Какие лучи спектра поглощает хлорофилл: Какие лучи спектра поглощают хлорофилл? а) красные б) зеленые в) фиолетовые

Содержание

Какие лучи спектра поглощает хлорофилл? a)красные и сине-фиолетовые б)жёлтые и

Разгица между кансументом 2 и кансументом 3 630 кг найдите продуцент

Прочитайте некоторые факты про углеводы. Найдите каждому из этих фактов объяснение из предложенного списка. Факты: 1. Чтобы сохранить сладкий вкус све

жесобранной кукурузы, ее погружают в кипяток на несколько минут. 2. Сладость меда уменьшится, если его нагреть. 3. Коммерческую фруктозу нельзя использовать в качестве подсластителя для горячих напитков. Объяснения: a. Свойства сахара зависят от температуры. b. Фермент, превращающий крахмал в глюкозу, активируется из-за повышения температуры. c. Некоторые сахара термостабильны, поэтому их свойства не меняются при изменении температуры. d. Фермент, превращающий глюкозу в крахмал, разрушается из-за повышения температуры.​

1. Какая насекомое находится в облигатных симбиотических отношениях с человеческим организмом?А) малярийный комарБ) вошь главнаяВ) таракан рыжийГ) мух

а домашняя2. Какой гриб вызывает у человека заболевания «антонов огонь» (гангрена)?А) головняБ) мучнистая росаВ) рожкиГ) фитофтора3. Лишайники являются индикаторами загрязненияА) почвы.Б) воды.В) воздуха.Г) горных пород.

11. Конечным продуктом ферментативного расщепления крахмала является
А) галактоза.
Б) мальтоза.
В) глюкоза.
Г) рибоза.
12. Какой вирус нарушает работу

иммунной системы человека?
А) полиомиелита
Б) ВИЧ
В) оспы
Г) гриппа
13. Какую органеллы можно увидеть в клетке прокариот?
А) лизосом
Б) рибосому
В) митохондрию
Г) эндоплазматическая сеть

8. Во время деления клетки хромосомы становятся видимыми благодаря
А) фрагментации оболочки.
Б) смешиванию кариоплазмы с цитоплазмой.
В) исчезновению

ядрышки.
Г) конденсации хроматина.
9. Какая органеллы содержит ферменты, способные расщеплять органические вещества?
А) рибосома
Б) эндоплазматическая сеть
В) вакуоль
Г) лизосома
10. В интерфазе перед митозом
А) хромосомы расходятся к полюсам клетки.
Б) количество молекул ДНК удваивается.
В) хромосомы располагаются по экватору клетки.
Г) количество молекул ДНК уменьшается вдвое.

Какие виды рубцов постакнэ бывают?​

Что значит слово «Дермографиз»?​

5 видов ядовитых грибов, срочно пж​

Пища проходит через отдельные участки пищеварительного тракта и претерпевает в них различные изменения.
Назовите органы, в которых протекают перечисле

нные ниже процессы.
А. Поглощение переваренных питательных веществ в кровь: ______________________
Б. Предварительное переваривание сахаров: _______________________
В. Удаление непереваренных остатков пищи: ___________________________
Г. Секреция соляной кислоты, обеспечивающая действие пищеварительных ферментов: ________________________

Организм производит больше всего глюкозы из:
А. глицерина
Б. аминокислоты
В. лецитина
Г. лактата

Спектр — поглощение — хлорофилл

Спектр — поглощение — хлорофилл

Cтраница 3

Обращает внимание большое различие в спектрах поглощения у представителей разных групп фотосинтезирующих организмов и прежде всего существенные сдвиги в максимумах поглощения хлоро-филлов в красной области спектра. Что же касается эволюции спектров поглощения хлорофиллов, то очевидна тенденция к перемещению в более коротковолновую часть спектра с более высоким энергетическим уровнем.
 [31]

Майерс и Френч [240] были склонны считать неправильной гипотезу Блннкса, согласно которой переходные эффекты представляют собой результат различия в дыхании. Один из их доводов заключается в том, что температурный коэффициент этих эффектов слишком мал; однако в работе Френча и Форка [103, 104] было позднее показано, что последействие света, проявляющееся в стимуляции темнового поглощения кислорода Porphyridium, различно для света 570 нм и 695 нм. Спектр действия такой стимуляции дыхания напоминает спектр поглощения хлорофилла а, а спектр действия выделения кислорода на свету близок к спектру действия фикоэритрина.
 [32]

Для получения спектра поглощения кароти-ноидов осторожно берут пипеткой бензиновый раствор, в который перешли каротин и ксантофилл после омыления хлорофилла, переносят его в кювету и помещают перед щелью спектроскопа. Рассматривают спектр поглощения и сравнивают его со спектром поглощения хлорофилла, а затем зарисовывают оба спектра.
 [33]

Тимирязев, разработав более совершенную методику количественного анализа фотосинтеза, провел изучение более узких и чистых участков спектра и пришел к иным выводам. Оказалось, что максимальный фотосинтез осуществляется не в желтых, а в красных и синих лучах спектра. Кроме того, было показано известное совпадение спектра действия фотосинтеза и спектра поглощения хлорофилла. Это позволило Тимирязеву сделать вывод о том, что хлорофилл выполняет роль оптического сенсибилизатора. Фотосинтетически активная радиация у высших растений занимает область значения от 380 — 400 до 710 — 720 нм.
 [34]

Энергия, необходимая для реакции, подается светом. Первая стадия процесса состоит в поглощении — света пигментами, среди которых наиболее важен хлорофилл. Тимирязев показал, что спектр действия солнечного света при фотосинтезе соответствует спектру поглощения хлорофилла. На рис. 14.2 приведены структурные формулы важнейших пигментов растений; па рис. 14.3 показаны полосы поглощения пигментов.
 [36]

XXI, претерпевает изменения при возрастающей примеси активатора ( см. фиг. Спектр поглощения полностью активированного раствора хотя и отличается от неактивированного, но не зависит от природы активатора и не имеет отношения к спектру поглощения хлорофилла в чистом активаторе.
 [37]

Идентификация различных видов хлорофилла осуществляется с помощью спектральных характеристик. Обычно изучают спектр поглощения растворов пигментов, реже — спектр люминесценции. Например, бактерио-хлорофилл имеет характерный спектр поглощения с максимумами в области приблизительно 400, 600 и 800 нм ( фиг. В спектре поглощения хлорофилла а имеются два четко выраженных максимума в области 430 и 663 нм ( фиг. Хлорофилл в отличается от хлорофилла а относительно меньшим поглощением в красной области и тем, что длинноволновый ( красный) максимум поглощения у него сдвинут в более коротковолновую область.
 [38]

Нужно прежде всего указать на то, что до сих пор но преодолены экспериментальные трудности выделения этих соединений в индивидуальной форме вследствие их большой реакционной способности. Здесь следует привести лишь следующие соображения. Общий характер спектра поглощения хлорофилла определяется системой сопряженных связей. При переходе молекулы в бирадикальное состояние обращение спина электрона, так же как и восприятие электрона системой сопряженных связей в результате фотовосстановления, вероятно, приводит к разрыву сопряжения.
 [39]

В несколько иной области существует еще один фактор, с которым необходимо считаться при экспериментальном исследовании интересующей нас реакции. Известно, что различные части солнечного спектра действуют различно на разложение углекислоты в растениях. Было установлено, что это разложение имеет два максимума; один из них находится в красной, другой в фиолетовой части спектра. Эти два максимума соответствуют спектру поглощения хлорофилла, что объясняется следующим образом: хлорофилл поглощает некоторые лучи и передает их энергию молекулам углекислоты, которые разлагаются по указанной выше схеме ( см. стр. Можно считать, что действие лучей этой длины волны, если и не необходимо, то во всяком случае благоприятно для разложения углекислоты; з среде, сквозь которую лучи проходят без поглощения, эта реакция не ямеет места или протекает чрезвычайно медленно. Поэтому простой вод-шй раствор углекислоты, будучи прозрачным для указанных лучей, те подходит для опытов по разложению. Необходимо проводить реакцию з присутствии соединений, поглощающих хотя бы часть тех лучей, которые 1 растениях вызывают разложение углекислоты. Этими соображениями [ и руководствовался при выборе опытов, которые я поставил для про -: ерки высказанной мною гипотезы.
 [40]

Белтсвиллским исследователям удалось при помощи специально сконструированного высокочувствительного спектрографа количественно изучить спектр действия видимого света на разные стороны морфогенеза. Первыми объектами подобного изучения были ко-роткодневные растения — соя и дурнишник, зацветание которых предотвращается при прерывании фотоиндуктивного темнового периода несколькими минутами освещения. Сходство полученных данных со спектром поглощения хлорофилла навело авторов на мысль об использовании поглощенного хлорофиллом красного света для разрушения стимула цветения.
 [41]

Эти изменения приписывают образованию комплекса между хлорофиллом и полярными группами растворителя. Франк [95] предполагает, что молекула воды связывается водородными связями с двумя атомами азота. Это увеличивает силы, удерживающие n — электроны в их основном состоянии, вследствие чего энергия ( п-я) — Si-состояния оказывается выше энергии, соответствующей л-л — переходу. Атом магния смещается из центра кольца к двум другим атомам азота, в результате чего изменяется распределение зарядов в кольце и меняется спектр поглощения хлорофилла.
 [42]

При освещении освобожденных от кислорода растворов хлорофилла импульсными вспышками наблюдалось кратковременное обратимое их выцветание. Спектральные измерения проводились в близкой ультрафиолетовой и видимой областях спектра, не захватывая 600 нм, где расположен главный максимум поглощения растворенного хлорофилла. Обесцвеченная форма имеет время жизни: для хлорофилла а 1.5 — 10 — 4 сек. Было выдвинуто предположение, что под действием мощной световой вспышки молекулы хлорофилла накапливаются на метастабиль-ном триплетном уровне. Кратковременное изменение спектра поглощения хлорофилла наблюдалось также в листьях и водорослях [7], гле была обнаружена промежуточная форма с максимумом поглощения 515 нм.
 [43]

Обратите внимание на то, что для образования одного моля сахара С6Н12О6 должно быть поглощено и использовано 48 молей фотонов. Фотоны поглощаются фотосинтетическими пигментами в листьях растений. К важнейшим из этих пигментов относятся хлорофиллы; структура наиболее распространенного хлорофилла, так называемого хлорофилла-а, показана на рис. 25.1. Хлорофилл представляет собой координационное соединение. Он содержит ион Mg2, связанный с четырьмя атомами азота, которые расположены вокруг него по вершинам квадрата в одной плоскости с металлом. Атомы азота входят в состав порфиринового цикла ( см. разд. Следует обратить внимание на то, что в окружающем ион металла цикле имеется ряд двойных связей, чередующихся с простыми связями. Благодаря такой системе чередующихся, или сопряженных, двойных связей хлорофилл способен сильно поглощать видимый свет. На рис. 25.2 показано соотношение между спектром поглощения хлорофилла и спектральным распределением солнечной энергии у поверхности Земли.
 [45]

Страницы:  

   1

   2

   3




Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

Согласно первому закону фотохимии, только поглощенные лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ — фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторы — вещества, поглощающие энергию света и передающие ее на ту или иную бесцветную молекулу. Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощенные лучи солнечного света, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К.А. Тимирязева. До этого господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют желтые процесс и подчиняется законам фотохимии. В процессе фотосинтеза вместо связей, обладающих малым запасом энергии, таких, как О—Н, С—О, создаются связи С—С, благодаря этому свободная энергия системы повышается. Эта энергия представляет собой трансформированную солнечную энергию.

