. Автор пише: «Ніхто не сумнівається, щодо появи в рослин фотосинтезу зміст вільного кисню був незначний… Єдиним джерелом вільного молекулярного кисню був фотоліз водяних парів в вищих шарах атмосфери, який протікав під впливом сонячного короткохвильового ультрафіолету. Вільний водень, виникало у своїй, поступово диссипировал у просторі, залишаючи у атмосфері кисень… Кількість фотолитически освіченого кисню, безсумнівно, було значно нижче від тих кількостей кисню, які вивільняються при фотосинтезі до нашого час за ж проміжок времени».

Вже дуже древніх геологічних шарах Землі виявлено синезеленые водорості (зараз частіше називають ціанобактеріями), що й з’явилися накопичувачами первинного кисню у атмосфері Землі. Цілком природно, стародавні синезеленые водорості не мали здатністю дихати і механізм розпаду органічних речовин, у їх клітинах нагадував процес брожения.

На користь те, що спочатку атмосфера Землі вони мали кисню, свідчить факт існування у природі анаеробних організмів. Цікаво зазначити, численні реакції обміну аеробних організмів, зокрема сучасних животныхи рослин, включають дуже багато реакції анаеробного розпаду речовин. Складається враження, що організми, пристосувавшись спочатку обходитися без кисню, завзято зберігають свою привычку.

Отже, первинні синезеленые водорості утворили органічні речовини і кисень. Руйнування органічного речовини відбувався за анаеробних (бескислородных) умовах, що й спричинило до накопичення значних кількостей кислорода.

Що ж до сучасної рослинності, те, як зазначалось, її внесок у поповнення кисневого запасу Землі дуже незначний, оскільки переважна більшість живих організмів окисляє органічні речовини лише з їхніми допомогою. У цьому встановлюється відносне рівновагу: скільки кисню виділяється під час фотосинтезу, стільки само одержувати його поглинається при окислюванні освіченого органічного вещества.

З сказаного зовсім не від слід, що потрібно й далі немилосердно вирубувати Землі лісу, однаково, мовляв, від нього немає пуття з погляду накопичення кисню. Навпаки, нам слід зробити всі заходи до розширення площі зелених насадженні. Річ у тім, що у сучасну епоху дуже різко зросла роль рослині в очищенні природного довкілля від токсичних домішок, виділених транспортом, заводами, фабриками тощо. д.

«Ліс, точно терем розписної, ліловий, золотий, багряный…».

Зміна забарвлення листя — одне з перших прийме осені. Багато яскравих барв у осінньому лісі! Березы, ясені і липи жовтіють, рожевіють листя бересклета, пунцово-красными стають візерунчасті листя горобини, помаранчевими і багряними листя осик. А чим зумовлено це колірне многообразие?

У листі рослин поруч із зеленим хлорофілом містяться інші пігменти. Щоб переконатись у цьому, проробимо простий досвід. Перш всього приготуємо витяжку хлорофілу, як це було описано нами вище. Разом з хлорофілом в спирті перебувають і жовті пігменти. Щоб розподілити їх, небагато спиртової витяжки (близько двох мілілітрів) наллємо в пробірку, додамо дві краплі води і близько 4 мілілітрів бензину. Вода вводиться у тому, щоб легше відбувалося розшарування двох рідин. Закривши пробірку корком чи пальцем, слід енергійно розворушити її. Невдовзі можна побачити, що нижній (спиртової) шар убрався в золотистож жовтий колір, а верхній (бензиновий) — в смарагдово-зелений. Зелена забарвлення бензину пояснюється лише тим, що хлорофіл краще розчиняється в бензині, ніж в спирті, тому при струшуванні він повністю перетворюється на бензиновий слой.

Золотаво-жовта забарвлення спиртового шару пов’язані з присутністю ксантофилла, речовини, нерастворимого в бензині. Його формула С40Н5бО2. По хімічної природі ксантофилл близький до каротину, присутньому в коренях моркви, — С40Н56, тому їх об'єднують до однієї групи — каротиноїдів. Але каротин також є у листі зелених рослин, тільки він, як і хлорофіл, краще розчиняється в бензині, тому ми бачимо його: интенсивно-зеленая забарвлення хлорофілу «забиває» ж жовтий колір каротину, і ми не розрізняємо його, як раніше ксантофилл в спиртової вытяжке. Щоб побачити каротин, потрібно змінити зелений пігмент в з'єднання, нерозчинне в бензині. Цього досягти з допомогою луги. У пробірку, де сталося відділення ксантофилла, додамо шматочок луги (КІН чи NаОН). Пробірку закриємо корком і старанно збовтаємо її вміст. Після розшарування рідин помітні, що картина розподілу пігментів змінилася: нижній спиртової верстви убрався до зеленої колір, а верхній — бензиновий — в жовто-жовтогарячий, характерний каротина.

