Листья растений. Фотосинтез

Столетиями человечество добывало и использовало уголь в качестве энергии. Но как оказалось, его запасы не безграничны. Чтобы преодолеть энергетический кризис, люди обратили внимание на возобновляемые источники энергии. Особенно бурное развитие в последние годы получила солнечная энергетика. Сегодня никого не удивишь солнечными панелями, расположенными на крышах домов. Эти панели улавливают солнечную энергию и преобразуют её в электричество.Листья растений научились улавливать энергию солнца задолго до появления первых людей. Эта энергия используется в ходе фотосинтеза – важнейшего процесса, благодаря которому возможно существование большинства животных, в том числе и человека.

Растения – главные инженеры планеты

Листья - это плоские, зеленые структуры, которые растут из стеблей растений. Хотя они бывают разных форм и размеров, почти все они улавливают солнечный свет и производят пищу для растений.На рисунке показано строение типичного листа.

Внешнее строение листа

Около 275 000 видов растений можно отличить друг от друга только по их листьям. Разнообразие форм и размеров листьев почти бесконечно. Они могут быть гладкими или волосатыми, скользкими или липкими, съедобными или ядовитыми. Они также могут быть почти любого цвета радуги и обладать изысканной красотой, особенно если рассматривать их в микроскоп.Все листья можно разделить на простые и сложные. Простые – это листья с одним черешком и одной листовой пластинкой. Сложные листья состоят из нескольких листочков.

Разнообразие листьев

Жилки листа выполняют две важные функции: поддерживают форму листа и транспортируют различные вещества. Выделяют 4 типа расположения жилок в листе (жилкование):

Края листовой пластинки бывают самой разнообразной формы: гладкой, слегка или сильно зазубренной.

Типы прикрепления листьев к стеблю•Черешковое – лист крепится к стеблю при помощи черешка(яблоня, берёза, клён, крапива, липа, роза, дуб).•Сидячее – у таких листьев нет черешка(одуванчик, алоэ, пшеница, лён).•Влагалищное – лист своим основанием охватывает стебель, образуя влагалище(кукуруза, рожь, осока).

Типы расположения листьев на стебле•Очередное – из узла  отходят по одному листу(пшеница, береза, подсолнечник, укроп).•Супротивное – из узла отходят по два листа по обе стороны от стебля(сирень, крапива, шиповник).•Мутовчатое - из узла отходят по три и более листьев (элодея, вороний глаз, клевер, ель, кедр).

На расположение и тип крепления листьев к стеблю влияет множество факторов. Например, у светолюбивых растений листья располагаются свободно и не затеняют друг друга. Листья пустынных растений мелкие и располагаются близко друг к другу – для максимального сохранения влаги.

При внимательном рассмотрении растения окажется, что его листья, лепестки и семена расположены в удивительно правильном порядке. Почему растения образуют такие красивые геометрические рисунки?Этим вопросом задавался ещё Леонардо да Винчи, но точного ответа нет до сих пор. Неясно, почему многие повторяющие части растений, животных и других явлений в природе образуют единую структуру. Подобные «спиральные» рисунки подчиняются ряду чисел Фибоначчи – каждый последующий член равен сумме двух предыдущих: (0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34).Филлотаксис с латыни переводится как «расположение листьев». Возможно, такая спиральная структура обеспечивает максимальный приток солнечного света и влаги к растению.

Филлотаксис

В засушливых условиях листья приспособлены накапливать воду. Растения с толстыми, мясистыми листьями называются суккулентами – к ним относят, например, алоэ.

Колючки кактуса (изменённые листья) – ещё один пример адаптации к засушливым условиям. Уменьшение поверхности листа снижает потерю воды растением. Колючки также защищают растение от травоядных животных. Обратите внимание, что колючки яблони или груши – это видоизменный стебель.

Листья хищных растений модифицированы для ловли насекомых. При помощи такой адаптации растения получают из жертв минеральные вещества. Обычные растения получают минеральные вещества через корни.

В листьях некоторых растений запасаются питательные вещества. Листья лука и капусты – пример запасающих листьев, которые человек использует в пищу. За сотни лет селекции листья лука и капусты стали ещё более толстыми и питательными по сравнению с дикими предками.

Видоизменения листьев

Усик - это нитевидная структура, которая помогает растениям перелезать через другие растения или предметы и получать доступ к свету или пространству. Усики гороха – это изменённые листья, а усики винограда – измененные стебли.

Почки древесных растений зимой защищены видоизменёнными листьями – почечными чешуйками.

Прицветники – это изменённые листья, играющие роль лепестков для привлечения опылителей. Например, у молочая красивейшего желтоватые цветки лишены лепестков. Вместо них в период цветения вокруг цветков образуются ярко-красные прицветники.

Некоторые растения используют листья для размножения.Например, если срезать лист фиалки и посадить его в землю, то лист разовьётся в новое растение.Другой пример – размножение листовыми черенками (выводковыми почками). Так, на листьях растения каланхое вырастают новые маленькие растения, которые затем отваливаются от родителя и врастают в землю.

