CO₂ для рослин – чи потрібно використовувати?

Будь-яка рослина використовує вуглекислий газ для здійснення процесу фотосинтезу: на світлі при взаємодії з водою CO₂ розщеплюється на атоми вуглецю та водню, а вони, у свою чергу, вбудовуються в молекули крохмалів та цукрів, з яких складаються рослинні тканини. Тому чим більше світла та вуглекислого газу, тим активніше відбувається фотосинтез, а отже, тим краще розвивається агрокультура. Саме у зв'язку з цим рослинники подають додаткові порції вуглекислого газу для отримання більших урожаїв.

Особливо це важливо для вирощування в закритих теплицях і гроубоксах, а також у зимових садах — тобто там, де повітря не оновлюється за рахунок постійного провітрювання. Рослини, тим більше коли їх багато, швидко поглинають CO₂, та фотосинтез уповільнюється. Тому фахівці рекомендують додавати вуглекислий газ із періодичністю один раз на три години (у світлу частину доби). При цьому на час подачі CO₂ Ви можете вимкнути вентиляцію за допомогою таймера для більш швидкого досягнення необхідних значень PPM.

Як розрахувати, скільки потрібно CO₂

Для звичайних рослин підвищений рівень вуглекислого газу становить 1500 PPM. Це вище, ніж одержують зелені насадження з повітря у чистому полі. Щоб зрозуміти, скільки потрібно додати, спочатку необхідно виміряти рівень CO₂. Різниця між значенням, що вийшло, і бажаним складе певне число. Це додаткове значення слід помножити на об'єм приміщення в кубометрах, а результат розділити на 1 000. І вже ось це число стане тим літражем вуглекислого газу, який слід додавати за один «сеанс».До цього літражу варто також додавати близько 20 відсотків додаткового обсягу газу, оскільки витоку з приміщення навіть при закритих вікнах неминучі.

Також, знаючи пропускну здатність пристрою для подачі CO₂ (У літрах за хвилину), нескладно і підрахувати, на скільки хвилин включати цей пристрій. Можна навіть автоматизувати процес, підключивши таймери до електричного клапана балона з вуглекислим газом та витяжного вентилятора.

Важливі застереження

Що добре для рослин, може виявитися шкідливо або навіть смертельно для людей. Повітря з перевищеною кількістю вуглекислого газу погане для дихання, а рівень 1500 PPM є таким, що призводить до смерті від задухи. Тому вирощувати якісь рослини з додаванням CO₂ можна тільки в приміщеннях, куди люди не заходять постійно, наприклад, в відокремлених теплицях або герметичних гроутентах, оснащених вентиляторами, очищувачами повітря та витяжками. А відкривати гроубокс або заходити в теплицю можна лише при вимкненій подачі газу та після провітрювання.

Але зрозуміло, що подавати CO₂ взагалі недоцільно, якщо на підвіконні просто стоїть два-три горщики з рослинами. Адже якщо флори мало, а кімната добре провітрюється, дефіциту вуглекислого газу не виникає.

Слід також зауважити, що надлишок вуглекислого газу для самих рослин також шкідливий – він може призвести до неякісних урожаїв. А якщо подавати велику кількість CO₂ без освітлення, то рослини будуть бліднути і сповільнювати зростання.

Як і де відбувається процес фотосинтезу рослин?

Кожна жива істота на планеті потребує їжі або енергії, щоб вижити.Деякі організми живляться іншими істотами, тоді як інші можуть виробляти власні живильні елементи. Рослини самі виробляють продукти харчування, глюкозу, у процесі, що називається фотосинтезом.

Фотосинтез та дихання взаємопов'язані. Результатом фотосинтезу є глюкоза, яка зберігається як хімічна енергія у рослинних клітинах. Ця накопичена хімічна енергія утворюється внаслідок перетворення неорганічного вуглецю (вуглекислого газу) в органічний вуглець. Процес дихання звільняє накопичену хімічну енергію.

Крім продуктів, які вони виробляють, рослинам також потрібні вуглець, водень і кисень, щоб вижити. Вода, поглинена з ґрунту, забезпечує водень та кисень. Під час фотосинтезу, вуглець та вода використовуються для синтезу їжі. Рослини також потребують нітратів, щоб виробляти амінокислоти (амінокислота - інгредієнт для вироблення білка). Крім цього, вони потребують магнію для виробництва хлорофілу.

Нотатка: Живі істоти, які залежать від інших продуктів, називаються гетеротрофами. Травоїдні, такі як корови, а також рослини, що харчуються комахами, є прикладами гетеротрофів. Живі істоти, що виробляють власну їжу, називають автотрофами. Зелені рослини та водорості – приклади автотрофів.