К.А. Тимирязевым был разработан точный метод учета процесса фотосинтеза, основанный на одновременном определении объема поглощенного углекислого газа и выделенного кислорода в замкнутом сосуде (эвдиометре). Высокая чувствительность данного метода позволила определить фотосинтез в отдельных участках спектра, в которых благодаря малой их интенсивности фотосинтез шел очень слабо. Опыты К.А. Тимирязева ясно показали, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света. Определяя интенсивность процесса фотосинтеза в различных лучах солнечного спектра, КА. Тимирязев показал, что наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосинтез минимальный. Это и понятно, так как именно зеленые лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, если представить себе интенсивность фотосинтеза в виде кривой, то она будет иметь два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Ряд пиков интенсивности фотосинтеза соответственно отдельным линиям поглощения хлорофилла не наблюдается, так как хлорофилл в хлоропластах находится в такой концентрации, при которой линии поглощения частично сливаются и образуются два основных максимума. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия. Можно сделать вывод, что спектр поглощения хлорофилла и спектр его действия в процессе фотосинтеза совпадают. Дальнейшие исследования внесли определенные уточнения как в отношении лучей, поглощаемых разными формами хлорофилла, так и в отношении их влияния на процесс фотосинтеза. Однако общие закономерности, установленные К.А. Тимирязевым, остались в силе.

Важное значение имеют исследования К.А. Тимирязева по эффективности использования энергии в красном и сине-фиолетовом участках спектра. Тимирязев провел сравнение интенсивности и эффективности поглощения энергии в разных лучах солнечного спектра. Оказалось, что поглощенная энергия в красном участке спектра используется более полно. Из этого наблюдения К.А. Тимирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей разного качества, разной длины волны используется в фотохимических реакциях с разной эффективностью. В процессе естественного отбора растения приспособились к поглощению именно тех лучей, энергия которых используется в процессе фотосинтеза наиболее эффективно.

Мысли К.А. Тимирязева получили блестящее подтверждение после того, как А. Эйнштейном была сформулирована теория фотоэффекта. Из теории фотоэффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции определяется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем, как уже упоминалось, величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты мельче и характеризуются меньшей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и то же количество поглощенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соответственно большее количество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Правда, могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Иначе говоря, для фотохимических реакций существует нижний предел энергии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы. Так, фотохимические реакции возможны в пределах величины квантов от 147 до 587 кДж/моль. Таким образом, в квантах красного света (176 кДж/моль hv) заключено достаточное количество энергии для осуществления фотохимической реакции. Вместе с тем при поглощении квантов синего света (261 кДж/моль hv) реагирующие молекулы будут получать избыток энергии, который выделяется в виде тепла или света. Следовательно, использование энергии зависит от качества света. Это было подтверждено исследованиями О. Варбурга. В этих исследованиях впервые была установлена величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере увеличения длины волны. Данные таблицы 6 показывают совпадение теоретических расчетов и экспериментально полученных величин.

Таким образом, количество молекул С02 и Н20, использованных в процессе фотосинтеза, пропорционально числу поглощенных квантов. Однако число квантов, необходимое для протекания различных фотохимических реакций, неодинаково. Редкая фотохимическая реакция имеет квантовый расход, равный единице. Он может быть значительно больше единицы, так как не все возбужденные молекулы вступают в реакцию. Может быть и меньше единицы, если благодаря цепным взаимодействиям в реакцию вступают не только возбужденные молекулы.

Квантовый расход процесса фотосинтеза, т. е. количество квантов, необходимое для того, чтобы одна молекула С02восстановилась до углеводов, окончательно не установлен. Все же большинство исследований показывает, что для восстановления одной молекулы С02 до углеводов нужно 8—9 квантов света. Противоположной величиной квантовому расходу является квантовый выход — это количество ассимилированного С02 при поглощении одного кванта. Квантовый выход составляет 1/8 или 1/9 М. Анализ квантового расхода, наблюдаемого в различных участках солнечного спектра, позволил также доказать роль каротиноидов в процессе фотосинтеза.

Исследования показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. В этой части спектра расход квантов приближается к теоретически возможному, только если принять, что кванты света, поглощенные каротиноидами, передаются хлорофиллу и, таким образом, используются в процессе фотосинтеза. Правда, кванты света, поглощенные каротиноидами, используются менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом. Исследования А.А. Рихтера, а затем Р. Эмерсона показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. В этой части спектра расход квантов приближается к теоретически возможному, только если принять, что кванты света, поглощенные каротиноидами, передаются хлорофиллу и, таким образом, используются в процессе фотосинтеза. Правда, кванты света, поглощенные каротиноидами, используются менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом.

«Фотосинтез»

Тестирование по теме «Фотосинтез»

Вариант 1

1. Какие лучи спектра преимущественно поглощает хлорофилл? А). Красные Б). Зеленые В). Фиолетовые Г). Весь спектр

2. НАДФ+ в хлоропласте необходим: А). Как составная часть двуслойной мембраны хлоропласта; Б). Как «ловушка» для электронов В). В качестве фермента для образования крахмала Г). В качестве фермента для диссоциации воды

3. Фотолиз воды – это: А). Накопление воды в листе под действием света Б). Диссоциация воды на ионы под действием света В). Выделение водяных паров из устьиц под действием света Г). Нагнетание воды в листья под действием света

4. Процессы, происходящие в световую фазу:А). Превращение энергии солнечного света в НАДФ и АТФ

Б). Накопление крахмала В). Расщепление крахмала Г). Расщепление АТФ и НАДФ с выделением свободных электронов

5. Автотрофы – это: А). Организмы – паразиты Б). Грибы шляпочные и плесневые, гнилостные бактерии

В). Зеленые растения и бактерии, использующие энергию химических реакций Г). Животные, питающиеся падалью

Вариант 2

1. Где сосредоточен пигмент хлорофилл? А). В двойной оболочке хлоропласта Б). В основном веществе хлоропласта (в строме) В). В гранах Г). В межклеточном пространстве листа

2. Какие процессы порождают поглощенные хлорофиллом кванты света? А). Хлорофилл превращается в НАДФ Б). Электрон покидает орбиту молекулы хлорофилла В). Хлоропласт увеличивается в объеме

Г). Хлорофилл превращается в АТФ

3. Кислород выделяется в атмосферу в результате: А). Фотолиза воды Б). Отщепления О2 из молекулы СО2 В). Превращения АТФ в АДФ Г). Расщепления глюкозы

4. В какую фазу фотосинтеза образуется кислород?А). В световую Б). В темновую В). Постоянно

Г). Никогда не образуется

5. В темновой фазе образуетсяА). Крахмал Б). Ионы водорода и гидроксильнын ионы В). Свободный кислород Г). Избыток АТФ и НАДФ Н2

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Тестирование по теме «Фотосинтез»

Вариант 1

1. Какие лучи спектра преимущественно поглощает хлорофилл? А). Красные Б). Зеленые В). Фиолетовые Г). Весь спектр

2. НАДФ+ в хлоропласте необходим: А). Как составная часть двуслойной мембраны хлоропласта; Б). Как «ловушка» для электронов В). В качестве фермента для образования крахмала Г). В качестве фермента для диссоциации воды

3. Фотолиз воды – это: А). Накопление воды в листе под действием света Б). Диссоциация воды на ионы под действием света В). Выделение водяных паров из устьиц под действием света Г). Нагнетание воды в листья под действием света

4. Процессы, происходящие в световую фазу:А). Превращение энергии солнечного света в НАДФ и АТФ

Б). Накопление крахмала В). Расщепление крахмала Г). Расщепление АТФ и НАДФ с выделением свободных электронов

5. Автотрофы – это: А). Организмы – паразиты Б). Грибы шляпочные и плесневые, гнилостные бактерии

В). Зеленые растения и бактерии, использующие энергию химических реакций Г). Животные, питающиеся падалью

Вариант 2

1. Где сосредоточен пигмент хлорофилл? А). В двойной оболочке хлоропласта Б). В основном веществе хлоропласта (в строме) В). В гранах Г). В межклеточном пространстве листа

2. Какие процессы порождают поглощенные хлорофиллом кванты света? А). Хлорофилл превращается в НАДФ Б). Электрон покидает орбиту молекулы хлорофилла В). Хлоропласт увеличивается в объеме

Г). Хлорофилл превращается в АТФ

3. Кислород выделяется в атмосферу в результате: А). Фотолиза воды Б). Отщепления О2 из молекулы СО2 В). Превращения АТФ в АДФ Г). Расщепления глюкозы

4. В какую фазу фотосинтеза образуется кислород?А). В световую Б). В темновую В). Постоянно

Г). Никогда не образуется

5. В темновой фазе образуетсяА). Крахмал Б). Ионы водорода и гидроксильнын ионы В). Свободный кислород Г). Избыток АТФ и НАДФ Н2

Фотосинтез и свет – База знаний Novolampa


Под воздействием лучей солнца в листьях растений происходят уникальные фотохимические процессы, благодаря которым они живут, растут, цветут и образуют плоды. Растения преобразуют энергию света в свою энергию за счет процесса фотосинтеза.



Световой режим складывается из трех составляющих: уровня освещенности, продолжительности светового дня и спектрального состава света.



Часто растения культивируют в помещениях, куда естественное освещение практически не попадает. В этом случае необходимо правильно подобрать источники искусственного света.

Дневной свет и его спектр



Дневной свет только кажется белым, на самом деле он включает лучи семи цветов – тех, что входят в число цветов радуги. Что же прячется за таким научным названием как спектр излучения? Чтобы понять это, придется вспомнить что такое свет? А свет — это не что иное, как электромагнитная волна. Причем каждый цвет имеет определенную длину волны, отсюда и получается радуга.



Однако разная длина означает не только разный цвет, но самое главное — разное количество энергии. Волны с меньшей длиной содержат в себе больше энергии.





Каждый спектр характеризуется определенной длиной волны. Самая короткая длина волны у фиолетового цвета (380-440 нм), самая длинная – у красного (625-740 нм). Свет с длиной волны менее 380 нм относится к ультрафиолетовому излучению, а с длиной волны 740нм и более – к инфракрасному.



Естественно, что если в солнечный свет входит полный цветовой спектр, значит, и в искусственном освещении должно присутствовать излучение с различной длиной волны. В спектре волны, примерно, от 300 до 3000 нм. Это называется общим (глобальным) излучением.

Самые эффективные цвета



Если растение растет и развивается под влиянием цветового спектра, неудивительно предположить, что если какой-то цвет окажется более эффективным, то только его и нужно направить на растение. Если синий цвет самый «жирный», достаточно засвечивать растения только им и получать отличный урожай круглый год.



Ученые провели ряд экспериментов, большой вклад в изучение фотосинтеза в листьях растений от искусственного освещения внёс русский учёный Андрей Сергеевич Фаминцын. В 1868 году он впервые экспериментально доказал и научно обосновал применение искусственного освещения для выращивания растений, использовав керосиновые лампы вместо солнечного света.



Выяснилось, что свет для растений выступает не только как источник энергии, но и как регулятор роста и развития (фотоморфогенез) Так, красный спектр отвечает за вытягивание стебля, его вертикальный рост. А синий спектр, наоборот, тормозит рост стебля в длину, но способствует его утолщению, наращиванию зеленых листьев.



Кроме знакомого всем хлорофилла, в клетках растений есть еще один пигмент – фитохром. Он отвечает за регуляцию суточного ритма жизни, а также за цветение. За образование фитохрома отвечает красный спектр, следовательно, именно он стимулирует образование цветов и плодов.



В более поздних экспериментах, обнаружилось, что и зеленые лучи не столь бесполезны как думали раньше. Дело в том, что благодаря своей проникающей способности, зеленый снабжает энергией более глубокие участки листвы, куда не долетают ни красный, ни синий.




Как мы видим из графика выше, средними пиковыми точками поглощения для хлорофиллов А и В явились показатели в 400 и 700 нм, это спектральный диапазон (диапазон фотосинтетически активного излучения или ФАР-диапазон (PAR), который используется растениями в процессе фотосинтеза. Для сравнения: спектральный диапазон глаза человека составляет 555 нм.



Рассмотрим диапазон ФАР:

  • 630-670 нм. (красные) — увеличение массы и роста, прорастание, цветение, плодоношение, управление суточными циклами бодрствования и покоя, прорастание семян, растяжение клеток.

  • 730 нм. («дальний красный») — «выключает» активность растений. 1-2 минуты воздействия достаточно, чтобы снять эффект красного света 660нм, и наоборот.