Ці досліди наочно свідчать, що у зеленому аркуші разом з хлорофілом присутні жовті пігменти — каротиноиды.

При наступі холодів освіти нових молекул хлорофілу не відбувається, а старі швидко руйнуються. Каротиноїдів ж стійкі до низьким температур, тому восени ці пігменти стають добре помітними. Вони і надають листям багатьох рослин золотаво-жовтий і «оранжевий оттенок.

Яке ж значення каротиноїдів у житті рослин? Встановлено, що це пігменти захищають хлорофіл від руйнації світлом. З іншого боку, поглинаючи енергію синіх променів сонячного спектра, вони передають в хлорофіл. Це дозволяє зеленим рослинам ефективніше використовувати сонячної енергії для синтезу органічного вещества.

Осінній ліс забарвлений, проте, у жовті тону. З чим пов’язана лілова і багряна забарвлення листя? Поруч із хлорофілом і каротиноидами в листі рослин є пігменти, що звуться антоцианов. Вони добре розчиняються у води та містяться над цитоплазмі, а клітинному соку вакуолей. Ці пігменти дуже різноманітні з фарбування, що залежить в основному від кислотності клітинного соку. У цьому вся переконаємося на опыте.

Насамперед приготуйте витяжку антоцианов. Для цього він листя бересклета чи іншого рослини, забарвлені восени, у червоні чи фіолетові тону, измельчите ножицями, помістіть в колбочку, прилейте води і нагрійте на спиртівці Невдовзі розчин стане красновато-синим від присутності антоцианов. Отриману витяжку пігментів налийте на два пробірки. У одну додайте слабкої соляної чи оцтової кислоти, а іншу — розчин аммиака.

Під впливом кислоти розчин стане рожевим, тоді як і присутності луги — залежно кількості і концентрації цієї луги — зеленим, синім і желтым.

Антоцианы, як і каротиноїди, стійкіші до низьких температур, ніж хлорофіл. Тому й виявляються листі восени. Дослідники встановили, що освіті антоцианов сприяють високий вміст Сахаров в рослинних тканинах, порівняно низька температура і інтенсивне освещение.

Збільшення змісту цукрів в осінніх листі відбувається поза рахунок гідролізу крохмалю. Це має важливого значення транспортуванню цінних поживних речовин з відмираючих листя у внутрішні частини рослин. Адже сама крохмаль нетранспортабелен в рослині. Проте швидкість відпливу які виникають у його гідролізу Сахаров із листя при низьких температурах невелика. З іншого боку, під час падіння температури послаблюється подих рослин i, отже, лише незначна кількість Сахаров піддається окислювання. Усі ці фактори сприяють нагромадженню в рослинних тканинах Сахаров, які починають використовуватися в синтезі інших речовин, зокрема антоцианов.

Про перетворення надлишку цукрів в антоцианы свідчать та інші факти. Якщо в виноградної лози шляхом кольцевания (видалення частини кори в вигляді кільця) утруднити відтік продуктів фотосинтезу, то листя, розташовані вище кільця, два-три тижні набувають червоний колір зза накопичення антоцианов. У цьому їх утворюється дуже багато, що зелена забарвлення хлорофілу стає незаметной.

Це ж утворилася не так лише за зниженні температури чи кольцевании, а й за нестачі фосфору. Якщо, наприклад, томати вирощувати на живильному розчині, позбавленому цього елемента, то нижня частина листя, і навіть стебла набувають синій колір. Річ у тім, що за відсутності фосфору в рослинах неспроможна здійснюватися процес окислення Сахаров без з'єднання з залишком фосфорної кислоти молекула цукру залишається неактивною. Тож у рослинних тканинах відбувається накопичення надлишкових кількостей Сахаров, що використовуються на синтез антоцианов. Збільшення утримання цих речовин веде до посинению стебел і листя рослин, відчувають брак фосфора.

