Несмотря на то, что большинство растений в светлое время суток вырабатывают кислород, в их клетках идёт и обратный процесс: кислород поглощается в процессе дыхания. Ночью в комнате, плотно уставленной растениями, можно наблюдать снижение концентрации кислорода и одновременно увеличение концентрации углекислого газа. На самом деле, в живых клетках растений процесс дыхания происходит круглосуточно, просто на свету скорость образования кислорода в результате фотосинтеза обычно превышает скорость его поглощения. Как и у животных, клеточное дыхание растений протекает в специальных клеточных органеллах — митохондриях и представляет собой окисление органических веществ молекуляным кислородом с выделением энергии. Общие принципы организации процесса дыхания на молекулярном уровне у растений и животных схожи. Однако в связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, их метаболизм постоянно должен подстраиваться к изменяющимся внешним условиям, поэтому и их клеточное дыхание имеет некоторые особенности (дополнительные пути окисления, альтернативные ферменты).
Внешним дыханием (дыханием на уровне целого растения) называют поглощение организмом кислорода и выделение углекислого газа. Газообмен между растением и средой происходит частично путем диффузии (см. Физика , Химия) через покровные ткани а также через специализированные для газообмена структуры - устьица (см. Ботаика), а у одревесневших органов через чечевички (см. Ботаника) и трещины в коре. Дыхание на уровне целого растения является интегральным показателем, значение которого может сильно варьировать в зависимости от объекта, стадии онтогенеза, физиологического состояния и действия факторов окружающей среды. Скорость дыхания различных органов и тканей растений не одинакова. Наибольшей интенсивностью дыхания характеризуются быстро растущие ткани (меристемы, зоны растяжения, недифференцированные ткани), прорастающие семена, железистые клетки и др
И у растений и животных дыхание выполняет три основные функции. Во-первых, обеспечение клеток необходимой энергией - освобождаемая при окислении углеводов энергия преобразуется в конвертируемые формы клеточной энергии - ∆µН + и АТФ. Вторая, не менее важная функция - снабжение клетки метаболитами, которые образуются в ходе окисления глюкозы и используются в разнообразных биосинтезах. Третья функция связана с термогенезом, т.е. рассеиванием энергии в виде тепла.
Современная физиология дыхания растений занимается такими вопросами, как количественные и качественные изменения дыхательного метаболизма в ответ на изменение внешних условий, энергетическая эффективность дыхания, структура и механизмы действия окислительно-восстановительных ферментов, использование растениями промежуточных продуктов в различных биосинтетических процессах, исследование альтернативных путей переноса электронов и принципов организации электрон-транспортных цепей в сопрягающих мембранах.
Вопросы метаболизма напрямую не связанные с дыханием, но протекающие с участием молекулярного кислорода, а также проблема взаимодействия клетки с активными формами кислорода составляют важный раздел стресс- физиологии.
Литература:
Полевой В.В. Физиология растений: Учеб. для биол. спец. вузов. - М.: Высш. шк., 1989. - 464 с.
Физиология растений: Учебник для студ. вузов / Н.Д. Алехина, Ю.В. Балнокин, В.Ф. Гавриленко и др.; Под ред. И.П. Ермакова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 640 с.
В конце XVIII века рядом ученых было установлено, что растения не только поглощают углекислый газ, но и выделяют его. Это открытие получило название процесс дыхания растений .