  • 430-470 нм. (синие) — развитие корневой системы (или формированием клубней), удлинение стеблей и листьев, регулятивные функции: направление роста стебля, ускорение и замедление роста, раскрытие и закрытие бутонов, деление клеток. Задерживают растяжение клеток, в большом количестве угнетают прорастание семян, открывание устьиц, движение цитоплазмы и хлоропластов, развитие листа и др.

  • УФ-диапазон 380-420нм. — губителен, но небольшое количество ближнего УФ-спектра благотворно для цветов, а также вкуса и аромата овощей/фруктов.

  • Оптимальное соотношение — экспериментально установлено, что оптимальный поток синего света для листовых растений составляет около 10-15% от ФАР. Фактически, это соотношение красного и синего 9:1.

Показатель освещенности для растений



PAR обычно выражается в микромолях (µмоль с -1), которые также являются мерной единицей фотосинтетической плотности потока фотонов света на квадратный метр. Из 3-х наиболее распространенных способов измерения света (люмены, люксы, PAR), последний является наиболее научным способом определения способности источника света генерировать фотосинтез. Это единственная измерительная единица света, которая может быть применима к растениям.



В безоблачный день в самый разгар лета, максимальное количество фотосинтетического солнечного света, попадаемого на землю, составляет примерно 2000 микромлолей на квадратный метр. Окружающие факторы, такие как атмосфера, время года, облачность и ваше местонахождения на планете влияют на количество солнечного света. Количество света, получаемое растением, имеет прямое влияние на его фактор роста.



Большинство растений имеют тенденцию расти быстрее с увеличением света, однако наибольший эффект для роста растения достигается на значительно более низком уровне, чем 2000 микромолей. Точка, в которой растение получает больше света, чем может поглотить, называется точкой светового насыщения. Для большого количества растений оптимальный уровень PAR составляет 500 микромолей на квадратный метр, и если растение получает больше этого количества, оно может достичь точки светового насыщения. В некоторых случаях наблюдались замедления роста при избытке света в сравнении с оптимальным показателем.



Понятия и термины:

  • Фотосинтетический фотонный поток = суммарному числу фотонов, излучаемых в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм; единицы измерения — µмоль с -1


  • Плотность фотосинтетического фотонного потока = числу фотонов в секунду в диапазоне от 400 до 700 нм на единицу площади; единицы измерения — µмоль м -2 с -1

  • Фотосинтетически активное излучение = энергии излучения в секунду в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм на единицу площади; единицы измерения — Вт м -2



Итак, ФАР является важным фактором при оценке пригодности лампы для растений.

Источники искусственного освещения



Из выше сказанного следует, что для гармоничного развития растений им нужно организовать оптимальное освещение. Существует большое количество различных источников искусственного света. Разберем их основные виды:



Лампа накаливания – ее спектр смещен в сторону красного света с большой длиной волны и инфракрасного излучения. Он не подходит для роста растений, так как большое количество ИК лучей способно повредить листья. Кроме этого, «длинный» красный свет с длиной волны более 700 нм, тормозит прорастание семян и рост рассады.



Люминисцентная лампа (лампа дневного света) – излучает в основном желто-зеленый спектр, который бесполезен для растений. В ней присутствуют лучи синего и красного спектра, но в очень малом количестве.



Натриевые газоразрядные лампы – сильно нагреваются, пожароопасны. Спектр не очень подходит для выращивания растений.



Светодиодные лампы – обладают наиболее сбалансированным сочетанием лучей красного и синего спектра. Кроме этого, можно комбинировать светодиоды различного цвета для создания оптимальной среды. Не выделяют тепло и не повреждают листья.


Спектры источников света



Чтобы правильно выбрать лампу, нужно посмотреть так называемую спектрограмму, которая должна быть на упаковке самой лампы. На спектрограмме показаны пики в синем и красном секторах. В синем секторе оптимальная для рассады длина волны – 440-450 нм, а в красном – 650-660 нм. Если спектральные показатели сильно отклоняются в обе стороны, такую лампу покупать не стоит, так как волны другой длины для рассады малоэффективны.



Существуют различные виды спектров фитоламп:



Биколорный (bicolor spectrum) – основной спектр для придания растению энергии, необходимой для фотосинтеза.



Лампа с таким спектром рекомендуется:

  • для подсветки любых растений на подоконнике, балконе и в местах с минимальным количеством солнечного света;

  • для выращивания рассады и молодых растений;

  • для досвечивания взрослых растений в помещении с дополнительными источниками света;

  • для поддержки растений зимой и в условиях недостаточной освещенности.



Полный спектр (full spectrum) –это биколорный спектр с более широким диапазоном пиков в красном и синем поле. Лампы с таким спектром универсальны и подойдут многим растениям. В плане энергоэффективности и пиков спектра эти источники света немного уступают биколорным лампам, но за счет более широкой зоны спектров позволяют дать растению максимум искусственного света, по действию схожего с солнечным.



Существуют более усовершенствованные лампы – это полноспекторные лампы с добавлением белого света. Они пригодны для использования в местах проживания людей. На вид свет такой лампы теплый белый, но содержит волны полезной для растений длины.



Мультиспектр (multicolor spectrum) – это уникальная лампа, в которой сочетаются красный, синий, теплый белый и дальний красный свет. Она дает максимальное стимулирование цветения и плодоношения у многих растений, включая орхидеи и адениумы, а также большую долю красного и синего света для фотосинтеза в стадии роста. Лампа с таким спектром рекомендуется:

  • для подсветки взрослых растений;

  • для стимулирования цветения и плодоношения;

  • для выращивания в помещении в отсутствии солнечного света;

  • для досвечивания комнатных цветов, особенно орхидей;

  • для подсветки декоративнолиственных растений.

Задачи по освещению



Подбирая светильник, фитолампу или панель освещения нужно обратить внимание на следующие показатели:



— Где будет использован светильник – в домашних условиях или в теплице, оранжерее?



— Какова площадь освещения?



— Какой необходим свет: сфокусированный или рассеянный?



— Особенности выращиваемых растений.

Оптимальные схемы освещения:

  1. Полная схема замены естественного света искусственным, позволяющая следить за ростом растений;

  2. Периодическая схема досветки, позволяющая удлинять световой день;

  3. Дополнительная схема, при которой искусственный свет дополняет естественный, что гарантирует повышение эффективности фотосинтеза в любое время года.

Освещение для комнатных растений



Зачастую квартиры и офисы мы украшаем декоративными растениями, которые не имеют цветков, но их своей экзотической листвой или формой способны создать комфорт и уют. При недостатке освещения цветы становятся блеклыми и нездоровыми, их рост приостанавливается.



Для комнатных растений оптимально использовать фитолампы или небольшие светильники. Они обладают разной мощностью, площадью освещения и сочетанием светодиодов, поэтому можно подобрать идеальный вариант с учетом всех параметров.



Лучшим вариантом для дома и офиса станут приборы, включающие светодиоды не только красного и синего, но и белого света либо полноспектральные УСКИ – они обладают высоким индексом цветопередачи, поэтому наиболее комфортны для зрительного восприятия (в них применяется специально разработанный люминофор, который излучает сбалансированный спектр наиболее оптимально поглощаемый растениями. Ширина спектра излучаемая светодиодами УСКИ — 380 — 840нм).



Решив использовать фитолампы для искусственной досветки своих комнатных растений, при их установке следует придерживаться следующих правил:

  • Лампу следует располагать от растений так, чтобы их стебель и листья не пострадали от слишком сильного излучения тепла.
  • Количество осветительных приборов должно соответствовать распределению света из расчета 70 Вт на 1 кв.м.
  • При сокращении светового дня пропорционально ему нужно увеличивать период искусственной досветки.
  • Световой поток используемых фитоламп должен быть направлен прямо на растения.

Освещение для рассады ( подоконник, этажерка)



Многие дачники предпочитают самостоятельно выращивать цветочную и овощную рассаду.



Делают они это чаще всего с февраля по апрель, когда молодым растениям может не хватать естественной инсоляции. Исправить эту ситуацию можно, необходимо лишь предусмотреть устройство дополнительной подсветки. Главное — правильно подобрать лампу.



Учитывая задачи при выращивании саженцев по вегетации, плотности, укреплению, правильному формированию корневой системы, особо важен будет сине-фиолетовый спектр (430-490 нм.).



Предпочтение следует отдать светильникам с более высоким содержанием синих светодиодов, которые задерживают растяжение клеток, и рассада не вытягивается. Растения, выращенные под такими светодиодными светильниками более компактные, с укороченными междоузлиями. А благодаря красным лучам ( которые также должны быть, но меньше, в тканях растений накапливаются углеводы, клетки удлиняются, побеги, стебли, листья быстрее растут.




Расстояние, на которое необходимо устанавливать лампу, напрямую зависит от периода роста рассады. После посева оптимальным считается



12-14 сантиметров. По мере роста высота расположения лампы должна дойти до 20-25 сантиметров.




Продолжительность освещения зависит от вида рассады. Так, томаты любят нежиться под лучами от 15 до 17 часов, а вот такие культуры, как перец, баклажаны и прочие, укладываются в световой день, равный 11-13 часам.



Если за окном пасмурно, лучше не экономить и включить лампы досветки на 5-6 часов. Распределить время нужно таким образом: 2,5-3 часа вечером и столько же утром.

Освещение для теплиц



В оранжереях и теплицах среднего размера можно использовать комбинацию различных светодиодных источников света, в зависимости от конфигурации помещения. Здесь лучшим выбором станут линейные светильники и лампы с большой мощностью.



Для больших теплиц обосновано применение светодиодных светильников повышенной мощности, оснащенных дополнительной оптикой.



Необходимо тщательно изучить все особенности выращиваемой культуры, в том числе, к какой группе растений она относится — короткого, длинного и нейтрального дня (длинный день — интенсивность света наблюдается более 13 часов, короткий — до 12 часов. Растениям для нейтрального дня все равно когда созревать, хоть при коротком, хоть при длинном)



Вот их некоторые разновидности:




Учитывая особенности культивируемых видов, можно дать следующие рекомендации:

  • эфирно-масличные культуры нуждаются в ультрафиолете. Фитолампы для них должны включать один УФ светодиод.

  • оптимальное распределение спектров для двух самых популярных у нас овощей — огурца и помидора:

  • для растений, которые нуждаются в ярком свете, нужно подбирать светодиоды с линзами, фокусирующими свет на объекте. А для тех видов, которые не переносят прямые лучи или лучше растут в затенении, подойдут лампы с рассеянным мягким светом.

  • даже очень слабое дополнительное освещение красными лучами ускоряет развитие и цветение растений длинного дня и замедляет развитие растений короткого дня.

  • под синим светом растения томата в теплице развиваются так же быстро, как под лампами дневного света.

  • дополнительное освещение светодиодными светильниками с преимущественно синим светом позволяет получить высокий урожай листьев салата и корнеплодов редиса.

  • экспериментальные данные по биохимическому составу листьев лука репчатого, выращенного при разных спектрах светодиодных светильников, показали наибольшее накопление витамина С.

  • дополнительная подсветка помидоров в течение вегетационного периода светодиодными лампами почти в два раза повышает их пищевую ценность.

  • продолжительность освещения для огурца составляет 16-18 ч, для томата — 14-16 ч, для перца -20 ч.

ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ!



В последнее время на рынке появилось большое количество подделок. Для удешевление фитоламп могут применяться светодиоды с неподходящими длинами волн, мощность светильников, а также эффективная площадь освещения может быть в разы завышена.



Для проверки точности заявленных производителями данных мы всегда готовы предоставить услугу по измерению длины волны, а также PAR спектрометром UPRTEK MK350N-PREMIUM-HANDHELD бесплатно.



Если Вы не знаете, какое количество осветительных приборов необходимо вам для полноценного искусственного освещения зимнего сада, позвоните нам по телефону 8 (800) 700-80-91, наш специалист подберет дя Вас необходимое оборудование. Он не только точно подсчитает, сколько фитоламп вам нужно для стабильного роста и развития растений, но и назовет примерную стоимость проекта.

