Что такое фотосинтез

Что такое фотосинтез?

Открытие фотосинтеза

В 1600-х годах английский ученый Джозеф Пристли провел ряд экспериментов с растениями и обнаружил, что они могут изменять состав воздуха. В середине 19 века немецкий ученый Юлиус фон Сакс обнаружил, что зеленые растения содержат особое вещество – хлорофилл, которое отвечает за их способность к фотосинтезу. Окончательное понимание процесса фотосинтеза было достигнуто в конце 1960-х – начале 1970-х годов.

Роль фотосинтеза на Земле

Фотосинтез играет важнейшую роль для жизни на Земле, частвует во многих процессах.

Процесс фотосинтеза, фазы

Процесс фотосинтеза состоит из двух фаз: световой и темновой.

Световой фотосинтез

Темновой фотосинтез

В заключении, фотосинтез – это сложный процесс, который превращает солнечную энергию в химическую форму, которую растения могут использовать для своего роста и развития.

Виды фотосинтеза

Существуют два основных типа фотосинтеза:

1. Нециклический фотосинтез
2. Циклический фотосинтез

Нециклический фотосинтез

Нециклический фотосинтез включает два основных этапа.

Световой этап

Солнечная энергия используется для разделения молекул воды на водород и кислород.

Темновой этап

Углекислый газ и АТФ используются для создания глюкозы и кислорода.

Циклический фотосинтез

Циклический фотосинтез отличается тем, что не выделяет кислород в качестве побочного продукта.

В ходе этого процесса вода используется для получения водорода, который затем используется для восстановления углерода до глюкозы. В результате образуется глюкоза и выделяется небольшое количество кислорода.

Интересно, что каждый вид фотосинтеза играет свою уникальную роль в окружающей среде, обеспечивая жизненную активность многих организмов на Земле.

Важность обоих типов фотосинтеза

Оба типа фотосинтеза важны для поддержания жизни на Земле. Нециклический фотосинтез обеспечивает растения кислородом, который используется ими для дыхания, и создает глюкозу для роста. Циклический же фотосинтез позволяет растениям использовать углекислый газ более эффективно, сокращая его выбросы в атмосферу.

Что влияет на скорость фотосинтеза?

На скорость фотосинтеза влияет множество факторов. Вот некоторые из них:

• Свет: Чем больше света способна поглотить молекула хлорофилла, тем интенсивнее протекает процесс фотосинтеза.
• Температура: Оптимальная температура также влияет на скорость фотосинтеза.
• Уровень углекислого газа: Растения нуждаются в углекислом газе для фотосинтеза.
• Влажность: Влажность воздуха также может влиять на процесс фотосинтеза.
• Питательные вещества: Доступность питательных веществ также играет роль в фотосинтезе.

Нарушение фотосинтеза

Нарушения фотосинтеза могут происходить на различных этапах этого процесса и вызывать различные последствия для растений и организмов, которые зависят от фотосинтеза. Некоторые из наиболее распространенных нарушений фотосинтеза включают:

• Дефицит света: При недостатке света растения не могут проводить фотосинтез эффективно.
• Дефицит питательных веществ: Недостаток питательных веществ также может привести к нарушению фотосинтеза.
• Избыток температуры: Высокие температуры могут негативно сказываться на фотосинтезе.

Светильники для растений

Светильники для ускорения фотосинтеза у растений – это специализированные световые приборы, которые обеспечивают оптимальное освещение для роста и развития растений. Они помогают улучшить процесс фотосинтеза, стимулируя выработку хлорофилла и ускоряя процесс поглощения углекислого газа и выделения кислорода растениями.

Светильники для ускорения фотосинтеза обычно используют спектр света, который наиболее эффективен для фотосинтеза. Это включает в себя синюю и красную области спектра, соответствующие максимумам поглощения хлорофиллов а и b. Использование этих светильников позволяет растениям использовать свет более эффективно и ускоряет процесс фотосинтеза.

Рекомендуем светильники УНИС БИО SUN, которые высоко себя зарекомендовали для ускорения фотосинтеза и образования плодов у различных культур.

Такие светильники могут быть использованы в различных условиях, включая домашние оранжереи, коммерческие теплицы и даже на открытом воздухе для озеленения городских пространств. Они особенно полезны для растений, которые растут в условиях недостатка солнечного света или при искусственном освещении.

Заключение

Свет играет ключевую роль в фотосинтезе растений. Понимание влияния различных факторов на скорость фотосинтеза поможет создать оптимальные условия для роста и развития растений. Использование специализированных светильников для ускорения фотосинтеза может значительно повысить урожайность и качество произрастающих культур.

Роль магния в процессах роста растений

Экспериментатор поместил в растворы для гидропоники молодые растения одного вида и наблюдал за их ростом. Один раствор содержал все необходимые для растения элементы минерального питания, а другой — все, кроме ионов магния.

