Что потребляют растения в процессе дыхания
Что такое и как происходит дыхание растений?
Что такое дыхание.
Каждая клетка нуждается в энергии для жизни. Получение энергии происходит при расщеплении органических веществ в процессе дыхания. Такое расщепление происходит под воздействием кислорода и ещё называется окислением. В результате образуются вода, углекислый газ и свободная энергия.
Необходимая растению энергия содержится в химических связях сложных органических веществ. Изначально это энергия солнца, запасённая растением в процессе фотосинтеза.
Дыхание у растений принципиально не отличается от дыхания животных, или грибов. Какой газ растения выделяют при дыхании, такой же выделяют любые другие организмы. Это углекислый газ.
Рис. 1. Схема дыхания растений.
Известно, что на свету растения выделяют ещё и кислород, но это происходит в результате другого процесса – фотосинтеза.
Дыхание идёт круглосуточно, поэтому образование углекислого газа происходит постоянно. Также постоянно в клетки растений для их нормальной жизнедеятельности должен поступать кислород.
Это же справедливо и для растения в целом.
Дыхание растений включает два процесса:
Клеточное дыхание растений.
Дыхательными центрами клетки являются митохондрии. Они есть и у животных.
Именно в этих органоидах происходит окисление органических веществ. Обычно такими веществами являются углеводы, но дыхание может идти и за счёт белков или жиров.
При окислении выделяется энергия. Вода остаётся в клетке, а углекислый газ путём диффузии покидает клетку и может сразу использоваться в фотосинтезе.
Процесс дыхания ступенчатый. Вода и углекислый газ образуются не сразу, а являются конечными продуктами. До этого в ходе многих реакций образуются и вновь распадаются другие вещества.
Газообмен с внешней средой.
В отличие от животных растения не имеют специальных органов дыхания. Газообмен осуществляется через специальные структуры в покровных тканях:
Устьица располагаются в кожице листьев и молодых стеблей (эпидерме). Каждое из устьиц имеет замыкающие клетки, способные менять тургор (наполненность водой) и закрывать устьичную щель. Устьичные щели осуществляют газообмен и испарение воды листьями.
Рис. 2. Устьица под микроскопом.
Чечевички – это более крупные, чем устьица, структуры, расположенные в пробке стебля.
Рис. 3. Чечевички на стволе берёзы.
Дыхание и фотосинтез.
Между процессами дыхания и фотосинтеза существует связь. Это процессы противоположные и в растении следуют один за другим.
Фотосинтез является способом питания. В ходе этого процесса образуются органические вещества, содержащие энергию, полученную в виде света.
Дыхание – это способ высвобождения энергии, запасённой в питательных веществах.
Дыхание в разных частях растения.
Интенсивность дыхания не одинакова в разных органах. Наиболее активно дышат:
Не рекомендуется ставить срезанные цветы в спальной комнате, поскольку они поглощают большое количество кислорода и выделяют углекислый газ.
Корни также, как и надземные органы, дышат. Для нормального дыхания корней необходимо рыхлить почву.
Какие условия необходимы для дыхания растений?
Возраст ткани / Стадия жизни.
У более молодой ткани частота дыхания выше, чем у более старой. Таким образом, верхушка корня и молодые листья имеют более высокую частоту дыхания, чем более старые корневые сегменты и листья.
Когда семя впервые впитывает воду, частота дыхания клеток быстро возрастает, но выравнивается примерно через 20 минут.
Созревшие плоды вызывают всплеск дыхательной активности, который достигает кульминации, когда плоды достигают максимальной зрелости.
Частота дыхания в растительной клетке уменьшается при понижении температуры до тех пор, пока дыхание почти или полностью не остановится при низких температурах. Дыхание увеличивается с ростом температуры, пока не будут достигнуты очень высокие температуры, что приведет к ухудшению состояния тканей.
Температура сильно влияет на дыхание для поддержания (гораздо больше, чем клетки, предназначенные для роста растений). У растений в умеренном климате частота дыхания зимой значительно ниже, чем в теплое лето.
Частоту дыхания фруктов можно контролировать, храня фрукты в прохладных, сухих местах. Более низкие температуры хранения могут замедлить дыхание и созревание фруктов.
Дыхание замедляется с уменьшением доступного кислорода. В условиях, когда кислорода нет, как, например, в плохо дренируемой почве, происходит анаэробное дыхание (брожение). Анаэробное дыхание приводит к образованию углекислого газа, некоторого количества энергии и этанола. Этот тип дыхания также используется для создания спиртов.
