Два разных процесса в одном зеленом листе
Чтобы разобраться в дыхании растений, нужно разделить две базовые химические фабрики, работающие внутри каждой растительной клетки. Первая фабрика отвечает за питание и создание органических веществ, а вторая отвечает за получение чистой энергии для жизни.
Фотосинтез представляет собой химический процесс синтеза сахаров. В хлоропластах зеленых листьев под действием солнечных квантов молекулы углекислого газа связываются с водой. В результате этой реакции образуется глюкоза, служащая строительным материалом для древесины, листьев и плодов, а свободный кислород выходит наружу через устьица как побочный продукт.
Дыхание работает в противоположную сторону. В специальных клеточных органеллах, митохондриях, накопленная глюкоза соединяется с кислородом. При этом окислении химические связи разрываются, высвобождая универсальную энергию аденозинтрифосфата (АТФ). Без этой энергии клетка не способна делиться, всасывать минеральные соли корнями или синтезировать ферменты. Дыхание идет непрерывно каждую секунду жизни дерева, вне зависимости от погоды и времени суток.
Как меняется газообмен днем и ночью
На ярком солнце скорость фотосинтеза превосходит скорость дыхания примерно в 10–20 раз. Растение с огромной скоростью производит кислород. Большая его часть сразу улетучивается в атмосферу, а небольшую порцию растительные клетки забирают обратно для дыхательных нужд. Со стороны кажется, будто дерево только производит кислород, хотя внутри него одновременно идут обе реакции.
С наступлением темноты фотохимические реакции останавливаются, потому что хлорофилл не получает солнечной энергии. Выделение кислорода полностью прекращается. При этом митохондрии продолжают сжигать углеводы для поддержания жизни, поэтому ночью лес исключительно поглощает кислород из воздуха и отдает углекислый газ.
Опыт с элодеей: как увидеть выделение кислорода своими глазами
Увидеть газы в воздухе трудно, поэтому химические и биологические опыты с растениями чаще проводят в воде. Классический школьный эксперимент выполняют с веточками водного растения элодеи канадской.
Для проведения опыта потребуется простой лабораторный набор:
- Стеклянная банка или высокий химический стакан с чистой водой
- Несколько свежих побегов элодеи со срезанными стеблями
- Стеклянная воронка с широким раструбом
- Пробирка, наполненная водой до самых краев
- Настольная лампа накаливания или яркий светодиодный светильник
- Деревянная лучина и спички для проверки состава собранного газа
Свежие побеги элодеи укладывают на дно банки срезами вверх и накрывают воронкой. На узкий носик воронки надевают пробирку, полностью заполненную водой, следя за тем, чтобы внутри не осталось пузырьков воздуха. Конструкцию ставят под прямой свет лампы.
Через несколько минут из срезов стеблей начинают активно отделяться мелкие блестящие пузырьки. Они поднимаются по носику воронки и вытесняют воду из пробирки вниз. Когда пробирка наполнится прозрачным газом, ее аккуратно снимают под водой, зажимая горлышко пальцем, и переворачивают. Затем внутрь вносят тлеющую деревянную лучинку без открытого пламени. Лучина мгновенно вспыхивает ярким белым огнем. В химии эта реакция служит прямым доказательством высокой концентрации кислорода, так как углекислый газ или азот потушили бы уголек.
Чем дышат корни и кора деревьев
Кислород необходим всем органам растения без исключения, включая те, которые находятся под землей или скрыты толстой древесиной. В корнях и толстых стволах нет хлоропластов, фотосинтез там невозможен, поэтому они живут только за счет внешнего дыхания.
Листья получают газы через устьица, представляющие собой крошечные щели между замыкающими клетками на нижней стороне пластинки. Стволы деревьев дышат через особые бугорки с рыхлой тканью на коре, которые называют чечевичками. Через них воздух попадает во внутренние слои древесины и камбия.
Корни поглощают кислород прямо из рыхлых полостей между комьями почвы. Если земля вокруг дерева долгое время залита водой или спрессована строительной техникой, доступ кислорода прекращается. Корневая система задыхается, прекращает подавать воду в крону, и взрослое дерево начинает усыхать прямо посреди болота или лужи.
Баланс газов в масштабах целого леса
В течение сезона активного роста гектар здорового смешанного леса забирает из атмосферы тонны углекислого газа. Молодые и быстро растущие деревья поглощают значительно больше диоксида углерода, чем отдают, поскольку им нужно постоянно наращивать массу стволов, корней и веток.
Ситуация меняется в старых, заросших лесах с обилием сухостоя и гниющего валежника. Бактерии, плесень и грибы перерабатывают опавшую листву и мертвую древесину, расходуя огромные объемы кислорода на процесс гниения. Гниение с химической точки зрения эквивалентно медленному горению или дыханию. По этой причине старовозрастные таежные массивы часто приходят к газовому равновесию, при котором объем выделенного летом кислорода практически равен объему, поглощенному дыханием деревьев и почвенных организмов за год.
Частые вопросы
Опасно ли держать много комнатных растений в спальне?
Это абсолютно безопасно. Ночью растения действительно поглощают кислород, однако пара горшков на подоконнике потребляет за ночь меньше газа, чем средняя домашняя кошка. Гораздо важнее регулярно проветривать комнату от углекислого газа, выдыхаемого самим человеком.
Почему комнатные цветы погибают от частого полива?
При постоянном переувлажнении вода вытесняет все пузырьки воздуха из пор грунта. Корни лишаются притока кислорода, клетки корневых волосков задыхаются и перестают работать, после чего в грунте начинаются гнилостные процессы.
Какой организм дает планете больше всего кислорода?
Основную массу кислорода на Земле вырабатывают микроскопические одноклеточные водоросли и цианобактерии Мирового океана, составляющие фитопланктон. На их долю приходится более половины всего фотосинтеза планеты.
Может ли растение жить в герметичной банке?
Да, в замкнутой стеклянной экосистеме растение способно существовать десятилетиями. Днем оно генерирует кислород и сахара за счет света, а ночью потребляет этот же кислород для дыхания, образуя углекислый газ для утреннего фотосинтеза.