что происходит в растении в процессе фотосинтеза, что выделяется в световую и темновую фазу фотосинтеза

Что такое фотосинтез

Фотосинтез — процесс, при котором в клетках, содержащих хлорофилл, под действием энергии света образуются органические вещества из неорганических. При фотосинтезе растение поглощает углекислый газ и воду, синтезирует органические вещества и выделяет кислород, как побочный продукт фотосинтеза.

Процессы фотосинтеза идут в тканях, содержащих хлоропласты, — преимущественно, в листе, на который приходится большая часть процессов фотосинтеза. Такая ткань называется хлоренхима, или мезофилл. 

Строение хлоропластов

Чтобы понять, что происходит в растении при фотосинтезе, изучим подробнее хлоропласты. Хлоропласты — это особые пластиды растительных клеток, в которых происходит фотосинтез. Основные элементы структурной организации хлоропластов высших растений представлены на рис.1.

Рис.1. Строение хлоропласта высших растений

Хлоропласт — это двумембранный органоид. Внешняя мембрана проницаема для большинства органических и неорганических соединений. Она содержит специальные транспортные белки, благодаря которым нужные для работы хлоропласта пептиды и другие вещества попадают в него из цитоплазмы. Внутренняя мембрана обладает избирательной проницаемостью и способна контролировать, какие именно вещества попадут во внутреннее пространство хлоропласта.

Для хлоропластов характерна сложная система внутренних мембран, позволяющая пространственно организовать фотосинтетический аппарат, упорядочить и разделить реакции фотосинтеза, несовместимые между собой, и их продукты. Мембраны образуют тилакоиды, которые, в свою очередь, собираются в «стопки» — граны. Пространство внутри тилакоидов называется внутритилакоидным пространством, или люменом. 

Внутреннее пространство хлоропласта между гранами заполняет строма — гидрофильный слабоструктурированный матрикс. В строме содержатся необходимые для реакций синтеза сахаров ферменты, а также рибосомы, кольцевая молекула ДНК, крахмальные зёрна.

Пигменты хлоропластов

Что происходит во время фотосинтеза? На молекулярном уровне фотосинтез обеспечивают особые вещества — пигменты, благодаря которым энергия солнечного света становится доступной для биологических систем. У фотосинтезирующих организмов можно выделить три основные группы пигментов:

  • хлорофилл а — у большинства фотосинтезирующих организмов,
  • хлорофилл b — у высших растений и зелёных водорослей,
  • хлорофилл c — у бурых водорослей,
  • хлорофилл d — у некоторых красных водорослей.
  • каротины — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот;
  • ксантофиллы — у всех фотосинтезирующих организмов, кроме прокариот
  • Фикобилины — красные и синие пигменты красных водорослей.

В хлоропластах пигменты ассоциированы с белками с помощью ионных, водородных и других типов связей. Не стоит забывать, что у растений есть множество других пигментов, находящихся не в хлоропластах и не принимающих участие в фотосинтезе — например, антоцианы.

Хлорофилл

Хлорофиллы выполняют функции поглощения, преобразования и транспорта энергии света. Лучше всего хлорофиллы поглощают свет в синей (430—460 нм) и красной (650—700 нм) областях спектра. Зелёную область спектра хлорофиллы эффективно отражают, что придаёт растению зелёный цвет.

Интересно, что строение молекулы хлорофилла схоже со строением гемоглобина, но центром молекулы хлорофилла является ион магния, а не железа.

Основными хлорофиллами высших растений являются хлорофилл a и хлорофилл b, они входят в состав реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов мембран тилакоидов хлоропластов. Светособирающие комплексы улавливают кванты света и передают энергию к фотосистемам I и II. Фотосистемы — это пигмент-белковые комплексы, играющие ключевую роль в световой фазе фотосинтеза.

Каротиноиды

Каротиноиды — это жёлтые, оранжевые или красные пигменты. В зелёных листьях каротиноиды обычно незаметны из-за наличия в листьях хлорофилла. При разрушении хлорофилла осенью именно каротиноиды придают листьям характерную жёлто-оранжевую окраску. 

Функции каротиноидов:

  • Антенная — входят в состав светособирающих комплексов, улавливают энергию света и передают её на хлорофиллы. Каротиноиды играют роль дополнительных светособирающих пигментов в той части солнечного спектра (450—570 нм), где хлорофиллы малоэффективны. Особенно это важно для водных экосистем, в которых волны оптимальной для хлорофиллов длины быстро исчезают с глубиной.
  • Защитная функция (антиоксидантная) — обезвреживание агрессивных кислородных соединений (активных форм кислорода) и избытка хлорофилла в возбуждённом состоянии при слишком ярком освещении.

Каротиноиды химически представляют собой 40-углеродную цепь с двумя углеродными кольцами по краям цепи. В строении ксантофиллов, в отличие от каротинов, присутствуют спиртовые, эфирные или альдегидные группы.

Учите биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду

BIO72020 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 7 класса, в котором изучается тема фотосинтеза.

Что происходит в процессе фотосинтеза

Как уже было сказано ранее, в ходе фотосинтеза в хлоропластах под действием солнечного света образуются органические вещества. 

Процесс фотосинтеза можно разделить на две фазы:

1. Световая.

2. Темновая.

В ходе световой фазы фотосинтеза образуется энергия в виде АТФ и универсальный донор атома водорода — восстановитель НАДФН (НАДФ·Н2). Эти вещества необходимы для протекания темновой фазы. Также образуется побочный продукт — кислород. Световая фаза может проходить только на мембранах тилакоидов и на свету.

Благодаря сложному биохимическому процессу — циклу Кальвина — в темновую фазу фотосинтеза образуются органические вещества (сахара). Темновая фаза проходит в строме хлоропластов и на свету, и в темноте. Темновые ферментативные процессы протекают медленнее, чем световые, поэтому при очень ярком освещении скорость протекания фотосинтеза будет полностью определяться скоростью темновой фазы. Схемы процессов фотосинтеза представлены на рис.2. Подробное описание процессов смотри далее.

Рис.2. Схема процессов фотосинтеза и суммарное уравнение фотосинтеза.

Световая фаза фотосинтеза

Чтобы лучше понять, что происходит во время фотосинтеза, разберём фазы фотосинтеза. Световая фаза фотосинтеза включает в себя фотохимические и фотофизические процессы, и может быть поделена на три этапа:

  1. Фаза поглощения — энергия света улавливается при помощи светособирающих комплексов, переходит в энергию электронного возбуждения пигментов, передаётся в реакционный центр фотосистем I и II. 
  2. Фаза реакционных центров — энергия электронного возбуждения пигментов светособирающих комплексов используется для активации реакционных центров фотосистем. В реакционном центре электрон от возбуждённого хлорофилла передаётся другим компонентам электрон-транспортной цепи, пигмент после отдачи электрона переходит в окисленное состояние и становится способным, в свою очередь, отнимать электроны у других веществ. Именно в этом процессе происходит преобразование физической формы энергии в химическую.
  3. Фаза электрон-транспортной цепи — электроны переносятся по цепи переносчиков, образуются АТФ, НАДФН, O2. Необходимо, чтобы каждый переносчик электрон-транспортной цепи поочерёдно восстанавливался и окислялся, обеспечивая таким образом перенос энергии электронов. Любой этап переноса электрона сопровождается высвобождением или поглощением энергии. Часть энергии теряется. На некоторых участках электрон-транспортной цепи перенос электрона сопряжён с переносом протона.

Для того чтобы понять, что происходит во время фазы фотосинтеза, рассмотрим эти процессы подробнее. Кванты света улавливаются светособирающими комплексами фотосистемы I — молекула хлорофилла в составе светособирающего комплекса переходит в возбуждённое состояние, и энергия передаётся в реакционный центр фотосистемы I. Происходит возбуждение молекул хлорофилла фотосистемы I,   отщепляется электрон. Пройдя по цепочке внутренних компонентов фотосистемы I и внешних переносчиков, электрон в конце концов попадает к НАДФ+ — образуется восстановитель НАДФН. Получается, что хлорофилл фотосистемы I отдал электрон и приобрёл положительный заряд, и для дальнейшего функционирования необходимо восстановить нейтральность молекулы, получить электрон, чтобы закрыть «дырку». Этот электрон приходит от фотосистемы II.

На светособирающие комплексы фотосистемы II попадают кванты света — происходит возбуждение молекулы хлорофилла фотосистемы II, молекула хлорофилла отдаёт электрон и переходит в окисленное состояние. Нехватку электрона хлорофилл восполняет благодаря фотолизу воды, при этом образуется протоны H+, а также важный побочный продукт фотосинтеза — кислород. По цепи переносчиков электрон от хлорофилла фотосистемы II попадает к хлорофиллу реакционного центра фотосистемы I и восстанавливает его. Теперь этот хлорофилл может снова поглощать энергию кванта света и отдавать электрон в электрон-транспортную цепь.

Протоны, попадающие во внутритилакоидное пространство, используются для синтеза АТФ. С помощью фермента АТФ-синтазы за счёт градиента протонов образуется АТФ из АДФ и фосфата. Под градиентом понимают неравномерное распределение: во внутритилакоидном пространстве H+ больше, в строме — меньше. Поэтому частицы стремятся проникнуть в строму, переходят в неё через АТФ-синтазу, а в процессе пути сквозь белковый комплекс отдают ему часть энергии, которая и используется для синтеза АТФ. 

Темновая фаза фотосинтеза

Что образуется при фотосинтезе в темновую фазу? В строме хлоропластов с помощью энергии АТФ и восстановителя НАДФН, полученных в световую фазу, образуются простые сахара, из которых в ходе других процессов образуется крахмал. Ферментативные процессы не нуждаются в наличии света. Важнейший процесс, происходящий в темновую фазу фотосинтеза, — фиксация углекислого газа воздуха. Синтез и превращения сахаров в хлоропластах имеют циклический характер и носят название цикл Кальвина.

В нём можно выделить три этапа:

  1. Фаза карбоксилирования (введение CO2 в цикл).
  2. Фаза восстановления (используются АТФ и НАДФН, полученные в световую фазу).
  3. Фаза регенерации (превращения сахаров).

В строме хлоропластов находится производное простого пятиуглеродного сахара рибозы. С помощью особого фермента (Рубиско) к производному рибозы присоединяется CO2 (реакция карбоксилирования) — образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое быстро распадается на две трехуглеродные молекулы. Дальше, с затратой АТФ и НАДФН, полученных в ходе световых процессов, трехуглеродное соединение модифицируется — образуется восстановленное соединение с атомом фосфора и альдегидной группой в составе. Теперь перед клеткой стоит проблема: необходимо получить шестиуглеродное соединение — глюкозу для синтеза крахмала, а также пятиуглеродное — производное рибозы для того, чтобы эти процессы могли начаться заново. Для решения этих проблем в фазу регенерации из полученных ранее трехуглеродных соединений под действием ферментов образуются четырёх-, пяти-, шести- и семиуглеродные сахара. Из шестиуглеродной молекулы образуется глюкоза, из которой синтезируется крахмал. Из пятиуглеродной молекулы образуется производное рибозы и цикл замыкается. Остальные сахара также используются клеткой в других биохимических процессах.

Отдельно стоит сказать про крайне важный фермент первой фазы цикла Кальвина — рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазу (Рубиско). Это сложный фермент, состоящий из 16 субъединиц, с молекулярной массой в 8 раз больше, чем у гемоглобина. Является одним из важнейших ферментов в природе, поскольку играет центральную роль в основном механизме поступления неорганического углерода (из CO2) в биологический круговорот. Содержание Рубиско в листьях растений очень велико, он считается самым распространённым ферментом на Земле. 

Рис.3. Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза.

Значение фотосинтеза

В процессе фотосинтеза энергия света заключается в энергию химических связей органических веществ. Поэтому фотосинтез служит первичным источником почти всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Практически все живые организмы, за исключением хемосинтетиков, так или иначе пользуются теми продуктами, что выделяются при фотосинтезе.

