Что делает фотосинтез
Растения, водоросли и цианобактерии используют энергию света, чтобы строить сахар из углекислого газа и воды, выделяя кислород:
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Он идёт в две связанные стадии. В световых реакциях, в мембранах тилакоидов хлоропласта, хлорофилл поглощает свет, и энергия идёт на расщепление воды, при котором выделяется кислород, и на синтез АТФ и НАДФН. В цикле Кальвина, в строме вокруг тилакоидов, фермент рубиско фиксирует углекислый газ, а АТФ и НАДФН превращают его в сахар. Первой стадии нужен свет; второй — углекислый газ, и, как любой набор ферментативных реакций, она идёт быстрее в тепле.
Лимитирующие факторы
В 1905 году Фредерик Блэкман указал, что когда процесс зависит от нескольких факторов, его скорость сдерживает тот, которого меньше всего, — лимитирующий фактор. Дайте растению больше света, когда ему не хватает углекислого газа, и почти ничего не изменится; дайте больше углекислого газа, и скорость будет расти, пока пределом не станет свет или температура. Поэтому каждая кривая скорости фотосинтеза растёт, а затем выходит на плато: плато — это место, где управление перешло к другому фактору.
- Интенсивность света ограничивает световые реакции. При тусклом свете скорость почти пропорциональна свету.
- Углекислый газ ограничивает цикл Кальвина. Водные растения поглощают его в виде растворённого CO₂ и гидрокарбонат-ионов, поэтому добавление гидрокарбоната натрия (NaHCO₃) их ускоряет.
- Температура задаёт скорость ферментов: примерно удвоение на каждые 10 °C (Q₁₀ около 2), пока выше оптимума ферменты не начинают повреждаться и скорость резко не падает.
Свет и расстояние: закон обратных квадратов
Свет маленькой лампы расходится по сфере, площадь которой растёт как квадрат расстояния, поэтому интенсивность падает как 1 ÷ d². Если отодвинуть лампу с 10 до 20 см, останется четверть света; до 30 см — девятая часть. Поэтому результаты опыта с лампой часто строят против 1 ÷ d², пропорционального интенсивности света, а не против самого расстояния.
Дыхание и точка компенсации
Растение постоянно дышит, потребляя кислород днём и ночью. То, что вы измеряете как выделенный кислород, — чистая скорость: валовой фотосинтез минус дыхание. При тусклом свете они могут уравновеситься, и кислород вообще не выходит из растения. Интенсивность света, при которой это происходит, — точка компенсации. Ниже неё растение расходует больше сахара, чем производит.
Опыт с элодеей
Веточку водного растения (элодеи или кабомбы) помещают в пробирку с водой срезом вверх, а рядом ставят лампу. Кислород от фотосинтеза собирается в воздушных полостях стебля и выходит из среза цепочкой пузырьков. Считайте пузырьки за минуту при нескольких расстояниях до лампы или собирайте газ в капилляр и измеряйте длину столбика, и вы получите меру скорости. Гидрокарбонат натрия в воде не даёт растению испытывать недостаток углекислого газа, а стакан воды вокруг пробирки поддерживает постоянную температуру.
Разобранный пример
Симуляция начинается с лампой на расстоянии 20 см, белым светом, 1 г гидрокарбоната натрия на литр и водой при 25 °C.
- Свет: лампа даёт 800 мкмоль фотонов на м² в секунду на 10 см, поэтому на 20 см I = 800 × (10 ÷ 20)² = 200.
- Один свет мог бы поддерживать J = 0,1 × 0,75 × 200 = 15 пузырьков в минуту (0,75 для белого света).
- Углекислый газ: 1 г NaHCO₃ (84 г на моль) — это 11,9 мМ плюс 0,5 мМ из воды, так что C = 12,4 мМ и C ÷ (C + 2) = 0,86.
- Температура: при 25 °C ферменты работают на 0,65 от своего лучшего, поэтому максимум, на который они способны, P_max = 60 × 0,65 × 0,86 = 33,6 пузырька в минуту.
- J намного ниже P_max, поэтому скорость ограничивает свет. Валовой фотосинтез составляет 14,0, дыхание забирает 3, и выделяется 11 пузырьков в минуту.
Придвиньте лампу на 10 см, и свет учетверится до 800, J станет 60, а чистая скорость вырастет до 27,4 пузырька в минуту: не вчетверо, потому что скорость теперь близка к P_max. Свет больше не лимитирует; при 25 °C лимитирует температура. Нагрев воды до 35 °C поднимает чистую скорость до 34,6, а увеличение гидрокарбоната натрия до 10 г/л — лишь до 30,9.
