Що таке фотосинтез і чому він такий важливий для нашої планети

Що відбувається в процесі фотосинтезу, які бувають пігменти і чому листя змінює колір восени, які організми першими почали фотосинтезувати і що буде, якщо рослини зникнуть з лиця землі? Розбираємось разом з Іваном Полікарповим, викладачем біології у Домашній школі Фоксфорда.

Іван Полікарпов,
викладач біології у Домашній школі Фоксфорда

Британський хімік Джозеф Прістлі та голландський біолог Ян Інгенхауз у XVIII столітті з'ясували, що рослини виділяють кисень і для цього їм потрібні сонячні промені. У XIX столітті вчені зрозуміли, що рослини використовують для фотосинтезу вуглекислий газ, а німецький дослідник природи Юліус Роберт фон Майєр постулював на підставі закону про збереження енергії, що рослини перетворять енергію сонячного світла в енергію хімічних зв'язків. Наприкінці ХІХ століття німецький хімік Вільгельм Пфеффер придумав назву процесу — фотосинтез. Таким чином, до кінця XIX століття вже знали, що у фотосинтезі використовуються вода та вуглекислий газ, а в результаті утворюються глюкоза та кисень під дією сонячного світла.

Підписуйтесь на телеграм-канал Домашньої школи Фоксфорда — тут ми щодня публікуємо корисні пости про лайфхаки навчання, тайм-менеджмент, розвиток і підтримку школярів, а також ділимося безкоштовними матеріалами та шпаргалками.

Паралельно вчені виділили головних учасників фотосинтезу – пігменти – за допомогою хроматографії. Це складний процес, який дозволив розділити суміш молекул у клітині.Перші хроматограми отримав російський біохімік Михайло Колір у 1900 році, а в даний час це один із найбільш широко застосовуваних аналітичних методів.

У XX столітті вчені досліджували пігменти та механізми протікання фотосинтезу, а в XXI столітті генні інженери зі стартапу Living Carbon займаються підвищенням ефективності фотосинтезу тополь за допомогою генної модифікації.

Що таке фотосинтез

Фотосинтез - процес, при якому в клітинах, що містять хлорофіл, під дією енергії світла утворюються органічні речовини з неорганічних. При фотосинтезі рослина поглинає вуглекислий газ та воду, синтезує органічні речовини та виділяє кисень як побічний продукт фотосинтезу.

Процеси фотосинтезу йдуть у тканинах, що містять хлоропласти, — переважно в листі, на який припадає більшість процесів фотосинтезу. Така тканина називається хлоренхім або мезофіл.

Щоб зрозуміти, що відбувається у клітинах при фотосинтезі, потрібно докладніше розглянути структуру хлоропластів. Хлоропласти – це органоїди рослинних клітин, у яких відбувається фотосинтез.

Хлоропласт зеленої рослини – це двомембранний органоїд. Зовнішня мембрана проникна більшість органічних і неорганічних сполук. Внутрішня мембрана має вибіркову проникність і завдяки транспортним білкам здатна контролювати, які саме речовини потраплять у внутрішній простір хлоропласту.

Для хлоропластів характерна складна система внутрішніх мембран — тилакоїдів, що дозволяє просторово організувати фотосинтетичний апарат, упорядкувати та розділити реакції фотосинтезу, несумісні між собою, та їх продукти.Мембрани утворюють тилакоїди, які, своєю чергою, збираються в «стопки» — грани. Простір усередині тилакоїдів називається внутрішньотилакоїдним простором або люменом.

Внутрішній простір хлоропласту між гранами заповнює строма — гідрофільний слабоструктурований матрикс. У стромі містяться необхідні для реакцій синтезу цукрів ферменти, а також рибосоми, кільцева молекула ДНК, крохмальні зерна.

Пігменти хлоропластів

Що відбувається під час фотосинтезу? На молекулярному рівні фотосинтез забезпечують спеціальні речовини — пігменти, завдяки яким енергія сонячного світла трансформується в енергію хімічних зв'язків і стає доступною для біологічних систем. У фотосинтезуючих організмів можна виділити три основні групи пігментів: хлорофіли, каротиноїди та фікобіліни.