Освіта антоцианов залежить також від інтенсивності світла. Якщо восени уважно придивитися до яскравою забарвленні дерев і чагарників, то можна побачити, що багряний колір мають переважно ті листя, які краще всього освітлені. Розсуньте палаючий вогненними фарбами кущ бересклета, і ви не побачите всередині жовті, блідо-жовті і навіть зелене листя. Під час дощової і хмарної осені листя довше зберігається на деревах, проте вона так яскрава через брак сонця. Переважають жовті тону, зумовлені присутністю каротиноїдів, а чи не антоцианов.

Низька температура також сприяє освіті антоцианов. Якщо стоїть теплою погодою, то ліс змінює своє забарвлення повільно, та мало вдарить морозець, як відразу запалають осики і клены.

М. М. Пришвін в мініатюрі «Світильники осені» писав: «У темних лісах спалахнули світильники осені, інший лист на темному тлі так яскраво горить, що навіть боляче дивитися. Липа є вже вся чорна, але один яскравий лист її залишився, висить, як ліхтар, на невидимою нитки і светит».

Райдуга флоры.

Якщо вже ми заговорили про пігментах рослин, слід розповісти про причинах розмаїття забарвлення цветков.

Навіщо квіткам їхня яскрава, соковита забарвлення? У кінцевому підсумку у тому, щоб привернути насекомых-опылителей. Багато рослини запилюються лише певними видами комах, тому забарвлення квіток часто залежить від того, яких саме комах призначені колірні сигнали. Річ у тому, що стосовно кольору комахи бувають досить примхливі. Скажімо, бджоли, джмелі, оси воліють рожеві, фіолетові і сині квіти, а близько. жовтих зазвичай товчуться мухи. Червоний ж колір багато комахи, наділені дуже досконалим зором, плутають з темно-сірим. Тож у наших широтах чисто-красные квіти досить поодинокі. Виняток — мак, але його пелюстки мають домішка жовтого кольору; зазвичай саме такий відтінок і помічають бджоли. Кращою за інших комах червоний колір розрізняють метелики — вони ж, як правило, і запилюють червоні квіти наших широт, наприклад гвоздики. І це серед тропічних рослин червоний колір більш поширений, й почасти це пов’язана з тим, що запилюють їх квіти не комахи, а птахи: колібрі чи нектарницы, які мають зір більш развито.

Буває, що в жодного й того рослини забарвлення квіток із віком змінюється. Це помітно у ранневесеннего рослини медунки: рожевий колір її молодих квіток змінюється принаймні старіння синім. Старі квіти медунки бджоли не відвідують: вони, зазвичай, опылены і нектару не містять. І це разі зміна забарвлення служить сигналом для комах — не втрачайте часу даром!

І це у гилии (США) — гарного рослини з сімейства синюховых, родички флоксів, произрастающей серед стосів штату Арізона (США), квіти спочатку мають червоний колір, який, як сказали, приваблює птахів. Але коли його колібрі залишають гори, гилия змінює забарвлення знову з’являються квіток: вони стають бледно-красными і навіть белыми.

Забарвлення більшості квіток визначається присутністю різних пігментів. Найпоширеніші — каротиноїди, розчинні в жирах сполуки: каротин, його ізомери і похідні. У розчині усі мають блідо-жовту, помаранчеву чи светло-красную забарвлення. Назви каротиноїдів, що є лише у цветках, так само гарні, як і придаваемая ними забарвлення: эшшольксантин, пе-талоксантин, газанияксантин, ауроксантин, хризантемаксантин, рубихром…

Поруч із каротиноидами забарвлення квіток визначають і антоцианы. Відтінки цих пігментів дуже різноманітні — від рожевого до черно-фиолетового. Попри таку колірне розмаїття, все антоцианы влаштовані за одним типу — вони є гликозиды, себто поєднання цукру з неуглеводной частиною, так званим агликоном. Прикладом може бути барвне речовина, що міститься в цветках волошки, — антоцианин. Його агликон — цианидин — одне із найбільш поширених, утворюється в результаті відщіплення двох молекул глюкози від антоциана.

