юрин физиология растений

менного угля, который добывается во всем мире за это время. Эта энергия используется для образования органического вещества из неорганического. Каждый год в процессе фотосинтеза растения образуют 155 млрд т сухого органического вещества.

Органические вещества, которые используют люди, животные, сначала образуются в зеленом листе. Большая часть той энергии, которая применяется человеком в различных областях производства, — это энергия Солнца, преобразованная в зеленом листе и запасенная в каменном угле, нефти, древесине.

Для образования такого большого количества органического вещества растения поглощают за год 200 млрд т СО2 и выделяют 145 млрд т кислорода. Весь кислород атмосферы образовался в процессе фотосинтеза. Таким образом, процессы дыхания и горения смогли произойти только после возникновения фотосинтезирующих организмов.

Содержание СО2 в атмосфере беспрестанно пополняется за счет растворенных в воде карбонатов, бикарбонатов, за счет выделения из почвы, дыхания и горения.

Изучение фотосинтеза и раскрытие его механизмов — одна из наиболее важных и интересных задач физиологии растений. Во-первых, детальное изучение синтеза органических веществ в зеленом растении — один из путей решения проблемы питания в мире. Так как 95 % массы растения образуется в процессе фотосинтеза, то необходима теоретическая основа для увеличения урожая. Во-вторых, детальное изучение химизма фотосинтеза и строения фотосинтетического аппарата на молекулярном уровне открывает путь для моделирования фотосинтеза и организации производства органических веществ в искусственных условиях. В-третьих, изу- чение процесса разложения воды зелеными растениями с помощью света и моделирование этого процесса в искусственных условиях позволит человечеству получать водород и использовать его в качестве экологически чистого топлива, что поможет решить энергетическую проблему.

Появление в атмосфере свободного кислорода в столь больших количествах сопровождалось усилением функций, связанных с его использованием в качестве окислителя. Активизировалась деятельность хемосинтетиков — организмов, осуществляющих синтез органического вещества за счет неорганического углерода путем использования энергии окисления разнообразных соединений.

Бактерии-хемосинтетики относятся к лишенным пигментов автотрофным организмам. Хемоавтотрофные бактерии не ис-

72

пользуют солнечную энергию и могут жить в темноте. Они отли- чаются от пигментированных бактерий тем, что используют для целей восстановления СО2 энергию аэробных окислительных процессов. Поскольку в данном случае биосинтез органических соединений происходит за счет энергии, выделяющейся при процессах окисления неорганических соединений, он был назван хемосинтезом.

Хемосинтез был открыт знаменитым русским микробиологом С. Н. Виноградским. Он показал, что синтез органического вещества в природе происходит не только путем фотосинтеза в зеленых растениях, но идет также в больших масштабах путем хемосинтеза у микроорганизмов, не содержащих хлорофилла.

Рассмотрим некоторые примеры. Бесцветные серобактерии, живущие в водоемах с содержанием сероводорода, получают энергию для синтеза органических соединений из углекислого газа при окислении сероводорода:

2Í2S Î2 2Í2Î S2.

При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление накопившейся в них свободной серы до серной кислоты:

S2 Î2 2Í2Î 2Í2SÎ4.

Суммарный энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты составляет 159 ккал.

В обоих случаях образующаяся в результате окисления серы свободная энергия используется на синтез органического вещества из углекислого газа.

Энергию, используемую для построения органических веществ за счет восстановления углекислого газа, микроорганизмы (Nitrosomînas) добывают при окислении аммиака:

2NH3 3O2 2HNO2 2H2O.

Энергия, выделяющаяся при этом в количестве 158 ккал, также используется для построения органических соединений за счет восстановления углекислого газа.

Дальнейшее окисление образовавшейся азотистой кислоты до азотной осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов (Nitrobacter):

2ÍNO2 O2 2HNO3. Процесс сопровождается выделением 43,2 ккал.

