что нужно растениям для дыхания
Естествознание.ру
Дыхание растений
Всем известно, что растения способны поглощать углекислый газ. Не поэтому ли в лесах и парках столь свежий, чистый воздух?! В конце XVIII века ученые установили, что растения не только поглощают углекислый газ, но и выделяют его. Этот процесс получил название дыхания растений.
Дыхание — это общая особенность всех живых организмов на нашей планете. Одни организмы дышат в привычном для нас смысле, другие — в непривычном. Конечно, отличия в процессе дыхания человека и зеленого побега колоссальны. Но все же растения, как и мы, дышат и нуждаются в воздухе.
Суть дыхания растений сводится к поглощению кислорода, как это происходит и в человеческом организме. Поэтому можно смело утверждать, что дыхание растений и животных устроено по одному принципу. Кислород, поглощаемый в небольших количествах, взаимодействует с органическими тканями растений, что приводит к образованию углекислоты и воды.
Дыхание растения происходит на всех его клеточных уровнях, а орган дыхания растений — это вся его поверхность. В процессе дыхания растения поглощают большую часть кислорода в ночное время, пока солнце неактивно и процесс фотосинтеза останавливается. С наступлением утра фотосинтез запускается вновь, а интенсивность дыхания растений снижается. Выходит, различная интенсивность дыхания растений на протяжении дня позволяет не расходовать энергию зря. Это уравновешивает два процесса и дает растению возможность продолжать свой рост.
При дыхании внутри цветка повышается температура. Это нужно для привлечения насекомых-опылителей. Чемпион среди нагревающихся цветков — аморфофаллус. Его «нагревательный прибор»— стерильный фиолетовый придаток на верхушке. При цветении он способен нагреваться до 40 о С и пахнет гниющим мясом.
Что такое и как происходит дыхание растений?
Что такое дыхание.
Каждая клетка нуждается в энергии для жизни. Получение энергии происходит при расщеплении органических веществ в процессе дыхания. Такое расщепление происходит под воздействием кислорода и ещё называется окислением. В результате образуются вода, углекислый газ и свободная энергия.
Необходимая растению энергия содержится в химических связях сложных органических веществ. Изначально это энергия солнца, запасённая растением в процессе фотосинтеза.
Дыхание у растений принципиально не отличается от дыхания животных, или грибов. Какой газ растения выделяют при дыхании, такой же выделяют любые другие организмы. Это углекислый газ.
Рис. 1. Схема дыхания растений.
Известно, что на свету растения выделяют ещё и кислород, но это происходит в результате другого процесса – фотосинтеза.
Дыхание идёт круглосуточно, поэтому образование углекислого газа происходит постоянно. Также постоянно в клетки растений для их нормальной жизнедеятельности должен поступать кислород.
Это же справедливо и для растения в целом.
Дыхание растений включает два процесса:
Клеточное дыхание растений.
Дыхательными центрами клетки являются митохондрии. Они есть и у животных.
Именно в этих органоидах происходит окисление органических веществ. Обычно такими веществами являются углеводы, но дыхание может идти и за счёт белков или жиров.
При окислении выделяется энергия. Вода остаётся в клетке, а углекислый газ путём диффузии покидает клетку и может сразу использоваться в фотосинтезе.
Процесс дыхания ступенчатый. Вода и углекислый газ образуются не сразу, а являются конечными продуктами. До этого в ходе многих реакций образуются и вновь распадаются другие вещества.
Газообмен с внешней средой.
В отличие от животных растения не имеют специальных органов дыхания. Газообмен осуществляется через специальные структуры в покровных тканях:
Устьица располагаются в кожице листьев и молодых стеблей (эпидерме). Каждое из устьиц имеет замыкающие клетки, способные менять тургор (наполненность водой) и закрывать устьичную щель. Устьичные щели осуществляют газообмен и испарение воды листьями.
Рис. 2. Устьица под микроскопом.
Чечевички – это более крупные, чем устьица, структуры, расположенные в пробке стебля.
Рис. 3. Чечевички на стволе берёзы.
Дыхание и фотосинтез.
Между процессами дыхания и фотосинтеза существует связь. Это процессы противоположные и в растении следуют один за другим.