История изучения химизма дыхания
В конце XIX столетия А. Н. Бахом была разработана теория активации молекулярного кислорода. Молекулярный кислород не может вступать в соединения с окисляемым веществом, так как обе его связи заняты. Для того чтобы его активировать, необходимо освободить связи. Активированный кислород может соединяться с окисляемым веществом, образуя перекись, которая, распадаясь, осуществляет дальнейшее окисление. В работах В. И. Палладина указывается, что в процессе дыхания происходит активация водорода дыхательного вещества. Активация водорода заключается в том, что ферменты дегидрогеназы отнимают водород от дыхательного материала, вследствие чего последний окисляется, а активированный водород соединяется с кислородом. В настоящее время общепризнано, что в процессе дыхания активируется как кислород, так и водород. В дальнейшем работами С. П. Костычева была доказана связь между дыханием и брожением. Начальная фаза превращения сахара происходит одинаково и при дыхании, и при брожении и образуются одинаковые промежуточные продукты. Затем при дыхании эти продукты окисляются до СО 2 и Н 2 О, а при брожении образуются спирт и СО 2 . В последнем случае выделяется мало энергии: на одну грамм-молекулу сахара - 48 ккал. В разработке химизма дыхания принимали участие многие ученые. Л. А. Иванов показал значение фосфорной кислоты в процессе дыхания: окислению подвергается не свободная молекула сахара, а ее фосфорный эфир. Это указывает на то, что в процессе дыхания не только распадаются, но и синтезируются сложные органические соединения. А. Сент-Джорджи , X. Кребс и С. М. Джонсон детально исследовали химизм дыхания и показали роль органических кислот в этом процессе. Дыхание это процесс, свойственный всем живым организмам. Оно представляет собой окислительный распад сложных органических соединений (в первую очередь углеводов), конечными продуктам которого являются углекислый газ и вода с выделением энергии. Дыхание как физиологический процесс может быть представлено следующей схемой: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О + 686 ккал. Однако процесс окисления не столь прост, как показано на схеме, а идет через ряд промежуточных этапов. Значение дыхания состоит не только в освобождении энергии, но и в том, что при постепенном распаде углеводов образуется ряд различных промежуточных соединений, которые могут служить для синтеза органических веществ, например белков, жиров и других.
Дыхание и фотосинтез.
Таким образом дыхание - окислительный распад сложных органических соединений - является главным руслом превращения веществ и энергии в растении.
Сравнивая суммарные уравнения фотосинтеза
и дыхания, видим, что при образуются органические вещества с использованием солнечной энергии, а при дыхании растений эта энергия, накопленная в органическом веществе, освобождается:
6СО 2 + 6Н 2 O → (энергия света(686ккал)/хлорофилл) →
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 (фотосинтез),
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О + 686 ккал
(дыхание).
При образовании одной грамм-молекулы сахара в процессе фотосинтеза затрачивается 686 ккал солнечной энергии; такое же количество энергии выделяется и при ее окислении в процессе дыхания. Таким образом, в энергетическом отношении дыхание - прямая противоположность .
У растений в отличие от животных нет специальных органов дыхания, и кислород непосредственно поступает в каждую живую клетку. Благодаря большому развитию поверхностей, тесно связанных с воздушным питанием, доступ воздуха к каждой клетке облегчен, и поэтому для поступления кислорода в клетку и освобождения ее от образовавшегося углекислого газа не требуется никаких дополнительных органов.
Процесс дыхания у разных и их органов неодинаков и его сравнивают по интенсивности, т. е. по количеству выделенного в процессе дыхания углекислого газа на единицу веса в единицу времени.
Дыхание тесно связано с ростом, поэтому чем интенсивнее идет рост растения, тем сильнее процесс дыхания. Интенсивность дыхания также зависит от возраста растений: у молодых растений дыхание протекает более энергично, с возрастом интенсивность дыхания уменьшается. Ниже показано изменение интенсивности дыхания в процессе индивидуального развития (по Б. А. Рубину).
| Листья капусты белокочанной (сорт Амагер) | |||||
| Возраст растений (в сутках) | 3 | 8 | 24 | 31 | 70 |
| 314 | 155 | 52 | 67 | 27 | |
| Листья подсолнечника | |||||
| Возраст растений (в сутках) | 22 | 36 | 50 | 64 | 99 |
| Дыхание (в мг С0 2 на кг сырого веса в час) | 300 | 87 | 46 | 59 | 25 |
При дыхании цветков кувшинки Виктории регии температура в них поднимается выше температуры воздуха.