73

Широко распространены в почве бактерии, окисляющие водород в соответствии с уравнением

2Í2 Î2 2Í2Î.

Энергетический эффект этой реакции составляет 112 ккал. При исследовании химизма ассимиляции углекислого газа

различными хемосинтезирующими бактериями показано, что продуктом хемосинтеза является фосфоглицериновая кислота. В этих бактериях содержится рибулозодифосфат, стимулирующий ассимиляцию СО2, которая сопровождается образованием фосфоглицериновой кислоты. На этом основании считают, что при хемосинтезе, как и при фотосинтезе, присоединение углекислого газа к рибулозодифосфату является основным механизмом ассимиляции СО2.

Часть энергии, выделяющейся при окислении неорганиче- ских веществ хемосинтезирующими организмами, используется на восстановление ассимилируемого углекислого газа и на синтез органического вещества, а часть ее запасается впрок в виде высокоэнергетических соединений.

2.2. Структурная организация фотосинтетического аппарата

Лист как орган фотосинтеза

Функции листа, как всякого другого органа, разнообразны. Известно, что лист — орган транспирации; однако главной его функцией является фотосинтез. Выполнение листом этой функции связано с содержанием в хлоропластах фотосинтетических пигментов. Если рассматривать строение листа как органа, выполняющего процесс фотосинтеза, то следует отметить следующее.

Верхняя и нижняя эпидерма листовой пластинки, если не счи- тать замыкающих клеток устьиц, состоит из клеток с большими вакуолями, в которых хлоропласты отсутствуют. Такие клетки хорошо пропускают свет в мезофилл и, таким образом, непосредственного участия в фотосинтезе не принимают. Эпидермальные клетки, покрытые кутикулой и воском, уменьшая транспирацию, помогают поддерживать водный гомеостаз листа. Последний процесс очень важен, так как скорость фотосинтеза зависит от количе- ства воды в тканях. С другой стороны, через кутикулу проходит в 20—30 раз меньше СО2, чем через устьица. Создается противоре-

74

чие между водным и газовым обменом, оно снимается действием устьиц, которые за счет открытия и закрытия регулируют скорость поступления СО2 и скорость транспирации. Таким образом, эпидерма задерживает воду и пропускает свет.

Устьица — основные ворота для СО2. В некоторых растениях, например у яблони, СО2 может поступать через временные щели в кутикуле. Устьица пропускают по принципу обратной связи: СО2 используется на фотосинтез, его концентрация в межклетниках уменьшается, устьица открываются; СО2 поступает в лист, его концентрация в межклетниках увеличивается — устьица закрываются.

Мезофилл у большинства растений состоит из палисадной и губчатой паренхимы. В клетках мезофилла есть хлоропласты, здесь и проходит вся фотосинтетическая деятельность зеленого растения. Палисадная паренхима, которая размещается под верхней эпидермой, поглощает больше света, чем губчатая. Палисадная является главной тканью, где идет фотосинтез. Для губчатой паренхимы характерно наличие межклетников. Они помогают газообмену листа. Объем их составляет 15—20 % общего объема листовой пластинки. Благодаря верхней и нижней эпидерме, а также межклетникам, в листе образуется внутреннее газовое окружение, которое хотя и связано с наружной средой с помощью устьиц, но, как правило, всегда отличается от наружной среды по своему составу. Кроме того, межклетники значительно увеличи- вают внутреннюю поверхность листа, которая в 7—10 раз больше, чем наружная. Это важно в связи с небольшим содержанием в воздухе СО2 (0,045 %). Однако увеличивается опасность обезвоживания тканей листа.

Так как фотосинтез идет главным образом в палисадной паренхиме, ее называют ассимиляционной. Доказательством того, что две паренхимы выполняют разные функции, является и количество хлоропластов в их клетках. Так, например, у клещевины в одной клетке палисадной паренхимы содержится 36, а в губчатой 20 хлоропластов. Вообщее количество хлоропластов в клетке очень варьирует: от 20 до нескольких сотен. В пересче- те на 1 мм2 поверхности листа количество хлоропластов достигает 1 млн.

