Фотосинтез — это процесс, который растения и другие организмы используют для преобразования энергии света в химическую энергию, которая может использоваться для обеспечения деятельности организма. Скорость фотосинтеза или то, как быстро он происходит, зависит от нескольких факторов, включая температуру, уровень углекислого газа и уровень освещенности. Свет является важным компонентом фотосинтеза и движущей силой, которая катализирует реакцию. Количество и качество доступного света играют важную роль в определении скорости, с которой происходит фотосинтез.
Свет обеспечивает энергию, необходимую для расщепления молекул воды и высвобождения электронов, протонов и кислорода на ранних этапах фотосинтеза. Когда свет попадает на хлоропласты в растительных клетках, он инициирует ряд светозависимых реакций, которые преобразуют солнечную энергию в химические связи. Количество поглощенного света определяет скорость, с которой может происходить эта световая фаза фотосинтеза.
Реакции, зависящие от света, так называются, потому что для их протекания требуется свет. Свет возбуждает электроны в хлоропласте и обеспечивает энергию для образования АТФ и НАДФН, которые используются в следующей фазе фотосинтеза. Чем больше поглощается света, тем больше АТФ и НАДФН будет произведено, что приведет к более высокой скорости фотосинтеза.
Интенсивность или яркость света напрямую влияет на скорость фотосинтеза. Интенсивность света измеряется в люксах или микромолях на квадратный метр в секунду. При низкой интенсивности света скорость фотосинтеза ограничена и линейно увеличивается с увеличением света. По мере увеличения интенсивности света скорость фотосинтеза пропорционально увеличивается, пока не будет достигнута оптимальная точка.
Любое дальнейшее увеличение яркости не приводит к существенному увеличению скорости. Эта точка насыщения достигается потому, что другие факторы, такие как количество доступного хлорофилла и углекислого газа, ограничивают реакции. Избыток света сверх точки насыщения не приведет к дальнейшему повышению скорости фотосинтеза.
Разные растения приспособились к разной оптимальной интенсивности света. Растения, которые процветают при полном солнечном свете, такие как кактусы, имеют более высокие точки насыщения светом, чем тенелюбивые растения, такие как орхидеи.
| Интенсивность света (мкмоль м-2 с-1) | Скорость фотосинтеза |
|---|---|
| 50 | 5 мкмоль CO2 м-2 с-1 |
| 100 | 10 мкмоль CO2 м-2 с-1 |
| 200 | 15 мкмоль CO2 м-2 с-1 |
| 400 | 20 мкмоль CO2 м-2 s-1 |
| 600 | 20 мкмоль CO2 м-2 с-1 |
Не весь свет одинаково эффективен для стимулирования фотосинтеза. Конкретная длина волны (цвет) света, поглощаемого растением, сильно влияет на светозависимые реакции. В спектре видимого света синие и красные длины волн являются наиболее эффективными, а зеленый свет наименее эффективен с точки зрения стимулирования фотосинтеза.
Хлорофилл, основной фотосинтетический пигмент в растениях, сильно поглощает фиолетово-синий и красный свет, отражая при этом длины волн зеленого света. Поэтому красный и синий свет генерируют более высокие скорости фотосинтеза по сравнению с зеленым светом.
Более короткие длины волн света имеют более высокую энергию, чем более длинные. Длина волны синего света составляет 450–520 нм, а красного — 600–700 нм. Высокоэнергетические синие фотоны могут эффективно расщеплять молекулы воды во время светозависимых реакций. Красный свет, хотя и имеет меньшую энергию, обеспечивает оптимальную длину волны для поглощения хлорофиллом, чтобы максимально эффективно управлять фотосинтезом.
Зеленый свет не поглощается, поскольку имеет длину волны 500–600 нм. Поэтому он не обеспечивает достаточно энергии или оптимальной длины волны поглощения хлорофилла для максимизации скорости фотосинтеза.
Длительность воздействия света также влияет на скорость фотосинтеза. При слабом освещении, чем дольше растение подвергается воздействию света, тем выше скорость фотосинтеза. Этот кумулятивный эффект происходит до тех пор, пока не будет достигнуто насыщение при оптимальных уровнях освещенности.
Если период освещения сокращается ниже времени, необходимого для достижения насыщения, то скорость фотосинтеза пропорционально снижается. Например, 5 секунд насыщающего света произведут меньше фотосинтеза, чем 30 секунд насыщающей экспозиции.
После насыщения увеличение продолжительности не увеличивает фотосинтез дальше. Это происходит потому, что реакции работают с максимальной скоростью с учетом других ограничивающих факторов.
Естественные условия солнечного света колеблются в течение дня с изменениями облачности, угла наклона солнца и теней. Растения приспособились к этим изменениям света. Когда уровень света падает ниже точки насыщения, скорость фотосинтеза быстро снижается. Однако, когда возвращается яркий свет, фотосинтез снова увеличивается.
Растения могут возобновить максимальный фотосинтез в течение нескольких секунд после слабого воздействия света. Таким образом, общий суточный фотосинтетический выход зависит от общего количества света, который они получают в течение дня, а не только от пиковой интенсивности в полдень.
Колебания освещенности позволяют растениям достигать почти максимальных показателей, когда солнечный свет самый яркий, при этом минимизируя фотоповреждение в дневные пики. Сравните это с постоянным высоким уровнем освещенности, когда фотосинтез остается насыщенным, но другие процессы, которые защищают лист, не могут сравниться с постоянными высокими показателями.
Углеводы и другие соединения, производимые во время фотосинтеза, различаются в зависимости от уровня освещенности. При слабом освещении растения производят больше растворимых сахаров, крахмалов и аминокислот. Это способствует росту растений, но не так быстро, как при более ярком освещении.
Высокий уровень освещенности увеличивает выработку нерастворимых углеводов и запасных крахмалов. Он также заставляет растения накапливать вторичные пигменты, такие как каротиноиды и антоцианы, которые помогают защищать хлоропласты от избыточного света. Таким образом, оптимальный баланс продуктов, необходимых для роста и защиты растений, достигается в условиях умеренного колебания освещенности.