Перейдем к рассмотрению второго вопроса.

Вводная лекция (1)

План

Образование и учет органических веществ, созданных растением в процессе фотосинтеза.

Значение искусственных культур в познании физиологии растений.

Сведения об углекислоте и жизни на нашей планете.

Жизнь растений, населяющих нашу планету, характеризуется непрерывным накоплением органического вещества. Эти органические вещества не получаются в готовом виде с окружающей среды растения. Они образуются в результате высокой синтезирующей деятельности растения, в самом его организме. Создаются эти сложные органические вещества из более простых веществ, которые находятся в среде, окружающей растения.

Органами восприятия этих веществ из окружающей среды служат корни и листья. Корни поглощают воду и растворенные в ней вещества, а листья воспринимают газообразные вещества из атмосферы.

Органическое вещество, созданное в результате жизнедеятельности корней и листьев, по своему составу является очень сложным.

Исследовать эти вещества можно двумя методами - ближайшим и элементарным. При ближайшем анализе стараются выделить в неизменном виде те вещества из которых построено тело растения. Этими веществами будут клетчатка, крахмал, сахара и разнообразные запасающиеся вещества. Клетчатка составляет скелет растения. В меньшем количестве в теле растения находят жиры, белки, органические кислоты, глюкозиды и алкалоиды, придающие им нередко едкий вкус и ядовитые свойства, дубильные вещества, смолы, эфирные масла и ряд других веществ.

Легче всего обнаруживается в клетках растения соли кальция - углекислая и щавелевокислая, откладывающиеся в клетках в виде кристаллических образований.

При помощи чувствительных микрохимических реакций нетрудно обнаружить в клетках растения ионы калия, магния, натрия, кальция, SO₄, PO₄ и целый ряд других.

Наряду с ближайшим анализом можно провести элементарный анализ, т, е. выяснить, какие именно химические элементы и в каком количественном отношении составляют тело растения. Для этого необходимо исследуемый материал высушить до воздушного сухого веса, а затем полученное сухое вещество подвергнуть сожжению с кислородом. При этом оказывается, что в большом количестве сухое вещество растения почти наполовину состоит из углерода и почти столько же приходится на долю кислорода. В незначительном количестве обнаруживают водород и азот и, наконец, кроме всех этих улетучивающихся при сожжении элементов, остается еще некоторое количество соединений нелетучих, получающихся при прокаливании в виде золы. Средний состав сухой растительной массы может быть выражен такими цифрами:

С=45%, O = 42%, H = 6, 5%, N = 1, 5%, золы = 5%.

По своему элементарному составу разные растения и различные части его значительно отличаются от приведенных выше цифр. А поэтому этим цифрам не следует придавать абсолютного значения.

Вековые наблюдения земледельцев, что растения хорошо развиваются и дают обильные урожаи на темной почве, т.е. почве богатой перегнойными веществами, привели к убеждению, что все нужные вещества растению, оно черпает из соков почвы. Однако, это убеждение оказалось ошибочным. Ошибочность подтверждается методом искусственных культур.

Перейдем к рассмотрению второго вопроса.

«Значение искусственных культур в познании физиологических процессов растений»

Метод этот состоит в том, что вместо естественной почвы, растения выращивается в искусственной среде, все составные части которой точно учитываются. Такой искусственной средой может служзит промытый кварцевый песок, гравий, платиновые обрезки, стерильный шлак и ряд других веществ, но наиболее простыми являются водные культуры. При этом корни растения находятся в воде, в которой растворены необходимые вещества для жизнедеятельности растения, которые оно не может получить из атмосферы. Опыты с полной достоверностью показали, что для нормального развития растения необходимо внести в питательный раствор вполне определенные элементы, а именно: калий, кальций, магний, железо, серу, фосфор, азот, марганец, бор и ряд других.

Растения, произрастающие в искусственных средах, в которых имеются все необходимые элементы для жизнедеятельности растения, развиваются не хуже, чем на самой плодородной почве, и дают прекрасный урожай.

До недавнего времени водные культуры выращивались в лабораториях, с целью выяснения тех или иных научных вопросов. В последнее время водные культуры стали применяться в производственных целях, главным образом в оранжерейных условиях. Такая “беспочвенная” культура представляет некоторые преимущества перед обычным выращиванием, особенно в теплицах. В почве, которая находится в теплицах, развиваются вредные микробы и др. организмы, угнетающие рост и развитие растений, необходимо время от времени менять или стерилизовать паром или ядами. Да и само приготовление почвы сложный и трудоемкий процесс. Необходимо заботится о структуре почвы и соответствующей реакции для растений. Тогда, как для водных культур пользуясь проточными растворами позволяет точно регулировать состав даваемых растениям питательных веществ и заменять их в соответствии с возрастом растения.

Все эти преимущества водных культур растений на искусственных субстратах привели к тому, что этот способ выращивания растений начал получать довольно широкое распространение. Во время Великой Отечественной войны этот способ был использован для выращивания свежих овощей на военно-морских базах, расположенных на островах и лишенных пригодной для растений почвы.