У цій статті ви дізнаєтеся більше про те, як відбувається фотосинтез у рослин і про необхідні для цього процесу умови.

Визначення фотосинтезу

Фотосинтез - це хімічний процес, за допомогою якого рослини, деякі бактерії та водорості виробляють глюкозу та кисень з вуглекислого газу та води, використовуючи тільки світло як джерело енергії.

Цей процес є надзвичайно важливим для життя на Землі, оскільки завдяки йому виділяється кисень, від якого залежить все життя.

Навіщо рослинам потрібна глюкоза (їжа)?

Подібно до людей та інших живих істот, рослини також потребують харчування для підтримки життєдіяльності. Значення глюкози для рослин полягає в наступному:

• Глюкоза, отримана в результаті фотосинтезу, використовується під час дихання для вивільнення енергії, яка потрібна рослині для інших життєво важливих процесів.
• Рослинні клітини також перетворюють частину глюкози на крохмаль, який використовують при необхідності. З цієї причини мертві рослини використовуються як біомаса, адже в них зберігається хімічна енергія.
• Глюкоза також необхідна, щоб виробляти інші хімічні речовини, такі як білки, жири та рослинні цукри, необхідні для забезпечення росту та інших важливих процесів.

Фази фотосинтезу

Процес фотосинтезу поділено на дві фази: світлову та темнову.

Світлова фаза фотосинтезу

Як випливає з назви, світлові фази потребують сонячного світла. У світлозалежних реакціях енергія сонячного світла поглинається хлорофілом і перетворюється на запасену хімічну енергію у вигляді молекули електронного носія НАДФН (нікотинамідаденіндінуклеотидфосфат) та молекули енергії АТФ (аденозинтрифосфат). Світлові фази протікають у тилакоїдних мембранах у межах хлоропласту.

Темнова фаза фотосинтезу чи цикл Кальвіна

У темновій фазі або циклі Кальвіна збуджені електрони із світлової фази забезпечують енергію для утворення вуглеводів із молекул вуглекислого газу. Не залежні від світла фази іноді називають циклом Кальвіна через циклічність процесу.

Хоча темнові фази не використовують світло як реагент (і, як результат, можуть відбуватися вдень або вночі), їм необхідно, щоб продукти світлозалежних реакцій функціонували. Незалежні від світла молекули залежить від молекул енергоносіїв — АТФ і НАДФН — до створення нових молекул вуглеводів. Після передачі енергії молекули енергоносії повертаються до світлових фаз для отримання енергійніших електронів. З іншого боку, кілька ферментів темнової фази активуються з допомогою світла.

Схема фаз фотосинтезу

Нотатка: Це означає, що темнові фази не будуть продовжуватися, якщо рослини будуть позбавлені світла занадто довго, оскільки вони використовують продукти світлових фаз.

Будова листя рослин

Ми не можемо повністю вивчити фотосинтез, не знаючи більше про будову листа. Аркуш адаптований для того, щоб відігравати життєво важливу роль у процесі фотосинтезу.

Зовнішня будова листя

Площа

Однією з найголовніших особливостей рослин є велика площа поверхні листя. Більшість зелених рослин мають широке, плоске і відкрите листя, яке здатне захоплювати стільки сонячної енергії (сонячного світла), скільки необхідно для фотосинтезу.

Центральна жилка та черешок

Центральна жилка та черешок з'єднуються разом і є основою листа. Черешок має лист таким чином, щоб він отримував якомога більше світла.

Листова платівка

Просте листя має одну листову пластину, а складне - кілька. Листова платівка - одна з найголовніших складових аркуша, яка бере участь безпосередньо в процесі фотосинтезу.

Жили

Мережа жилок у листі переносить воду від стебел до листя.Глюкоза, що виділяється, також направляється в інші частини рослини з листя через жилки. Крім того, ці частини листа підтримують та утримують листову пластину плоскою для більшого захоплення сонячного світла. Розташування жилок (жилкування) залежить від виду рослини.

Основа листа

Підставою листа виступає найнижча його частина, яка зчленована зі стеблом. Найчастіше, біля основи листа розташовується парна кількість прилистків.

Край листа

Залежно від виду рослини, край листа може мати різну форму, включаючи: цілокраї, зубчасті, пильчасті, виїмчасті, городчасті і т.п.

Верхівкадоа листа

Як і край листа, верхівка буває різної форми, включаючи: гостру, округлу, тупу, витягнуту, відтягнуту і т.д.