Повышенное азотное питание и хорошее водообеспечение растений вызывают увеличение размеров мезофилльных клеток и количества в них хлоропластов. Суммарная поверхность всех хлоропластов может превышать в десятки раз поверхность листо-

75

вой пластинки, что также способствует поглощению СО2. Внутренняя поверхность листа, поглощающая свет и углекислый газ, во много раз больше поверхности листовой пластинки, что помогает более интенсивному прохождению фотосинтеза. Поэтому лист лучше, чем другие органы, приспособлен к выполнению фотосинтетической функции, хотя фотосинтез идет и в зеленых клетках стебля, цветов, плодов.

Мезофилл пронизан сеткой проводящих пучков, в состав которых входят сосуды, которые доставляют хлоропластам воду и минеральные соли, и ситовидные трубки, отводящие от хлоропластов продукты фотосинтеза. Непосредственного контакта проводящих пучков с каждой клеткой нет. Поэтому в листе, как и в корне, транспорт веществ для фотосинтеза и отток продуктов фотосинтеза идет не только по ксилеме и флоэме, но и по симпласту и апопласту.

Лист поглощает видимые лучи на 85 %, инфракрасные на 25 %, пропускает первые на 5 %, вторые на 30 %. Особенно велика доля отраженных инфракрасных лучей — 45 %, тогда как видимых — только 10 %.

Назначение отдельных компонентов листа — поддерживать водный, газовый и другие гомеостазы внутри мезофилла, а это значит там, где идет фотосинтез. Форма, анатомическое строение

èрасположение листьев обеспечивают рациональное размещение хлоропластов в наземных органах и поэтому эффективное погло-

щение света, а также СО2 из воздуха и отток органических веществ в нефотосинтезирующие ткани растений.

Âзависимости от условий среды анатомическое строение листа может очень изменяться. Так, соотношение между палисадной

èгубчатой паренхимой в мезофилле в зависимости от освещенности резко меняется. Например, при слабом освещении сохраняется только одна губчатая паренхима.

Еще более интересны отклонения от типичного строения листа, влияющего на фотосинтез, связаны с генетическими разли- чиями. В таких растениях, как кукуруза, сахарный тростник

(Ñ4-растения), каждый проводящий пучок окружен одним слоем крупных клеток хлорофиллоносной паренхимы, образующих обкладку проводящего пучка. Фотосинтез идет и в клетках мезофилла и в клетках обкладки проводящего пучка (рис. 2.2).

Свет — источник энергии для восстановления СО2 в процессе фотосинтеза. Однако растения умеренной зоны используют на фотосинтез 1—2 % (максимум 5 %), а тропические растения —

76

Ðèñ. 2.2. Структурные особенности С4-растений: поперечный разрез листа кукурузы:

1 — эпидермис; 2 — межклетники; 3 — мезофилл;

4 — проводящий пучок; 5 — клетки обкладки

5—6 % (и даже до 15 %) поглощаемого видимого света. Остальная часть энергии тратится на испарение воды.

Через устьица СО2 попадает в подустьичную воздушную полость, а затем в соединяемые воздушные ходы, по которым диффундирует через весь мезофилл листа. На влажной клеточной поверхности СО2 растворяется в воде, гидратируется и преобразуется в углекислоту Н2ÑÎ3. Часть этой кислоты нейтрализуется катионами в клетке с образованием ионов HCO3 . Этот карбонат служит для клетки резервом СО2, который клетка может использовать для фотосинтеза.

Хлоропласт-органелла фотосинтеза

Хлоропласты, у которых тилакоиды образуют стопки, полу- чили название гранальных. Однако у некоторых растений (сахарный тростник, кукуруза, просо и др.) кроме этих хлоропластов есть еще хлоропласты, которые не имеют гран. Эти агранальные хлоропласты находятся в клетках обкладки проводящих пучков.