Если из питательного раствора исключить хоть один элемент, например, калий или натрий, или магний, то растения развиваться не будут, вернее, будут развиваться до тех пор пока хватит запаса этого элемента, который находится в прорастающем семени.

Отсюда, можно сделать вывод, что все необходимые элементы для растения, оно должно получать из почвы.

Но как показал выше анализ, что тело растения состоит наполовину из углерода, независимо от того, где оно произрастало в естественной почве или водной культуре. Правда, частично растение поглощает углекислоту из водных растворов почвы, которая частично растворяется в воде, но этого количества для построения тела растения мало. Следовательно, подавляющую часть углерода растение поглощает не из почвы. Нетрудно убедится, что углекислота, находящаяся в атмосфере, хоть в небольшом количестве, составляющая 0, 03% по объему, является необходимым элементом для питания растения. Для этого достаточно растение поместить под колпак, где атмосфера очищена от углекислоты, то увидим, что дальнейшее накопление им вещества приостанавливается и оно начнет обнаруживать признаки голодания. Это явление будет наблюдаться и в том случае, когда растение будет находиться в лишенном соединений углерода питательном растворе, так и тогда, когда оно будет произрастать на почве богатой перегнойными веществами.

Таким образом, опыты показывают, что потребности в углероде растения покрывают за счет получаемой ими из атмосферы углекислоты.

Правда, в последние годы методом радиоактивного углерода (С¹⁴), который входил в углекислоту и органические соединения может усваиваться растением через корни из почвенной Среды. Это было доказано советскими учеными А.Л.Курсановым и С.И. Ратнером. Углекислота, усваиваемая таким образом, может играть важную роль. Однако в количественном отношении доля усваиваемого корнями углерода невелика по сравнению с количеством углерода, который поглощается листьями в процессе фотосинтеза.

Процесс добывания углекислоты из воздуха растениями, для постройки своего тела, представляет собой один из важных в жизни растения, а также всего органического мира. Поскольку как животные так и человек лишены возможности использовать углекислоту из воздуха, а используют в своем питании органические вещества, которые были созданы растениями на основе углекислоты.

Перейдем к рассмотрению третьего вопроса. «Сведения об углекислоте и жизни на нашей планете»

Атмосфера, окружающая нашу планету, служит для растений главным образом “питательной средой” – точно так же, как и почва. Различием только тем, что из почвы растения получают воду и минеральные соли, тогда как воздух поставляет основное количество углерода.

В начале 18 века было известно, что увеличение концентрации углекислоты в воздухе влечет за собой усиление роста и плодоношения растений. Эту проблему изучали разные ученые в разное время. Этим вопросом занимались Тимирязев, Вильштеттер, Стиман-Нильсон, Кох и другие. Они установили, что увеличение концентрации углекислоты в определенных пределах приводит почти к пропорциональному увеличению интенсивности фотосинтеза. Эта закономерность отмечается у всех растений – как высших, так и низших.

Однако, такая закономерность увеличения интенсивности фотосинтеза проявляется до определенного предела. При достижении концентрации углекислоты до определенной величины увеличение интенсивности фотосинтеза прекращается, и наступает так называемое “насыщение”. Это насыщение доказывается рядом исследований Гувера, Джонсона, Синча, Лала и др. Насыщение для большинства растений наступает при концентрации углекислоты 0, 2 – 0, 4% от общего объема воздуха. Наряду с этим эти исследователи доказали, что увеличение содержания углекислоты в окружающей среде растения до 2% и выше – подавляет продуктивность фотосинтеза. По мнению большинства авторов это происходит в результате кинетического торможения химического механизма фотосинтеза, а также других причин, в частности, свойства растений закрывать устьица при повышенной концентрации углекислоты.

Нормальная концентрация углекислоты в воздухе и в воде естественных водоемов составляет 0, 03%. Она не достигает естественного насыщения при естественном освещении. Таким образом, урожайность растений может быть повышена, если повысить содержание углекислоты до предела насыщения. Этот факт сам по себе очень интересный, а также с точки зрения эволюционных теорий. Он дает возможность предположить, что в предшествующие геологические эпохи содержание углекислоты было более высоким, - или, если эта гипотеза не подтвердится, что происхождение растений космическое.

Рядом ученых проводились исследования по выяснению влияния повышенной концентрации углекислоты на урожайность растений. Такие попытки привели к поразительным результатам. Так, Е. Демусси, незначительно увеличив концентрацию углекислоты, повысил урожайность тепличных растений на 60%, Дорохов (1936) увеличил урожаи томатов на 20%, огурцов на 37 – 75%, фасоли на 82%. Однако, идея промышленного использования углекислоты в этих целях, несмотря на многочисленные опыты в естественных условиях, пока не принесла успеха из-за сложности технического исполнения.