За счёт фотосинтеза сформировалась и поддерживается пригодная для дыхания атмосфера с высоким содержанием кислорода. 

Фиксация углекислого газа в ходе фотосинтеза служит главным местом входа неорганического углерода в биогеохимический цикл. Также ассимиляция CO2 препятствует перегреву Земли, предотвращая парниковый эффект.

Заключение

Каждый год на нашей планете благодаря фотосинтезу производится около 200 миллиардов тонн кислорода, из которого образуется озоновый слой, защищающий от ультрафиолетовой радиации. Фотосинтез помогает поддерживать состав атмосферы и препятствует увеличению количества углекислого газа. Без растений и кислорода, который они выделяют в процессе фотосинтеза, жизнь на нашей планете была бы просто невозможна.

Хлорофилл спектры поглощения — Справочник химика 21












    ЛИШЬ при действии довольно жесткого ультрафиолетового излучения с длиной волны меньше 300 нм. Наоборот, вещества, которые могут поглощать световую энергию, окрашены. Например, хлорофилл— сложная органическая молекула, ответственная за поглощение света при фотосинтезе, имеет ярко-зеленую окраску, что соответствует поглощению света в видимой области. На рис. 1.07 представлен спектр поглощения хлорофилла. [c.369]

    Б которых влажное не смешивается с солнечными лучами, остаются белыми , — писал он. Как было установлено классическими исследованиями К. А. Тимирязева (1843—1920), процесс фотосинтеза протекает под воздействием содержащегося в зеленых частях растений сложного органического вещества — хлорофилла, спектр поглощения которого показан на рис. Х-41. [c.575]

    Измерения величины У/Уо в монохроматическом свете при различных длинах волн X и одинаковой концентрации раствора с и толщине слоя / позволяют выразить зависимость коэффициента г от X в виде спектральных кривых поглощения, характерных для каждого вещества. В качестве примера на рис. 20 приведены спектры поглощения хлорофиллов айв [c.59]

    Каков бы ни был характер совершающихся реакций, ясно, что одни из них должны протекать на поверхности раздела фаз вода — хлорофилл, а другие—на границе белок — липид. Восстановительная функция п окислительная функция должны быть пространственно разделены во избежание потерь трансформированной световой энергии. Кроме того, необходимо, чтобы световая энергия, поглощенная относительно большим числом молекул пигмента, могла быть использована одной химически активной системой. Опыты с импульсным освещением (очень короткие вспышки света с достаточно длительными интервалами темноты) показали, что поглощающая энергию единица состоит из 250 молекул хлорофилла. Спектр поглощения свидетельствует об относительно малой упорядоченности слоя хлорофилла в хлоропласте. Неупорядоченность монослоя хлорофилла свидетельствует как будто бы против полупроводникового механизма передачи энергии при фотосинтезе. [c.326]

    Спектр поглощения хлорофилла а в органических растворителях имеет два основных и два второстепенных пика. Один из основных пиков располагается в голубой и ближней УФ-об-ластях спектра, а другой — в красной. У фотосинтезирующих организмов помимо хлорофилла а обычно содержатся один или [c.230]

    Сопоставим спектры поглощения хлорофилла а и b, с одной стороны, с ИК-спектрами исследованных веществ — участников процесса фотосинтеза — с другой. [c.145]

    Рис. х-41. Спектр поглощения хлорофилла. [c.575]

    Нередко электронное возбуждение одного хромофора вызывает флуоресценцию другого хромофора, расположенного поблизости. Так, например, возбуждение молекул красителя, образующих монослой, приводит к флуоресценции слоя другого красителя, находящегося от первого на расстоянии 5 нм. Возбуждение остатков тирозина в белках может вызвать флуоресценцию триптофана, а возбуждение триптофана— флуоресценцию красителя, связанного с поверхностью молекулы белка, или флуоресценцию связанного кофермента [57]. Такого рода резонансный перенос энергии характерен для тех случаев, когда спектр флуоресценции одной молекулы перекрывается со спектром поглощения другой. При этом реального испускания и поглощения света не происходит, а имеет место безызлучательный перенос энергии. Резонансный перенос энергии имеет большое биологическое значение для фотосинтеза. Поскольку молекула с е = 3-10 при воздействии прямого солнечного света поглощает около 12 квантов света в секунду, моно-молекулярный слой хлорофилла будет поглощать всего 1 % общего числа квантов, падающих на поверхность листа [63]. По этой причине молекулы хлорофилла располагаются в виде многочисленных тонких слоев внутри хлоропластов. Однако непосредственно в реакционных центрах, где идут фотохимические процессы, находится лишь небольшое число специализированных молекул хлорофилла. Остальные молекулы поглощают свет и передают энергию в реакционный центр небольшими порциями. [c.31]

    Пигментные наборы фотосинтезирующих эубактерий позволяют им использовать весь диапазон длин волн падающей на Землю солнечной энергии (рис. 71 см. рис. 35). Обращает внимание большое различие в спектрах поглощения у представителей разных групп фотосинтезирующих организмов и прежде всего существенные сдвиги в максимумах поглощения хлорофиллов в красной области спектра. Несомненно экологическое значение этого явления, позволяющего избегать конкуренции за свет между разными группами фотосинтезирующих организмов. Что же касается эволюции спектров поглощения хлорофиллов, то очевидна тенденция к перемещению в более коротковолновую часть спектра с более высоким энергетическим уровнем. [c.272]










    В фотосинтезирующих клетках высших растений всегда присутствуют хлорофиллы двух типов. Один из них-это хлорофилл а, а второй представлен у многих видов хлорофиллом Ь, отличающимся от хлорофилла а тем, что вместо метильной группы при кольце II в нем содержится альдегидная группа (рис. 23-8). Хлорофиллы аиЬ могут быть выделены в чистом виде из экстрактов листьев хроматографическими методами. Хотя оба они окрашены в зеленый цвет, но их спектры поглощения слегка различаются. У большей части высших растений количество хлорофилла а примерно вдвое превышает количество хлорофилла Ь. [c.691]

    Подобно хлорофиллу, спектры поглощения гема и гемопротеинов характеризуются интенсивными полосами Соре в районе 400 нм, а также другими интенсивными пиками поглощения между 500 и 600 нм. Максимумы поглощения деаокси-гемоглобина ( — 425 и 560 нм) и оксигемоглобина ( — 414, 543 и 578 нм) различны и очень характерны (рис. 5.11). Гемоглобин [c.174]

    Данные о наличии в ископаемых отложениях самих биохромов очень незначительны, и относятся они, в основном, к растительным пигментам. Еще в прошлом веке на страницах естественнонаучной литературы встречались заметки об обнаружении ископаемого хлорофилла . Значительное внимание этому вопросу уделили Исаченко и Любименко 5. в качестве источника ископаемого хлорофилла ими были использованы сапропе-ли (органические илы), которые состоят преимущественно из органических остатков водных организмов, в том числе водорослей. Исследования спиртовых вытяжек из отложений сапро-пелей третичного, ледникового и современного периодов обнаружили очень сходные с хлорофиллом спектры поглощения и флуоресценцию. По мнению Любименко, хорошее сохранение органических соединений в морских и других отложениях, насчитывающих сотни, тысячи и миллионы лет, объясняется теми благоприятными условиями (отсутствие кислорода и света, наличие низкой температуры около 0° С и др.), которые создаются на больших глубинах под водой. [c.195]

    Общий для всей группы окисленных каротиноидов термин ксантофилл относится также к основному представителю, называемому еще иначе л ю те и н о м (л юте о л С40Н56О2). Это постоянный спутник р-каротина и хлорофилла. Спектр поглощения лютеина (450 и 481 км) близок к спектру а-каротина (макси- [c.117]

    В вопросе о происхождении азотистых соединений имеет большое значение наличие в нефтях и ее природных производных соединений типа гемина и хлорофилла (порфирины). Они были обнаружены Трейбсом по характерным спектрам поглощения спиртовых г.ытяжек из нефтей. Растворы порфирина показывают четыре ясные полосы поглощения в видимой части спектра и одну — в ультрафиолетовой. Порфирины образуют комплексные соединения с металлами, что вызйвает появление новых полос [c.164]

    Обратите внимание на то, что для образования одного моля сахара СбН120б должно быть поглощено и использовано 48 молей фотонов. Необходимая для этого энергия излучения поступает из видимой части солнечного спектра (см. рис. 5.3 ч. 1). Фотоны поглощаются фотосинтетическими пигментами в листьях растений. К важнейшим из этих пигментов относятся хлорофиллы структура наиболее распространенного хлорофилла, так называемого хлорофилла-а , показана на рис. 25.1. Хлорофилл представляет собой координационное соединение. Он содержит ион связанный с четырьмя атомами азота, которые расположены вокруг него по вершинам квадрата в одной плоскости с металлом. Атомы азота входят в состав порфиринового цикла (см. разд. 23.2). Следует обратить внимание на то, что в окружающем ион металла цикле имеется ряд двойных связей, чередующихся с простыми связями. Благодаря такой системе чередующихся, или сопряженных, двойных связей хлорофилл способен сильно поглощать видимый свет. На рис. 25.2 показано соотношение между спектром поглощения хлорофилла и спектральным распределением солнечной энергии у поверхности Земли. Зеленый цвет хлорофилла обусловлен тем, что он поглощает красный свет (максимум поглощения при 655 нм) и синий свет (максимум поглоще- [c.442]

    Как видно из рис. 8.9, максимум длинноволнового спектра поглощения хлорофилла в хлоропластах сдвинут в красную область по сравнению с максимумом хлорофилла в растворе. Этот эффект частично может быть объяснен комплексообразо-ванием молекул хлорофилла с белками. При более детальном изучении спектров поглощения хлоропластов удается различить по крайней мере две спектральные формы хлорофилла, которые, возможно, обусловлены комплексообразованием хлорофилла а с различными белками или мономерами и димерами хлорофилла. Эти две спектральные формы хлорофилла приписывают пигментным системам I и II, или фотосистемам I и II (ФС I и ФСП), фотохимические реакционные центры которых имеют характерные полосы поглощения с максимумами при700 и 680 нм соответственно (обозначаются как Р оо и Резо). Возможно, более коротковолновый спектр поглощения ФС II по сравнению со спектром ФС I связан с наличием вспомогательных пигментов (например, хлорофилла Ь у зеленых растений). Однако флуоресцентные исследования показывают, что энергия [c.233]

    Поскольку хлорофиллы легко и полностью экстрагируются мягкими растворителями [81], можно подумать, что они попросту растворены в липидном компоненте мембран. Однако в спектре поглощения хлорофилла в листьях присутствуют полосы, сдвинутые в красную сторону относительно их положения в спектре хлорофилла а в ацетоне, причем величина сдвига достигает 900 см . В большинстве зеленых растений хлорофилл имеет по меньшей мере четыре основные полосы с Ятах = 662 нм (15 120 см->), 670 нм (14940 см ), 677 нм (14770 см ) и ооЗ нм (14 630 СМ ) [82]. Иногда наблюдаются также минорные поло-с Vmax = l4 420 и 14 230 СМ (рис. 13-20). Отсюда можно сделать вывод, что молекулы хлорофилла внутри мембран находятся в разном окружении. В результате спектр поглощения становится шире, опособ-ртвуя более эффективному улавливанию света. Считается, что в реак- онных центрах тоже имеется хлорофилл в фотосинтезирующей сис- ме I он поглощает при 700 нм (14290 см ), а в фотосистеме II — 682 нм (14 660 см- ). [c.41]

    РИС. 13-21. Спектры поглощения хлорофиллов и вспомогательных пигментов [Govindjee G, and R., Sei, Am,, 231, 68—82 (De , 1974)], [c.43]

    Фотосинтезирующие бактерии способны использовать не только ввдимое, но и ближнее ИК излучение (до 1000 нм) в соответствии со спектрами поглощения преобладающих в них пигментов — бактериохлорофиллов. Бактериальный Ф. не имеет существенного значения в глобальном запасании солнечной энергаи, но важен для понимания общих механизмов Ф. Кроме того, локально бескислородный Ф. может вносить существенный вклад в суммарную продуктивность планкгона. Так, в Черном море кол-во хлорофилла и бактериохлорофил-ла в столбе воды в ряде мест приблизительно одинаково. [c.176]