Значение магния для растений

Магний является важным элементом, входящим в состав хлорофилла – зеленого пигмента, ответственного за фотосинтез. При недостатке магния нарушается процесс образования хлорофилла, что приводит к пожелтению листьев, снижению интенсивности фотосинтеза и, как следствие, к уменьшению синтеза глюкозы. Это отставание в росте и развитии растений.

Признаки недостатка магния у растений

1. Замедленный рост.
2. Желтый цвет листьев.
3. Отсутствие соцветий.

Процессы в хлоропластах

Экспериментатор изучал процессы, протекающие в хлоропластах. Для этого он приготовил суспензию хлоропластов и внес ее в пробирки с избытком АДФ, Фн (неорганический фосфат) и НАДФ+. После освещения пробирок добавлялся раствор йода, который окрасил содержимое пробирок в синий цвет различной интенсивности.

Почему раствор окрасился в синий цвет?

1. В ходе фотосинтеза образуется крахмал.
2. Крахмал окрашивается реактивом йода в синий цвет.
3. В отсутствие углекислого газа синяя окраска не появляется.
4. Углекислый газ необходим для образования крахмала в процессе фотосинтеза.

Роль электронов хлорофилла в фотосинтезе

Электроны хлорофилла играют важную роль в процессе фотосинтеза:

1. Возбужденные электроны под действием света переходят на более высокий энергетический уровень.
2. Электроны передаются в электрон-транспортную цепь.
3. Энергия электронов используется для образования АТФ.
4. Электроны восстанавливают НАДФ+.

Факторы, ограничивающие фотосинтез

Скорость фотосинтеза зависит от нескольких факторов, от которых зависит его ограничение:

1. Свет – основной источник энергии для фотосинтеза.
2. Концентрация углекислого газа – необходим для синтеза глюкозы.
3. Температура – воздействует на активность ферментов фотосинтеза.

Опыт ван Гельмонта

В XVII веке ученый ван Гельмонт провел опыт по установлению прироста массы растения. Он поливал иву в течение пяти лет, а затем измерил изменение её массы. Результат показал прирост массы на 63,7 кг, что произошло за счет взаимодействия растения с внешней средой через почву и воду.

В результате экспериментов и анализа процессов фотосинтеза и взаимодействия растений с окружающей средой становится понятно, как важна роль магния и других веществ в росте и развитии растений.

Фотосинтез: суть процесса и его значение

Фотосинтез – это процесс, важный для выживания растений, который служит источником кислорода для нас, людей. В данной статье мы рассмотрим основные аспекты фотосинтеза: его структуру, фазы, и значение для окружающей среды.

Процесс фотосинтеза

1. Увеличение массы растения произошло за счет органических веществ.
2. Органические вещества синтезировались в процессе фотосинтеза.
3. Из внешней среды поступали углекислый газ и вода.

Экспериментатор провел опыт, изучая фотосинтез. Он поместил один лист растения в колбу без углекислого газа, а второй оставил в естественных условиях. После нескольких дней он оценил оттенок листьев после обработки раствором йода. Что показал данный опыт?

Результаты эксперимента

1. Лист, находившийся в колбе без углекислого газа, не окрасился в синий цвет (желтый цвет).
2. Лист, оставленный в естественных условиях, окрасился в синий (фиолетовый) цвет.
3. Синий (фиолетовый) цвет говорит о реакции йода с крахмалом.

Роль белков в митозе животных

В каких фазах митоза у животных принимают участие белки актин и тубулин? И какие структуры образуются из этих белков?

1. Тубулин участвует в нитях веретена деления.
2. В метафазе тубулин перемещает хромосомы на экватор клетки.
3. В анафазе он растягивает хромосомы к полюсам.
4. Актин формирует сократительное кольцо.
5. В телофазе актин обеспечивает цитокинез.

Пример изображения фотосинтеза

Фотосинтез играет важную роль в жизни растений, обеспечивая кислородом нашу планету. Этот процесс напоминает настоящую магию, которая происходит каждый день в природе, а мы лишь маленькая часть этого удивительного мира.

Так, наверное, и подумал бельгийский ученый Ян Ван Гельмонт в далеком 1600 году, когда проводил один эксперимент. Он поместил ветку ивы, вес которой предварительно измерил, в мешок с 80 кг почвы и поливал ее дождевой водой в течение пяти лет. По окончании эксперимента масса ивы увеличилась на 65 кг, а масса почвы уменьшилась всего на 50 г. Наблюдение Ван Хелмонда дало больше вопросов чем ответов, но все равно имело большое значение, поскольку свидетельствовало о том, что ива не набирает массу из почвы, в которой растет. Это действительно похоже на волшебство.

Однако куда больше поражает сознание то, что никакого чуда в этом нет – а лишь один примечательный биохимический процесс, который происходит буквально перед нами. Фотосинтез.

Определение и формула фотосинтеза

В процессе фотосинтеза происходит выработка глюкозы, которая затем используется растениями в качестве источника необходимой энергии, а кислород попадает в атмосферу, служа ресурсом для дыхания многих существ. Именно благодаря этой изящной реакции жизнь на Земле и смогла развиться и эволюционировать до привычных нам видов и форм.