Однако, это единственное значение углекислоты для жизни на Земле. Атмосферная углекислота вместе с парами воды создает на поверхности Земли так называемый “оранжерейный эффект” или еще называют “парниковый эффект”. Значение его состоит в том, что находящиеся в атмосфере углекислота и пары воды поглощают излучение Земли, состоящие в основном из красной части спектра – около 10 микрон и этим самым задерживают тепло, которое наша планета рассеивает в космос. Но при этом они не задерживают солнечной энергии, падающей на Землю, так как основное излучение Солнца приходит к нам с фиолетовой частью спектра – около 0, 1 микрон. Это излучение не поглощается углекислотой и водяными парами. В связи с этим ряд ученых (Чемберлен, 1897; Бали, 1901; Календер, 1949 и др.) выдвинули гипотезу о том, что ледники на Земле были образованы в результате уменьшения углекислоты в атмосфере. Углекислота по их предположению шла на минерализацию каменного угля, нефти с образованием карбонатных пород. По современным данным, содержание углекислоты в атмосфере примерно постоянно на всех географических широтах и во всех слоях атмосферы и составляет 0, 03 0, 003% от ее объема. Это постоянство обуславливается интенсивной циркуляцией воздушных масс, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Такое толкование подтверждается и повсеместным возрастанием в наше время концентрации изотопа С₁₄, попавшего в атмосферу в результате ядерных взрывов.

Учеными установлено, что ежегодно наземные и морские растения в процессе фотосинтеза поглощают 15, 6. 10¹⁰ т углекислоты, то это заставляет задуматься над вопросом, каким образом запас углекислоты снова пополняется до своей нормы. Оказалось, что основным источником углекислоты в атмосфере служат процессы разложения, т.е. гниения и брожения. Этому процессу подвергаются остатки морских и наземных организмов. Основную массу СО₂ выделяют морские организмы – более 50%. А такие источники углекислоты, как вулканы, фумаролы, офетты, выделяющие ювенильную углекислоту из карбонатов и ранее считавшиеся основным ее источником, занимают одно из последних мест. Даже такие колоссальные извержения углекислоты, как в Собачьей пещере под Неаполем, где выбрасывается 27 т углекислоты в сутки, источники Херста в Вестфалии – 900 т в сутки – приводят лишь к местным значительным увеличениям концентрации углекислоты.

Одному из основных поставщиков углекислоты – почве – до недавнего времени ученые не уделяли должного внимания. Однако, подсчеты Кобак, 1964 показывают, что почва поставляет 38% углекислоты ежегодно. Все остальные источники – дыхание людей, животных и др. организмов – вместе выделяют лишь менее 2% углекислоты.

Таким образом, основная масса углекислоты атмосферы имеет растительное происхождение и находится в постоянном динамическом равновесии с фотосинтезирующими растениями, которые не могут интенсивно потреблять углекислоту, когда ее количество падает ниже определенной нормы. Этим и объясняется постоянство количества углекислоты (парциальное давление СО₂ ) в атмосфере.

Наряду с этим наблюдается значительное суточное колебание углекислоты. Это явление ученые связали с суточными изменениями в жизнедеятельности растений. Это подтверждается экспериментальными данными многих ученых. С помощью точных оптико-акустических газоанализаторов было установлено, что днем во время интенсивного фотосинтеза содержание углекислоты на высоте ассимилирующих органов падает почти в полтора раза (в вегетационный период) по сравнению с ее концентрацией на открытых местах. В ночное время в при почвенных слоях воздуха, когда идет интенсивная жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, концентрация углекислоты возрастает в три раза. При этом, чем богаче и мощнее почва, тем более интенсивно идет этот процесс.

Контрольные вопросы

1. Какие органические вещества синтезируются растением? Примеры.

2. Участвует ли корневая система в образовании органических веществ?

3. Назовите простые вещества из которых создаются органические вещества в теле растения.

4. Используют ли животные и человек углекислоту из воздуха для синтеза органических веществ в свеем теле?

5. Какие вещества растения получают из воздуха и почвы?

6. Какая концентрация СО₂ находится в воздухе и воде?

7. Как влияет повышение концентрации углекислоты в воздухе на рост и плодоношение растений?

8. Назовите ученых которые изучали влияние концентрации СО₂ на рост и урожайность растений?

9. При какой концентрации СО₂ в воздухе наступает насыщение для большинства растений?

10. Какое содержание СО₂ содержалось в предшествующие геологические эпохи?

11. Какие ученые проводили исследования по выявлению влияния повышенной концентрации СО₂ на урожайность растений?

12. Поясните, что такое «парниковый эффект» и его значение для жизни на нашей планете.

13. Как объясняют ученые Чемберлен, Календер и др. появление ледников на Земле?

14. Учитывая то, что растения и водоросли поглощают большое количество СО₂ из воздуха в процессе фотосинтеза (15, 6 х 10¹⁰ т СО₂) возникает вопрос: «Каким образом запас СО₂ пополняется до своей нормы»?