    Историческая справка. Ок. 1770 Дж. Пристли обнаружил, что растения вьщеляют О . В 1779 Я. Ингенхауз установил, что для этого необходим свет и что О2 вьщеляют только зеленые части растений. Ж. Сенебье в 1782 показал, что для питания растений требуется СО2 в нач. 19 в. Н. Соссюр, исходя из закона сохранения массы, подтвердил, что большая часть массы растений создается из СО и воды. В 1817 П. Пельтье и Ж. Каванту вьщелили зеленый пигмент хлорофилл. Позже К.А. Тимирязев показал близость спектра действия Ф. и спектра поглощения хлорофилла. Ю. Сакс в сер. 19 в., повидимому, первым осознал, что этот продукт накапливается в хлоропластах, а Т.В. Энгельман доказал, что именно там же вьщеляется и О2. [c.179]

    Изучению прочности взаимодействия воды с хлорофиллом, выявлению места такого взаимодействия, выяснению влияния связанной воды на спектральные свойства пигмента посвящена работа [352]. Для рассмотрения этих вопросов авторы использовали спектры поглощения в инфракрасной и видимой областях, спектры флуоресценции. Качественно установлено, что связанная вода в хлорофилле а VL Ь имеет различную прочность. Место возможного взаимодействия хлорофилла а с водой — атомы кислорода циклопентанонного кольца. [c.139]

    Спектры поглощения хлорофиллов а и Ь в диэтиловом эфире приведены на рис. 5.3. Полосы Соре расположены при 430 и 455 нм соответственно, а наибольшие длины волн а-полос поглощения составляют 662 и 641 нм соответственно. Главные свойства спектров хлорофиллов ud (рис. 5.4), а также хло-робиум-хлорофиллов (рис. 5.5) сходны со свойствами спектров хлорофиллов а и Ь, однако максимумы поглощения их спектров различаются. [c.163]

    Спектр поглощения СЫ а имеет сложную полосу в красной области. Это заставляет думать о нескольких формах хлорофилла. Установлено наличие двух форл1 — СЫ а и СЫ Ь. Красная полоса поглощения смещается, когда листья растения, выросшего [c.451]

    Различия в структуре молекул хлорофилла приводят к тому, что каждый из них обладает уникальным спектром поглощения. Первичным пигментом считается хлорофилл а, поскольку он присутствует в большем количестве, чем хлорофилл Ь. Внутри группы молекул хлорофилла а есть различия в светопог-лощении молекул, которые определяются конкретным микроокружением в липопротеиновом слое мембраны тилакоидов. Существуют достоверные данные о наличии двух специализированных видов молекул хлорофилла а, максимумы поглощения которых соответствуют 680 и 700 нм. [c.212]

    Расчет по уравнению (27) с использаванием экспериментальных измерений спектра поглощения показывает, что численное значение силы осциллятора ряда интенсивно окрашенных красителей приблизительно равно 1. Так, по интегральной площади спектра поглощения в видимой области для фуксина е равно 1,16 для цианина 0,90 для роданина 0,72 для метиленового синего 0,60 и т. д. интереано, что для хлорофилла сила осциллятора не очень велика =0,2. Как видно из приведенных примеров, для многих красителей величина осциллирующего заряда системы цепи сопряжения приблизительно эквивалентна одному осциллирующему электрону. Для многих слабо окрашенных комплексов, в соответствии со значениями е, сила осциллятора эквивалентна всего 0,01—0,001 электрона. [c.41]

    Магнитные методы обнаружения свободных радикалов. Методом электронной спектроскопии нельзя получить прямых доказательств существования свободных радикалов. Однако благодаря свойству парамагнетизма свободных радикалов их можно обнаружить путем определения магнитной восприимчивости и с помощью еще более эффективного метода электронного парамагнитного резонанса. Измерения ЭПР позволяют не только установить присутствие свободных радикалов в системах, для которых могут быть получены электронные спектры поглощения, но и в таких системах, электронные спектры которых трудно интерпретировать (например, сидно-ны) или даже зарегистрировать (например, алифатические свободные радикалы). Проведенное исследование кристаллического хлорофилла и этил-хлорофиллида также продемонстрировало эффективность применения ЭПР в фотохимии твердого состояния органических веществ [81. Этим методом удалось показать, что для активации дублетного состояния (т. е. радикального состояния, в котором спины неспаренных электронов нескоррелиро-ваны) требуется вода или такой акцептор электронов, как хинон, и что удаление воды приводит к ускорению распада этого состояния. [c.299]

    Фото-э. д. с. у окиси цинка, зависящая от давления кислорода и следов паров хинона в окружающей атмосфере, в такой же степени может быть повышена добавкой органических веществ, например хлорофилла или фталоцианина магния. Пуцейко [122] связывает такую сенсибилизацию с тем, что хлорофилл поглощает энергию, освобождая при этом электрон из кислородной ловушки, и этот электрон может, таким образом, проникать в зону проводимости. Спектральная чувствительность соответствует спектру поглощения. [c.708]

    Благодаря фотосинтетическим пигментам достаточно густые суспензии фототрофных бактерий имеют зеленую, сине-зеленую, пурпурно-фиоле-товую, крйсную, коричневую или розовую окраску. Цвет зависит от природы и количественного соотношения пигментов. Отдельные пигменты можно распознать даже по спектрам поглощения интактных клеток (ри т 12.10). Хлорофиллы, например, ответственны за максимумы поглощения в синей ( областях спектра. Поглощение в области 400-550 нм обусловлено главным образом каротиноидами, а у цианобактерий в области 550-650 нм-фикобилипротеинами. [c.375]


Институт структуры и динамики вещества Макса Планка

Световые комбайны для фотосинтеза растений более голубые, чем мы думаем

В недавней публикации в журнале Angewandte Chemie International Edition группа исследователей, включая Анхеля Рубио, директора теоретического отдела Института структуры и динамики материи Макса Планка, разработала метод, позволяющий измерять цвет пигменты хлорофилла вне их клеточной среды.Эта работа может проложить путь к лучшему пониманию фотосинтеза, что потенциально может привести к разработке более эффективных фотоэлектрических устройств.

Большинство листьев бывает зеленого цвета различных оттенков. Это связано с пигментами, называемыми хлорофиллом. Название происходит от греческих слов chloros (зеленый) и phyllon (лист). В природе существует шесть типов хлорофилла. Двумя основными типами растений являются хлорофилл a и хлорофилл b .

Спектры поглощения пигментов хлорофилла a и b в диапазоне видимого света, измеренные в растворителе. Оба типа практически не поглощают зеленый свет.

© Wikimedia Commons / Даниэле Пуглиси, M0tty

Спектры поглощения пигментов хлорофилла a и b в диапазоне видимого света, измеренные в растворителе. Оба типа практически не поглощают зеленый свет.

© Wikimedia Commons / Даниэле Пуглиси, M0tty

Хлорофилл a больше всего поглощает фиолетовый и оранжевый свет. Хлорофилл b поглощает в основном синий и желтый свет. Они оба также поглощают свет других длин волн с меньшей интенсивностью. Однако ни один из них не поглощает зеленый цвет, поэтому лист выглядит зеленым, потому что этот свет отражается в наши глаза, а не поглощается листом. Поскольку в листьях нет других сильных пигментов, это все.

Молекулы хлорофилла имеют форму кольца на одном конце, называемого порфирином, с ионом магния в центре. Если отварить лист в воде, этот ион магния заменяется ионом водорода, то есть протоном, и цвет меняется с ярко-зеленого на тусклый цвет пережаренной брокколи. Небольшое изменение молекулярной структуры приводит к изменению оптического поведения. Кроме того, хлорофилл a и b различаются только заместителем порфирина, для хлорофилла a это метильная группа (-CH 3 ), а для хлорофилла b это альдегидная группа (-CHO ) в позиции C7, но этого достаточно, чтобы существенно изменить спектр поглощения молекулы.

Молекулярные структуры хлорофилла a ( слева, ) и b ( справа, ). Они различаются только заместителем в порфириновом кольце.

Молекулярные структуры хлорофилла a ( слева, ) и b ( справа, ). Они различаются только заместителем в порфириновом кольце.

Фотосинтетические пигменты хлорофилла присутствуют не только в клетках листьев; они обычно находятся в белковом кармане. Именно это взаимодействие с окружающей микросредой настраивает хлорофиллы так, чтобы они покрывали как можно большую часть видимого спектра.Чтобы узнать, насколько эта микросреда влияет на видимый цвет, нам сначала нужно знать, каков истинный цвет хлорофилла. Это очень важно, если мы когда-либо собираемся понять, как работает фотосинтез, и хотим ли мы использовать эти знания для создания действительно эффективных фотоэлектрических устройств.

Однако ответить на этот вопрос непросто. Вы можете подумать, что это так же просто, как приготовить раствор хлорофилла и использовать спектрометр, чтобы получить ответ. Это уже было сделано с разными растворителями.Проблема с этим методом заключается в том, что эти растворители влияют на электронную структуру молекулы хлорофилла, а именно на электронное облако у порфирина, изменяя тем самым его оптическое поведение. Теперь Анхель Рубио и его коллеги разработали метод измерения истинного цвета хлорофилла в отсутствие возмущений со стороны окружающей среды.

Метод заключается в маркировке молекул хлорофилла a и b тремя различными катионами аммония — i.е. положительно заряженные ионы — без подвижных протонов, так что в каждом случае известно расстояние между хлорофиллом и электрическим зарядом. Затем растворенные смеси хлорофилла и меток электрораспыляются в вакууме в спектрометре. Возбуждение молекул лазерным светом приводит к диссоциации хлорофиллов и меток, что позволяет измерять спектры хлорофилла для различных катионов.

Спектры, полученные исследователями с помощью этого метода, показывают незначительную зависимость от природы катиона метки.Это означало бы, что катионы находятся достаточно далеко от порфирина, который придает свои оптические свойства хлорофиллам. Эта возможность была подтверждена с помощью расчетов ab initio : результаты показали, что метка оказывает минимальное влияние на энергию возбуждения и, следовательно, на длины волн, поглощаемые молекулами хлорофилла; сдвиг длин волн поглощения фактически составляет менее 10 нанометров (нм).

Итак, каков настоящий цвет хлорофиллов? В случае хлорофилла a максимальное поглощение в красной области составляет 642 нм, а в синей области — 372 нм; для хлорофилла b значения составляют 626 нм и 392 нм соответственно.Это означает, что окружающая среда сдвигает в красную область спектры поглощения хлорофилла в растительных клетках или, другими словами, пигменты хлорофилла более голубые, чем мы думаем.

Введение в фотосинтез

Прохождение белого света через призму разделяет свет на
разные длины волн, выглядящие как радуга цветов. В
порядок цветов определяется длиной волны света. Для
видимый свет, красный имеет самую длинную волну, а фиолетовый —
самая короткая длина волны.Однако видимый свет — это всего лишь небольшой
часть электромагнитного спектра. Энергия обратно пропорциональна
пропорционально длине волны — более длинные волны имеют
меньше энергии, чем у более коротких волн. Например, УФ-свет
имеет более короткую длину волны и большую энергию, чем видимый свет.

Пигмент — это любое вещество, поглощающее свет.
Цвет пигмента зависит от длины волны света.
которые отражаются, или, другими словами, те длины волн, которые не
впитывается.Хлорофилл, зеленый пигмент, характерный для всех фотосинтетических организмов.
клетки, поглощают все длины волн видимого света, кроме зеленого,
который он отражает. Вот почему растения кажутся нам зелеными.
Черные пигменты поглощают все длины волн видимого света,
ударить их. Белые пигменты отражают большинство длин волн
поражая их.