Внутреннее строение листа

Строение и расположение слоёв мезофилла у различных видов растений неодинаково. Но в целом, все листья имеют схожее строение.Столбчатый мезофилл расположен под верхним слоем эпидермиса и состоит из плотно прижатых друг к другу клеток. Столбчатый мезофилл содержит большое количество хлорофилла и является основной фотосинтезирующей тканью листа.Губчатый мезофилл залегает ниже столбчатого и состоит из рыхло расположенных фотосинтезирующих клеток с большими межклеточными пространствами, которые способствуют свободному газообмену с внешней средой.Для максимально быстрого получения и передачи веществ клетки мезофилла всегда расположены вблизи жилок – проводящих сосудов. Продукты фотосинтеза покидают лист через флоэму, а минеральные вещества доставляются к листу по ксилеме.

Мезофилл

Эпидермис состоит из плотного слоя клеток, покрывающих верхнюю и нижнюю поверхности листа. У большинства растений эпидермальные клетки полупрозрачные, так как в них отсутствуют хлоропласты. Благодаря этому солнечный свет легче достигает мезофилла. Клетки эпидермиса выделяют восковой слой – кутикулу. Кутикула препятствует испарению воды из листа. Растения, растущие в жарком климате, имеют толстый слой кутикулы, ещё сильнее уменьшающий испарение воды.В эпидермисе листьев также встречаются «булавовидные клетки» (от латинского bulla – пузырь). При набухании булавовидные клетки расширяются, разворачивая лист. Когда вода из булавовидных клеток выходит, они уменьшаются, а лист складывается обратно.

Внешнее покрытие листа

За миллионы лет эволюции природа создала невероятный водоотталкивающий материал. Если посмотреть на лист в мощный микроскоп, то можно увидеть многочисленные бугорки и неровности. Более того, поверхность листа пропитана воскоподобными веществами. За счет микробугорков и воска вода с лёгкостью скатывается с листа. Вместе с собой вода смывает бактерии и грязь с листьев – ничто не должно мешать фотосинтезу.Такое явление несмачиваемости листьев назвали «эффектом лотоса». На основе строения листа инженеры надеются создать прочные, но при этом лёгкие водоотталкивающие материалы.

Как растение отпугивает травоядных животных, защищается от экстремальных погодных условий и справляется с растениями-конкурентами? При помощи трихом.Трихомы – это мельчайшие выросты эпидермиса различного строения и назначения. Трихомы одних растений мешают насекомым по ним ползать,  трихомы других выделяют ядовитые токсины. В тропических дождевых лесах эпифиты используют трихомы для поглощения воды и минералов.

Устьица – это крошечные поры на поверхности листа, состоящие из двух замыкающих клеток.Устьица участвуют в двух важных процессах: транспирации и газообмене. Когда устьица открыты, водяной пар и кислород выходят из листа, а углекислый газ перемещается внутрь. Когда устьице закрывается – газообмен прекращается.

Роль устьиц в жизни растения

Днём устьица обычно открыты – через них свободно проходят газы и вода. Непрерывно испаряющаяся через устьица вода создаёт подсасывающую силу. Благодаря этому вода поднимается от корней вверх к листьям – процесс транспирации. Через открытые устьица лист поглощает необходимый для фотосинтеза углекислый газ.Открытие и закрытие устьиц контролируется изменением формы двух замыкающих клеток, окружающих каждую пору. Когда вода попадает в замыкающие клетки, они становятся набухшими и изгибаются, образуя поры. Когда вода покидает замыкающие клетки, они становятся вялыми и сжимаются, закрывая поры.

Под действием дневного света в замыкающих клетках накапливаются ионы калия. Увеличение его концентрации приводит к движению воды в результате осмоса. Возникает тургорное давление, изгибающее замыкающие клетки – устьице открывается. Отток калия ночью снижает давление, и устьица закрываются.

На открытие и закрытие устьиц влияет множество факторов: время суток, концентрация СО2 в атмосфере, влажность почвы и температура.Для фотосинтеза требуется много CO2 – поэтому днём устьица отрыты. Ночью растению CO2 не требуется – устьица закрываются. Однако при низкой концентрации CO2 в листе, устьица остаются открытыми даже ночью.Без воды устьица растений останутся закрытыми, а значит растение не получит CO2. Растения, живущие в пустынях, научились по-разному справляться с этой проблемой, иногда весьма необычным способом (смотри картинку).Транспирация воды через устьица также охлаждает растение в жару. Процесс транспирации снижает температуру листа на 10°C по сравнению с окружающим воздухом.

Глобальное потепление и парниковые газы – частые темы в новостях. За последние 200 лет деятельность человека, выхлопы автомобилей и вырубка тропических лесов повысили глобальную концентрацию углекислого газа в атмосфере и изменили климат нашей планеты. За прошедшие 200 лет с начала промышленной революции уровень CO2 в атмосфере вырос на 30%!Ученые проверили, как изменение уровня СО2 повлияло на растения. Для этого они изучили образцы растений, собранные ещё в 18 веке. Выяснилось, что за 200 лет количество устьиц в листьях снизилось на 40%! Поскольку углекислый газ становится более распространенным, требуется меньше устьиц для его поглощения с целью фотосинтеза. Чем меньше устьиц – тем больше воды сэкономит растение. Тот же метод подсчета устьиц был применен к ископаемым листьям для определения уровня CO2 в атмосфере миллионы лет назад. Так установили, что во времена динозавров у листьев устьиц практически не было. Значит, уровень CO2 тогда был значительно выше по сравнению с нашим временем.