У хлоропластах пігменти асоційовані з білками за допомогою іонних, водневих та інших типів зв'язків — вони утворюють комплекси, так звані фотосистему І та фотосистему II, які організують набір реакцій перетворення світлової енергії на енергію хімічних зв'язків. Не варто забувати, що рослини мають безліч інших пігментів, що знаходяться не в хлоропластах і не беруть прямої участі у фотосинтезі, наприклад антоціани, але вони антиоксиданти і допомагають уникати руйнування хлорофілу при яскравому сонячному світлі.

Хлорофіл

Хлорофіли у складі фотосистем виконують функції поглинання, перетворення та транспортування енергії світла. Найкраще хлорофіли поглинають світло в синій (430-460 нм) та червоній (650-700 нм) областях електромагнітного спектру. Зелену область спектру хлорофіли ефективно відбивають, що надає рослині зеленого кольору.

Цікаво, що будова молекули хлорофілу схожа на будову гемоглобіну, але центр молекули хлорофілу — іон магнію, а не заліза.

Основні хлорофіли вищих рослин — хлорофіл a та хлорофіл b, вони входять до складу реакційних центрів фотосистем та світлозбиральних комплексів мембран тилакоїдів хлоропластів. Світлозбиральні комплекси вловлюють кванти світла і передають енергію до фотосистем I і II. Фотосистеми - це пігмент-білкові комплекси, що відіграють ключову роль у світловій фазі фотосинтезу.

Каротиноїди

Каротиноїди – це жовті, помаранчеві чи червоні пігменти, вони також входять до складу фотосистем. У зеленому листі каротиноїди зазвичай непомітні через наявність у листі хлорофілу. При руйнуванні хлорофілу восени саме каротиноїди надають листям характерного жовто-жовтогарячого забарвлення.

Антенна - входять до складу світлозбиральних комплексів, вловлюють енергію світла і передають її на хлорофіли. Каротиноїди відіграють роль додаткових світлозбиральних пігментів у тій частині спектру (450-570 нм), де хлорофіли є малоефективними. Особливо це важливо для водних екосистем, в яких оптимальні хвилі для хлорофілів довжини швидко зникають з глибиною.
Захисна (антиоксидантна) – знешкодження агресивних кисневих сполук (активних форм кисню) та надлишку хлорофілу у збудженому стані при надто яскравому освітленні.

Каротиноїди хімічно є 40-вуглецевим ланцюгом з двома вуглецевими кільцями по краях ланцюга. У будові ксантофілів, на відміну каротинів, присутні спиртові, ефірні чи альдегідні групи.

Фікобіліни

Фікобіліни - це пігменти червоних водоростей, глаукофіт, криптофіт та ціанобактерій (синьозелених водоростей).Окремими молекулами фікобіліну, як правило, не представлені, а утворюють комплекси з білками - фікобіліпротеїди (хромопротеїди):

червоний - фікоеритробілін;
помаранчевий - фікоуробілін;
блакитний - фіковіолобілін, також відомий як фікобілівіолін, знайдений у фікоеритроціаніні;
блакитний -фікоціанобілін, також відомий як фікобілевердин.

Що відбувається у процесі фотосинтезу

Процес фотосинтезу можна поділити на дві фази: світлову та темнову.

У ході світлової фази фотосинтезу утворюється енергія у вигляді АТФ та універсальний донор атома водню – відновник НАДФН (НАДФ·Н2). Ці речовини необхідні протікання темнової фази. Також виробляється побічний продукт – кисень. Світлова фаза може проходити лише на мембранах тилакоїдів та на світлі.

Завдяки серії біохімічних реакцій – циклу Кальвіна – у темнову фазу фотосинтезу утворюються органічні речовини (цукри). Темнова фаза проходить у стромі хлоропластів і на світлі, і в темряві. Ферментативні процеси темнової фази протікають повільніше, ніж світлові, тому при дуже яскравому висвітленні швидкість протікання фотосинтезу повністю визначатиметься швидкістю темнової фази.