В хлоропластах находятся все пигменты фотосинтеза (5—10 % сухого веса хлоропластов). Кроме того, хлоропласт содержит 35—55 % белков, 30—50 % липидов, 2—3 % РНК, 0,5 % ДНК, 5 % золы. Основные компоненты золы — калий, фосфор, железо, медь, магний, цинк.

Пигменты, которые принимают участие в фотосинтезе при поглощении света, а также ферменты, необходимые для световой стадии, встроены в мембраны тилакоидов; ферменты, катализирующие восстановление СО2 (темновая стадия), находятся в строме.

77

Как мы уже подчеркивали, хлоропласты содержат свою специфическую ДНК, которая отличается от ядерной и передается по наследству через пластиды, находящиеся в цитоплазме материнской клетки (яйцеклетка); от отцовского растения (через пыльцевую клетку) хлоропластная ДНК не передается по наследству.

Содержащиеся в хлоропластах ферменты кодируются либо ядерной, либо хлоропластной ДНК; некоторые из них, например рибулозодифосфаткарбоксилаза, состоят из двух субъединиц: одна из них кодируется ядерной ДНК, другая — ДНК пластиды. В хлоропластах содержатся также рибосомы, РНК, аминокислоты, ферменты, необходимые для синтеза белка. Все это придает хлоропластам известную автономность, что делает их в какой-то мере независимыми от других клеточных структур. Поэтому некоторые биологи считают, что хлоропласты — это потомки цианобактерий, которые когда-то случайно укоренились в незеленых клетках и тем самым сделали их автотрофными.

Хлоропласты могут размножаться делением. Иногда можно наблюдать, как зеленый хлоропласт принимает форму гантели, а затем делится.

Однако чаще они образуются из пропластид (рис. 2.3). Пропластида окружена двойной мембраной. Из внутренней мембраны пропластиды образуются сначала проламеллярное тело. Затем, когда клетка получит достаточно света, из него формируются тилакоиды и граны, заполняющие всю строму. Одновременно с этим, тоже на свету, в мембраны тилакоидов встраиваются вновь образованные молекулы хлорофилла и других пигментов. Старое суждение о необходимости света для образования хлорофилла распространяется сейчас и на образование (биогенез) внутренней структуры хлоропласта.

Таким образом, количество хлоропластов в клетке листа высших растений увеличивается двумя путями: за счет образования из пропластид и за счет размножения делением.

На протяжении роста листа происходит и рост хлоропласта. При старении клетки хлоропластов разрушаются.

Кроме света на строение хлоропласта, как и самой листовой пластинки, влияют и другие внешние факторы: повышение температуры, условия минерального питания и т. д. Так, при дефиците магния разрушаются тилакоиды стромы и гран, при недостатке азота и серы граны содержат много тилакоидов, а в строме, наоборот, их мало. Дефицит азота влияет на размеры самих хлоропластов: в отсутствие азота они в 1,5—2 раза мельче.

78

Ðèñ. 2.3. Онтогенез хлоропластов

Хлоропласты в клетках высших растений постоянно двигаются вместе с цитоплазмой или самостоятельно. Хлоропласты могут собираться вдоль боковых, вдоль нижней или верхней стенок. При сильной освещенности хлоропласты, защищаясь от света, собираются вдоль боковых стенок, а при слабой — размещаются перпендикулярно солнечным лучам.

2.3. Пигментная система фотосинтетического аппарата

Пигменты — это вещества, избирательно поглощающие свет в видимой части спектра. При освещении белым светом их цвет определяется только лучами, которые они отражают или пропускают. Способность пигментов поглощать свет связана с наличием в их молекулах правильно чередующихся двойных и одинарных

79

связей. Это так называемые сопряженные, или конъюгированные, связи. Между двумя атомами с двойными связями находится че- тыре электрона. Когда система состоит из сопряженных связей, то половина этих электронов способна свободно перемещаться вдоль системы. Поглотив квант света, такой электрон может оторваться от молекулы пигмента, т. е. становится донором электронов для восстановления веществ.