Главный актор фотосинтеза, без которого этот процесс невозможен – хлорофилл. Хлорофилл – это зеленый пигмент, содержащийся в хлоропластах растительных клеток. Он выполняет роль основного пигмента, отвечающего за усвоение фотонов в фотосинтезирующих органеллах растения.

Значение хлорофилла также состоит в переработке световой энергии в химическую, которая, в свою очередь, необходима для синтеза органических веществ. Он обладает способностью поглощать свет в определенных диапазонах длин волн, прежде всего в красной и синей областях спектра, а зеленый свет он отражает, что придает растениям зеленый цвет.

У хлорофилла в этой схеме есть две основные функции: поглощение и передача энергии. Большая часть – 90% – вещества в хлоропластах сосредоточена в светособирающих комплексах (ССК). Эти комплексы служат антенной, передающей энергию к реакционным центрам, где происходят фотосинтетические реакции. Каротиноиды и фикобилины – пигменты, помогающие хлорофиллу расширить спектр поглощаемых им световых волн, чтобы получать максимум энергии. Иногда хлорофилл и вовсе отходит на второй план в данном процессе и не имеет своего привычного значения. Например, на дне океана, где зеленое вещество беспомощно, фикобилин, который лучше всего работает с синим цветом, заведует процессом поглощения света, отчего многие глубоководные водоросли имеют характерный красноватый оттенок.

Интересный факт! Осенью, когда длительность дня сокращается, растение получает меньше световой энергии для фотосинтеза. Это приводит к снижению активности хлорофилла и уменьшению его концентрации в листьях. Кроме того, понижение температуры воздуха замедляет и газовый обмен в растении. При низких температурах происходит сужение сосудов, отвечающих за транспорт воды и питательных веществ в листьях. Это приводит к уменьшению подачи воды и питательных веществ в листья, из-за чего фотосинтез происходит все менее и менее активно. Именно поэтому осенью мы и можем наблюдать за пожелтением листвы.

Фазы фотосинтеза

Сам процесс фотосинтеза разделен на две фазы: световую и темновую. В ходе световой фазы солнечный свет поглощается хлоропластами в листьях растения, в которых и содержатся молекулы упомянутого выше хлорофилла, отвечающие за поглощение солнечного света. Энергия света идет на расщепление молекул воды и высвобождения кислорода с образованием протонов и электронов.

Электроны же используются для восстановления NADP+ (Никотинамидадениндинуклеотидфосфата – кофермента, принимающего на себя электроны и водород для последующей его передачи на другие вещества) до NADPH – химического вещества, которое впоследствии будет задействовано уже в следующей, темновой фазе, в ходе которой высвобождающаяся энергия способствует преобразованию воды и углекислого газа в глюкозу и кислород.

Световая фаза фотосинтеза

Световая фаза фотосинтеза – первая стадия процесса, которая “разворачивается” в хлоропласте.

Хлорофилл усваивает свет, возбуждается и выделяет электрон. Этот электрон передается среди особых белковых комплексов фотосистемами, которые заимствуют энергию, полученную от движения этого электрона для восстановления NADP до NADPH.

Во время передачи электронов, освобождается энергия, которая активизирует работу особого фермента АТФ-синтазы, который способствуют синтезу АТФ (аденозинтрифосфата) – самого главного источника энергии для клетки. АТФ используется для различных клеточных процессов, включая синтезирование молекул органики.

Одновременно с передачей электронов, в световой фазе протекает процесс фотолиза. Частицы воды распадаются на протоны водорода и кислород. Последнего оказывается очень много, и впоследствие он “уходит” в атмосферу, где уже служит источником нашего дыхания. Протоны водорода же накапливаются, чтобы принять участие в следующей стадии фотосинтеза.

Темновая фаза фотосинтеза

Темновая фаза, известная также как цикл Кальвина или фиксация углерода, происходит в строме – внутренней клетке хлоропласта. Несмотря на свое название этот этап может происходить как в темноте, так и на свету. Атмосферный углекислый газ, попав в растение вместе с другими неорганическими веществами, полученными растением от воды из корневой системы, проходит через межклеточное пространство и оказывается в клетках, где и фиксируется.

Далее происходит реакция при которой протоны и электроны используются в целях превращения углекислого газа в глюкозу. Энергия, полученная в световой фазе от молекул АТФ, вместе с NADP+ и протонами воды используется для переработки углекислого газа в глюкозу. Иногда ее получается даже больше необходимого, и тогда растение “откладывает” часть, синтезировав ее в другую органику, например белки или полисахариды. Вся эта цепочка реакций называется фиксацией углерода, поскольку углекислый газ, поглощенный растением из воздуха, перерабатывается в органические соединения.