Каждый пигмент имеет характерный спектр поглощения, описывающий
как он поглощает или отражает световые волны различной длины.Длины волн, поглощаемые хлорофиллом и другими фотосинтезирующими
пигменты генерируют электроны для фотосинтеза. Все фотосинтетические
У организмов есть хлорофилл , который поглощает фиолетово-синий цвет.
и красноватые оранжево-красные длины волн. Хлорофилл a отражает
зеленые и желто-зеленые длины волн.

Вспомогательные фотосинтетические пигменты, включая хлорофилл
b и бета-каротин, поглощают энергию, которую хлорофилл
а не поглощает.Хлорофилл вызывает только химическое вещество
реакция, когда она связана с белками, встроенными в
мембрана, такая как тилакоидные мембраны хлоропласта
или складки мембран, обнаруженные у фотосинтезирующих прокариот.

Спектр света | Биология для майоров I

Результаты обучения

  • Опишите видимый и электромагнитный спектры света применительно к фотосинтезу

Как можно использовать свет для приготовления пищи? Когда человек включает лампу, электрическая энергия становится световой.Как и все другие формы кинетической энергии, свет может перемещаться, изменять форму и использоваться для работы. В случае фотосинтеза энергия света преобразуется в химическую энергию, которую фотоавтотрофы используют для создания молекул углеводов. Однако автотрофы используют только несколько определенных компонентов солнечного света.

Что такое световая энергия?

Солнце испускает огромное количество электромагнитного излучения (солнечной энергии). Люди могут видеть только часть этой энергии, поэтому эта часть называется «видимым светом».«Путь, которым движется солнечная энергия, описывается как волны. Ученые могут определить количество энергии волны, измерив ее длину волны, расстояние между последовательными точками волны. Одиночная волна измеряется от двух последовательных точек, например, от гребня к гребню или от впадины к впадине (Рисунок 1).

Рис. 1. Длина волны одиночной волны — это расстояние между двумя последовательными точками схожего положения (два гребня или две впадины) вдоль волны.

Видимый свет представляет собой только один из многих типов электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем и другими звездами.Ученые различают различные типы лучистой энергии Солнца в пределах электромагнитного спектра. Электромагнитный спектр — это диапазон всех возможных частот излучения (рисунок 2). Разница между длинами волн связана с количеством переносимой ими энергии.

Рис. 2. Солнце излучает энергию в виде электромагнитного излучения. Это излучение существует на разных длинах волн, каждая из которых имеет свою характерную энергию. Все электромагнитное излучение, включая видимый свет, характеризуется длиной волны.

Каждый тип электромагнитного излучения распространяется на определенной длине волны. Чем больше длина волны (или чем больше она появляется на диаграмме), тем меньше энергии переносится. Короткие, плотные волны несут наибольшую энергию. Это может показаться нелогичным, но представьте себе это как кусок тяжелой веревки. Человеку не нужно прилагать особых усилий, чтобы переместить веревку длинными широкими волнами. Чтобы веревка двигалась короткими тугими волнами, человеку нужно приложить значительно больше энергии.

Электромагнитный спектр (рис. 2) показывает несколько типов электромагнитного излучения, исходящего от солнца, включая рентгеновские лучи и ультрафиолетовые (УФ) лучи.Волны более высокой энергии могут проникать в ткани и повреждать клетки и ДНК, что объясняет, почему и рентгеновские лучи, и ультрафиолетовые лучи могут быть вредными для живых организмов.

Поглощение света

Энергия света запускает процесс фотосинтеза, когда пигменты поглощают свет. Органические пигменты, будь то сетчатка глаза человека или тилакоид хлоропластов, имеют узкий диапазон уровней энергии, которые они могут поглощать. Уровни энергии ниже, чем те, которые представлены красным светом, недостаточны для поднятия орбитального электрона в населенное возбужденное (квантовое) состояние.Уровни энергии выше, чем в синем свете, физически разрывают молекулы на части, что называется обесцвечиванием. Таким образом, пигменты сетчатки могут «видеть» (поглощать) свет от 700 до 400 нм, который поэтому называется видимым светом. По тем же причинам молекулы пигментов растений поглощают только свет в диапазоне длин волн от 700 до 400 нм; физиологи растений называют этот диапазон для растений фотосинтетически активным излучением.

Видимый свет, который люди воспринимают как белый свет, на самом деле существует в радуге цветов.Некоторые объекты, такие как призма или капля воды, рассеивают белый свет, открывая цвета человеческому глазу. Часть видимого света электромагнитного спектра представляет собой радугу цветов, при этом фиолетовый и синий имеют более короткие длины волн и, следовательно, более высокую энергию. На другом конце спектра, ближе к красному, волны длиннее и имеют меньшую энергию (рис. 3).

Рис. 3. Цвета видимого света не несут такое же количество энергии. Фиолетовый имеет самую короткую длину волны и поэтому несет больше всего энергии, тогда как красный имеет самую длинную длину волны и несет наименьшее количество энергии.(кредит: модификация работы НАСА)

Общие сведения о пигментах

Существуют различные виды пигментов, каждый из которых эволюционировал, чтобы поглощать только определенные длины волн (цвета) видимого света. Пигменты отражают или пропускают длины волн, которые они не могут поглотить, благодаря чему они имеют соответствующий цвет.

Хлорофиллы и каротиноиды — два основных класса фотосинтетических пигментов, обнаруженных в растениях и водорослях; каждый класс имеет несколько типов молекул пигмента. Существует пять основных хлорофиллов: a , b , c и d и родственная молекула, обнаруженная в прокариотах, называемая бактериохлорофиллом. Хлорофилл a и хлорофилл b находятся в хлоропластах высших растений и будут предметом следующего обсуждения.

Каротиноиды, имеющие множество различных форм, представляют собой гораздо большую группу пигментов. Каротиноиды, содержащиеся во фруктах, такие как красный цвет томата (ликопин), желтый цвет семян кукурузы (зеаксантин) или апельсин апельсиновой корки (β-каротин), используются в качестве рекламы для привлечения распространителей семян.При фотосинтезе
каротиноиды действуют как фотосинтетические пигменты, которые являются очень эффективными молекулами для утилизации избыточной энергии. Когда лист подвергается воздействию полного солнца, для обработки огромного количества энергии требуются светозависимые реакции; если с этой энергией не обращаться должным образом, она может нанести значительный ущерб. Следовательно, многие каротиноиды находятся в тилакоидной мембране, поглощают избыточную энергию и безопасно рассеивают эту энергию в виде тепла.

Каждый тип пигмента можно идентифицировать по определенному спектру длин волн, который он поглощает из видимого света, который представляет собой спектр поглощения .График на Рисунке 4 показывает спектры поглощения для хлорофилла a , хлорофилла b и типа каротиноидного пигмента, называемого β-каротином (который поглощает синий и зеленый свет). Обратите внимание на то, как каждый пигмент имеет свой набор пиков и впадин, что свидетельствует о весьма специфической структуре поглощения. Хлорофилл a поглощает длины волн с обоих концов видимого спектра (синий и красный), но не зеленого цвета. Поскольку зеленый цвет отражается или передается, хлорофилл кажется зеленым.Каротиноиды поглощают в коротковолновой синей области и отражают более длинные волны желтого, красного и оранжевого цветов.

Рис. 4. (a) Хлорофилл a, (b) хлорофилл b и (c) β-каротин — это гидрофобные органические пигменты, обнаруженные в тилакоидной мембране. Хлорофиллы a и b, которые идентичны, за исключением части, указанной в красном поле, отвечают за зеленый цвет листьев. β-каротин отвечает за оранжевый цвет моркови. Каждый пигмент имеет (г) уникальный спектр поглощения.

Рис. 5. Растения, которые обычно растут в тени, адаптировались к низким уровням света за счет изменения относительной концентрации пигментов хлорофилла. (кредит: Джейсон Холлингер)

Многие фотосинтезирующие организмы имеют смесь пигментов; с их помощью организм может поглощать энергию более широкого диапазона длин волн. Не все фотосинтезирующие организмы имеют полный доступ к солнечному свету. Некоторые организмы растут под водой, где интенсивность и качество света уменьшаются и меняются с глубиной.Другие организмы растут в конкуренции за свет. Растения на полу тропического леса должны поглощать любой проникающий свет, потому что более высокие деревья поглощают большую часть солнечного света и рассеивают оставшееся солнечное излучение (рис. 5).

При изучении фотосинтезирующих организмов ученые могут определять типы присутствующих пигментов, генерируя спектры поглощения. Прибор, называемый спектрофотометром , может различать световые волны с длиной волны, которые может поглощать вещество.Спектрофотометры измеряют проходящий свет и вычисляют по нему поглощение. Извлекая пигменты из листьев и помещая эти образцы в спектрофотометр, ученые могут определить, какие длины волн света может поглощать организм. Дополнительные методы идентификации растительных пигментов включают различные типы хроматографии, которые разделяют пигменты по их относительному сродству к твердой и подвижной фазам.

Внесите свой вклад!

У вас была идея улучшить этот контент? Нам очень понравится ваш вклад.

Улучшить эту страницуПодробнее

8.2B: Поглощение света — Биология LibreTexts

Пигменты, такие как хлорофилл и каротиноиды, поглощают и отражают свет в определенной области электромагнитного спектра.

Цели обучения

  • Различать хлорофилл и каротиноиды.

Ключевые моменты

  • Молекулы растительных пигментов поглощают только свет в диапазоне длин волн от 700 до 400 нм; этот диапазон называется фотосинтетически активным излучением.
  • Фиолетовый и синий имеют самую короткую длину волны и наибольшую энергию, тогда как красный цвет имеет наибольшую длину волны и несет наименьшее количество энергии.
  • Пигменты отражают или пропускают длины волн, которые они не могут поглотить, благодаря чему они имеют соответствующий цвет.
  • Хорофиллы и каротиноиды — основные пигменты растений; в то время как каротиноидов десятки, важных хорофиллов всего пять: a , b , c , d, и бактериохлорофилл.
  • Хлорофилл a поглощает свет в сине-фиолетовой области, хлорофилл b поглощает красно-синий свет, и оба a и b отражают зеленый свет (поэтому хлорофилл выглядит зеленым).
  • Каротиноиды поглощают свет в сине-зеленой и фиолетовой областях и отражают более длинные волны желтого, красного и оранжевого цветов; эти пигменты также выводят из клетки избыточную энергию.

Ключевые термины

  • хлорофилл : Любой из группы зеленых пигментов, обнаруженных в хлоропластах растений и в других фотосинтезирующих организмах, таких как цианобактерии.
  • каротиноид : Любой из класса растительных пигментов от желтого до красного, включая каротины и ксантофиллы.
  • спектрофотометр : прибор, используемый для измерения интенсивности электромагнитного излучения на разных длинах волн.

Поглощение света

Энергия света запускает процесс фотосинтеза, когда пигменты поглощают свет. Органические пигменты имеют узкий диапазон уровней энергии, которые они могут поглощать.Уровни энергии ниже, чем те, которые представлены красным светом, недостаточны для поднятия орбитального электрона в возбужденное или квантовое состояние. Уровни энергии выше, чем в синем свете, физически разрывают молекулы на части, этот процесс называется обесцвечиванием. Например, пигменты сетчатки могут «видеть» (поглощать) свет от 700 до 400 нм; это видимый свет. По тем же причинам молекулы растительных пигментов поглощают только свет в диапазоне длин волн от 700 до 400 нм; физиологи растений называют этот диапазон для растений фотосинтетически активным излучением.

Видимый свет, воспринимаемый людьми как белый цвет, на самом деле существует в радуге цветов в электромагнитном спектре, причем фиолетовый и синий имеют более короткие длины волн и, следовательно, более высокую энергию. На другом конце спектра, ближе к красному, волны длиннее и имеют меньшую энергию.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Видимый свет : Цвета видимого света не несут такое же количество энергии. Фиолетовый цвет имеет самую короткую длину волны и, следовательно, несет наибольшую энергию, тогда как красный цвет имеет самую длинную длину волны и несет наименьшее количество энергии.

