Fotosintezė ir kvėpavimas: kaip augalai įgyja ir naudoja anglį

Stebėkite salotą visą parą

Šiltnamyje auganti salota ryte gauna vandens, o dieną – šviesos. Vakare jos lapai gali atrodyti didesni ar standesni. Ar tai į ląsteles patekęs vanduo, naujai susidaręs audinys, ar abu? Norėdami išsiaiškinti, sekite į augalą patenkančią anglį ir augimą palaikančią energiją.

Fotosintezė kuria anglies junginius naudodama pagautą šviesos energiją. Kvėpavimas dalį organinių junginių energijos padaro prieinamą ląstelių darbui. Augantis augalas vykdo abu procesus. Žvelgiant tik į fotosintezę praleidžiamos gyvo augalo palaikymo sąnaudos; žvelgiant tik į šviežią masę praleidžiamas vanduo, galintis pakeisti tariamą dydį.

Bendrų žinių pagrindų įrašai „Deguonį išskirianti fotosintezė“ ir „Aerobinis ląstelinis kvėpavimas“ paaiškina principus. Čia juos naudojame kultūros paros anglies apskaitai suprasti, nesimokydami atmintinai kiekvienos biocheminės reakcijos.

Fotosintezė pagauna energiją ir fiksuoja anglį

Žaliuose augalo audiniuose chloroplastai turi fotosintezės aparatus. Šviesos sugertis palaiko reakcijas, kurios suteikia cheminės energijos ir redukcinės galios organiniams junginiams iš anglies dioksido kurti. Anglies fiksavimas reiškia anglies iš CO₂ įtraukimą į šiuos junginius. Deguonį išskiriančioje fotosintezėje vanduo tiekia elektronus; išsiskiriantis deguonis kilęs iš vandens, o ne yra atmestas anglies dioksido deguonis.

Pažįstama santrauka – anglies dioksidas ir vanduo, veikiant šviesai, sudaro angliavandenį ir deguonį – reakcijų seką sutraukia į vieną apibūdinimą. Ji nereiškia, kad lapas kiekvieną saulės šviesos akimirką tiesiogiai paverčia nuimama salota. Maži anglies junginiai gali prisidėti prie cukrų susidarymo, o šios medžiagos gali būti pernešamos, kaupiamos ar naudojamos kitoms molekulėms kurti.

CO₂ tiekia anglies atomus; šviesa tiekia energiją. Mineralinės maisto medžiagos palaiko augalo struktūras ir reakcijas, tačiau trąšos negali pakeisti šviesos. Molekulinės detalės lieka biologijos ir žinių pagrindų temose; auginimo klausimas – kaip šie poreikiai dera tarpusavyje.

Kvėpavimas palaiko gyvybines funkcijas dieną ir naktį

Pagaminus cukrų darbas nesibaigia. Augalas turi kurti audinius, palaikyti ląsteles ir pernešti medžiagas per membranas. Ląstelinis kvėpavimas organinių junginių energiją perkelia į šį darbą palaikančias formas, įskaitant ATP – molekulę, kuria ląstelės susieja energijos tiekimą su jos reikalaujančiais procesais. Aerobiniame kvėpavime deguonis yra galutinis elektronų akceptorius, o skaidant anglies junginius išsiskiria anglies dioksidas.

Kvėpavimas vyksta ir šviesoje, ir tamsoje. Lapai kvėpuoja tuo pat metu, kai vykdo fotosintezę; šaknims ir kitiems gyviems audiniams taip pat reikia naudotinos energijos. Todėl kvėpavimas priklauso viso augalo anglies apskaitai, o ne turėtų būti laikomas tik saulei nusileidus prasidedančiu procesu.

Anglies sąnaudos nėra tas pats, kas nenaudingas nuostolis. Kvėpavimas palaiko darbą, leidžiantį kultūrai išlikti gyvai ir vystytis. Praktinis tikslas – suprasti augimą tinkamomis sąlygomis, o ne panaikinti kvėpavimą. Deguonies tiekimas į šaknų zoną svarbus normaliai aerobinei medžiagų apykaitai; tai viena priežasčių šaknų zonos vandenį ir orą vertinti kartu.

Subalansuokite anglį per visą parą

Mūsų salotai naudokime išgalvotą paros apskaitą. Tarkime, dieną fotosintezė fiksuoja 100 anglies vienetų, įprastas kvėpavimas dieną išskiria 40 vienetų, o naktį dar 30. Visi trys dydžiai nusako tą patį augalą per tą pačią parą. Supaprastintas grynasis anglies prieaugis yra 100 - 40 - 30 = 30 vienetų.

Tai sutartiniai mokomieji anglies kiekio vienetai, o ne salotos gramai ar išmatuotas fotosintezės greitis. Modelis seka tik fotosintezinį fiksavimą ir įprastą kvėpavimą. Tikroje kultūros apskaitoje gali reikėti įtraukti ir fotokvėpavimą, šaknų išskyras, audinių netekimą bei nuimtą medžiagą. Tikruose matavimuose šių papildomų kelių negalima tyliai prilyginti nuliui.

Dabar pakeiskime tik vieną prielaidą: fotosintezinis fiksavimas sumažėja iki 60 vienetų, o kvėpavimas lieka 40 + 30 vienetų. Supaprastintas balansas tampa -10 vienetų. Šioje apskaitoje skirtumui padengti augalui reikėtų anksčiau sukauptos anglies. Tikras kvėpavimas taip pat gali kisti su sąlygomis; jo nekintamumas padeda atskirti vieną ryšį, o ne prognozuoja kultūros atsaką į šešėlį.