Як мовилося раніше, антоциановые пігменти можуть змінювати своє забарвлення в залежність від кислотності середовища. Згадайте два виду герані, поширеної у неповній середній смузі: герань лісову і герань лугову. У лісової пелюстки рожеві чи лілові, а й у луговий — сині. Різниця в кольорі обумовлена тим, що сік герані лісової більш кислий. Якщо приготувати водну витяжку з пелюсток герані або лісової, або луговий — й змінити її кислотність, то кислої середовищі розчин стане рожевим, а лужної — синим.

Таку саму операцію можна проробити та контроль цілим рослиною. Якщо квітучу фіалку помістити під скляний ковпак поруч із блюдцем, куди налитий нашатирний спирт (він пройшов за випаровуванні виділяє аміак), що його пелюстки стануть зеленими; і якщо замість нашатирного спирту за мисочку буде паруюча соляна кислота, вони офарбляться в червоний цвет.

Ми згадували, що одне те рослина медунки може мати квіти різною забарвлення: рожеві — молоді й сині — старі. Посиніння пелюсток по мері їх старіння можна пояснити індикаторними властивостями антоцианов. Клітинний сік рослини, у якому розчинений пігмент, має кислу реакцію, а цитоплазма — лужну. Вакуолі з клітинним соком відділені від цитоплазми мембраною, що зазвичай непроникна для антоцианов. Проте з віком в мембрані виникають дефекти, і цього пігмент починає проникати з вакуолей в цитоплазму. Позаяк реакція тут інша, змінюється від і забарвлення цветков.

Аби у справедливості цієї погляду, візьміть яскравочервоний пелюстка якогось рослини, наприклад герані, троянди, і роздавите його між пальцями. У цьому також відбудеться змішання вмісту цитоплазми і вакуолі, внаслідок пелюстка на місці ушкодження посинеет.

Втім, було неправильним пов’язувати забарвлення антоцианов лише зі своїми індикаторними властивостями. Дослідження останніх років, що вона й деякими іншими чинниками. Колір антоциановых пігментів не може змінюватися, наприклад, залежно від цього, з якими іонами вони перебувають у комплексі. При взаємодії з іонами калію комплекс набуває пурпурну забарвлення, і з іонами кальцію чи магнію — синю. Якщо зрізати квітучий дзвіночок і вмістили його в розчин, у якому іони алюмінію, то пелюстки посинеют. Це ж спостерігається, коли з'єднати розчини антоцианина і солі алюминия.

Багатьом читачам, можливо, знаком роман Олександра Дюма «Чорний тюльпан», у якому гостросюжетної формі розповідають про виведенні сорти тюльпана незвичного чорного кольору. Ось як описує його автор роману: «Тюльпан був чудовий, чудесний, чудовий; стебло його вісімнадцяти дюймів височини. Він струнко витягався догори між чотирма зеленими гладенькими, рівними, як стріла, листям. Квітка нього був всуціль чорним і блищав, як янтарь».

Майже п’ять століть переслідували невдачі садівників, намагалися вивести чорний тюльпан. І тепер, Фризский інститут квітникарства у Гаазі зробив визнання у тому, що у Голландії чорний тюльпан отримано у результаті послідовного схрещування двох сортів — «Цариця ночі» і «Віденський вальс». Діяльність брали участь шість голландських дослідницьких центрів. Отриманий квітка ідеальний за своїми класичним размерам.

Садівники намагаються створити також чорні троянди. Виведено сорти, які за неяскравому висвітленні справді здаються чорними (насправді вони темно-червоного кольору). На Гавайських островах ростуть дикі чорні розы.

Робота із вшанування безсмертного твори Гете «Фауст» садівники створили сорт братків чорного кольору під назвою «Доктор Фауст». Анютині очі, як відомо, були улюбленими квітамивеликого поета і ботаника.

Чорна або вони майже чорна забарвлення квіток обумовлена присутністю в околоцветнике антоцианов. Крім каротиноїдів і антоцианов, пелюсткам можуть надавати забарвлення та інші речовини, зокрема флавоны і флавонолы. А який пігмент забарвлює в молочний колір вишневі сади, перетворює в сніжнобілі кучугури кущі черемшини? Виявляється, ніяких білих пігментів у тому пелюстках немає. Білий колір надає їм… повітря. Якщо проаналізувати під мікроскопом пелюстка черемшини чи іншого білого квітки, можна побачити безліч прозорих та безбарвних клітин, розділених великими порожніми проміжками. Саме завдяки цим заповненим повітрям межклетникам пелюстки сильно відбивають світ і тому здаються білими. Якщо ж розчавити такий пелюстка між пальцями, то, на місці сдав-ливания з’явиться прозоре пляма: тут повітря буде витіснено із межклетников.