Общие сведения о пигментах

Существуют различные виды пигментов, каждый из которых эволюционировал, чтобы поглощать только определенные длины волн или цвета видимого света. Пигменты отражают или пропускают длины волн, которые они не могут поглотить, благодаря чему они имеют соответствующий цвет.

Хлорофиллы и каротиноиды — два основных класса фотосинтетических пигментов, обнаруженных в растениях и водорослях; каждый класс имеет несколько типов молекул пигмента. Существует пять основных хлорофиллов: a , b , c и d, вместе со связанной молекулой, обнаруженной в прокариотах, называемой бактериохлорофиллом.

Каротиноиды, имеющие множество различных форм, представляют собой гораздо большую группу пигментов. Каротиноиды, содержащиеся во фруктах, такие как красный цвет томата (ликопин), желтый цвет семян кукурузы (зеаксантин) или апельсин апельсиновой корки (β-каротин), используются для привлечения организмов, рассеивающих семена. При фотосинтезе каротиноиды действуют как фотосинтетические пигменты, которые являются очень эффективными молекулами для утилизации избыточной энергии. Когда лист подвергается воздействию полного солнца, для обработки огромного количества энергии требуются светозависимые реакции; если с этой энергией не обращаться должным образом, она может нанести значительный ущерб.Следовательно, многие каротиноиды накапливаются в тилакоидной мембране для поглощения избыточной энергии и безопасного выделения этой энергии в виде тепла.

Каждый тип пигмента можно идентифицировать по определенному спектру длин волн, который он поглощает из видимого света, то есть по спектру поглощения. Хлорофилл a поглощает свет в сине-фиолетовой области, а хлорофилл b поглощает красно-синий свет. Ни a , ни b не поглощают зеленый свет; поскольку зеленый цвет отражается или пропускается, хлорофилл кажется зеленым.Каротиноиды поглощают свет в сине-зеленой и фиолетовой областях и отражают более длинные волны желтого, красного и оранжевого цветов.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Хлорофиллы a и b : (a) хлорофилл a , (b) хлорофилл b и (c) β-каротин — гидрофобные органические пигменты, обнаруженные в тилакоидной мембране. . Хлорофилл a и b , которые идентичны, за исключением части, указанной в красном поле, отвечают за зеленый цвет листьев.β-каротин отвечает за оранжевый цвет моркови. Каждый пигмент имеет (г) уникальный спектр поглощения.

Многие фотосинтезирующие организмы имеют смесь пигментов. Таким образом организмы могут поглощать энергию более широкого диапазона длин волн. Не все фотосинтезирующие организмы имеют полный доступ к солнечному свету. Некоторые организмы растут под водой, где интенсивность и качество света уменьшаются и меняются с глубиной. Другие организмы растут в конкуренции за свет. Растения на полу тропического леса должны поглощать любой проникающий свет, потому что более высокие деревья поглощают большую часть солнечного света и рассеивают оставшееся солнечное излучение

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Пигменты в растениях : Растения, которые обычно растут в тени, адаптировались к низким уровням света за счет изменения относительной концентрации пигментов хлорофилла.

При изучении фотосинтезирующих организмов ученые могут определить типы присутствующих пигментов с помощью спектрофотометра. Эти инструменты могут различать световые волны с длиной волны, которые может поглощать вещество. Спектрофотометры измеряют проходящий свет и вычисляют его поглощение. Извлекая пигменты из листьев и помещая эти образцы в спектрофотометр, ученые могут определить, какие длины волн света может поглощать организм.

Хлорофилл: поглощение световой энергии для фотосинтеза — Видео и стенограмма урока

Фотосинтез создает пищу

Если вы сегодня смотрели на улицу или даже вокруг своего дома, вы, вероятно, видели растение.Деревья, растения в горшках, папоротники, трава, сорняки, цветы, может быть (если вам повезет) некоторые пальмы — на планете много разнообразия растений, на то, чтобы оценить его ежедневно. Также вероятно, что вы не уделили сегодня ни минуты, чтобы поблагодарить растение за то, что оно дает вам прямо сейчас.

В то время как остальным из нас нужно есть, чтобы получить энергию, растения обладают удивительной способностью готовить себе еду, просто впитывая солнечный свет и выпивая воду.Это довольно удивительно, если вдуматься. Растения, а также некоторые бактерии и протисты осуществляют фотосинтез , или процесс, который преобразует энергию солнечного света в пищу. Чтобы получить энергию, необходимую в течение дня, не нужно есть — достаточно солнечного света, углекислого газа и воды! Химическое уравнение фотосинтеза: 6CO2 (или углекислый газ) + 6h3O (или вода) дает C6h22O6 (который представляет собой глюкозу) + 6O2 (или кислород).

Химическое уравнение фотосинтеза

Если вы уже узнали о клеточном дыхании или процессе преобразования пищи в химическую энергию, то эта формула должна показаться вам довольно знакомой.Фактически, фотосинтез — это, по сути, обратное клеточному дыханию. Фотосинтез использует выдыхаемый вами углекислый газ, а также солнечный свет и воду для создания сахаров и вывода кислорода, потому что, как мы все знаем, мы с вами оба ценим использование этого сахара и кислорода для клеточного дыхания. Это то, что сохраняет нам жизнь. Итак, вот люди: это круговорот жизни. Итак, вы сегодня поблагодарили растение за свежий воздух, которым вы дышите?

Процессы клеточного дыхания и фотосинтеза

В этом уроке мы начнем исследовать одного из основных участников этого процесса, который содержится в хлоропластах растений или органеллах, которые являются местом фотосинтеза.Хлоропласты находятся в большинстве клеток листа. И хлоропласты, и сами листья имеют разные оттенки зеленого из-за прекрасного пигмента, который они содержат. Пигмент представляет собой соединение, которое поглощает определенную длину волны видимого света. Хлорофилл — зеленый пигмент, содержащийся в тилакоидных мембранах хлоропластов, который используется в фотосинтезе растений. У бактерий, которые также осуществляют фотосинтез, хлорофиллы находятся в плазматической мембране.

Недавно обнаруженный хлорофилл улавливает инфракрасный свет

Был обнаружен новый вид хлорофилла, улавливающий солнечный свет за пределами красного конца видимого светового спектра.Новый пигмент расширяет известный диапазон света, который используется большинством фотосинтезирующих организмов. Использование силы этого пигмента может привести к появлению водорослей, генерирующих биотопливо, которые будут сверхэффективными, используя большее количество солнечного света, чем считалось возможным.

«Это очень важная новая разработка, и это первый новый тип хлорофилла, обнаруженный в оксигенированном организме за 60 лет», — говорит биолог Роберт Бланкеншип из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.

Новый пигмент, получивший название хлорофилл f, наиболее эффективно поглощает свет на длине волны около 706 нанометров, сразу за пределами красного конца видимого спектра, сообщают исследователи онлайн 19 августа в Science .Такое уникальное поглощение, по-видимому, происходит благодаря химическому оформлению, известному как формильная группа на углероде номер два хлорофилла. Эта химическая настройка, вероятно, позволяет водорослевому организму, который производит хлорофилл f, проводить фотосинтез, живя под другими фотосинтезаторами, которые улавливают весь другой пригодный для использования свет.

«В природе происходит эта очень небольшая модификация пигмента, и затем организм может использовать этот уникальный свет», — говорит молекулярный биолог Мин Чен из Сиднейского университета в Австралии.Чен и ее коллеги определили новый пигмент в экстрактах измельченных строматолитов, узловатых кусков камня и водорослей, которые могут образовываться на мелководье. Образцы были собраны в бассейне Хамелин в Шарк-Бей на западе Австралии, самой разнообразной в мире строматолитовой кладке.

Ранее было известно четыре хлорофилла, производимые растениями и другими фотосинтезирующими организмами, вырабатывающими кислород: a, b, c и d. Хлорофилл а, стандартный зеленый тип, содержится в фотосинтезаторах от водорослей до высших растений.Он поглощает в основном синий свет около 465 нанометров и красный свет около 665 нанометров (он отражает зеленый свет, поэтому растения выглядят зелеными). Хлорофиллы b и c обнаруживаются у меньшего количества организмов и поглощают свет в том же диапазоне, что и хлорофилл a, но с небольшим сдвигом. Хлорофилл d, обнаруженный в особой группе цианобактерий, поглощает больше всего света с длиной волны примерно 697 нанометров, что немного короче, чем поглощение нового хлорофилла.

В то время как некоторые бактерии производят хлорофиллоподобные пигменты, которые поглощают даже более длинные волны света, эти существа не используют свет для расщепления воды — этапа фотосинтеза, на котором образуется кислород.Ученые не думали, что длины волн, поглощаемые хлорофиллом f, также будут иметь достаточную мощность для расщепления воды, но оказалось, что они есть, — говорит Чен.

«Это ставит под сомнение нашу концепцию предела кислородного фотосинтеза», — говорит она.

Находка также может позволить ученым создать водоросли, которые являются более эффективными производителями масла для биотоплива, говорит биолог по водорослям Кришна Нийоги из Калифорнийского университета в Беркли. Микробы, несущие новый хлорофилл, могут поглощать лучи, недоступные большинству микробов.

Еще многое предстоит узнать о новом типе хлорофилла и организмах, которые его производят, — говорит Нийоги. Хлорофилл f был извлечен из измельченных строматолитов вместе с большим количеством хлорофилла a. Неясно, какое существо производило хлорофилл f, но данные указывают на нитчатую цианобактерию. Эта цианобактерия может использовать оба хлорофилла или, возможно, только f.

Изображений: 1) Краснопеременные цианобактерии. / Наука. 2) Строматолиты Shark Bay. / Wikimedia Commons.

См. Также:

Растения используют только некоторые цвета в солнечном спектре

Теперь, когда биологи из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл обнаружили, что растения могут обнаруживать тени, можно задать следующий справедливый вопрос: когда солнечный свет освещает растения, но какую часть спектра солнечного света растения используют для фотосинтеза?

Помните, белый свет состоит из всех цветов спектра. Растения используют часть спектра, которая попадает в видимый диапазон (длина волны 400-700 нм).Это все разные цвета света, которые мы видим. И растения используют все эти цвета для выработки биологической энергии посредством фотосинтеза.

По иронии судьбы, видимый свет составляет около 45 процентов всего солнечного спектра. Это означает, что растения могут использовать только половину солнечной энергии.

Кроме того, цвет света, используемого для фотосинтеза, зависит от пигмента растения. Другими словами, какой бы цвет ни был у растения, это цвет в спектре, который растение отражает, а не поглощает и использует для фотосинтеза.Хлорофилл поглощает все цвета солнечного света, кроме зеленого, поэтому растение кажется зеленым человеческому глазу. Зеленый свет — это то, что отражается.

Хлорофилл использует солнечный свет для производства сахара. Хлорофилл является ключевым веществом в хлоропластах, которые являются центрами производства продуктов питания растительной клетки. Солнечный свет, попадающий на хлоропласты растений, поглощается хлорофиллом, а затем объединяется с углекислым газом и водой с образованием глюкозы или сахара. Затем митохондрии используют сахар, вырабатываемый хлорофиллом, для создания энергии, полезной для растений.В процессе также образуется кислород, что хорошо, потому что растения выделяют его, чтобы мы могли использовать его. Строма, представляющая собой крошечные отверстия на нижней стороне листьев, поглощает углекислый газ, который имеет решающее значение для всего процесса.

Листья медленно теряют хлорофилл в осенние месяцы, потому что деревья прекращают процессы фотосинтеза. Дни становятся короче, а это означает, что солнечного света недостаточно для завершения процесса, и им необходимо экономить энергию. По мере того, как зеленый цвет хлорофилла исчезает, желтые и апельсиновые оттенки, которые были на листьях все это время, становятся видны из-за пищи, хранящейся в листьях.

Удивительно, чего достигают растения, используя только половину полного цветового спектра!

—Фрэнк Графф

Фрэнк Графф — продюсер / репортер телеканала UNC-TV, специализирующийся на еженедельном научном сериале North Carolina Science Now, который выходит в эфир по средам, начиная с августа 2013 года, в рамках программы North Carolina Now на телеканале UNC-TV.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.