Внутрішня будова листя

Нижче представлена ​​близька схема внутрішньої будови тканин листя:

Кутикула

Кутикула є головним, захисним шаром на поверхні рослини. Як правило, вона товща на верхній частині листа. Кутикула покрита речовиною, подібною до віску, завдяки якому захищає рослину від води.

Епідерміс

Епідерміс – шар клітин, який є покривною тканиною листка. Його головна функція – захист внутрішніх тканин листа від зневоднення, механічних пошкоджень та інфекцій. Він також регулює процес газообміну та транспірації.

Мезофіл

Мезофіл - це основна тканина рослини. Тут відбувається процес фотосинтезу. У більшості рослин мезофіл розділений на два шари: верхній - палісадний і нижній - губчастий.

Захисні клітини

Захисні клітини - спеціалізовані клітини в епідермісі листя, що використовується для контролю газообміну. Вони виконують захисну функцію для продиху.Устьичні пори стають більшими, коли вода є у вільному доступі, інакше, захисні клітини стають млявими.

Устьиці

Фотосинтез залежить від проникнення вуглекислого газу (CO2) з повітря через продихи в тканини мезофілу. Кисень (O2), отриманий як побічний продукт фотосинтезу, виходить із рослини через продихи. Коли продихи відкриті, вода втрачається в результаті випаровування і повинна бути заповнена через потік транспірації, водою, поглиненою корінням. Рослини змушені врівноважувати кількість поглиненого СО2 з повітря та втрату води через устьичні пори.

Умови, необхідні для фотосинтезу

Нижче наведено умови, які необхідні рослинам для здійснення процесу фотосинтезу:

• Вуглекислий газ. Безбарвний природний газ без запаху, виявлений у повітрі та має наукове позначення CO2. Він утворюється при горінні вуглецю та органічних сполук, а також виникає у процесі дихання.
• Вода. Прозора рідка хімічна речовина без запаху та смаку (в нормальних умовах).
• Світло. Хоча штучне світло також підходить для рослин, природне сонячне світло, як правило, створює кращі умови для фотосинтезу, тому що в ньому є природне ультрафіолетове випромінювання, яке позитивно впливає на рослини.
• Хлорофіл. Це зелений пігмент, знайдений у листі рослин.
• Поживні речовини та мінерали. Хімічні речовини та органічні сполуки, які корені рослин поглинають із ґрунту.

Що утворюється внаслідок фотосинтезу?

Нотатка: Рослини отримують CO2 з повітря через їх листя, і воду з ґрунту через коріння. Світлова енергія походить від Сонця. Отриманий кисень виділяється у повітря з листя.Отримувану глюкозу можна перетворити на інші речовини, такі як крохмаль, який використовується як запас енергії.

Якщо фактори, що сприяють фотосинтезу, відсутні або відсутні в недостатній кількості, це може негативно вплинути на рослину. Наприклад, менша кількість світла створює сприятливі умови для комах, які їдять листя рослини, а нестача води уповільнює.

Де відбувається фотосинтез?

Фотосинтез відбувається усередині рослинних клітин, у дрібних пластидах, званих хлоропластами. Хлоропласти (переважно які у шарі мезофілу) містять зелене речовина, зване хлорофілом. Нижче наведені інші частини клітини, які працюють із хлоропластом, щоб здійснити фотосинтез.

Будова рослинної клітини

Функції частин рослинної клітини

• Клітинна стінка: забезпечує структурну та механічну підтримку, захищає клітини від патогенів, фіксує та визначає форму клітини, контролює швидкість та напрямок росту, а також надає форму рослинам.
• Цитоплазма забезпечує платформу для більшості хімічних процесів, контрольованих ферментами.
• Мембрана: діє як бар'єр, контролюючи рух речовин у клітину та з неї.
• Хлоропласти: як було описано вище, вони містять хлорофіл, зелену речовину, яка поглинає світлову енергію у процесі фотосинтезу.
• Вакуоля: порожнина всередині клітинної цитоплазми, яка накопичує воду.
• Клітинне ядро ​​містить генетичну марку (ДНК), яка контролює діяльність клітини.

Хлорофіл поглинає світлову енергію, необхідну для фотосинтезу. Важливо, що поглинаються в повному обсязі колірні довжини хвилі світла.Рослини переважно поглинають червону та синю хвилі — вони не поглинають світло в зеленому діапазоні.

Вуглекислий газ у процесі фотосинтезу

Рослини отримують вуглекислий газ з повітря через їх листя. Вуглекислий газ просочується через маленький отвір у нижній частині листа - продиху.

