Растения семейства толстянковых поглощают углекислый газ
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 19.09.2024
Мы уже говорили про то, чем суккуленты отличаются от несуккулентных растений. Мы выяснили, что одним из критериев суккулентности является САМ-метаболизм. Это такой специальный суккулентный фотосинтез. Что же такого в нём особенного?
Фотосинтез - это процесс превращения растением энергии света в химическую энергию органических соединений. Ещё со школы мы помним, что растениям нужен солнечный свет для фотосинтеза - днем они открывают устьица и "дышат". Но суккуленты очень особенные растения, они отличаются от остальных не только внешним видом но фотосинтезом!
Фотосинтез у суккулентов разделен во времени, то есть, им обязательно нужна ночь, когда они открывают устьица и поглощают углекислый газ, и день, когда они его, собственно, "переваривают".
Суккуленты растут в очень тяжелых климатических условиях и приспособились к такой жизни не только толстой кожей, восковым налётом, наличием колючек вместо листьев, но и самим процессом фотосинтеза))
Суккулентный тип фотосинтеза получил своё название в честь большого семейства Толстянковые (Crassulaceae) - Crassulaceae Acid Metabolism (сокращенно - САМ-метаболизм, САМ-путь, САМ-тип).
При дневном "дыхании" растения способны потерять очень большое количество влаги, что для суккулентов совершенно непростительное удовольствие в условиях дефицита воды. Потому они "придумали дышать" ночью, когда температура воздуха ниже и нет солнца. То есть, при функционировании САМ-пути устьица растений закрыты днём, когда интенсивность транспирации (это такой процесс движения воды и испарение воды) максимальна, и открыты ночью, когда потери воды минимальны. Такой способ повышает устойчивость к засухе, листики дольше сохраняют тургор.
Умно с их стороны, правда?
Ну и немного/много химии и занудства:
Химизм фиксации С02 при САМ-пути разделен во времени. Фиксация С02 у суккулентов происходит ночью, когда устьица открыты. С02 поступает в клетки листа и в цитоплазме при участии ФЕП-карбоксилазы присоединяется к фосфоенолпировиноградной кислоте (ФЕП) с образованием щавелевоуксусной кислоты. ЩУК восстанавливается до яблочной кислоты, которая накапливается в вакуолях клеток листа. Реакция идет при участии фермента малатдегидрогеназы (малик-фермент). Днем на свету, когда устьица закрыты, яблочная кислота транспортируется из вакуолей в цитоплазму, где происходит декарбоксилирование ЩУК с образованием С02 и пировиноградной кислоты. С02 передвигается в хлоропластах и с помощью РБФ-карбоксилазы/оксигеназы вступает в цикл Кальвина. Таким образом, в клетках этих растений содержится как ФЕП-карбоксилаза, так и РБФ-карбоксилаза/оксигеназа. Синтезируемые в дневные часы в цикле Кальвина углеводы используются как источники метаболитов (например, ФЕП), необходимых для повторения цикла.
Фух, будто экзамен сейчас сдавала)) Как говорила моя преподша по физиологии: "Женя, давайте попроще, учебник я и сама знаю"😉
Что мы знаем о кактусах? Что у них есть колючки, что у них толстый стебель и что растут они в пустынях. И колючки, и толщина, и место обитания связаны между собой. Очевидно, растению, которое живёт в сухом и жарком климате, нужно научиться компенсировать недостаток воды, и одно из решений — просто запасать её внутри, для чего и необходим толстый, сочный стебель.
Фото Натальи Домриной
Итак, растительной клетке, чтобы сделать молекулу глюкозы, нужны свет, вода и углекислый газ. Вода поступает из-под земли через корни и систему сосудов, углекислый газ — из воздуха. Но у растения нет ни рта, ни лёгких, чтобы вдыхать CO2. Газообмен с окружающей средой осуществляется через устьица — особые поры в поверхности листьев и стеблей, окружённые замыкающими клетками.