Частота дыхания для большинства растений достигает пика при нормальном уровне кислорода в атмосфере.
Двуокись углерода, один из отходов дыхания, также влияетелен. Чем выше концентрация углекислого газа, тем ниже частота дыхания.
Дыхание усиливается как непосредственно зараженными, так и окружающими клетками, когда ткань растения повреждена или заражена. Часто, когда в яблоке есть червячная дыра, маленький коричневый синяк окружает его — это указывает на усиление дыхания в области вокруг поврежденных клеток.
Сухая ткань имеет более низкую частоту дыхания, чем гидратированная. Хотя засуха оказывает гораздо большее влияние на процесс фотосинтеза в растительных клетках, недостаток доступной воды также отрицательно влияет на дыхание.
Листья верхнего купола часто видят более высокие частоты дыхания.
Увеличение доступных сахаров в результате фотосинтеза обычно приводит к увеличению частоты дыхания. Частота дыхания в листьях верхнего купола будет выше, чем в листьях нижнего купола, потому что верхушки производят больше сахара.
Что влияет на интенсивность дыхания.
Факторами, влияющими на интенсивность дыхания, являются:
При усилении любого из этих факторов дыхание становится интенсивнее.
Человек управляет дыханием семян и плодов для сохранения урожая и посевного материала. Для этого в помещениях, где хранятся семена, поддерживается необходимая влажность, температура и обеспечивается приток свежего воздуха.
Дневное дыхание растений.
Дневное дыхание связано с двумя процессами: непосредственно дыханием и фотосинтезом. Процесс дыхания, как и у человека, связан с окислением органических соединений и выделением диоксида углерода, воды и энергии. Вместо человеческих легких выступает вся поверхность растения. Химическая формула, описывающая реакции в процессе дыхания растений:
Сладкие роллы, или чем удивить гостей во время праздников
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 674 ккал.
Любое дерево способно дышать всей поверхностью, даже поверхностью плодов. Но наиболее активно процесс дыхания происходит через устья листа, откуда и попадает по межклеточному пространству большая часть необходимых газов.
Если речь идет о дневном времени суток, то дыхание не столь заметно, как ночью. Поскольку работа растения направлена большей частью на постоянное запасание энергии в виде органических соединений (глюкозы). Попадающий в листья газ, при содействии воды и энергии солнечного света в хлоропластах превращается в глюкозу, которую организм запасает для дальнейшего использования. Собственно дыхание и является этим дальнейшим использованием.
Запасенная глюкоза, с помощью воды и кислорода разлагается на молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), углекислый газ и водород. АТФ – это твердая энергия. Биологический аккумулятор клеток, который обеспечивает энергетическими запасами все живое на планете. Позднее эти запасы будут использованы в жизнедеятельности каждой молекулы организма.
Кажется, что образуется замкнутый круг: фотосинтез происходит с образованием глюкозы и кислорода, но что толку, если потом в результате дыхания растений выделяется диоксид углерода и АТФ. А энергию растения расходуют лично на себя, ничего не оставляя другим. Но весь вопрос в количестве. Далеко не весь кислород, который образуется во время фотосинтеза, поглощается организмом во время дыхания. Растения производят в разы больше, чем поглощают. Может этим они и отличаются от человека. А все энергетические запасы растений рано или поздно переходят в запасы животных или человека. Так растения отдают все свои накопления ради существования экосистемы Земли.
В среднем 1 гектар лесов ежегодно выделяет 4 тонны кислорода и потребляет 5 тонн углекислого газа. Человек в день выдыхает до 1 килограмма диоксида углерода, в год — 365 кг. Следовательно, 1 гектар леса поглощает углекислоту, которую выдыхают 13 человек.
С увеличением процента содержания углекислого газа в атмосфере теоретически можно ускорить рост зеленых насаждений на Земле. Многие исследования показывают, что в условиях теплиц СО2 можно использовать как «воздушное удобрение», ведь иногда при дыхании кислородом растениями поглощается еще и углекислый газ. Но так происходит это только в условиях экспериментов. На открытых пространствах начавшийся рост активизирует насекомых, которые не позволяют лесам и джунглям разрастись. А культурные растения от таких добавок превращаются в легкую добычу для вредителей. Поэтому, чтобы не говорили скептики, нарушение обмена углеродом это плохо.