Світлова фаза фотосинтезу

Щоб краще зрозуміти, що відбувається під час фотосинтезу, розберемо його фази. Світлова фаза фотосинтезу включає фотохімічні і фотофізичні процеси, її можна розділити на три етапи:

Фаза поглинання - енергія світла вловлюється за допомогою хлорофілу, каротиноїдів (або фікобіліну у деяких водоростей і ціанобактерій) у складі світлозбиральних комплексів, далі переходить в енергію електронного збудження пігментів і передається до реакційного центру фотосистем I та II.
Фаза реакційних центрів — енергія електронного збудження пігментів світлозбиральних комплексів використовується для активації реакційних центрів фотосистем. . Саме в цьому процесі відбувається перетворення фізичної форми енергії в хімічну.
Фаза електронно-транспортного ланцюга електрони переносяться по ланцюгу переносників, утворюються АТФ, НАДФН, O₂. Необхідно, щоб кожен переносник електронно-транспортного ланцюга по черзі відновлювався і окислювався, забезпечуючи таким чином перенесення енергії електронів.

Хоч як це дивно, але все починається саме з фотосистеми II. окислений станНестачу електрона хлорофіл заповнює завдяки фотолізу води, при цьому утворюються протони H + , а також важливий побічний продукт фотосинтезу - кисень. реакційного центру фотосистеми I і відновлює його.Тепер цей хлорофіл може знову поглинати енергію кванта світла та віддавати електрон у електрон-транспортний ланцюг.

Фотосистема I отримує електрони від фотосистеми II і, поглинаючи кванти світла світлозбираючими комплексами фотосистеми I, перетворюється на збуджений стан, енергія передається в реакційний центр фотосистеми I. У фотосистемі I формується сильний відновник, що відновлює НАДФ + - утворюється НАДФН НАДФН використовується для подальших реакцій відновлення вуглецю у хлоропластах у циклі Кальвіна. Крім того, фотосистема I може здійснювати циклічний транспорт електронів, пов'язаний із синтезом АТФ, забезпечуючи додатковий синтез АТФ у хлоропластах.

Темнова фаза фотосинтезу

Що утворюється при фотосинтезі темнову фазу? У стромі хлоропластів за допомогою енергії АТФ та відновника НАДФН, отриманих у світлову фазу, утворюються прості цукри, з яких у ході інших процесів синтезується крохмаль. Ферментативні процеси не потребують світла. Найважливішим процесом, що відбувається у темнову фазу фотосинтезу, є фіксація вуглекислого газу повітря. Синтез і перетворення цукрів у хлоропластах мають циклічний характер і звуться цикл Кальвіна.

У ньому можна виділити три етапи:

Фаза карбоксилювання (введення CO₂ у цикл).
Фаза відновлення (використовуються АТФ та НАДФН, отримані у світлову фазу).
Фаза регенерації (перетворення цукрів).

У стромі хлоропластів знаходиться похідне п'ятивуглецевого цукру рибулози (рибулозо-1,5-бісфосфат). За допомогою особливого ферменту (РуБісКО) до похідного рибози приєднується CO₂ (Реакція карбоксилювання) - утворюється нестійка шестивуглецева сполука, яка швидко розпадається на дві тривуглецеві молекули. Далі, із витратою АТФ і НАДФН, отриманих у ході світлових процесів, тривуглецева сполука модифікується — утворюється відновлена сполука з атомом фосфору та альдегідною групою у складі. Тепер перед клітиною стоїть проблема: необхідно отримати шестивуглецеву сполуку – глюкозу для синтезу крохмалю, а також п'ятивуглецеву – похідну рибулозу для того, щоб ці процеси могли розпочатися заново. Для вирішення цієї проблеми у фазу регенерації з отриманих раніше тривуглецевих сполук під дією ферментів утворюються чотири-, п'яти-, шести-і семивуглецеві цукру. З шестивуглецевої молекули утворюється глюкоза, з якої синтезується крохмаль. З п'ятивуглецевої молекули утворюється похідне рибулози, і цикл замикається. Інші цукру клітина також використовує в інших біохімічних процесах.

Окремо варто сказати про дуже важливий фермент першої фази циклу Кальвіна - рибулозобісфосфаткарбоксилазу (РуБісКО). Це складний фермент, що складається з 16 субодиниць, з молекулярною масою у вісім разів більше, ніж у гемоглобіну. Це один із найважливіших ферментів у природі, оскільки відіграє центральну роль в основному механізмі надходження неорганічного вуглецю (з CO₂) в біологічний кругообіг. Зміст РуБісКО в листі рослин дуже великий, він вважається найпоширенішим ферментом Землі.