Процесс дыхания растений можно наглядно наблюдать на прорастающих семенах пшеницы. Прорастающие семена также отличаются высокой интенсивностью дыхания. Если их поместить в хорошо изолированный от потери тепла приемник, например в дьюаровский сосуд, то можно наблюдать значительное повышение температуры, достигающее 30 -50°.
Прорастающие семена пшеницы в дьюаровском сосуде.
В этом случае семена могут даже погибнуть в связи с высокой температурой.
Красоту природы составляют растения, деревья, цветы, трава. Без всего этого просто невозможно было бы существовать, ведь растения выделяют кислород, который нам нужен для дыхания. Но, как бы нелепо это не звучало, растения тоже дышат. Давайте разберемся, а как дышат растения.
Как происходит дыхание растений
Дыхание растений охватывает все его части – стебли, листья, корни, плоды, цветки. Также как человек и животные растения дышат кислородом, поглощая его вместе с углекислым газом из воздуха. Во время дыхания растения тратят углеводы, которые образуются во время фотосинтеза. Фотосинтез же, это процесс, в процессе выполнения которого образуются органические вещества, присущ он только зеленым растениям. Органические вещества образуются из воды, элементов питания, подаваемые корнями, из солнечной энергии или света, а также углекислого газа, который поглощается из воздуха. Данная фотосинтетическая деятельность протекает в естественных условиях только в светлое время суток, в оставшееся же время все накопленные продукты отходят из листьев и другие части растения. Продуктами процесса фотосинтеза являются углеводы (крахмал и сахар), а также белки. Влияние на фотосинтез оказывают температура, воздух, вода и прочие факторы.
Дыхание считается противоположным фотосинтезу процессом. Его особенностью является непрерывность в течение всех суток. Интересно, а с помощью чего дышат растения? Основным дыхательным веществом является сахар, при его недостатке распаду подвергаются органические кислоты, жиры, белки. Дыхание влияет на процесс роста самым непосредственным образом. Химическая энергия, которая освобождается при дыхании, служит источником процесса образования новых органов растений. При нарушении процесса дыхания в корневой системе, это может грозить растению гибелью. Все это подтверждает единство фотосинтеза и дыхания в растительном организме.
Отвечая на вопрос, чем дышат растения, мы можем с точностью утверждать, что дыхание - это сложный биохимический процесс, в результате которого растения поглощают углекислый газ при помощи устьиц на листьях, через них же они выделяют кислород.
Дыхание растений - совокупность процессов, осуществляющих окисление органических веществ и получения энергии для жизнедеятельности. Дыхание является одним из основных проявлений обмена веществ между организмом и средой, в результате чего происходит образование энергии в виде АТФ и формирования промежуточных продуктов для различных реакций синтеза. Субстратом для окисления у растений служат в основном углеводы, но в отдельных органах и тканях могут использоваться жиры и белки (например, в семени для прорастания). У растений различают внешнее и внутреннее дыхание.
■ внешнее дыхание (газообмен ) - совокупность процессов, обеспечивающих обмен газов между организмом растения и средой;
■ внутреннее (внутриклеточное ) дыхания - совокупность биохимических процессов расщепления с участием клеточных ферментов, которые сопровождаются выделением энергии.
В растительных клетках наблюдается аэробное дыхание, однако для них свойственно и анаэробное:
■ аэробное дыхание - совокупность процессов, осуществляющих окисление органических веществ и получения энергии с участием кислорода, который является приемником (акцептором) электронов; расщепления органических веществ является полным и происходит с образованием конечных продуктов окисления Н2О и СО2; характерно для подавляющего большинства растительных организмов и проходит в митохондриях клетки;
■ анаэробное дыхание - совокупность процессов, осуществляющих окисление органических веществ и получения энергии при отсутствии кислорода; расщепления органических веществ является неполным и происходит с образованием промежуточных соединений; характерно для многих растительных тканей и может происходить даже при доступа воздуха (например, в поспевающие плодов можно выявить запах этилового спирта, выделяется в результате анаэробного дыхания).
В низших растений обмен газов осуществляется путем диффузии через поверхность клеток. В высших растений для дыхания есть специальные приспособления: устьица на листьях и зеленых стеблях, чечевички в коре древесных форм, многочисленные межклетники в губчатой паренхиме листьев. Дыхание у растений происходит как в темноте, так и на свету, причем на свете результате фотосинтеза из воздуха поглощается гораздо больше углекислого газа, чем выделяется в процессе дыхания. На дыхание зеленые растения теряют 20-25% органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза. Интенсивные процессы дыхания в растущих тканях верхушек побегов и корней, стеблей, почек, прорастающих семян. Основным субстратом дыхания у растений есть углеводы. Жиры и белки используются в основном при дыхании ростков растений, развивающихся из богатых жирами или белки семян. Долгое время считали, что процессы фотосинтеза и дыхания противоположны. Но в действительности они взаимосвязаны и родственные, причем в обоих процессах важное значение имеет вода. Выявлено, что дыхание выполняет те же функции, что и фотосинтез, а именно они обеспечивают клетку необходимыми для роста и жизнедеятельности промежуточными продуктами и энергией.
Может происходить благодаря совершенно разным, подходящим для данных условий обитания системам. Это могут быть устьица и чечевички – специальные органы, способные получать и усваивать кислород напрямую из окружающего воздуха и служащие для газообмена между всеми органами и окружающей средой. Дышат растения и корнями, поглощающая жизненно необходимый газ в условиях заболоченной местности. У большелистных растений, а также у тропических видов в процессе поглощения газа участвует вся живая поверхность сразу, всеми частями и те растения, которые растут в воде.
Процесс дыхания
Известно, что в процессе самого дыхания образуются два главных вещества: углекислый газ, выпускаемый в атмосферу, и обыкновенная вода, аккумулируемая самим растением. Вся энергия, сопровождающая подобную реакцию распада органических составляющих на более простые, идет на становление и поддержание нормального уровня жизнедеятельности растения, дальнейший рост и активное развитие его ветвей, корней и плодов.
Не стоит путать дыхание и сложный процесс фотосинтеза. Эти явления абсолютно противоположны. Если первый проходит с непосредственным поглощением кислорода всеми имеющимися элементами растения и активным выделением энергии и углекислого газа, то второй скорее наоборот использует энергию солнца, газ и воду для создания особо сложных веществ, таких как, например, сахар и газ кислород.
Особенности дыхательного процесса
В почве растения дышат корнями, при этом выделяется не газ, а углекислота. Любопытно, что луковичные растения ведут более активный процесс поглощения кислорода, чем растения с корнями, однако это вовсе не значит, что, к примеру, декоративные комнатные луковичные растения поглотят весь кислород в комнате. Они не только дышат, но и «выдыхают».
Сама интенсивность дыхания живых растений конечно же не сравнима с дыханием и напрямую зависит от возраста и текущей потребности. Так особенно молодым, быстро побегам для роста всех клеток и дальнейшего образования цветов кислорода требуется, безусловно, больше, нежели отцветшим и пожелтевшим растениям, готовящимся уйти в своеобразную зимнюю спячку, замедлив все биологические процессы. Важно отметить, что дыхание цветов гораздо интенсивнее, нежели дыхание листьев того же растения, которые, в свою очередь, более активны в этом процессе по сравнению с обычными стеблями и плодами.
Опытным путем доказано, что дыхание напрямую зависит от уровня сложившихся температур и усиливается с ростом столбика термометра. Свет также способствует увеличению уровня углеводов, тех соединений, которые становятся активными участниками системы поглощения кислорода. Высшие растения наделены особой способностью бескислородного, анаэробного процесса, происходящего с задействованием всего внутреннего потенциала живого существа, с использованием реакций распада органических соединений.