Фотосинтез является способом питания. В ходе этого процесса образуются органические вещества, содержащие энергию, полученную в виде света.
Дыхание – это способ высвобождения энергии, запасённой в питательных веществах.
Дыхание в разных частях растения.
Интенсивность дыхания не одинакова в разных органах. Наиболее активно дышат:
Не рекомендуется ставить срезанные цветы в спальной комнате, поскольку они поглощают большое количество кислорода и выделяют углекислый газ.
Корни также, как и надземные органы, дышат. Для нормального дыхания корней необходимо рыхлить почву.
Какие условия необходимы для дыхания растений?
Возраст ткани / Стадия жизни.
У более молодой ткани частота дыхания выше, чем у более старой. Таким образом, верхушка корня и молодые листья имеют более высокую частоту дыхания, чем более старые корневые сегменты и листья.
Когда семя впервые впитывает воду, частота дыхания клеток быстро возрастает, но выравнивается примерно через 20 минут.
Созревшие плоды вызывают всплеск дыхательной активности, который достигает кульминации, когда плоды достигают максимальной зрелости.
Частота дыхания в растительной клетке уменьшается при понижении температуры до тех пор, пока дыхание почти или полностью не остановится при низких температурах. Дыхание увеличивается с ростом температуры, пока не будут достигнуты очень высокие температуры, что приведет к ухудшению состояния тканей.
Температура сильно влияет на дыхание для поддержания (гораздо больше, чем клетки, предназначенные для роста растений). У растений в умеренном климате частота дыхания зимой значительно ниже, чем в теплое лето.
Частоту дыхания фруктов можно контролировать, храня фрукты в прохладных, сухих местах. Более низкие температуры хранения могут замедлить дыхание и созревание фруктов.
Дыхание замедляется с уменьшением доступного кислорода. В условиях, когда кислорода нет, как, например, в плохо дренируемой почве, происходит анаэробное дыхание (брожение). Анаэробное дыхание приводит к образованию углекислого газа, некоторого количества энергии и этанола. Этот тип дыхания также используется для создания спиртов.
Частота дыхания для большинства растений достигает пика при нормальном уровне кислорода в атмосфере.
Двуокись углерода, один из отходов дыхания, также влияетелен. Чем выше концентрация углекислого газа, тем ниже частота дыхания.
Дыхание усиливается как непосредственно зараженными, так и окружающими клетками, когда ткань растения повреждена или заражена. Часто, когда в яблоке есть червячная дыра, маленький коричневый синяк окружает его — это указывает на усиление дыхания в области вокруг поврежденных клеток.
Сухая ткань имеет более низкую частоту дыхания, чем гидратированная. Хотя засуха оказывает гораздо большее влияние на процесс фотосинтеза в растительных клетках, недостаток доступной воды также отрицательно влияет на дыхание.
Листья верхнего купола часто видят более высокие частоты дыхания.
Увеличение доступных сахаров в результате фотосинтеза обычно приводит к увеличению частоты дыхания. Частота дыхания в листьях верхнего купола будет выше, чем в листьях нижнего купола, потому что верхушки производят больше сахара.
Что влияет на интенсивность дыхания.
Факторами, влияющими на интенсивность дыхания, являются:
При усилении любого из этих факторов дыхание становится интенсивнее.
Человек управляет дыханием семян и плодов для сохранения урожая и посевного материала. Для этого в помещениях, где хранятся семена, поддерживается необходимая влажность, температура и обеспечивается приток свежего воздуха.
Дневное дыхание растений.
Дневное дыхание связано с двумя процессами: непосредственно дыханием и фотосинтезом. Процесс дыхания, как и у человека, связан с окислением органических соединений и выделением диоксида углерода, воды и энергии. Вместо человеческих легких выступает вся поверхность растения. Химическая формула, описывающая реакции в процессе дыхания растений:
Таиланд отказывается от пластиковых пакетов
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 674 ккал.
Любое дерево способно дышать всей поверхностью, даже поверхностью плодов. Но наиболее активно процесс дыхания происходит через устья листа, откуда и попадает по межклеточному пространству большая часть необходимых газов.