Световая и темновая фазы взаимосвязаны и находятся в тесной зависимости друг от друга. Световая фаза вырабатывает энергию, которая необходима для проведения темновой фазы, а темновая фаза задействует ее для синтеза органических молекул. Обе фазы фотосинтеза являются равноценными, так как оба прямо работают на жизнеобеспечение растения и косвенно – на жизнь на планете, поскольку растения являются источником пищи для многих организмов и “производят” необходимый для их дыхания кислород.

Важность фотосинтеза

Наиболее емко описал важность и значение фотосинтеза академик К.А. Тимирязев. Говоря о роли этого процесса в природе, он сравнил хлорофилловое зерно с лабораторией, в которой запускаются все органические процессы. Именно растения с их способностью преобразовать неорганику в органику дали возможность развиться привычным нам формам жизни.

Кроме того, особое значение фотосинтеза происходит и от его роли в составлении пищевой цепочки Растения производят глюкозу, которая затем передается другим организмам через пищевую цепь. Животные и люди потребляют растительную пищу, получая энергию и питательные вещества, необходимые для поддержания жизни.

Без фотосинтеза на Земле не было бы достаточного количества кислорода для поддержания жизни. Кроме того, не было бы пищи для животных и людей. Фотосинтез играет ключевую роль в биологическом разнообразии и экосистемах, обеспечивая энергию и питание для всех живых организмов.

Однако есть у и фотосинтеза и “родственник” – хемосинтез. Этот процесс осуществляется некоторыми организмами, например археями и определенными видами бактерий, и так же как и фотосинтез дает им возможность вырабатывать органические вещества из неорганических с помощью химических реакций. Однако, в отличие от фотосинтеза, который происходит за счет свет в качестве источника энергии, хемосинтез основан на окислении неорганических соединений.

Хемосинтез имеет большое значение для экосистем, особенно в тех местах или условиях, где практически или вовсе отсутствует световая энергия. Организмы, способные к хемосинтезу, являются для таких экосистем основными производителями, обеспечивая органические вещества для других организмов, которые их самостоятельно синтезировать не могут. Кроме того, изучение хемосинтеза имеет особое значение для будущей науки. При изучении этого процесса ученые потенциально могут существенно расширить наши знания о возможности жизни в экстремальных условиях и поискать аналогию с другими планетами или способами существования во Вселенной.

Заключение

Фотосинтез обладает невероятным значением для всей жизни на Земле, он обеспечивает нас кислородом, необходимым для дыхания, и помогает поддерживать круговорот углерода. На примере этого процесса мы можем увидеть, как отлажено работает природа, как в одной цепочке задействуются абсолютно разные элементы и существа. Солнце, растения, кислород, животные, глюкоза, вода, люди – все мы части одной цепи. Убрав или ослабив одну переменную этого уравнения можно буквально уничтожить всю жизнь на нашей планете. Поэтому нам так и внушают с детства бережливое отношение к растениям. И поэтому так важно всегда помнить эти уроки и следовать им.

Биология может быть интересной! А подготовка к экзаменам увлекательной и веселой. Записывайся на бесплатный вводный урок, и мы расскажем, как подготовиться к биологии на нужные баллы с «Соткой».

Фотосинтез является жизненно важным процессом, который происходит во многих растениях, водорослях и некоторых бактериях. Он играет центральную роль в поддержании жизни на Земле, поскольку обеспечивает производство органических молекул и выделение кислорода.

Фотосинтез не только основа пищевой цепи на планете, но и поддержка экологического баланса.

Фотосинтез происходит в хлоропластах, которые содержат пигмент хлорофилл. Хлорофилл поглощает свет, особенно синий и красный спектры, и преобразует его энергию в химическую.

Все, что нужно знать о хлорофиллах и хлоропластах

Хлоропласты — это органеллы, специализированные для фотосинтеза, присутствующие в клетках растений и некоторых других организмов. Они имеют сложную внутреннюю структуру, которая включает следующие компоненты:

1. Внешняя оболочка — мембрана представляет собой липидный барьер, который отделяет внутреннее пространство хлоропласта от цитоплазмы клетки.

2. Внутренняя оболочка — мембрана, которая находится внутри внешней мембраны. Она также является липидным барьером, разделяющим пространство хлоропласта на две основные части: строму и тилакоиды.

3. Строма — жидкая матрица внутри хлоропласта. Она содержит различные ферменты, рибосомы, ДНК и другие молекулы, необходимые для проведения темновой фазы фотосинтеза.

4. Тилакоиды — это система мембранных структур внутри хлоропласта. Они выглядят как мешочки или пластинки, сложенные в стопку, называемую граной. Тилакоиды содержат хлорофилл и другие пигменты, которые поглощают свет для фотосинтеза.

5. Грана — это стопка тилакоидов, которые связаны друг с другом. Они содержат фотосистемы, которые осуществляют световую фазу фотосинтеза, поглощая световую энергию и преобразуя ее в химическую энергию.

6. Люмен — это пространство внутри тилакоидов, ограниченное мембранами. Здесь происходят световые реакции фотосинтеза, включая перенос электронов и синтез АТФ.