І все-таки у природі є біла фарба, наприклад, нею забарвлена в ошатний білий колір кора нашої улюбленої берези. Це барвне речовина і називається — бетулин, від латинського назви берези — Betula.

Помиляються ті, хто вважає, що береза — єдине рослина з білої корою. Не так. У Австралії росте евкаліпт затопляемый. Він названо так оскільки зростає у руслах пересихаючих рік і в сезон дощів виявляється хто стоїть у питній воді. Цівки цих евкаліптів мають чисто-белый колір, ефектно вирізняється і натомість оточуючих зелених зарослей.

У треххвойной сосни Бунге також біла кора. Це рідкісний вид, зустрічається у природі переважно у горах Центрального Китаю. Рослина розлучається всій країні біля палаців і храмів. Белоствольные сосни виробляють незабутнє впечатление.

Ще багато цікавого можна було б розповісти про забарвленні рослин i про рослинних пігментах, які привертають увагу дослідників усього світу. Більше 30 років тому вони відомий індійський учений Т. Р. Сешадри, який багато займався вивченням природних фарбуючих речовин, писав: «Музика фарб складніша і мінлива за своєю природою, ніж музика звуків. Можливо навіть, що насправді вона більш витончена, чому ми предполагаем…».

Зелені тварини — реальність чи фантазия!

У творах фантастичного жанру нерідко можна прочитати про людиноподібних істот зеленкуватого кольору. Зелена забарвлення цих організмів, обумовлена хлорофілом, дозволяє йому самостійно синтезувати органічні речовини з неорганічних з допомогою енергії світла. Чи можливо таке в природе?

Передусім слід помітити, що у Землі є тварини, які харчуються таким чином. Наприклад, добре відомі всім біологам эвглена зелена, часто яка трапляється в застояних калюжах. Ботаніки вважають эвглену водорістю, а зоологи досі традиційно відносять її до тварин. У чому дело?

Эвглена вільно пересувається у питній воді з допомогою джгутика. Такий спосіб пересування характерне як для низки найпростіших тварин, так деяких ботанічних об'єктів, наприклад зооспор окремих видів водоростей. Эвглена містить хлорофіл, тому при інтенсивному її розмноженні вода в калюжах набуває смарагдово-зелену забарвлення. Наявність хлорофілу дозволяє їй харчуватися вуглекислим газом подібно всім зеленим рослинам. Проте, якщо водорість перенести в воду, що містить деякі органічні речовини, вона втрачає зелену забарвлення й починає, подібно тваринам, харчуватися готовими органічними веществами.

Эвглену усе-таки не можна назвати типовим тваринам, тому пошукаємо б інших представників. які живилися, подібно рослинам, з допомогою хлорофилла.

Ще у середині ХІХ століття німецький зоолог Т. Зибольд знайшов у тілах прісноводної гідри і спроби деяких хробаків хлорофіл. Пізніше він знайшли у організмах та інших тварин: гидроидных поліпів, медуз, коралів, губок. коловерток, молюсків. З’ясовано, деякі морські брюхоногие молюски, які харчуються сифоновыми водоростями, не переварюють хлоропласти цих рослин, а тривалий час утримує її в організмі функціональноактивному стані. Хлоропласти сифоновых водоростей кодиума тендітного і кодиума паутинистого, потрапляючи у організм молюсків, не перетравлюються, а залишаються у нем.

Спроби звільнити молюсків від хлоропластів, помістивши в темряву на 1,5 місяця, не мали успіху, як і виведення їх із яєць. Бесхлоропластные личинки молюсків гинули у ранній стадії развития.

Усередині тваринної клітини хлоропласти щільно упаковані і позичають значний обсяг. Завдяки ним молюски, які мають раковини, виявляються забарвленими в інтенсивно зелений цвет.