Нижня частина листа має вільно розташовані клітини, щоб вуглекислий газ досяг інших клітин листя. Це також дозволяє кисню, що утворюється під час фотосинтезу, легко залишати лист.

Вуглекислий газ присутній у повітрі, яким ми дихаємо, у дуже низьких концентраціях і є необхідним фактором темнової фази фотосинтезу.

Світло в процесі фотосинтезу

Лист зазвичай має велику площу поверхні, тому він може поглинати багато світла. Його верхня поверхня захищена від втрати води, хвороб та впливу погоди восковим шаром (кутикулою). Верх аркуша знаходиться там, де падає світло. Цей шар мезофілу називається палісадним. Він пристосований для поглинання великої кількості світла, адже в ньому є багато хлоропластів.

У світлових фазах процес фотосинтезу збільшується з великою кількістю світла. Більше молекул хлорофілу іонізується і більше генерується АТФ і НАДФН, якщо світлові фотони зосереджені на зеленому листі. Хоча світло надзвичайно важливе у світлових фазах, слід зазначити, що надмірна його кількість може пошкодити хлорофіл, і зменшити процес фотосинтезу.

Світлові фази не дуже залежать від температури, води або вуглекислого газу, хоча всі вони потрібні для завершення процесу фотосинтезу.

Вода у процесі фотосинтезу

Рослини отримують воду, необхідну для фотосинтезу через своє коріння. Вони мають кореневі волоски, які розростаються у ґрунті.Коріння характеризується великою площею поверхні та тонкими стінками, що дозволяє воді легко проходити крізь них.

На зображенні представлені рослини та їх клітини з достатньою кількістю води (ліворуч) та її нестачею (праворуч).

Нотатка: Кореневі клітини не містять хлоропластів, оскільки вони зазвичай знаходяться в темряві і не можуть фотосинтезувати.

Якщо рослина не вбирає достатню кількість води, вона в'яне. Без води рослина буде не здатна фотосинтезувати досить швидко, і може навіть загинути.

Яке значення має вода для рослин?

• Забезпечує розчиненими мінералами, що підтримують здоров'я рослин;
• Є середовищем для транспортування мінеральних ресурсів;
• Підтримує стійкість та прямостояння;
• Охолоджує та насичує вологою;
• Дає можливість проводити різні хімічні реакції у рослинних клітинах.

Значення фотосинтезу у природі

Біохімічний процес фотосинтезу використовує енергію сонячного світла для перетворення води та вуглекислого газу на кисень та глюкозу. Глюкоза використовується як будівельні блоки в рослинах для росту тканин. Таким чином, фотосинтез - це спосіб, завдяки якому формуються коріння, стебла, листя, квіти та плоди. Без процесу фотосинтезу рослини не зможуть рости чи розмножуватися.

Продуценти

Через фотосинтетичну здатність, рослини відомі як продуценти і служать основою майже кожного харчового ланцюга на Землі. (Ворості є еквівалентом рослин у водних екосистемах). Вся їжа, яку ми їмо, походить від організмів, які є фотосинтетиками.Ми харчуємося цими рослинами безпосередньо або їмо тварин, таких як корови чи свині, які споживають рослинну їжу.

Основа харчового ланцюга

Усередині водних систем, рослини та водорості також становлять основу харчового ланцюга. Водорості служать їжею для безхребетних, які, своєю чергою, виступають джерелом харчування більших організмів. Без фотосинтезу у водному середовищі життя було б неможливим.

Видалення вуглекислого газу

Фотосинтез перетворює вуглекислий газ на кисень. Під час фотосинтезу вуглекислий газ з атмосфери надходить у рослину, а потім виділяється у вигляді кисню. У сьогоднішньому світі, де рівні двоокису вуглецю ростуть жахливими темпами, будь-який процес, який усуває вуглекислий газ з атмосфери, є екологічно важливим.

Кругообіг поживних речовин

Рослини та інші фотосинтезують організми відіграють життєво важливу роль у кругообігу поживних речовин. Азот у повітрі фіксується у рослинних тканинах і стає доступним для створення білків. Мікроелементи, що знаходяться в грунті, також можуть бути включені до рослинної тканини і стати доступними для травоїдних тварин, далі по харчовому ланцюгу.

Фотосинтетична залежність

Фотосинтез залежить від інтенсивності та якості світла. На екваторі, де сонячне світло рясніє весь рік і вода не є обмежуючим фактором, рослини мають високі темпи зростання і можуть стати досить великими. І навпаки, фотосинтез у глибших частинах океану зустрічається рідше, оскільки світло не проникає в ці верстви, і в результаті ця екосистема виявляється безплідною.