Функция хлоропластов

Основная функция хлоропластов — проведение фотосинтеза. В них происходит преобразование световой энергии в химическую энергию, которая используется для синтеза органических молекул, таких как глюкоза. Хлоропласты также участвуют в синтезе липидов, аминокислот и других важных молекул.

Интересный факт: хлоропласты стараются расположиться в клетке таким образом, чтобы их тилакоидные мембраны находились под прямым углом к солнечному свету. Или говоря простым языком, хлоропласты в клетке всегда тянутся на свет.

Хлорофиллы являются главными пигментами, ответственными за поглощение света в процессе фотосинтеза у растений.

Хлорофиллы — это пигменты, в хлоропластах растительных клеток. Хлорофиллы состоят из двух основных типов — хлорофилла «а» и хлорофилла «б». Хлорофилл «а» является наиболее распространенным и играет основную роль в фотосинтезе, а хлорофилл «б» дополняет его функции.

Функции хлорофиллов

Хлорофиллы поглощают свет в определенных диапазонах спектра. Основные пики поглощения хлорофилла «а» находятся в синей (около 430 нм) и красной (около 662 нм) областях спектра, а хлорофилл «b» поглощает свет в дополнительных областях, в основном в зеленой (около 450-500 нм) и оранжевой (около 640 нм) областях.

Фотохимия

Поглощенный свет вызывает электронные переходы в молекуле хлорофилла, что приводит к выделению энергии и запуску цепочки химических реакций, включая световую зависимую реакцию фотосинтеза.

Влияние на цвет растений

Хлорофиллы играют ключевую роль в определении зеленого цвета растений. Это связано с их способностью поглощать свет в синем и красном спектральных областях, а отражать зеленый свет.

В результате, когда свет падает на хлорофиллы, они поглощают энергию в диапазонах, которые не включают зеленый свет, и отражают его обратно. Отражение зеленого света придает растениям зеленый цвет и делает их заметными для человеческого глаза.

Этот феномен объясняет, почему большинство растений на Земле выглядят зелеными. Однако некоторые растения могут иметь разные оттенки зеленого цвета в зависимости от содержания хлорофиллов. Например, некоторые растения могут иметь более темно-зеленый оттенок из-за высокого содержания хлорофилла, а другие могут иметь светло-зеленый или желто-зеленый оттенок из-за относительно низкого содержания хлорофилла или присутствия других пигментов, таких как каротиноиды.

Таким образом, хлорофиллы являются основным фактором, определяющим зеленый цвет растений, и играют важную роль в их визуальном восприятии.

Фотосинтез — это процесс, при котором растения и некоторые другие организмы используют энергию света для преобразования углекислого газа и воды в органические вещества, такие как глюкоза, а также выделяют кислород.

Поглощение света

На этом этапе начинается поглощение света растительными пигментами. В основном хлорофиллами, которые находятся в хлоропластах растительных клеток. Хлорофиллы способны поглощать свет в определенных спектральных областях, в основном в синей и красной частях спектра.

Световая зависимая реакция

Далее в тилакоидах хлоропластов происходит световая зависимая реакция:энергия света преобразуется в химическую. Пигменты хлорофилла поглощают энергию света и передают ее электронам, вызывая их возбуждение.

Фотофосфорилирование

Возбужденные электроны передаются через электронно-транспортную цепь в мембране тилакоида. Так освобождается энергия, которая используется для создания градиента протонов (H+) через мембрану. Градиент протонов используется ферментом АТФ-синтазой для синтеза молекул аденозинтрифосфата (АТФ) – основного источника энергии в клетке.

Выделение кислорода

В процессе световой зависимой реакции вода расщепляется на молекулы водорода и кислорода. Кислород высвобождается в качестве побочного продукта и выходит из клетки через специальные отверстия — газовые ходы.

Светонезависимая реакция (Цикл Кальвина)

Цикл Кальвина, также известный как темновая фаза фотосинтеза или светонезависимая реакция, является важной частью процесса фотосинтеза. Он происходит в хлоропластах растений и включает ряд химических реакций, направленных на фиксацию углекислого газа и образование органических молекул.

Световая и темновая фаза фотосинтеза

Процесс фотосинтеза можно разделить на две основные реакции: световую зависимую и световую независимую(темновую).

В световой зависимой реакции хлорофилл поглощает свет и передает его энергию электронам, которые находятся в молекулах хлорофилла.

Затем эти электроны протекают через цепь электрон-транспортеров, создавая энергетический градиент. В результате — происходит расщепление молекулы воды на молекулы кислорода и протонов, а освободившиеся электроны передаются на специальные молекулы, называемые акцепторами электронов.

Световая независимая(темновая) реакция

В световой независимой реакции осуществляется фиксация углекислого газа и синтез органических молекул. Цикл Кальвина включает ряд химических реакций, в результате которых углекислый газ превращается в глюкозу и другие органические соединения.