Устьица открываются и закрываются, регулируя испарение влаги и дыхание растений
Этапы CAM-фотосинтеза протекают в разное время суток. Ночью в растения через открытые устьица проникает CO2, который присоединяется к органическим кислотам, образовавшимся при расщеплении углеводов. В составе кислоты CO2 накапливается в специальном пузырьке-вакуоли до утра, а с появлением солнечного света он выходит из состава кислоты и отправляется в хлоропласт, где ферменты фотосинтетического цикла Кальвина синтезируют из него углеводы
Кактусы поступают так: они открывают устьица ночью и поглощают углекислый газ, но в производство глюкозы его не запускают — света-то нет. CO2 откладывается про запас в специальных мембранных пузырьках-вакуолях внутри клетки. Хранится он здесь не в чистом виде, а присоединённым к молекуле-посреднику, которая потом выдерживает ещё несколько превращений. В результате получается яблочная кислота. Но вот наступает день, и яблочная кислота отправляется из вакуоли в цитоплазму, где от неё отщепляется CO2, — теперь он может вступить в цикл фотосинтетических реакций, работающих от света. Растению уже не нужно открывать устьица, ведь можно использовать углекислый газ, запасённый за ночь, а значит, сильно сэкономить на испарении воды. Кроме того, соотношение CO2 и O2 за счёт запасов смещается в пользу первого, следовательно, фотосинтетические ферменты будут работать в сторону присоединения атомов углерода к растущей молекуле сахара, а не расщеплять её кислородом.
Коллекция кактусов в Национальном ботаническом саду им. Н. Н. Гришко (г. Киев, Украина). Фото Виталия Пирожкова
Напоследок снова вернёмся к жаровыносливым растениям. CAM-механизм позволяет максимально экономить воду, но, если оценивать количество готового продукта и энергию, потраченную на него, он менее эффективен, чем другие виды фотосинтеза. Так что некоторые CAM-виды используют его только по мере необходимости. Но кроме него существует ещё одна разновидность фотосинтеза, позволяющая днём держать большую долю устьиц закрытыми. В этом случае фотосинтетические реакции происходят в глубинных клетках листа, окружающих жилки-сосуды. Клетки, лежащие ближе к поверхности, во-первых, с помощью энергии света производят топливо для синтеза углеводов, во-вторых, ловят углекислый газ и присоединяют его к молекуле-посреднику. Образовавшаяся в результате кислота и энергетические молекулы сразу отправляются в глубь листа, где CO2 отсоединяется от кислоты-переносчика и вступает в синтетический цикл. Такой путь называется C4-фотосинтезом, и он, как видим, похож на CAM, только здесь фиксация углекислого газа и его использование в синтезе разделены не во времени, между ночью и днём, а в пространстве, между разными клетками.
Когда вы дышите, ваше тело поглощает кислород и выделяет углекислый газ. Во время фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Эта противоположная схема делает растения и людей естественными партнерами. Но может ли добавление растений во внутренние помещения повысить уровень кислорода? И давайте разберемся с бытующим мнением, что комнатные растения способны оздоравливать воздух, выделяя фитонциды.
Базовая биохимия говорит, что растения в процессе фотосинтеза и дыхания выделяют кислород. Но сколько всего про очищающие свойства комнатных растений напридумано и то и дело встречается в интернете — голова идет кругом. Давайте разберемся с этой комнатной цветочной мифологией!
Частые заблуждения о дыхании комнатных растений:
- Комнатные растения обогащают воздух кислородом
- Комнатные растения поглощают углекислый газ
- Растения выделяют фитонциды, которые убивают вирусы и бактерии в воздухе?
- Комнатные растения очищают воздух от тяжелых металлов и других опасных примесей?
Частые заблуждения о дыхании комнатных растений
Обращали ли вы внимание на совершенно безликие псевдонаучные тезисы? Когда какой-то ахинее нужно придать дополнительный вес, авторы ссылаются на далекий американский штат или поступают по классике жанра, посылая читателя в Массачусетский технологический институт. Например, мы позабавились вот такому утверждению:
"По словам исследователей из Университета штата Канзас, добавление растений в больничные палаты ускоряет выздоровление хирургических пациентов. По сравнению с пациентами в комнатах без растений, пациенты в комнатах с растениями требуют меньше обезболивающих, демонстрируют более низкую частоту сердечных сокращений и артериальное давление, меньше утомляются и раньше выписываются из больницы".