Значення фотосинтезу

Основу атмосфери Землі мільярди років тому становили вуглекислий газ, сірководень, аміак, метан, на користь чого є геологічні свідчення.Поява фотосинтезу сприяла нагромадженню кисню в атмосфері, а також утворенню озонового шару.

Згідно з гіпотезою пурпурової Землі, першими почали фотосинтезувати археї, які у складі своїх мембран мали більш просто влаштований ретиналь замість хлорофілу. Складна молекула хлорофілу з'явилася пізніше і показала більшу ефективність — саме тому зараз ми називаємо Землю зеленою планетою. За оцінками експертів, це сталося між 3,5 та 2,4 мільярдами років тому, під час архейського періоду.

Киснева катастрофа трапилася 2,45 мільярда років тому, внаслідок чого змінився характер атмосфери Землі з відновлювального на окисний, а спільноти - з анаеробних на аеробні. Нащадків перших архей, що фотосинтезують, можна знайти і до цього дня в рожевих озерах по всьому світу.

Без кисню неможливо уявити сучасну різноманітність живих організмів — вони просто не змогли б вийти на сушу через згубну дію жорсткого ультрафіолетового випромінювання. Крім того, кисень необхідний для дихання, оскільки це ефективний окислювач органічних речовин як самих рослин, так і тварин.

У процесі фотосинтезу енергія світла перетворюється на енергію хімічних зв'язків, утворюються органічні речовини, які є харчуванням майже всіх гетеротрофів. Майже всі живі організми, крім хемосинтетиків, однак користуються продуктами, які виділяються при фотосинтезі.

Якщо рослини моментально зникнуть з лиця землі, то тваринам нема чого їсти і ніде жити, порушиться кругообіг води, почне руйнуватися ґрунт. Першими загинуть травоїдні тварини, а за ними і всі хижаки — з голоду.Накопичення парникових газів в атмосфері через розкладання організмів і зупинку виробництва кисню, швидше за все, призведуть до того, що на Землі залишаться тільки анаеробні бактерії і еволюція почнеться спочатку. При цьому ймовірність повторення вже знайомого нам сценарію вкрай мала: цілком можливо, що після зникнення рослин мільярди років пануватимуть анаеробні бактерії, розкладаючи органічну речовину, що залишилася, і тільки коли вона закінчиться, можливо, виникнуть нові фотосинтетичні організми.

Або напишемо на пошту, якщо не вийде додзвонитися

Від чого залежить фотосинтез

Фотосинтез - процес, в ході якого рослина перетворює світлову енергію в хімічну, яка використовується ним для життя та зростання. У школі більшість з нас дізналися, що для цього процесу необхідне сонячне світло. Однак завдяки технологічному прогресу протягом останніх кількох десятиліть люди навчилися запускати фотосинтез за допомогою штучного освітлення

Для того, щоб рослина могла здійснювати фотосинтез, їй необхідні три ключові "інгредієнти" - вода, вуглекислий газ і світло

Щоб отримати перший інгредієнт, воду, коріння рослини беруть воду та мінерали із землі, зазвичай із ґрунту. Деякі рослини, наприклад кактуси та лілейники, використовують інші способи отримання води, але коріння – найпоширеніший. Другий компонент - вуглекислий газ - рослина отримує через листя, яке вбирає вуглекислий газ з повітря і в результаті виділяють кисень - продукт фотосинтезу. Спеціалізовані клітини листя рослини, звані хлоропластами, поглинають світло з допомогою пігменту, званого хлорофілом. При природному фотосинтезі світло надходить від сонця.

Прогресивні рослинники можуть імітувати цей процес, використовуючи штучне освітлення. Як тільки рослина отримує три ключові інгредієнти: воду, вуглекислий газ і світло - починається процес фотосинтезу. Енергія світла викликає хімічну реакцію між молекулами води (H₂O) та вуглекислого газу (CO₂), розщеплюючи їх і перетворюючи на кисень (O₂) та форму цукру під назвою глюкоза (C₆H₁₂O₆). Кисень викидається назад в атмосферу, а глюкоза зберігається у рослині як форма хімічної енергії. Як бачите, процес фотосинтезу є передачу енергії від джерела світла (зазвичай сонця) до рослини. Рослина може використовувати цю енергію для зростання, плодоношення чи цвітіння; або воно може накопичувати енергію, щоб використовувати її пізніше.

Інтенсивність
Щоб зрозуміти, як краще використовувати штучне освітлення для вирощування рослин, пропонуємо розглянути ще кілька ключових термінів, пов'язаних із фотосинтезом. Перший термін, який ми обговоримо, інтенсивність світла. Коли рослина поглинає світлову енергію для фотосинтезу, вона поглинає її у вигляді фотонів, які є електромагнітними пучками енергії. Хлоропласти в клітинах листя містять спеціалізований зелений пігмент хлорофіл, який допомагає поглинати фотони. Кількість фотонів, які рослина поглинає через свої хлоропласти, впливає на швидкість фотосинтезу в рослині.

Зі збільшенням інтенсивності світла, також відомої як щільність потоку фотонів (PPFD), збільшується швидкість фотосинтезу, аж до певного моменту, званого точкою насичення. Різні види рослин мають різні точки насичення, у яких швидкість фотосинтезу знижується.

Інтенсивність світла вище за точку насичення не збільшує швидкість фотосинтезу. Нижня межа інтенсивності світла називається точкою компенсації світла. Ця точка позначає мінімальну інтенсивність світла, яка необхідна рослині підтримки життєдіяльності та збереження життя. Якщо рослина отримує світло нижче від точки світлової компенсації, вона може перестати здійснювати фотосинтез і в результаті загине. Рослини, які віддають перевагу тіні, мають нижчу точку компенсації світла, ніж ті, які віддають перевагу прямому сонячному світлу, тобто вони можуть вижити при більш низькій інтенсивності світла, тоді як інші рослини — ні.

Забезпечення правильної інтенсивності світла для ваших рослин має вирішальне значення для їх зростання та процвітання. Недостатня інтенсивність світла може призвести до загибелі рослин, у той час як занадто висока інтенсивність - це марна витрата енергії, яка може призвести до перегріву рослин або пошкодження хлорофілу. Ви можете використовувати системи освітлення двома способами. Якщо у вас є теплиця, яка в основному залежить від природного освітлення, ви можете використовувати штучне освітлення для підвищення інтенсивності світла в періоди нестачі природного освітлення (наприклад, під час осінньо-зимового періоду або у похмурі дні). Якщо ви вирощуєте рослини в приміщенні без доступу до природного світла, то можете використовувати світильники як єдине джерело світла для фотосинтезу.

Незалежно від способу важливо розуміти, який рівень інтенсивності світла необхідний вашим рослинам, і відповідним чином регулювати умови освітлення.

Вплив світла на фотосинтез

Фотосинтез є дуже складний процес, що залежить від усієї життєдіяльності рослини в цілому. Тому він не може здійснюватися поза зв'язком з умовами зростання рослини.

Серед численних факторів довкілля світло є одним з основних, тому що без нього неможлива фотосинтетична діяльність хлоропластів.

Залежність фотосинтезу від умов освітлення можна наочно подати графічно, якщо осі ординат відкласти кількість СО₂, асимільованого певною листовою поверхнею за одиницю часу, а на осі абсцис - інтенсивність світла в люксах Один люкс (скорочено лк) — освітленість поверхні площею 1 м 2 при світловому потоці 1 люмен, що падає на неї.

Опівдні літнього сонячного дня інтенсивність світла лежить на поверхні Землі сягає приблизно 100 тис. лк.

Світлові криві фотосинтезу для листя бука лісового, адаптованого до затінення (I) та повного освітлення (II)

Зображені малюнку криві показують, що умови формування та зростання листя істотно відбиваються з їхньої фотосинтетичної активності. У листя, пристосованого до затінювання, максимум асиміляції вуглекислого газу, тобто світлове насичення фотосинтезу, досягається при більш низькій інтенсивності світла, ніж у листя, адаптованого до повного освітлення. Настання світлового насичення фотосинтезу означає, що інтенсивність цього процесу вже не вдається підвищити лише шляхом посилення яскравості світла.