Световая независимая реакция получила свое название в честь американского ученого Мелвина Кальвина, который в 1961 году получил Нобелевскую премию за свои исследования этого процесса.

Цикл Кальвина происходит в хлоропластах растительных клеток, в специальной области хлоропласта, называемой стромой. В этом цикле углекислый газ (СО2), полученный во время световой зависимой реакции, используется для синтеза органических молекул, прежде всего глюкозы.

Чтобы изучить тему фотосинтеза, запомнить все этапы и термины, можно обратиться за помощью к репетитору по биологии . Педагог оценит знание предмета, составит план обучения, исходя из целей ученика, поможет подготовиться к итоговой контрольной или выпускному экзамену. Подбирая репетитора на образовательной платформе BUKI, вы можете выбрать именно того, кто имеет опыт подготовки учащихся и предлагает наиболее приемлемый для вас прайс.

Как известно, растения тянутся к свету. Но любой ли свет для них одинаково хорош? Ученые давно знают, что нет: одни фотоны ускоряют фотосинтез, а другие могут вызвать ожоги листьев и даже повреждения ДНК. Вместе с СФУ разбираемся, какие материалы излучают самые полезные для растений лучи и как в их поиске может помочь машинное обучение.

Этим текстом N + 1 вместе с Сибирским федеральным университетом (СФУ) открывает серию материалов «Зеленые проекты», посвященную экологической грамотности и разработкам, призванным уменьшить антропогенное воздействие на окружающую среду.

На вкус, на цвет

Падающее на Землю излучение Солнца состоит из электромагнитных волн разной длины: от 100 нанометров и до примерно 1 миллиметра. Для фотосинтеза растения преимущественно используют видимую часть спектра (излучение с длиной волны 400–700 нм). Хлорофилл — зеленый пигмент хлоропластов — поглощает практически только красный и синий свет. Значит ли это, что для растений полезен только красный и синий свет, а остальное можно отсечь как бесполезное?

На самом деле все сложнее. Свет для фотосинтеза улавливает не только хлорофилл, но и желто-красные пигменты каротиноиды, которые поглощают синий и сине-зеленый свет. Некоторые ученые также считают, что в процесс поглощения света в разной степени вовлечены не только части хлоропластов, но и другие близлежащие органоиды.

Однако и на этом сложности не заканчиваются, потому что свет нужен растениям не только для фотосинтеза. Световой режим определяет суточные ритмы движения листьев и открывания цветков и устьиц, влияет на процессы цветения, образования завязей плодов. Для этого у растений есть фоторецепторы — вещества, которые, поглотив свет с определенной длиной волны, могут влиять на обмен веществ в клетке и даже на экспрессию генов.

Так что понять, какой свет для растения полезнее, можно только экспериментально. Первые такие опыты во второй половине XIX века независимо друг от друга провели ботаники Климент Тимирязев и Теодор Энгельман (подробнее об этом можно прочесть в материале «Лучи поддержки»). Однако полной ясности нет до сих пор, и ученые продолжают ставить эксперименты по сравнению разных типов излучения. Фоторецепторы у растений устроены по-разному, поэтому и реакции на излучение могут различаться даже у близких видов. Тем не менее некоторые общие закономерности ученым найти удалось.

Например, почти все исследования сходятся на том, что для фотосинтеза очень важным является присутствие красного излучения (630–740 нм). Примерно 80 процентов используемой в фотосинтезе энергии приносят растениям фотоны с длиной волны около 650 нм. Кроме того, красный свет ускоряет процесс цветения.

В некоторых работах отдельно выделяют дальнее красное излучение (700–750 нм). Энергия этих фотонов недостаточна для возбуждения хлорофилла, но они все равно играют в фотосинтезе важную роль. В частности, в этой области расположен один из пиков поглощения фитохрома — исключительно важного регуляторного пигмента биосинтетического процесса. В 2017 году американские ученые выяснили, что такой свет помогает эффективнее передавать электроны в хлоропластах, а также снижает рассеивание света в виде тепла. Также дальний красный свет помогает растению ориентироваться в суточном цикле и готовиться к ночному холоду. Однако избыток дальнего красного света для растений вреден: из-за него листья становятся меньше, а количество хлорофилла в них снижается.

Для запуска процесса фотосинтеза одного лишь света недостаточно — нужны еще и хлоропласты. В развитии хлоропластов и производстве хлорофилла важную роль играет синий (441–500 нм) и фиолетовый свет (401–440 нм). Кроме того, фоторецепторы, реагирующие на синий свет, помогают растению защищаться от перегрева.

Зеленый свет (501–565 нм) хуже поглощается листьями. Однако у зеленого света и близкого к нему желтого (566–600 нм) тоже есть важная роль. Такой свет проникает глубже в крону, а также и в более глубокие слои самого листа и помогает активировать большее количество хлоропластов. Особенно полезно такое излучение для водных растений и растений, которые часто находятся в тени.

