Физиология растений (стр. 3 )

K2Cr2O7 + 6FeSO4 + 7H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 +
+ K2SO4 + 7H2O.

Ход работы. В 3 маленькие колбы налить по 10 мл 0,4 N раствора бихромата калия. Срезать половину листа, оставляя вторую половину со срединной жилкой на растении. На срезанной половине листа взять сверлом высечки общей площадью около 2 см2.

Поместить высечки в первую колбу с бихроматом, колбу закрыть стеклянной пробкой и поставить на плитку под тягой. Довести до кипения и кипятить ровно 5 мин. Затем охладить, перелить в мерную колбу на 100 мл, довести до метки водой и перелить в колбу большего размера. Добавить 2–3 мл ортофосфорной кислоты и 10 капель дифениламина. Титровать 0,2 N раствором соли Мора до перехода синей окраски в зеленую.

Вторая колба с 10 мл бихромата служит контролем. С нею проделать то же, что и с первой колбой, только без высечек.

Вторую половину листа, которая оставалась на растении на
1 ч, после того как срезали первую половину, срезать и взять с нее высечки симметрично первым и в таком же количестве. Поместить их в третью колбу с бихроматом и так же определить количество углерода, как и в первом случае.

Количество углерода вычислить по формуле:

, мг/дм2,

где А – количество соли Мора, пошедшее на титрование контрольной пробы, мл;

В – количество соли Мора, пошедшее на титрование опытной пробы, мл;

100 – коэффициент перевода 1 см2 в 1 дм2;

0,6 – количество миллиграммов углерода, соответствующее 1 мл раствора соли Мора;

S – площадь высечек из листа, см2.

По разности содержания углерода в 1 дм2 листовой поверхности до (С1) и после опытной экспозиции (С2) определить изменение его содержания за опытное время (С2 – С1). Интенсивность фотосинтеза рассчитать по увеличению содержания углерода в
мг С/дм2/ч.

Работа 7

ЧИСТАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕЗА

Наибольшие приросты урожая в посеве обеспечиваются при оптимальном соотношении площади листьев в период ее максимального развития и чистой продуктивности фотосинтеза (ЧПФ). ЧПФ – это показатель, обозначающий число граммов общей сухой массы урожаев, образуемых 1 м2 площади листьев в среднем в течение дня за промежуток времени в n (обычно 5–7) дней.

,

где В1 и В2 – сухая масса растений с 1 м2 фитоценоза в начале и в конце учитываемого промежутка времени;

Л1 и Л2 – площадь листьев растений с той же площади фитоценоза в начале и в конце того же промежутка времени;

0,5 * (Л1 + Л2) – средняя площадь листьев за данный промежуток времени;

n – количество дней.

Определение площади листьев

Если масса листьев невелика (50–100 г), площадь чаще всего определяют весовым методом путем взвешивания контуров. Контур листа можно получить, наложив лист на миллиметровую бумагу и обведя его карандашом. Если бумага ровная по толщине и по весу единицы ее площади, то, зная вес 1 см2 или 1 дм2 ее, можно определить площадь листьев, вырезая и взвешивая ее отпечатки. Предварительно нужно убедиться в том, что вес нескольких квадратиков (5 см2 х 5 см2), вырезаемых из бумаги, одинаков. В противном случае весовой метод применять нельзя. Если масса листьев велика, то с помощью контуров определить непосредственно площадь листьев небольшой навески и затем сделать пересчет на все листья в пробе.

Определение сухой массы растений осуществляют путем соответствующего расчета, зная сырую массу органов и содержание в них сухих веществ.

Найти ЧПФ, если сырая масса растений в начале периода (n = 5 дней) – 800 г (стебли – 500 г и листья – 300 г), а в конце – 1700 г (стебли – 800 г и листья – 900 г). Содержание сухих веществ в листьях 30 %, в стеблях – 20 %.

Площадь листьев определить в данном случае исходя из веса единицы площади листа лабораторного растения.

Работа 8

ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ
ФИТОЦЕНОЗА (ПОСЕВА)

Если принять за рабочую единицу поверхности листьев 1 м2, то в течение дня фитоценоз, имеющий, например, 10 тыс. м2 на 1 га выполняет фотосинтетическую работу, соответствующую 10 тыс. м2 на 1 га дням (это аналогично тому, как если бы мы характеризовали объем работы, выполняемый группой рабочих в человеко-днях). Аналогично можно охарактеризовать фотосинтетическую работу единичного растения. Для того чтобы определить производительную способность не за один день, а за весь вегетационный период, надо суммировать показатели площади листьев за это время. Такой суммарный показатель получил название фотосинтетической мощности, или потенциала.

Упрощенный графический метод определения фотосинтетического потенциала фитоценоза или отдельного растения состоит в нахождении площади фигуры, очерченной кривой хода роста площади листьев и осями ординат. Пусть, например, исходные данные нанесены на миллиметровую бумагу так, чтобы масштаб времени (ось абсцисс) соответствовал 5 дням в 1 см, а масштаб площади листьев (ось ординат) – 4 тыс. м2 в 1 см. В этом масштабе на миллиметровую бумагу наносятся точки, отражающие результаты изменений площади листьев, а по ним проводится кривая, иллюстрирующая ход нарастания площади листьев в течение вегетационного периода, как это показано на рисунке. Затем весовым методом либо с помощью фигуры (в см2), очерченной кривой хода роста площади листьев и перпендикуляром, опущенным из конечной точки наблюдений на ось абсцисс и самой осью абсцисс (фигура АБВ). В данном случае площадь полученной таким образом фигуры составляет 115 см2. Фотосинтетический потенциал получают путем умножения показателя площади фигуры на показатели цены одного сантиметра масштаба на оси ординат (в данном случае 4000 м2) и в днях оси абсцисс (в данном случае 5) (рис. 2).

Рис. 2

Следовательно, продуктивность исследуемого фитоценоза определяется работой фотосинтетического потенциала 2,3 млн м2 дней. Если биологический урожай такого фитоценоза составляет, например, 12 т, то средняя за вегетационный период чистая продуктивность фотосинтеза равна:

г/м2 сутки,

Подобным образом можно получить показатели фотосинтетической мощности и чистой продуктивности фотосинтеза за отдельные фазы развития фитоценоза или отдельного растения.

Задание 1

Определить фотосинтетический потенциал одного растения свеклы за вегетационный период при следующем ходе роста площади листьев: площадь листьев, м2: 0,03; 0,07; 0,12; 0,20; 0,25; 0,35; 0,45; 0,55; число дней от появления всходов: 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80.

Найти чистую продуктивность фотосинтеза, если вес растения в момент уборки 1050 г, а содержание сухих веществ 25 %.

Задание 2

Определить фотосинтетический потенциал фитоценоза кукурузы за вегетационный период при следующем ходе роста площади листьев: площадь листьев, тыс. м2: 3; 8; 15; 25; 30; 36; 40; 42; 43; 40; 37; 30; 25; число дней от появления всходов: 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120; 130.

Найти чистую продуктивность фотосинтеза, если урожай силосной массы составляет 1100 ц/га (200 ц листьев и 900 ц стеблей с початками). Содержание воды в листьях 70 %, в стеблях с початками – 60 %.

ЗАДАЧИ

1.  Вспомнив знаменитый опыт Джозефа Пристли, в котором веточка мяты сохранила жизнь мыши в герметической камере, вы можете проделать аналогичный эксперимент, чтобы узнать, как ведут себя С3- и С4- растения, когда оказываются вместе в замкнутом пространстве. Вы можете поместить растение кукурузы (С4) и герани (С3) в герметичную пластиковую камеру с нормальным составом воздуха (концентрация СО2 – 300 частей на миллион) и поставить ее на подоконник в лаборатории. Что произойдет с этими растениями? Будут ли эти растения конкурировать или сосуществовать? Если они будут конкурировать, какое из них победит и почему?

2.  Сколько энергии несет видимый солнечный свет? Сколько энергии солнечного света доходит до поверхности Земли? Какова эффективность растений в превращении энергии света в химическую энергию? Ответы на эти вопросы вносят определенную ясность в проблему фотосинтеза.

Каждый квант или фотон света имеет энергию hν, где h – постоянная Планка (1,58 ∙ 10-37 ккал с/фотон), а ν – частота света (с-1). Частота равна с/λ, где с – скорость света (3,0 ∙ 1017 нм/с), λ – длина волны в нм. Таким образом, энергия (Е) фотона равна Е = hν = hc/λ.

А. Рассчитайте энергию одного моля фотонов (6 ∙ 1023 фотон/моль) волн 400 нм (фиолетовый свет), 680 нм (красный свет) и 800 нм (ближний инфракрасный свет).

Б. Яркий солнечный свет приносит на Землю 0,3 ккал/с на квадратный метр. Предполагая для простоты, что солнечный свет – это монохроматический свет с длиной волны 680 нм, рассчитайте, за какое время один моль фотонов покроет поверхность площадью в один квадратный метр.

В. Предполагая, что для фиксации одной молекулы СО2 в процессе синтеза углевода при оптимальных условиях требуется восемь фотонов (8–10 фотонов – принятая в настоящее время величина), рассчитайте, сколько времени понадобится растению томата (листовая поверхность которого один квадратный метр), чтобы синтезировать один моль глюкозы из СО2. Можете принять, что фотоны бомбардируют лист со скоростью, вычисленной в пункте Б, и все падающие на лист фотоны поглощаются листом и используются для фиксации СО2.

Г. Если при фиксации одного моля СО2 с образованием углевода потребляется 112 ккал/моль, какова эффективность превращения световой энергии в химическую после захвата фотона? Предположите опять, что для фиксации одной молекулы СО2 требуется восемь фотонов красного света (680 нм).

3. Предположим, что ваш руководитель решил расширить круг объектов для изучения фотосинтеза от водорослей до высших растений и поручил вам изучить фотосинтетическую фиксацию углерода у кактусов. Сначала опыты не дают положительных результатов: у вас получается, что растения кактуса не фиксируют СО2 даже при прямом солнечном освещении. Ваши коллеги, изучая одуванчики, получают в тех же условиях прекрасное включение меченого СО2 в течение нескольких секунд с момента добавления углекислоты и легко картируют новые биохимические пути. Однажды, после окончания эксперимента вы покидаете лабораторию, не разобрав камеры для работы с радиоактивными веществами. На следующее утро вы обнаруживаете, что подопытное растение включило большое количество меченого СО2. Очевидно, что кактус фиксировал углерод ночью. Повторив эти опыты ночью в полной темноте, вы устанавливаете, что растения кактуса великолепно включают метку. Оказывается, что после кратковременной экспозиции с меченым СО2 в растении метится только одно соединение – малат. За ночь это меченое соединение накапливается, причем до очень высокого уровня, в специализированных вакуолях внутри клеток, содержащих хлоропласты. Кроме того, в этих же клетках исчезает крахмал. Однако днем на свету исчезает малат и накапливается крахмал. Далее вы обнаруживаете, что меченый СО2 вновь появляется в этих клетках на свету.