У природних травостоях та насадженнях загальна листова поверхня зазвичай у багато разів перевищує площу, яку займають рослини.При цьому листя розташовується в кілька ярусів і лише незначна їх частина потрапляє під прямі сонячні промені, в більшості ж вони затіняють один одного і висвітлюються лише слабким, розсіяним світлом. Те ж саме спостерігається і в посівах культурних рослин: навіть при їх нормальній густоті значна частина листя, особливо середніх і нижніх ярусів, знаходиться в умовах недостатнього освітлення. Інтенсивність світла при затіненні може виявитися настільки низькою, що максимум асиміляції вуглекислого газу не досягатиме.

Одна з найважливіших умов отримання високих урожаїв і полягає у створенні таких посівів, які б поглинали якомога більше сонячної радіації, а головне — повніше використали б її енергію в процесі фотосинтезу.

Поглинання світлової енергії рослинами значною мірою визначається загальним розміром площі листя у цьому посіві. Причому збільшення кількості поглиненої фотосинтетично активної радіації (ФАР) зі зростанням площі листя в перерахунку на 1 га посіву відбувається приблизно однаково у різних сільськогосподарських культур.

Залежність кількості поглиненої фотосинтетично активної радіації (у %) від розмірів площі листя (за А. А. Ничипоровичем)

Площа листя дуже змінюється протягом вегетації. Відповідно до цього кількість поглиненої ФАР також змінюється в широких межах: від 1-2% у період сходів, коли площа листя ще дуже невелика, до 70-80% в період їх найбільшого розвитку та змикання посіву, потім поглинання падає завдяки засиханню листя і зменшення їх асиміляційної поверхні.У середньому звичайні виробничі посіви з гарною густотою травостою поглинають за період вегетації 50—60% ФАР, що падає на них.

Зміна площі листя у посівах протягом вегетації (за А. А. Ничипоровичем): 1 — яра пшениця (Москва); 2 - кукурудза (Волгоград); 3 - цукровий буряк (Курськ), 4 - картопля (Москва); 5 - кукурудза (Москва)

На перший погляд може здатися, що швидкий темп зростання листової поверхні в посівах повинен забезпечувати у всіх випадках високу ефективність фотосинтезу за рахунок поглинання великих кількостей енергії сонячної радіації, а отже, і отримання високих урожаїв. Насправді це не завжди так. Надмірно швидке збільшення площі листя може викликати надмірно швидке всушення ґрунту, що негативно позначається на врожаї. Крім того, для багатьох сільськогосподарських культур формування та подальший розвиток репродуктивних органів, заради яких їх і обробляють, можливе лише за умови яскравого висвітлення. У таких випадках дуже швидке наростання площі листя після появи сходів і надто раннє змикання посівів призводять до взаємозатінення рослин та погіршення умов утворення репродуктивних органів, а зрештою до зниження врожаю господарсько цінних органів — зерна пшениці чи кукурудзи, бобів, бульб чи коренеплодів. Максимальні врожаї можна гарантувати, забезпечуючи певний (залежно від виду і навіть сорту культурних рослин, а також від району їх обробітку) темп наростання площі листя за допомогою різних агротехнічних заходів, таких як зрошення, внесення добрив, норма висіву насіння та ін.Дуже важливо при цьому, щоб у посівах створювалися найбільш сприятливі умови освітлення для фотосинтезу та розвитку господарсько цінних органів. Якщо ж господарську цінність представляють саме листя, наприклад при вирощуванні кормових трав або культур, що використовуються на силос, то розвиток великої площі листя у посіві, безумовно, стає одним із важливих факторів отримання високих урожаїв.

Коефіцієнт корисного використання поглиненої рослинами фотосинтетично активної радіації зазвичай становить 1-3%, або навіть менше. Це означає, що лише дуже незначна частина сонячної енергії перетворюється на хімічну енергію продуктів фотосинтезу, в основному вона непродуктивно витрачається на траспірацію і частково розсіюється у вигляді тепла. Якщо врахувати, скільки всієї енергії ФАР, що падає на нашу планету, накопичується в річній біомасі врожаю, то коефіцієнт використання її виходить ще меншим. Тим часом хлоропласти здатні працювати з набагато вищою ефективністю.

Теоретичні розрахунки показують, що з фотосинтезі може використовуватися щонайменше 28% від поглиненої рослинами енергії ФАР. Це свідчить про великі резерви збільшення коефіцієнта корисного використання променистої енергії при фотосинтезі, отже, і підвищення врожайності сільськогосподарських культур.

Низькі показники використання енергії ФАР (проти теоретично можливими) обумовлені тим, що у польових умовах часто створюється несприятливий режим водопостачання, освітлення, мінерального харчування тощо.Нерідкі й такі випадки, коли площа листя не досягає оптимальних величин і значна частина сонячної радіації, що припадає на посів, минаючи листя, потрапляє прямо на грунт. Поліпшуючи умови вирощування рослин, можна реалізувати ті величезні потенційні резерви, які мають хлоропласт, і тим самим різко підняти продуктивність землеробства. В даний час за допомогою різних агротехнічних заходів вдається підвищити коефіцієнт використання сонячної енергії на фотосинтез в середньому до 8-10% для всього вегетаційного періоду, а для окремих періодів, коли досягається оптимальний стан посіву, навіть до 12-15%. Ще більшу ефективність можна отримати в лабораторних умовах. У дослідах з одноклітинною водоростями хлорелою вже домагалися використання енергії поглиненої фотосинтетично активної радіації з коефіцієнтом 20—23%.

Різні зони нашої країни дуже відрізняються за довжиною вегетаційного періоду і за кількістю ФАР, що припадає за цей сезон на 1 га. Дані, представлені малюнку, показують, що з просуванні з півночі на південь кількість ФАР змінюється від 4,19∙10 12 дж/га (1 млрд. ккал/га) у районі Мурманська, де довжина вегетаційного періоду сягає 3—2,5 місяці, до 16,75-18,84 ∙ 10 12 дж/га (4 - 4,5 млрд. ккал/га) в районах Краснодара та Душанбе, де польові культури можна обробляти протягом 6-8 місяців. На цьому ж малюнку наведено розміри біологічних урожаїв, які теоретично досяжні в різних зонах СРСР за умови використання рослинами енергії ФАР з коефіцієнтом 5%, хоча і це далеко не межа.

Кількість енергії фотосинтетично активної радіації, що припадає за період вегетації на 1 га, та теоретично можливі біологічні врожаї у різних зонах СРСР (за А. А. Ничипоровичем): Півн. ш. - Північна широта в градусах, Убіол. т - біологічний урожай у тоннах

Під біологічним урожаєм розуміють загальну біомасу рослин, виражену в тоннах на суху масу, яка виходить із площі 1 га.

Такі врожаї цілком реальні для найкращих сортів сільськогосподарських культур при добрій структурі посівів та високому рівні постачання їх водою та елементами мінерального харчування. Зазначені малюнку розміри біологічних урожаїв можливі лише за високої фотосинтетичної діяльності рослин у зонах поливних земель, на заплавах чи зонах хорошого природного зволоження. Причому забезпеченість рослин водою повинна знаходитися відповідно до кількості сонячної радіації, що падає на посів. При недостатньому водопостачанні не можна розраховувати отримання таких високих біологічних врожаїв. У зонах дещо обмеженого водопостачання (лісова зона та частина лісостепу) слід прагнути до отримання врожаїв з розрахунку, що рослини використовують енергію ФАР з коефіцієнтом 2—4%, а в зонах недостатнього зволоження (степ) — із ще нижчим коефіцієнтом, що наближається до 1 -2%.

Маючи в своєму розпорядженні дані про розміри біологічних урожаїв, можна досить легко підрахувати і теоретично можливі господарські врожаї для різних зон СРСР. Господарський урожай є певною господарсько цінною частиною загального врожаю.

Джерело: Н.М. Овчинніков, Н.М. Шиханова. Фотосинтез. Посібник для вчителів. Вид-во «Освіта». Москва. 1972

Вплив світла на гіфальні гриби
Вплив світла на зростання рослин та ефективність добрив
Вплив концентрації вуглекислого газу та температури на фотосинтез
Фотосинтез та врожай
Повітряне харчування та фотосинтез ріпи, турнепсу та брукви
Фотосинтез рослин
Вплив на рослини надлишку або нестачі світла
Вплив різних поєднань світла та темряви на цвітіння рослин
Вплив світла на ріст, морфологію та спороношення гіфальних грибів
Вплив світла на колорадського жука

Як фотосинтез впливає на рослину