На самое высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение (УФ) приходится только 5 процентов солнечного спектра. Излучение этой области спектра не участвует в фотосинтезе напрямую, но несет регуляторную функцию, и пренебречь его влиянием на растения никак нельзя.

Менее энергетически «богатая» часть УФ-лучей (УФ-А, 320–400 нм) создает для растений небольшой стресс и таким образом способствует накоплению в листьях и плодах полезных антиоксидантов: флавоноидов, фенолов и аскорбиновой кислоты. Данные о влиянии этой части УФ-спектра на фотосинтез противоречивы. Некоторые растения, например австралийский цветок пимелия (Pimelea ligustrina), при таком длинноволновом ультрафиолете фотосинтезируют лучше за счет более быстрого возбуждения хлорофилла. Однако при избытке такого излучения скорость фотосинтеза может и замедляться.

А вот более коротковолновые области УФ-излучения (УФ-B, 295–320 нм) вредны для всех растений. Многочисленные исследования показывают, что избыток таких лучей не только негативно влияет на фотосинтез и замедляет рост растений, но и вызывает повреждения ДНК.

Электроны и фотоны

Долгое время ученые изучали влияние разного света на растения сугубо теоретически. Свет с определенной длиной волны вырезали из белого с помощью линз и фильтров. Такие установки были сложны, дороги и предельно далеки от полей с реальной картошкой и помидорами. Все изменилось во второй половине XX века, когда появились люминесцентные лампы и светодиоды, позволяющие достаточно легко получать свет с определенной длиной волны.

Работа обоих устройств основана на явлении электролюминесценции, но генерация цветного света в каждом из них происходит по-разному. В люминесцентной лампе электрический разряд проходит через пары ртути и выбивает из него фотоны ультрафиолетового излучения, которые затем переизлучаются в видимой области с помощью люминофора. В этом случае люминофор поглощает фотон, возбуждается, а через некоторое время сбрасывает возбуждение, испуская фотон с большей длиной волны. Какой именно — зависит от строения конкретного люминофора.

Что такое люминофоры?

Люминофорами называют вещества, которые могут люминесцировать, то есть преобразовывать поглощаемую энергию (электрическую, световую) в энергию света. Меняя структуру люминофора, можно получить свет с нужной длиной волны: красный, синий или любой другой. Для каждого растения можно найти подходящие люминофоры или их сочетания, которые позволят достичь максимальной скорости роста и урожайности. Однако важно, чтобы эти вещества были доступными и нетоксичными — тогда они смогут найти реальное применение в сельском хозяйстве.

В этот момент электроны и дырки движутся навстречу друг другу и рекомбинируют, а лишняя энергия выделяется в виде фотонов. Длина волны света, который получается на выходе, зависит от характеристик полупроводникового материала.

Первые эксперименты со светодиодными и люминофорными лампами проводились в 1991 году на МКС. Сегодня такие устройства более доступны и используются как дополнительные источники света не только в промышленном сельском хозяйстве, но и в частных теплицах. Более того, свет фиолетовых фитоламп можно увидеть по вечерам в окнах многих домов. На самом деле чаще всего такие лампы испускают не фиолетовый свет, а комбинацию красного и синего. Дополнительный источник света полезен для растений, особенно в зимний период. В то же время ученые продолжают искать новые, более эффективные и доступные электролюминесцентные материалы и подбирать более простые пути получения для уже известных.

Кроме того, ученые занимаются подбором оптимальных соотношений света для разных сельскохозяйственных задач. Например, в 2020 году китайские ученые облучали базилик душистый (Ocimum basilicum) красными, синими и зелеными светодиодами. Оказалось, что скорость фотосинтеза максимальна при соотношении красный/синий/зеленый, равном 4/1/1. А вот для того, чтобы в листьях накапливалось больше ценных антиоксидантов, количество красного света лучше немного уменьшить.

Самый полезный базилик получился при облучении светом с соотношением красный/синий/зеленый, равным 2/1/1.

Солнечный свет 2.0

Возбудителем люминесценции может быть и обыкновенное солнечное излучение. Для этого можно взять люминофор — такой же, как используется в электролюминесцентной лампе, но вместо искусственного УФ-излучения использовать натуральный солнечный свет. Конечно, интенсивность полученного цветного света будет ниже, но зато тратить дополнительную электроэнергию не придется.

Встроив такой материал, например, в прозрачную стенку теплицы, можно скорректировать спектральный состав света еще до того, как он упадет на поверхность листа. Вредные части излучения можно отсечь, а полезные, наоборот, усилить.

Наиболее популярны в агрофотонике так называемые down-conversion преобразователи, которые превращают коротковолновое излучение в длинноволновое. Их используют, чтобы отсечь избыток УФ-лучей и получить вместо него добавку полезного для фотосинтеза красного света. Например, японские материаловеды разработали прозрачные пленки на основе комплексов европия (Eu3+) c фотосенсибилизатором и испытали их действие на саженцах лиственницы Кемпфера. Скорость прироста биомассы увеличилась в 1,4 раза по сравнению с образцами, которые облучали стандартным солнечным светом.