Листья в жизни человека

С наступлением осени многие деревья северных широт начинают готовиться к зиме. Зелёное вещество хлорофилл в листьях разрушается, а желтые и оранжевые вещества – нет. В итоге листья приобретают яркую окраску. Вместе с этим из листьев обратно в стебель выкачиваются питательные вещества. С наступлением зимы листва опадает. О приближении зимы растение «узнаёт» по сокращению светлого времени суток.Сезонный листопад решает две задачи для растений. Во-первых, зимние морозы удерживают всю воду в виде снега. Влага больше не доступна корням. Удаление листьев позволяет растению сэкономить воду зимой. Во-вторых, в результате сильного снегопада на листьях  накапливается снег. Под его тяжестью ветки ломаются, и дерево может даже погибнуть.Благодаря маленьким листочкам (иголкам) хвойные растения остаются зелёными круглый год. Площадь иголки небольшая, а значит потери воды незначительные. Кроме того, ветви хвойных очень гибкие – снег легко скатывается с листьев, словно с горки.

Листопад

Какие листья выращивает человек?

Когда вы в следующий раз закажете пиццу, задумайтесь, из чего она была приготовлена. Корка пиццы получена из семян пшеницы, которые образовались в результате фотосинтеза. Фрукты или овощи, включая помидоры, зеленый перец, лук и специи, также были произведены благодаря фотосинтезу. Сыр, колбаса и бекон в пицце появились потому, что животные поедали растения, полученные в результате фотосинтеза. Даже сама коробка для пиццы была сделана из деревьев, которые выросли благодаря фотосинтезу.Пример с пиццей показывает всю важность фотосинтеза для человека и всей живой природы. Фотосинтез создаёт основную массу растения, которую употребляют в пищу животные. Более того, в ходе фотосинтеза выделяется кислород – необходимый компонент для существования жизни на Земле.

Фотосинтез 

Как и все живые существа, растения состоят из органических молекул: белков, жиров и углеводов. Главный компонент этих молекул – углерод. Так, при сжигании древесины образуется уголь – чистый углерод. Для постройки сложных веществ, растение поглощает углерод из воздуха в виде углекислого газа. Ещё одну необычную особенность растений открыли в конце 18 века. Помещённые в колбу с водой растения при зажжённой свече начинали выделять пузырьки кислорода. Важность кислорода для животных установили при помощи опыта с мышью. Помещённая в герметичную колбу мышь быстро погибала. Но если в колбу вместе с мышью поместить также растение, то животное выживет.Поглощение растениями углерода из воздуха и выделение кислорода – два взаимосвязанных процесса, которые происходят в ходе фотосинтеза.

В фотосинтез вовлечены кислород и углекислый газ

Что же такое фотосинтез?Поглощая солнечный свет, растение «собирает» из углекислого газа глюкозу – главный компонент живых клеток. Из глюкозы растение собирает другие углеводы, использует её в качестве источника энергии и для других нужд. Углеводы необходимы для роста и развития растения.Кислород – побочный продукт этой сборки. Его растение «выдыхает» наружу через устьица.

Давайте погрузимся внутрь листа растения и посмотрим, где происходит фотосинтез.СО2 поступает в устьица и достигает клеток мезофилла. Вода, поглощенная корнями, по жилкам доставляется к листьям. Объединение H2O и СO2 происходит в хлоропластах. Обычная клетка листа содержит от 30 до 40 хлоропластов.Внутри хлоропласт заполнен густой жидкостью – стромой. В строме находятся связанные друг с другом мешочки тилакоидов. Тилакоиды, в свою очередь, построены из особого «зеленого» вещества растений – хлорофилла. Именно молекула хлорофилла улавливает солнечный свет и преобразует его в глюкозу.

Фотосинтез происходит в хлоропластах

Ранее мы описали процесс фотосинтеза простой формулой: 6СО2 + 6Н2О + Свет = Глюкоза + 6О2.Давайте теперь проследим, как происходят все эти преобразования в хлоропластах. Фотосинтез делится на две стадии: световую и темновую.Световая фаза происходит в гранах. Под действием света разрушается молекула воды. Кислород О2 из воды покидает растение в виде газа, а водород понадобится для постройки глюкозы. В световую фазу также запасается энергия в виде молекулы АТФ (эту молекулу можно сравнить с батарейкой).Темновая фаза происходит в строме. Поглощённый через устьица CO2 соединяется с водородом. Для этого СО2 проходит через цикл сложных реакций, называемых циклом Кальвина. Запасённая ранее энергия при этом расходуется. Для темновой фазы не требуется свет, однако она происходит как днём, так и ночью. 

Итак, главная цель фотосинтеза – получить глюкозу. Для чего же глюкоза растениям?