Или вот такой перл:
"Голландский совет по продукции для садоводства заказал исследование, в ходе которого было обнаружено, что добавление растений в офисные помещения снижает усталость, простуду, головные боли, кашель, боль в горле и симптомы гриппа. В другом исследовании, проведенном Сельскохозяйственным университетом Норвегии, заболеваемость в офисах с растениями снизилась более чем на 60 %".
Наверное, школьный курс биологии не многим копипастерам оказался по зубам. Итак, чтобы новички комнатного цветоводства не совершали драматичных ошибок и не повторяли благоглупости, мы публикуем основные факты о свойствах комнатных растений.
Что действительно улучшит воздух в квартире, так это качественный увлажнитель
Комнатные растения обогащают воздух кислородом
Это действительно так: в процессе фотосинтеза растения выделяют кислород как побочный продукт. Однако вряд ли можно рассчитывать, что комнатные растения играют какую-то существенную роль в насыщении кислородом воздуха в вашей квартире.
Во-вторых, говоря о растениях как источниках кислорода, многие забывают, что кроме фотосинтеза у них существует еще и дыхание – процесс, по сути противоположный фотосинтезу, в том числе и в плане побочных продуктов. Из простейшего школьного курса биологии нам известно, что растения производят кислород только в световой фазе фотосинтеза, то есть днем. Ночью процесс прекращается и растения начинают даже немного поглощать кислород в процессе клеточного дыхания – но в количествах гораздо меньших, чем выделяемые за день (до 30%). Баланс, конечно, сходится в положительную сторону, но по всему выходит, что в ночное время растения не только не дают нам кислород, но еще и слегка его отнимают.
Так что не стоит надеяться на комнатные растения как значимый источник кислорода: частое проветривание помещений и эффективнее, и полезнее.
Комнатные растения поглощают углекислый газ
И это тоже правда: углекислый газ (СО2), поглощаемый растениями в процессе фотосинтеза, – источник углерода (С), из которого растения синтезируют вещества, необходимые им для жизни. Однако этот процесс, как и выделение кислорода, идет только на свету. Ночью все становится наоборот: в темноте фотосинтез прекращается, а клеточное дыхание продолжается, так что растения не только поглощают кислород, но еще и выделяют углекислый газ. Тем же самым занимаемся и мы сами, когда дышим, поэтому ночью растения оказываются дополнительным источником СО2.
Впрочем, есть и исключения: растения, которые из-за сложных условий в местах их естественного обитания выработали особый путь фотосинтеза. Он называется САМ – фотосинтез (Crassulaceae acid metabolism – кислотный метаболизм толстянковых). Эти растения способны поглощать СО2 в ночное время. Механизм был открыт у растений семейства Толстянковые, но существует не только у них.
И снова имеет смысл поговорить о количествах. Уже упоминавшийся взрослый человек в спокойном состоянии, выдыхает в час примерно 22 литра углекислого газа, то есть около 500 л в сутки. Для утилизации такого количества СО2 нужно намного больше зеленой массы, чем мы можем разместить в квартире. Так что даже если все подоконники в вашем доме уставлены горшками с комнатными растениями, никакого значимого вклада в уменьшение количества углекислого газа они не внесут – в отличие от того же проветривания.
Конечно, растения не задушат нас ночью – количество выделяемого ими углекислого газа весьма мало, но факт остается фактом, так что превращать свою спальню в оранжерею – все-таки не лучшая идея.
В свете этого очень забавным кажется совет, который регулярно мелькает в Интернете: "Если у вас в квартире установлена газовая плита, заведите в кухне побольше растений для поглощения углекислого газа". Способность растений к фиксации СО2 количественно не сравнима с теми объемами, которые выделяет работающая плита – особенно если вы готовите праздничный ужин, на который пригласили гостей. Зато хорошо известно, что микроклимат кухни с его перепадами температуры и влажности вреден для большинства растений, поэтому пользы от следования этому совету не будет ни людям, ни цветам. Ну а подборка комнатных растений, подходящих для кухонных условий, здесь >>>>
Растения выделяют фитонциды, которые убивают вирусы и бактерии в воздухе?