Существуют и up-conversion преобразователи, которые преобразуют более низкоэнергетическое излучение в высокоэнергетическое. В агрофотонике такие материалы используют, чтобы преобразовывать дальние красные и инфракрасные лучи в просто красные — самые полезные для фотосинтеза. Например, российские ученые получили наночастицы фторида стронция, допированные эрбием и иттербием (Sr0.955Yb0.02Er0.025F2.045), которые излучают красный свет с длиной волны 660 нм и зеленые лучи на длинах волн 545 нм и 525 нм.

Облученные таким светом томаты (Solanum lycopersicum) росли быстрее, а листья у них были крупнее и содержали больше хлорофилла.

Лампа на вырост

Чтобы цветной свет действительно помогал растениям быстрее развиваться, недостаточно просто получить нужные люминофоры. Важную роль играет и конструкция устройства: оно должно быть удобным, недорогим и безопасным как для растений, так и для оператора-человека. В Сибирском федеральном университете (СФУ) запатентовали фитолампу с регулируемым спектром, которая совмещает несколько видов подсветки в одном устройстве.

Для возбуждения люминесценции в ней используется синий диод (450–460 нм) — это позволяет экономить электроэнергию и снизить нагрев лампы, — а для получения красного и зеленого света применяются разные люминофоры. Благодаря конструкции состав спектра можно регулировать прямо во время эксперимента.

«Лампа устроена очень просто, — рассказывает доцент Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Максим Молокеев, — у нас есть подложка, на которую нанесены два типа люминофоров. При облучении синим светом один люминофор начинает светиться белым (смесью синего, красного и зеленого), а другой — красным светом. Меняя положения стекла, можно регулировать зону облучения каждого люминофора, в результате чего меняется и спектр полученного света».

Лампа позволяет получить соотношение синей, зеленой и красной частей спектра, которое нужно конкретному растению. Более того, состав спектра можно менять уже в процессе вегетации: например, во время активного вегетативного роста и набора биомассы использовать одно соотношение синего, красного и зеленого, во время цветения — другое, во время плодоношения — третье.

Пока что новая лампа работает на коммерческих люминофорах, но в планах у ученых перейти на люминофоры собственного дизайна. Над этой задачей сообща работают несколько групп ученых.

Создатель лампы Максим Молокеев также занимается машинным обучением и разрабатывает модели, предсказывающие свойства люминофора, исходя из его элементного состава и структуры. Они обучаются на базе данных известных люминесцентных материалов и могут прогнозировать не только квантовый выход люминесценции, но и длину волны с точностью до 15 нанометров.

В приоритете у Максима Молокеева и его коллег красные и инфракрасные люминофоры, которые бы давали высокие квантовые выходы при облучении синим светом.

«Уже существуют белые люминофоры с квантовым выходом почти 100 процентов, — рассказывает Максим Молокеев. — Это иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием. Из них мы берем зеленую часть спектра. Синюю часть спектра дает полупроводниковый диод. А вот красной и инфракрасной сильно не хватает. Например, есть коммерческий красный люминофор с длиной волны 620 нм, но для растений лучше бы побольше — около 650 нм. А для дальнего красного и инфракрасного света — 750 нм и выше — вообще нет хороших коммерчески доступных люминофоров. Поэтому я попытался „заточить“ нашу модель именно под красный и инфракрасный свет. Она может подсказать, как нужно изменить структуру уже известного люминофора, чтобы он излучал в нужном диапазоне. Например, берем тот, который излучает на 720 нм, немного модифицируем — и получаем 750 нм»

Химики под руководством заведующей кафедрой физической и неорганической химии Института цветных металлов Любови Денисовой разрабатывают оптимальные пути синтеза новых люминофоров. Ученые тестируют методы твердофазного высокотемпературного спекания, золь-гель синтеза, а также самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Их цель — добиться хорошей чистоты финального продукта и высоких значений квантового выхода, используя по возможности более мягкие условия. Это нужно, чтобы материал был недорогим и доступным.

Готовые фитолампы с люминофорами тестируют светофизиологи под руководством профессора Института биофизики СО РАН Александра Тихомирова. Ученые подбирают оптимальный состав спектра и световой режим для каждого периода вегетации: выясняют, какой процент дальнего красного света нужно добавить для быстрого набора биомассы, а какой — для хорошего цветения. Для этого у фитолампы есть режим записи, который позволяет сохранить историю работы с конкретной группой растений, чтобы в дальнейшем проанализировать информацию. Для первых испытаний лампы выбрали редис, который отличается коротким периодом вегетации (25–28 суток). На очереди — растения с более длинным периодом вегетации, в первую очередь томаты.

Максим Молокеев отмечает, что новые фитолампы просты в изготовлении, состоят из доступных материалов и подходят для массового производства. Вполне вероятно, уже скоро мы увидим выращенные под фитолампами овощи на полках магазинов.