Если речь идет о дневном времени суток, то дыхание не столь заметно, как ночью. Поскольку работа растения направлена большей частью на постоянное запасание энергии в виде органических соединений (глюкозы). Попадающий в листья газ, при содействии воды и энергии солнечного света в хлоропластах превращается в глюкозу, которую организм запасает для дальнейшего использования. Собственно дыхание и является этим дальнейшим использованием.
Запасенная глюкоза, с помощью воды и кислорода разлагается на молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), углекислый газ и водород. АТФ – это твердая энергия. Биологический аккумулятор клеток, который обеспечивает энергетическими запасами все живое на планете. Позднее эти запасы будут использованы в жизнедеятельности каждой молекулы организма.
Кажется, что образуется замкнутый круг: фотосинтез происходит с образованием глюкозы и кислорода, но что толку, если потом в результате дыхания растений выделяется диоксид углерода и АТФ. А энергию растения расходуют лично на себя, ничего не оставляя другим. Но весь вопрос в количестве. Далеко не весь кислород, который образуется во время фотосинтеза, поглощается организмом во время дыхания. Растения производят в разы больше, чем поглощают. Может этим они и отличаются от человека. А все энергетические запасы растений рано или поздно переходят в запасы животных или человека. Так растения отдают все свои накопления ради существования экосистемы Земли.
В среднем 1 гектар лесов ежегодно выделяет 4 тонны кислорода и потребляет 5 тонн углекислого газа. Человек в день выдыхает до 1 килограмма диоксида углерода, в год — 365 кг. Следовательно, 1 гектар леса поглощает углекислоту, которую выдыхают 13 человек.
С увеличением процента содержания углекислого газа в атмосфере теоретически можно ускорить рост зеленых насаждений на Земле. Многие исследования показывают, что в условиях теплиц СО2 можно использовать как «воздушное удобрение», ведь иногда при дыхании кислородом растениями поглощается еще и углекислый газ. Но так происходит это только в условиях экспериментов. На открытых пространствах начавшийся рост активизирует насекомых, которые не позволяют лесам и джунглям разрастись. А культурные растения от таких добавок превращаются в легкую добычу для вредителей. Поэтому, чтобы не говорили скептики, нарушение обмена углеродом это плохо.
Ночное дыхание растений.
Процесс дыхания растений мало чем отличается от дыхания животных и человека. Есть и ночное дыхание. Это явление было открыто Отто Варбургом в начале XX века. Ночью света нет, а значит нет и энергии для фотосинтеза. Растения перестают вырабатывать O2, но не могут перестать дышать. Кислород поглощается, а углекислый газ все так же продолжает выделяться.
Белки, жиры и углеводы, запасенные в процессе жизнедеятельности днем, благодаря циклу Кресса превращаются в углекислый газ, молекулы АТФ и водород.
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 4ATФ +12H2
АТФ расходуются на дальнейшие нужды, углекислый газ уходит в атмосферу по устьицам, а вот водород окисляется до воды. Растение не может позволить себе сбрасывать водород в атмосферу, поскольку легко может погибнуть от этого, поэтому происходит частичный выброс паров воды. Большая часть организма растения – вода. Она нужна во всех процессах, включая дневное и ночное дыхание. Окисленный водород будет использован вновь в следующих реакциях.
Именно из-за ночного дыхания не рекомендуется ставить цветы в спальнях. Это увеличивает содержание углекислоты в комнате. Что никак не скажется на цветах, но будет чувствительно для человека.
Для дыхания растений существует пороговое значение содержания кислорода. При увеличении содержания О2 в воздухе до 5-8 процентов – интенсивность дыхания у растений скачкообразно растет. Но после это рост практически прекращается. Сейчас кислорода в воздухе около 21 процента. А значит, растениям еще долго не нужно будет о нем беспокоиться.
В природе есть еще одно интересное явление, названное САМ — фотосинтезом. Это явление характерно для пустынных цветов и растений. В вечной погоне за сохранением водных ресурсов, эти растения приспособились к проведению фотосинтеза в ночь.
Водоросли и CO2.
Под водорослями понимают все растения, находящиеся под водой и не имеющие корня. Интенсивнее всего, из водорослей, поглощает углекислоту одноклеточные водоросли — фитопланктон. В основном все водоросли дышат растворенным в воде кислородом, за исключением нескольких видов, осуществляющих бескислородный фотосинтез. Те в качестве акцептора электронов при дыхании используют элементную серу.
Получение энергии в группе цианобактерий.
Фитопланктон обитает в верхних слоях воды, поскольку ему требуется большое количество солнечной энергии для фотосинтеза. При наличии в воде растворенного углекислого газа фитопланктон осуществляет фотосинтезирующий процесс, побочным продуктом которого является кислород. Большим отличием этих водорослей от наземных растений является количество производимого кислорода. За один цикл фотосинтеза фитопланктон производит кислорода в 3-4 раза больше собственного веса. Неудивительно, что при таких показателях 70 процентов атмосферного кислорода произведено в воде.
Значение дыхания в жизни растений.
Растения дышат, но они преимущественно участвуют в процессе, называемом фотосинтезом. Это совпадает с характеристиками дыхания, за исключением соответствующих химических реакций, протекающих в обратном направлении.
Поскольку дыхание и фотосинтез дополняют друг друга во всех экосистемах планеты, дыхание имеет такое же жизненно важное значение для растений, как и для организмов, которые напрямую зависят от дыхания.
Углекислый газ является фактором для фотосинтеза. Животные вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ. Растения потребляют углекислый газ и выдыхают кислород.
Таким образом, животные дают растениям углекислый газ, тогда как растения дают животному кислород.
Существует равновесие между кислородом и углекислым газом между животными и растениями. Без одного другой не выживет долго.
Дыхание растений
Что такое дыхание растений?
Дыхание растений представляет собой серию ферментативных реакций, которые позволяют растениям превращать накопленную энергию углеводов, вырабатываемых в процессе фотосинтеза, в форму энергии, которую они могут использовать для ускорения роста и метаболических процессов.
Посредством фотосинтеза растения превращают солнечный свет в потенциальную энергию в виде химических связей углеводных молекул. Однако, чтобы использовать эту накопленную энергию для обеспечения жизненно важных процессов – от роста и размножения до заживления поврежденных структур – растения должны преобразовать ее в пригодную для использования форму. Это преобразование происходит посредством клеточного дыхания, основного биохимического пути, также обнаруженного у животных и других организмов.
Как животные и люди, растения тоже дышат
Растения нуждаются в кислороде для дыхания, которые в свою очередь выделяют углекислый газ. В отличие от животных и людей, растения не имеют каких-либо специализированных структур для газообразного обмена и по сравнению с животными и людьми корни растений, стебли и листья дышат с очень низкой скоростью.
Как происходит дыхание растений?
Все зеленые растения дышат через процесс клеточного дыхания.
Дыхание состоит из сложной серии химических реакций. На первом этапе глюкоза окисляется, и химическая потенциальная энергия ее связей передается химическим потенциальным связям молекулы АТФ (аденозинтрифосфата). Затем молекула АТФ может транспортироваться по всей клетке, где ее накопленная энергия используется для выполнения различных задач внутри клетки. Этот процесс выделяет углекислый газ и воду.
Что происходит в клетках растений при дыхании?
Растения дышат на протяжении всей своей жизни, так как клетка растения требует энергии для своего выживания. Но растения не дышат, как люди и животные, они дышат через процесс, называемый клеточным дыханием.
Клеточное дыхание у растений – это процесс, используемый растениями для преобразования питательных веществ, полученных из почвы, в энергию, которая питает клеточную деятельность растений.
Глюкоза, образующаяся в процессе фотосинтеза, распространяется вокруг растения в виде растворимых сахаров и дает энергию клеткам растения во время дыхания. Первой стадией дыхания является гликолиз, который расщепляет молекулу глюкозы на две меньшие молекулы, называемые пируватом, и выделяет небольшое количество энергии АТФ (аденозинтрифосфат). Эта стадия (анаэробное дыхание) не нуждается в кислороде.
На втором этапе молекулы пирувата реорганизуются и снова сливаются в цикле. В то время как молекулы реорганизуются, образуется углекислый газ, а электроны удаляются и помещаются в систему переноса электронов, которая (как и при фотосинтезе) производит много АТФ для растения, чтобы использовать его для роста и размножения. Эта стадия (аэробное дыхание) действительно нуждается в кислороде.
Результатом клеточного дыхания является то, что растение поглощает глюкозу и кислород, выделяет углекислый газ и воду и выделяет энергию. Растения дышат в любое время дня и ночи, потому что их клетки нуждаются в постоянном источнике энергии, чтобы остаться в живых. Помимо того, что растение используется для выделения энергии посредством дыхания, глюкоза, образующаяся в процессе фотосинтеза, превращается в крахмал, жиры и масла для хранения и используется для производства целлюлозы для роста и регенерации клеточных стенок и белков.
Какие условия необходимы для дыхания растений?
Возраст ткани / Стадия жизни
У более молодой ткани частота дыхания выше, чем у более старой. Таким образом, верхушка корня и молодые листья имеют более высокую частоту дыхания, чем более старые корневые сегменты и листья.
Когда семя впервые впитывает воду, частота дыхания клеток быстро возрастает, но выравнивается примерно через 20 минут.
Созревшие плоды вызывают всплеск дыхательной активности, который достигает кульминации, когда плоды достигают максимальной зрелости.
Температура
Частота дыхания в растительной клетке уменьшается при понижении температуры до тех пор, пока дыхание почти или полностью не остановится при низких температурах. Дыхание увеличивается с ростом температуры, пока не будут достигнуты очень высокие температуры, что приведет к ухудшению состояния тканей.
Температура сильно влияет на дыхание для поддержания (гораздо больше, чем клетки, предназначенные для роста растений). У растений в умеренном климате частота дыхания зимой значительно ниже, чем в теплое лето.
Частоту дыхания фруктов можно контролировать, храня фрукты в прохладных, сухих местах. Более низкие температуры хранения могут замедлить дыхание и созревание фруктов.
Кислород
Дыхание замедляется с уменьшением доступного кислорода. В условиях, когда кислорода нет, как, например, в плохо дренируемой почве, происходит анаэробное дыхание (брожение). Анаэробное дыхание приводит к образованию углекислого газа, некоторого количества энергии и этанола. Этот тип дыхания также используется для создания спиртов.
Частота дыхания для большинства растений достигает пика при нормальном уровне кислорода в атмосфере.
Углекислый газ
Двуокись углерода, один из отходов дыхания, также влияетелен. Чем выше концентрация углекислого газа, тем ниже частота дыхания.
Повреждения
Дыхание усиливается как непосредственно зараженными, так и окружающими клетками, когда ткань растения повреждена или заражена. Часто, когда в яблоке есть червячная дыра, маленький коричневый синяк окружает его – это указывает на усиление дыхания в области вокруг поврежденных клеток.
Недостаток воды
Сухая ткань имеет более низкую частоту дыхания, чем гидратированная. Хотя засуха оказывает гораздо большее влияние на процесс фотосинтеза в растительных клетках, недостаток доступной воды также отрицательно влияет на дыхание.
Доступные сахара
Листья верхнего купола часто видят более высокие частоты дыхания.
Увеличение доступных сахаров в результате фотосинтеза обычно приводит к увеличению частоты дыхания. Частота дыхания в листьях верхнего купола будет выше, чем в листьях нижнего купола, потому что верхушки производят больше сахара.
Процессы, происходящие при дыхании растений
Во время дыхания в разных частях растений происходит очень мало газообмена. Поэтому каждая часть заботится о своих собственных потребностях в энергии.
Корни, стебли и листья растений обмениваются газами для дыхания отдельно. Как мы все знаем, листья имеют крошечные поры, называемые устьицами, которые используются для обмена газов. Кислород, всасываемый через устьицы, используется клетками в листьях для расщепления глюкозы на углекислый газ и воду.
Дыхание в корнях
Корни, подземная часть растений поглощает воздух из воздушных пространств, присутствующих между частицами почвы. Таким образом, кислород, поглощаемый через корни, используется для высвобождения энергии, которая впоследствии используется для транспортировки минералов и солей из почвы.
Дыхание в стеблях
В случае стебля воздух рассеивается в устьицах и проходит через различные части клетки для дыхания. Диоксид углерода, образующийся на этой стадии, также диффундирует через устьица. У высших или древесных растений газообразный обмен осуществляется чечевицами.
Дыхание в листьях
Листья содержат крошечные поры, называемые устьицами. Обмен газов происходит через устьица в процессе диффузии. Каждая стома контролируется ячейками охраны. Открытие и закрытие стомы помогают в обмене газами между атмосферой и внутренней частью листьев.
Связь дыхания и фотосинтеза
Все организмы, животные и растения должны получать энергию для поддержания основных биологических функций для выживания и размножения. Растения преобразуют энергию солнечного света в сахар в процессе, называемом фотосинтезом. Фотосинтез использует энергию света для преобразования молекул воды и углекислого газа в глюкозу (молекулу сахара) и кислород. Кислород высвобождается или «выдыхается» из листьев, в то время как энергия, содержащаяся в молекулах глюкозы, используется во всем растении для роста, формирования цветов и развития плодов.
Внутри листа есть несколько структур, которые играют важную роль в движении питательных веществ и воды по всему растению.
Листья содержат воду, которая необходима для преобразования световой энергии в глюкозу посредством фотосинтеза. Листья имеют две структуры, которые сводят к минимуму потерю воды, кутикулу и устьица. Кутикулы являются восковым покрытием на верхнюю и нижнюю часть листьев, которые предотвращают испарение воды в атмосферу.
Хотя кутикула обеспечивает важную защиту от чрезмерной потери воды, листья не могут быть непроницаемыми, поскольку они также должны пропускать углекислый газ (для использования при фотосинтезе) и кислород. Эти газы попадают в лист и выходят из него через отверстия на нижней стороне, называемые устьицами. После того, как углекислый газ попадает в лист через устьицы, он попадает в клетки мезофилла, где происходит фотосинтез и строится глюкоза.
Связь между фотосинтезом и клеточным дыханием такова, что продукты одной системы являются реагентами другой. Фотосинтез включает использование энергии солнечного света, воды и углекислого газа для производства глюкозы и кислорода. Клеточное дыхание использует глюкозу и кислород для производства углекислого газа и воды.
Люди, животные и растения зависят от цикла клеточного дыхания и фотосинтеза для выживания. Кислород, вырабатываемый растениями во время фотосинтеза, – это то, что люди и животные вдыхают, чтобы кровь транспортировалась в клетки для дыхания. Углекислый газ, образующийся во время дыхания, выделяется из организма и поглощается растениями, чтобы помочь обеспечить энергию, необходимую для роста и развития. Это бесконечный цикл, который поддерживает жизнь на земле.
Процесс фотосинтеза используется растениями и другими фотосинтезирующими организмами для производства энергии, тогда как процесс клеточного дыхания расщепляет энергию для использования. Несмотря на различия между этими двумя процессами, есть некоторые сходства.
Например, оба процесса синтезируют и используют АТФ, универсальную энергию.
Относительные скорости фотосинтеза, которые производят молекулы газа и дыхания, влияют на общую продуктивность растений. Там, где активность фотосинтеза превышает дыхание, рост растений протекает на высоком уровне. Там, где дыхание превышает фотосинтез, рост замедляется.
И фотосинтез, и дыхание увеличиваются с повышением температуры, но в определенный момент скорость фотосинтеза выравнивается, в то время как частота дыхания продолжает расти. Это может привести к истощению накопленной энергии. Чистая первичная продуктивность – количество биомассы, созданной зелеными растениями. Она может использоваться для остальной части пищевой цепи – представляет собой баланс фотосинтеза и дыхания, рассчитанный путем вычитания энергии, потерянной для дыхания, из общей химической энергии, производимой фотосинтезом.
Значение дыхания в жизни растений
Растения дышат, но они преимущественно участвуют в процессе, называемом фотосинтезом. Это совпадает с характеристиками дыхания, за исключением соответствующих химических реакций, протекающих в обратном направлении.
Поскольку дыхание и фотосинтез дополняют друг друга во всех экосистемах планеты, дыхание имеет такое же жизненно важное значение для растений, как и для организмов, которые напрямую зависят от дыхания.
Углекислый газ является фактором для фотосинтеза. Животные вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ. Растения потребляют углекислый газ и выдыхают кислород.
Таким образом, животные дают растениям углекислый газ, тогда как растения дают животному кислород.
Существует равновесие между кислородом и углекислым газом между животными и растениями. Без одного другой не выживет долго.