Как пользоваться симуляцией
В Симулятор фотосинтеза и лимитирующих факторов попробуйте:
- Постройте скорость против расстояния до лампы и посчитайте пузырьки на 10, 20, 40 и 80 см; затем постройте то же против интенсивности света и посмотрите, как кривая выходит на плато.
- Отодвиньте лампу дальше примерно 45 см: ниже точки компенсации пузырьки прекращаются, хотя растение всё ещё фотосинтезирует.
- Поставьте гидрокарбонат натрия на 0 при близкой лампе: углекислый газ ограничивает скорость менее чем 5 пузырьками в минуту, как бы ярко ни светила лампа.
- Постройте против температуры: скорость растёт до оптимума около 33 °C и обваливается к 45 °C, где дыхание обгоняет фотосинтез.
- Переключитесь на зелёный свет: скорость падает до доли того, что даёт красный свет на том же расстоянии.
Что предполагает модель
- Точечный источник света, точно подчиняющийся закону обратных квадратов, без света от комнаты.
- Скорость — меньшее из того, что позволяют свет и ферменты, с плавным переходом между ними (некруговая гипербола с кривизной θ = 0,9), как в обычных моделях фотосинтеза листа.
- Углекислый газ следует кривой насыщения C ÷ (C + 2 мМ), а растворённый CO₂ и гидрокарбонат считаются одинаково доступными.
- Температура ускоряет ферменты с Q₁₀ = 2 и повреждает их с серединой при 37 °C; повреждение мгновенно и полностью обратимо.
- Дыхание — 3 пузырька в минуту при 25 °C, удваивается каждые 10 °C, одинаково на свету и в темноте.
- Все пузырьки одного размера и состоят только из кислорода от фотосинтеза; подсчёты разбросаны как случайные (пуассоновские) числа вокруг модельной скорости.
- Цвет входит как одна эффективность для каждой лампы: красный 1, белый и синий 0,75, зелёный 0,3 при одинаковом потоке фотонов.
Крайние случаи
- Лампа очень близко: на 5 см свет 3200 мкмоль м⁻² с⁻¹, больше полного солнечного света, но скорость растёт лишь с 27,4 до 30 пузырьков в минуту по сравнению с 10 см: кривая насытилась.
- Точка компенсации: ниже неё чистая скорость показывается как ноль; растение не бездействует, но весь свой кислород использует само.
- Без гидрокарбоната натрия: остаётся только 0,5 мМ в воде, и углекислый газ ограничивает всё.
- Горячая вода: примерно с 42 °C ферменты отказывают, а дыхание, продолжая расти, превышает фотосинтез, поэтому пузырьков нет, как бы ярко ни светила лампа.
- Около нуля: при 0 °C ферменты работают примерно на десятую часть от своего лучшего, поэтому даже яркий свет даёт мало пузырьков.
Где модель перестаёт быть верной
- Лампы нагревают воду. Лампа накаливания или галогенная лампа рядом с пробиркой её греет, так что перемещение лампы меняет и температуру, и свет. Светодиодные лампы или ёмкость с водой между лампой и растением этого избегают.
- Близкие лампы — не точки. На расстоянии нескольких диаметров лампы от растения свет уже не падает как 1 ÷ d², а одни части растения затеняют другие.
- Пузырьки — грубая мера. Они различаются по размеру, часть кислорода растворяется, не успев образовать пузырьки, а газ содержит также азот и углекислый газ. Точнее измерять объём газа или растворённый кислород датчиком.
- Повреждение необратимо. Ферменты, денатурированные нагревом, не восстанавливаются, когда вода остывает, а очень яркий свет повреждает фотосистемы (фотоингибирование), снижая скорость вместо того, чтобы держать её на плато.
- Зелёный свет не бесполезен. Тонкие листья элодеи поглощают мало зелёного света, но в более толстых листьях зелёный свет поглощается при многократных проходах; измерения Маккри на листьях сельскохозяйственных растений показали, что зелёные фотоны примерно на 70% так же эффективны, как красные.
- Растение меняется. За часы растения закрывают свои светособирающие комплексы на ярком свету, исчерпывают углекислый газ в стоячей воде и приспосабливаются к температуре, поэтому долгий опыт уходит от модели.
- Фотодыхание. Рубиско реагирует и с кислородом, тратя энергию впустую, тем сильнее, чем теплее и чем меньше углекислого газа; простая температурная кривая сворачивает это в один фактор.
Связанные инструменты
Приготовьте раствор гидрокарбоната натрия с помощью Калькулятор молярности и Калькулятор молярной массы, как описано в Как приготовить раствор заданной молярности. Симулятор ферментативной кинетики показывает, как ферменты реагируют на температуру и субстрат, а Симулятор спектрофотометра и закона Бугера — Ламберта — Бера измеряет, как пигменты вроде хлорофилла поглощают свет каждого цвета. Конвертер температуры переведёт температуру воды.