Фитонциды – модная тема, которая регулярно поднимается в последнее время, особенно в свете пандемии коронавируса. В общественном сознании прочно закрепилась мысль, что некие летучие вещества, вырабатываемые растениями, способны чуть ли не стерилизовать окружающий воздух. Так ли это на самом деле, а главное – применимо ли это к комнатным растениям? Посмотрим, что говорит наука.
Даже если открыть статью о свойствах фитонцидов в Википедии, можно обнаружить, что ни в одном из разделов нет ссылок на достоверные источники информации, а имеющаяся библиография ведет либо на очень старые публикации советских специалистов, либо на словарные определения фитонцидов. Ни одной ссылки на современные исследования там нет. И недаром: поиск по базам свежих научных публикаций выдает некоторое количество очень слабых исследований, посвященных фитонцидам, с низкой достоверностью полученных результатов. Причем ни в одном из них комнатные растения не фигурируют. Есть исследования, посвященные антибактериальным и антивирусным свойствам сока некоторых растений, но это не новость: о том, что растения могут быть лекарственными, человечество знает с древнейших времен. И речь идет не конкретно о фитонцидах, а о других компонентах сока растений.
В самом существовании фитонцидов никто не сомневается, но открытыми остаются вопросы:
- насколько комнатные растения способны их выделять и
- насколько эти фитонциды могут быть эффективными против инфекций, которые опасны для нас, а не для растений. Ведь люди и томаты болеют очень разными болезнями, и возбудители у них тоже разные. А защитные механизмы растения вырабатывали не для нас, а для себя.
Пока нет ни одного серьезного исследования, которое давало бы на эти вопросы обнадеживающие ответы.
Исходя из общих знаний биологии, можно предположить, что комнатные растения если и продуцируют фитонциды, то в исчезающе малых количествах, которые к тому же легко удаляются из помещения при проветривании (о пользе проветривания мы уже договорились). Так что фитонциды наших зеленых домашних питомцев вряд ли могут существенно поспособствовать сохранению нашего здоровья.
Комнатные растения очищают воздух от тяжелых металлов и других опасных примесей?
"Согласно исследованиям NASA, растения удаляют токсины из воздуха - до 87% летучих органических соединений (ЛОС) каждые 24 часа. ЛОС включают такие вещества, как формальдегид (присутствующий в коврах, виниле, сигаретном дыме и продуктовых пакетах), бензол и трихлорэтилен (оба содержатся в искусственных волокнах, чернилах, растворителях и красках). Бензол обычно содержится в высоких концентрациях в учебных заведениях, где имеется много книг и печатных документов.
В современных герметичных зданиях с климат-контролем летучие органические соединения улавливаются внутри. Исследование NASA обнаружило, что растения очищают этот захваченный воздух, втягивая загрязнители в почву, где микроорганизмы корневой зоны превращают ЛОС в пищу для растений".
Утверждения о том, что комнатные растения очищают воздух, основаны на довольно старых (1980-е годы прошлого века) экспериментах NASA. Во время этих экспериментов растения помещали в герметичные камеры и через некоторое время замеряли содержание в этих камерах различных вредных веществ.
Оказалось, что спатифиллум, хризантема, сансевиерия и некоторые другие растения способны поглощать аммиак, формальдегид, бензол и другие канцерогены. Однако научное сообщество, комментируя результаты экспериментов, справедливо указывало на существенный момент: квартира или офис – это не герметичная камера. И действительно, попытки воспроизвести многообещающие результаты в реальных условиях не удались: в настоящих офисах, где проводились новые эксперименты, растения не оказали никакого влияния на количество примесей в воздухе. Это вполне объяснимо даже с точки зрения простого здравого смысла. Количество примесей в воздухе помещения зависит от качества наружного воздуха, постоянно поступающего при вентиляции, и от наличия постоянных загрязняющих агентов. Если, например, в помещении регулярно курят или оно отделано материалами, выделяющими формальдегид, то пара-тройка горшков с сансевиериями вряд ли повлияет на положение дел. Чисто теоретически возможно сделать точный расчет нужного количества растений с учетом всех факторов, но осилить такую работу самостоятельно не представляется возможным.