Prieš pridėdami išteklių nustatykite ribojimą

Šviesa, CO₂ prieinamumas ir vanduo sąveikauja. Įprastame salotos lape CO₂ patenka pro žioteles – mažas angas, pro kurias taip pat išeina vandens garai. Žiotelių uždarymas gali tausoti vandenį, kartu ribodamas CO₂ patekimą. Todėl vandens stokojantis augalas gali patirti ir anglies tiekimo, ir vandens problemą. Vien papildoma šviesa neišsprendžia kiekvieno ribojimo.

Didesnis šviesos kiekis gali padidinti fotosintezę dalyje augalo atsako intervalo, tačiau atsakas nedidėja be ribų. Temperatūra taip pat veikia fotosintezę ir kvėpavimą; atsakas priklauso nuo kultūros ir sąlygų. Šiltesnė aplinka savaime nėra geresnė: padidėjęs kvėpavimas ar stresas gali pakeisti augimui prieinamą anglį.

Prieš keisdami mūsų šiltnamio salotos priežiūrą, užrašykite šviesą lapų lygyje, temperatūrą, šaknų zonos sąlygas ir vandens streso požymius. Panašius augalus lyginkite per tinkamą laikotarpį. Tikrinkite paaiškinimą, užuot kiekvieną mažą derlių diagnozavę kaip trąšų stoką ar nurodę universalią temperatūrą.

Atskirkite naują augalinę medžiagą nuo vandens

Šviežia masė yra dabartinės hidratuotos būklės augalinės medžiagos masė. Sausa masė matuojama po to, kai apibrėžtu džiovinimo metodu pašalinamas vanduo. Ji apima organinius junginius ir mineralinę medžiagą, todėl tiesiogiai nematuoja vien anglies. Vanduo gali padaryti derlių sunkesnį be atitinkamo sausos medžiagos prieaugio.

Panagrinėkime du išgalvotus nuimto derliaus mėginius: A šviežia masė yra 100 g, o sausa – 8 g; B šviežia masė yra 80 g, o sausa – 8 g. Šioje mokomojoje apskaitoje laikykime, kad džiovinant pašalintas skirtumas yra vanduo. Tuomet A turi 92 g vandens, o B – 72 g. Jų šviežios masės skiriasi, tačiau išmatuotos sausos masės vienodos.

Vienodos sausos masės neįrodo vienodo augimo. Vis dar reikia palyginamos pradinės medžiagos, mėginių ėmimo, laikotarpio ir džiovinimo metodo, taip pat pasiskirstymo tarp lapų, šaknų bei kitų dalių. Pavyzdys rodo, kodėl vien šviežia masė negali įrodyti didesnio anglies prieaugio.

Susiekite išlikusią anglį su naudingu derliumi

Augale likusi anglis gali palaikyti struktūrinius audinius, atsargas ir besivystančius organus. Kurios dalys tampa derliumi, priklauso nuo kultūros ir jos tarpsnio: salotų lapai, javų grūdai ar kitos kultūros atsargų kaupimo organas. Todėl visame augale išlikusi anglis skiriasi nuo derliui naudojamoje dalyje sukauptos anglies.

Tirdami auginimo pagerinimą šiuos lygmenis atskirkite. Klauskite, ar pokytis padidino viso augalo sausą medžiagą, pakeitė paskirstymą norimam derliui, pakeitė vandens kiekį ar pagerino tinkamą naudoti kokybę. Atsakymas gali apimti kelis dalykus. Fotosintezė ir kvėpavimas paaiškina esminį mechanizmą; augalų vystymasis, šaknų zonos valdymas ir derliaus vertinimas susieja jį su galutiniu maistu.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pasitikrinkite supratimą

1. Saulėtą popietę lapas išskiria deguonį. Ar tai rodo, kad jo ląstelinis kvėpavimas sustojo?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Fotosintezė ir kvėpavimas gali vykti kartu. Stebima grynoji deguonies apykaita apjungia procesus; deguonies išskyrimas neįrodo kvėpavimo nebuvimo.

2. Tame pačiame supaprastintame modelyje fiksuojama 90 anglies vienetų, dienos kvėpavimas yra 25, o nakties – 35. Koks grynasis pokytis?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   +30 anglies vienetų.

   Atimkite abu laikotarpius: 90 - 25 - 35 = 30. Tai lieka iliustraciniai vienetai, neįtraukiant kitų tikrai kultūros apskaitai būtinų kelių.

3. Dviejų salotų grupių šviežio derliaus masės skiriasi. Kokie papildomi matavimai padėtų patikrinti, ar viena pagamino daugiau augalinės medžiagos?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Palyginamos sausos masės, pradinė medžiaga, mėginių ėmimas ir augimo laikotarpiai, taikant nuoseklų džiovinimo metodą.

   Šviežia masė gali skirtis dėl vandens. Sausa masė suteikia kitą matą, tačiau palyginimui interpretuoti reikia sąžiningai suderinto laiko ir mėginių ėmimo; sausa masė vis tiek nėra vien anglis.

Svarbiausios mintys

• Fotosintezė susieja šviesos energijos pagavimą su CO₂ anglies įtraukimu į organinius junginius.
• Aerobinis kvėpavimas palaiko ląstelių darbą ir vyksta tiek dienos šviesoje, tiek tamsoje.
• Anglies prieaugį ir naudojimą lyginkite tam pačiam organizmui, apskaitos riboms ir laikotarpiui.
• Šviesa, CO₂, vanduo, temperatūra ir mityba sąveikauja; vienas išteklius negali pašalinti kiekvieno ribojimo.
• Šviežia masė, sausa masė, anglies kiekis ir tinkamas naudoti derlius yra skirtingi matavimai.