Â1818 г. французы Ж. Пелтье и Ж. Ковенту выделили из листа зеленое вещество и назвали его хлорофиллом (от греч. chloros — зеленый и phyllon — лист). Во второй половине ХIХ в. ученые уже знали о тесной связи фотосинтеза с этим зеленым веществом. На- чались его исследования.

Ч. Дарвин назвал хлорофилл самым интересным веществом на Земле, а сейчас это вещество занимает первое место в мире среди органических соединений по количеству напечатанных о нем статей.

Â1860 г. француз Э. Фреми разделил зеленый экстракт, полу- ченный из листа, на две части: голубовато-зеленую и желтую. Первую он считал хлорофиллом, вторую ксантофиллом. В 1864 г. англичанин Д. Стокс сделал вывод, что экстракт состоит из четырех пигментов: двух зеленых и двух желтых. Такие же результаты получил Г. Сорби в 1878 г. Но на их исследования никто не обратил внимания.

И только после того, как в 1882 г. И. П. Бородин (Россия) получил хлорофилл в чистом кристаллическом виде, а М. С. Цвет (Россия) в 1901 г. предложил хроматографический метод, исследования пигментов пошли очень быстро.

Изучением желтых пигментов занимались А. Арно (1885— 1887 гг., Франция) и Г. Молиш (1894—1896 гг., Австрия). Большой вклад в изучение биосинтеза и функций хлорофилла сделан советской школой фотосинтетиков — А. А. Красновским, Т. Н. Годневым, А. А. Шлыком.

Сейчас известно, что высшие растения содержат две формы зеленых пигментов: хлорофиллы à è b, и две формы желтых пигментов (каротиноиды): каротины и ксантофиллы, а также фикобелины.

Главную роль в фотосинтезе играет хлорофилл à. Строение его молекулы было установлено во втором десятилетии прошлого века, а четверть века спустя синтезирована молекула хлорофилла, которая ничем не отличалась от природной.

Однако хлорофилл — только один из компонентов фотосинтезирующей системы. Поэтому пока все еще не удается осуществить процесс фотосинтеза в пробирке.

80

Хлорофилл — сложное органическое вещество. Одной из главных трудностей для выявления точного химического состава хлорофилла является его полная нерастворимость в воде и легкая изменчивость под воздействием солей, кислот и щелочей. Суммарный химический состав молекулы хлорофилла можно выразить следующей формулой:

хлорофилл à Ñ55Í72Î5N4Mg, хлорофилл b Ñ55Í70Î6 N4Mg.

Указанные хлорофиллы отличаются одним атомом кислорода и двумя водорода, по цвету хлорофилл à — сине-зеленый; b — желто-зеленый.

По химической природе хлорофилл à представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина, в одном карбоксиле которой водород замещен остатком метанола, а в другом — фитола:

Рассмотрим детальнее структурную формулу хлорофилла à (ðèñ. 2.4).

В основе молекулы лежит порфирин, который состоит из че- тырех пирольных колец (пронумерованы римскими цифрами), соединенных метиновыми мостиками (–СН ). В центре порфиринового ядра находится атом Mg, связанный с N. Таким образом, хлорофилл относится к Mg-порфиринам. Порфирины входят и в состав гема крови, являются важным компонентом систем, участвующих в дыхании; в этом случае вместо магния они содержат железо.

Кроме пирольных в состав молекулы хлорофилла входит циклопентановое кольцо (V), которое содержит высокоактивную кетогруппу и участвует в окислении воды. Хлорофилл b отличается от хлорофилла à тем, что ко второму пирольному кольцу присоединена не метильная, а альдегидная группа. Четыре пирольных кольца и метиновые мостики образуют двойные связи. Между двумя атомами, связанными двойными атомами, находится четыре электрона. Когда система состоит из двойных связей, то половина этих -электронов, как отмечалось, может свободно перемещаться вдоль системы.

81