Кстати, о тяжелых металлах в экспериментах NASA и последующих речь не шла. Откуда же взялась информация о том, что такое якобы возможно?
Однако об очистке воздуха помещений от тяжелых металлов речь опять-таки не идет. Нет никаких достоверных научных данных о том, что комнатные растения имеют значимую способность к фиксации частиц тяжелых металлов из воздуха. В самом деле, в воздухе больших городов, особенно промышленных, можно обнаружить чуть ли не всю таблицу Менделеева, но могут ли растения как-то существенно на это повлиять – вопрос открытый. Говорить об этом как об установленном факте, как это иногда преподносится в Интернете, пока очень преждевременно.
В 1965 г. было обнаружено, что первыми продуктами фотосинтеза у сахарного тростника (растение тропиков) являются органические кислоты, в состав которых входят 4 атома углерода (яблочная, щевелевоуксусная и аспарагиновая), а не 3С-кислота (фосфоглицериновая), как у большинства растений умеренного климата. С тех пор выявили множество растений, в основном тропических и субтропических, и имеющих порой важное экономическое значение, у которых фотосинтез протекает по такому же пути. Они получили название С4-растений. Примерами могут служить кукуруза, сорго, сахарный тростник и просо. Растения, в которых первым продуктом фотосинтеза является трехуглеродная фосфоглицериновая кислота, носят название С3-растения.
Биохимию именно С3-растений мы рассматривали до сих пор в этой главе.
В 1966 г. австралийские исследователи Хэтч и Слэк (Hatch, Slack) показали, что С4-растения значительно эффективнее, чем Сграстения, поглощают диоксид углерода: они способны удалять СО: из экспериментальной атмосферы вплоть до концентрации 0,1 части на миллион, тогда как для С3-растений это значение составляет 50—100 Ч*млн -1 . Хэтч и Слэк описали новый путь метаболизма углерода у Сграсгений, получивший название путь Хэтча—Слэка. Далее мы изучим этот процесс на примере типичного Сграстения — кукурузы.
Путь Хэтча-Слэка
Путь Хэтча—Слэка предназначен для транспортировки диоксида углерода и водорода из клеток мезофилла в клетки обкладки проводящих пучков. Из клеток обкладки проводящих пучков диоксид углерода высвобождается и поступает в обычный С3-путь фотосинтетических превращений.
Захват (фиксация) диоксида углерода в клетках мезофилла
Диоксид углерода фиксируется в цитоплазме клеток мезофилла. Механизм этого процесса приведен в следующем уравнении:
Акцептором диоксида углерода служит фосфоенолпируват (ФЕП) вместо РиБФ у С3-растений, а вместо фермента РиБФ-карбоксилазы у С4-растений участвует фермент ФЕП-карбоксилаза. Фермент ФЕП-карбоксилаза работает значительно более эффективно, чем фермент С3-растений по двум причинам. Во-первых, ФЕП-карбоксилаза обладает большим сродством к диоксиду углерода, а во-вторых, ее работа не подвергается конкурентному ингибированию кислородом. Образовавшаяся щавелево-уксусная кислота далее превращается в малат, 4С-кислоту.
Малатный обходной путь (шунт)
Пройдя через плазмодесмы в клеточных стенках, малат попадает в хлоропласты клеток обкладки проводящего пучка, где он, соединяясь с диоксидом углерода, превращается в пируват (ЗС-кислоту). При этом выделяется водород, который используется для восстановления НАДФ. Обратите внимание, что в клетки мезофилла диоксид углерода и водород поступают извне, а затем в клетках обкладки проводящего пучка они вновь удаляются. Суммарным эффектом этих процессов является перемещение диоксида углерода и водорода из клеток мезофилла в клетки обкладки проводящего пучка.
Регенерация акцептора диоксида углерода
Пируват возвращается в клетки мезофилла, где в результате присоединения фосфатной группы от АТФ используется для регенерации ФЕП. На это расходуется энергия двух высокоэнергетических фосфатных связей.
- Вернуться в оглавление раздела "Биология."
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Читайте также: