Физиология растений - Лебедев С.И.
ISBN 5-10-000574-2
Скачать (прямая ссылка):
Современные научные представления о фотохимических реакциях, входящих в процесс фотосинтеза, основываются на квантовой теории света. Согласно этой теории, каждая молекула вещества при фотохимических реакциях, т. е. при превращении вещества под влиянием света, поглощает частицу его — фотон, или квант, который имеет достаточный запас энергии для того, чтобы вызвать в молекуле соответствующие изменения. Основное действие света определяется энергией как отдельных фотонов, так и световых потоков.
Если квант меньше, чем необходимо энергии для данной реакции, то превращения молекулы не произойдет, а если он слишком велик, то превращение осуществляется, но расход энергии будет непродуктивным. В процессе фотосинтеза имеется ряд промежуточных реакций, которые происходят до момента образования углевода. На каждую из этих реакций также расходуется определенное количество энергии. Продуктивность фотохимического процесса определяется количеством, квантов, а не величиной отдельного кванта.
Свет Типичная Частота, Гц Энергия
эВ на кДж на
1 кпапт Г моль
квантов
Ультрафиолетовый 259 11,8-1014 4,88 470
Фиолетовый 410 7,31 ¦ 10й 3,02 290
Синий 460 6,52-1014 2,70 260
Зеленый 520 5,77 ¦ 1014 2,39 230
Желтый 580 5,17-101а 2,14 206
Оранжевый 620 4,94-101* 2,00 193
Крреный 680 4,41-10lJ 1,82 176
Инфракрасный 1400 2,14.10м 0,88 85
Энергия света Е, переносимая фотоном, или квантом hvy равна:
E—hv=kcl%,
где к — световая константа Планка, равная 6,26196-Ю"3'1 Дж/с; v — частота колебаний данной световой волны, Гц; Я — длина волны, нм; с — скорость света в вакууме (примерно 3-108 м/с).
Согласно приведенному уравнению, квант света обладает энергией, пропорциональной его частоте и обратно пропорциональной длине волны.
В фотохимии употребляется единица количества света — эйнштейн (е). Она равна 6,023-1023 квантов монохроматического света. При поглощении системой, способной к фотохимическим превращениям, 1е происходит фотохимическое превращение 6,023-1023 молекул, или одного моля вещества. Энергия 1е равна 6,023- 102Л liv квантов, или фотонов, и называют ее молем квантов,
В таблице 8 приведена характеристика участков спектра от ультрафиолетовых (видимых)' до инфракрасных лучей.
Как установлено О. Варбургом и другими учеными, квантовый выход фотосинтеза (ср), т. е. количество молекул реагирующего углекислого газа на квант света, который поглощается при фотосинтезе, равен приблизительно 0,25. Следовательно, на восстановление одной молекулы СОг расходуется 4 кванта красного света:
Количество молекул воспринятого СО; (или выделенного Оа) _
^Число поглощенных квантов ’
<р — квантовый выход <1.
Однако многочисленные экспериментальные определения квантовых выходов фотосинтеза показали, что при восстановлении одной молекулы СОг поглощается 8—12 квантов света. Поглощение 4 квантов красных лучей может дать достаточное и даже избыточное количество энергии, а именно: 4 кванта
красного света дают 502—669 кДж/моль, а для восстановления
1 моля СОа необходимо 470 кДж.
Очевидно, из 12 квантов энергия 4 квантов превращается в хймическую энергию и связывается в продуктах фотосинтеза, энергия остальных 8 квантов используется на образование каких-то неустойчивых, высокоэнергетических продуктов, которые в дальнейшем, подвергаясь экзэргоническим превращениям, отдают энергию на поддержание необходимых для фотосинтеза градиентов потенциалов; потом эта энергия деградирует в тепло.
Обратная квантовому выходу величина — квантовые
расходы - — raj —показывает, сколько квантов света
должно быть поглощено растением для поглощения и превращения одной молекулы С02 или выделения молекулы Ог. При очень низкой интенсивности света расход на фотосинтез не превышает 4 квантов. При увеличении интенсивности света количество квантов на восстановление одной молекулы СОг резко возрастает. При 12 квантах коэффициент полезного действия энергии активного света, который поглощается фотосинтетиче-скн, может составлять 19%, или 8—10% энергии общей радиации солнца, падающей на лист. Считают, что листья зеленых растении обычно поглощают 80—85% энергии видимой части солнечного спектра, пропускают 5—10 и отражают около 10%.
Фотосинтез является окислительно-восстановительным процессом, в котором вода служит восстановителем и сама окисляется, а углекислый газ — окислителем и сам восстанавливается, В процессе фотосинтеза хлорофилл играет роль фотосенсибилизатора, т. е. вещества, поглощающего свет, с помощью энергии которого осуществляются химические превращения других веществ.
При поглощении квантов света хлорофилл приобретает качество активного окислителя и становится способным окислять некоторые вещества, отнимая у них электрон или водород — происходит реакция фотовосстановления хлорофилла с запасанием энергии квантов света в продуктах реакции. Такой хлорофилл способен активно восстанавливать ряд окислителей. Реакцию обратимого фотовосстановления хлорофилла, которая'