Чому ж Україні сифоновые водорості «полюбилися» молюскам? Річ у тім. що у на відміну від інших зеленої водорості вони мають клітинного будівлі. Їх велике, часто химерне формою тіла є ще однією гігантську «клітину». Слово «клітина» я взяв у свої лапки невипадково. Хоча клітинні стінки у тілі сифоновых водоростей відсутні, навряд можна назвати їх одноклеточными організмами, швидше, це конгломерат недостатньо разделившихся клітин. Підтвердженням цього служить наявність одного, а безлічі клітинних ядер. Таке будова назвали сифонным, не бажаючи водорості — сифоновыми. Відсутність клітинних стінок, безумовно, полегшує процес поглинання водорості тваринами клетками.

А які хлоропласти цього рослини? У тілі водорості містяться чи кілька хлоропластів. Якщо цього багато, вони теж мають дисковидную чи веретеновидную форму. Поодинокі мають сітчастим будовою. Вчені вважають, що сітчаста структура створюється внаслідок сполуки дрібних хлоропластів друг з другом.

Багато вчених спостерігали засвоєння вуглекислого газу хлоропластами, які у тварин клітинах. У свежесобранных молюсків, елізії зеленої інтенсивність фотосинтетического засвоєння вуглекислого газу становила 55—67% величини, певної для неушкодженої водорості кодиума тендітного, з яких молюсками були «придбано» хлоропласти. Цікаво, як і зміст хлорофілу на 1 грам сирої маси тканини у водорості і тваринного було сходным.

Завдяки фотосинтезу молюски фіксували вуглекислий газ протягом всіх 93 днів досвіду. Щоправда, швидкість фотосинтезу поступово слабшала і до кінцю експерименту становила 20—40% від первоначальной.

У 1971 року вчені спостерігали виділення кисню під час фотосинтезу хлоропластів, налюдящихся у клітинах тридакны. Тридакны—типичные мешканці тропічних морів. Особливо широко вони поширені коралових рифи Індійського і Тихого океанів. Велетнем серед молюсків виглядає тридакна гігантська, сягала іноді довжини 1,4 метри й загальної маси 200 кілограмів. Тридакны цікаві нам своїм симбіозом з одноклеточными водоростями. Зазвичай вони так розташовуються дно якої, щоб їх напівпрозора мантія, виступає між стулками раковини, була вгору й за сильно висвітлювали сонцем. У його межклеточном просторі було багато поселяються зелені водорості. Попри значні розміри, молюск харчується лише з тими речовинами, які виробляють водоросли-симбионты.

У Середземному морі і в берегів Франції в Атлантиці зустрічається хробак конволюта, яка має під шкірним покровом також живуть зелені водорості, здійснюють синтез органічних речовин з неорганічних. Завдяки активності своїх «квартирантів» хробак вже не потребує додаткових джерелах пиши, тому шлунково-кишкового тракту в нього атрофировался.

Під час відпливу безліч конволют залишає свої нори у тому, щоб прийняти сонячні ванни. Саме тоді водорості під сумнів їхню шкірою інтенсивно фотосинтезируют. Деякі види цих хробаків знаходяться в залежності від своїх поселенців. Тож якщо молодий хробак не «заразиться» водоростями, то загине з голоду. Натомість водорості, котрі оселилися у тілі конволюты, втрачають спроможність до існуванню поза нею організму. «Зараження» твориться з допомогою «свіжих», не жили ще симбіозі з хробаками водоростей в останній момент, коли личинки хробака виходять із яєць. Ці водорості, цілком імовірно, залучаються якимись речовинами, які виділяються яйцями червей.

У зв’язку з розглядом питання функціонування хлоропластів в клітинах тварин надзвичайно великий цікаві досліди американського біохіміка М. Насса, де була показано, що хлоропласти сифоновой водорості каулерпы, харовой водорості нителлы, шпинату і африканської фіалки захоплюють клітинами сполучної тканини (так званими фибробластами) мишей. Зазвичай, у фибробластах, заглотавших інородне тіло (той процес вчені називають фагоцитозом), навколо поглинутою частки утворюється вакуоль. Поступово чужорідне тіло переварюється як і розсмоктується — зникає. Коли ж у клітини запровадили хлоропласти, вакуолі не виникали, а фибробласты не намагалися їх переварить.

Пластиды зберігали своєї слабкості і спроможність до фотосинтезу на протязі три тижні. Клітини, які є через їхньої присутності зеленими, нормально ділилися. У цьому хлоропласти стихійно розподілялися по дочірнім клітинам. Пластиды, що перебували на фибропластах близько двох днів, а потім знову виділені, залишалися неушкодженими. Вони засвоювали вуглекислий газ такою ж швидкістю, з яким фотосинтезировали свіжі хлоропласти, виділені з растений.

Припустимо, що під час еволюції виникнуть такі істоти чи його знайдуть інших планетах. Якими повинно бути? Вчені думають, що у тому тварину хлорофіл буде зосереджений в шкірі, куди вільно проникає світло, необхідний як синтезу зеленого пігменту, так освіти органічних речовин. «Зелений людина» повинен зробити щось навпаки: днем, подібно казковому королю, ходити у невидимою всім одязі, а вночі, навпаки, вдягатися, щоб согреться.

Проблема у цьому, зможе такий організм отримувати з допомогою фотосинтезу достатньо їжі. З максимально можливої інтенсивності фотосинтезу рослин, у найсприятливіших умовах існування, можна підрахувати, скільки органічного речовини зможе утворити зелена шкіра цієї людини. Якщо прийняти це, що 1 квадратний дециметр зеленого рослини протягом години синтезує 20 міліграмів Сахаров, то 170 квадратних дециметрів людської шкіри, доступною сонячним променям, зможуть утворити при цьому час 3,4 грама. За 12-часовой день кількість органічного речовини становитиме 40,8 грама. У цьому масі концентруватиметься близько 153 калорій енергії. Такої кількості вочевидь не досить задоволення енергетичних потреб організму людини, що є 2000—4000 калорій у сутки.

Приймемо до уваги, що «зеленому людині» вважати про годівлю й можуть бути занадто діяльним, оскільки їжа сама вступає у його організм з хлоропластів шкіри. Неважко дійти висновку, що відсутність фізичної навантаження і малорухливому способі життя зроблять його схожим на звичайне рослина. Інакше висловлюючись, «зеленого людини» дуже важко буде від опунции.

Розрахунки дослідників показують: у тому, щоб утворити достатньо органічного речовини, «зелений людина» під час еволюції повинен перетворитися на 20 раз збільшити поверхню своєї шкіри. Це може статися з допомогою зростання числа складок і відростків. І тому йому потрібно буде обзавестися подобою листя. Якщо це буде, він стане зовсім малорухомим і ще більше схожим на растение.

Отже, існування великих фотосинтезирующих тварин і звинувачують особи на одне Землі й у космосі навряд чи можливий. Вчені гадають, що у будь-який біологічної системі, хоча б віддалено нагадує біосферу Землі, обов’язково має існувати растительноподобные організми, щоб забезпечити їжею і енергією як себе, і животных.

Заключение

.

У другій половині ХІХ століття було встановлено, що енергія сонячного світла засвоюється і трансформується з допомогою зеленого пігменту хлорофилла.

За підсумками проведених дослідів можна сказати що, зелена забарвлення хлорофілу визначається наявністю у ньому атома металу незалежно від того, буде це магній, мідь чи цинк.

Сучасна наука підтвердило слушність поглядів До. А. Тімірязєва щодо виняткової ваги для фотосинтезу саме червоних променів сонячного спектра. Виявилося, що коефіцієнт використання червоного світла під час фотосинтезу вище, ніж синіх променів, які теж поглинаються хлорофілом. Червоні промені, за сучасними уявленнями До. А. Тімірязєва, грають основну роль процесі Світобудови і творення жизни.

Як відомо рослини поглащают вуглекислий газ, який приєднується до пятиуглеродному речовини під назвою рибулезодифосфат, де і потім в дальнешем бере участь у багатьох інших реакциях.

Вивчення особливостей фотосинтезу в різних рослин, безумовно, буде сприяти розширенню можливостей людини у управлінні їх фотосинтетичної діяльністю, продуктивністю і врожаєм. У цілому нині фотосинтез це з основних процесів життя, у якому заснована більшість сучасної рослинної фауни лежить на поверхні земли.

Список використаних источников.

1. Б. Дижур «Зелена лабораторія» — М.: Детгиз, 1954. 2. Артамонов У. І. «Цікава фізіологія рослин». — М.:

Агропромиздат, 1991 3. Сергєєв І. І. «Історія фотосинтезу». — М.: Наука, 1989 4. Пчелов А. М. «Природа і його життя». — Л.: Життя, 1990 ———————————- [1] Б. Дижур. Зелена лабораторія. — М.: Детгиз, 1954. З. 6.