Ночное дыхание растений.
Процесс дыхания растений мало чем отличается от дыхания животных и человека. Есть и ночное дыхание. Это явление было открыто Отто Варбургом в начале XX века. Ночью света нет, а значит нет и энергии для фотосинтеза. Растения перестают вырабатывать O2, но не могут перестать дышать. Кислород поглощается, а углекислый газ все так же продолжает выделяться.
Белки, жиры и углеводы, запасенные в процессе жизнедеятельности днем, благодаря циклу Кресса превращаются в углекислый газ, молекулы АТФ и водород.
C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 4ATФ +12H2
АТФ расходуются на дальнейшие нужды, углекислый газ уходит в атмосферу по устьицам, а вот водород окисляется до воды. Растение не может позволить себе сбрасывать водород в атмосферу, поскольку легко может погибнуть от этого, поэтому происходит частичный выброс паров воды. Большая часть организма растения – вода. Она нужна во всех процессах, включая дневное и ночное дыхание. Окисленный водород будет использован вновь в следующих реакциях.
Именно из-за ночного дыхания не рекомендуется ставить цветы в спальнях. Это увеличивает содержание углекислоты в комнате. Что никак не скажется на цветах, но будет чувствительно для человека.
Для дыхания растений существует пороговое значение содержания кислорода. При увеличении содержания О2 в воздухе до 5-8 процентов – интенсивность дыхания у растений скачкообразно растет. Но после это рост практически прекращается. Сейчас кислорода в воздухе около 21 процента. А значит, растениям еще долго не нужно будет о нем беспокоиться.
В природе есть еще одно интересное явление, названное САМ — фотосинтезом. Это явление характерно для пустынных цветов и растений. В вечной погоне за сохранением водных ресурсов, эти растения приспособились к проведению фотосинтеза в ночь.
Водоросли и CO2.
Под водорослями понимают все растения, находящиеся под водой и не имеющие корня. Интенсивнее всего, из водорослей, поглощает углекислоту одноклеточные водоросли — фитопланктон. В основном все водоросли дышат растворенным в воде кислородом, за исключением нескольких видов, осуществляющих бескислородный фотосинтез. Те в качестве акцептора электронов при дыхании используют элементную серу.
Получение энергии в группе цианобактерий.
Фитопланктон обитает в верхних слоях воды, поскольку ему требуется большое количество солнечной энергии для фотосинтеза. При наличии в воде растворенного углекислого газа фитопланктон осуществляет фотосинтезирующий процесс, побочным продуктом которого является кислород. Большим отличием этих водорослей от наземных растений является количество производимого кислорода. За один цикл фотосинтеза фитопланктон производит кислорода в 3-4 раза больше собственного веса. Неудивительно, что при таких показателях 70 процентов атмосферного кислорода произведено в воде.
Значение дыхания в жизни растений.
Растения дышат, но они преимущественно участвуют в процессе, называемом фотосинтезом. Это совпадает с характеристиками дыхания, за исключением соответствующих химических реакций, протекающих в обратном направлении.
Поскольку дыхание и фотосинтез дополняют друг друга во всех экосистемах планеты, дыхание имеет такое же жизненно важное значение для растений, как и для организмов, которые напрямую зависят от дыхания.
Углекислый газ является фактором для фотосинтеза. Животные вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ. Растения потребляют углекислый газ и выдыхают кислород.
Таким образом, животные дают растениям углекислый газ, тогда как растения дают животному кислород.
Существует равновесие между кислородом и углекислым газом между животными и растениями. Без одного другой не выживет долго.
Почему комнатные растения не очищают воздух и что они на самом деле выделяют
Когда вы дышите, ваше тело поглощает кислород и выделяет углекислый газ. Во время фотосинтеза растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Эта противоположная схема делает растения и людей естественными партнерами. Но может ли добавление растений во внутренние помещения повысить уровень кислорода? И давайте разберемся с бытующим мнением, что комнатные растения способны оздоравливать воздух, выделяя фитонциды.
Базовая биохимия говорит, что растения в процессе фотосинтеза и дыхания выделяют кислород. Но сколько всего про очищающие свойства комнатных растений напридумано и то и дело встречается в интернете — голова идет кругом. Давайте разберемся с этой комнатной цветочной мифологией!
Частые заблуждения о дыхании комнатных растений:
— Комнатные растения обогащают воздух кислородом
— Комнатные растения поглощают углекислый газ
— Растения выделяют фитонциды, которые убивают вирусы и бактерии в воздухе?
— Комнатные растения очищают воздух от тяжелых металлов и других опасных примесей?
Частые заблуждения о дыхании комнатных растений
Обращали ли вы внимание на совершенно безликие псевдонаучные тезисы? Когда какой-то ахинее нужно придать дополнительный вес, авторы ссылаются на далекий американский штат или поступают по классике жанра, посылая читателя в Массачусетский технологический институт. Например, мы позабавились вот такому утверждению:
«По словам исследователей из Университета штата Канзас, добавление растений в больничные палаты ускоряет выздоровление хирургических пациентов. По сравнению с пациентами в комнатах без растений, пациенты в комнатах с растениями требуют меньше обезболивающих, демонстрируют более низкую частоту сердечных сокращений и артериальное давление, меньше утомляются и раньше выписываются из больницы».
Или вот такой перл:
«Голландский совет по продукции для садоводства заказал исследование, в ходе которого было обнаружено, что добавление растений в офисные помещения снижает усталость, простуду, головные боли, кашель, боль в горле и симптомы гриппа. В другом исследовании, проведенном Сельскохозяйственным университетом Норвегии, заболеваемость в офисах с растениями снизилась более чем на 60 %».
Наверное, школьный курс биологии не многим копипастерам оказался по зубам. Итак, чтобы новички комнатного цветоводства не совершали драматичных ошибок и не повторяли благоглупости, мы публикуем основные факты о свойствах комнатных растений.
Что действительно улучшит воздух в квартире, так это качественный увлажнитель
Комнатные растения обогащают воздух кислородом
Это действительно так: в процессе фотосинтеза растения выделяют кислород как побочный продукт. Однако вряд ли можно рассчитывать, что комнатные растения играют какую-то существенную роль в насыщении кислородом воздуха в вашей квартире.
Во-первых, один взрослый человек в спокойном состоянии потребляет около 25 литров кислорода в час. Большое лиственное дерево действительно способно «накормить» кислородом несколько человек, однако мы не выращиваем дома полноразмерный тополь или дуб, не так ли? Комнатные растения обычно невелики, их зеленая масса не сравнима даже со средним кустарником, и 10 горшочков с условными фиалками или одна монстера способны произвести совершенно мизерное количество кислорода, которое пренебрежимо в сравнении с притоком, который мы получим при банальном проветривании помещения.
Во-вторых, говоря о растениях как источниках кислорода, многие забывают, что кроме фотосинтеза у них существует еще и дыхание – процесс, по сути противоположный фотосинтезу, в том числе и в плане побочных продуктов. Из простейшего школьного курса биологии нам известно, что растения производят кислород только в световой фазе фотосинтеза, то есть днем. Ночью процесс прекращается и растения начинают даже немного поглощать кислород в процессе клеточного дыхания – но в количествах гораздо меньших, чем выделяемые за день (до 30%). Баланс, конечно, сходится в положительную сторону, но по всему выходит, что в ночное время растения не только не дают нам кислород, но еще и слегка его отнимают.
Так что не стоит надеяться на комнатные растения как значимый источник кислорода: частое проветривание помещений и эффективнее, и полезнее.
Комнатные растения поглощают углекислый газ
И это тоже правда: углекислый газ (СО2), поглощаемый растениями в процессе фотосинтеза, – источник углерода (С), из которого растения синтезируют вещества, необходимые им для жизни. Однако этот процесс, как и выделение кислорода, идет только на свету. Ночью все становится наоборот: в темноте фотосинтез прекращается, а клеточное дыхание продолжается, так что растения не только поглощают кислород, но еще и выделяют углекислый газ. Тем же самым занимаемся и мы сами, когда дышим, поэтому ночью растения оказываются дополнительным источником СО2.
Впрочем, есть и исключения: растения, которые из-за сложных условий в местах их естественного обитания выработали особый путь фотосинтеза. Он называется САМ – фотосинтез (Crassulaceae acid metabolism – кислотный метаболизм толстянковых). Эти растения способны поглощать СО2 в ночное время. Механизм был открыт у растений семейства Толстянковые, но существует не только у них.
И снова имеет смысл поговорить о количествах. Уже упоминавшийся взрослый человек в спокойном состоянии, выдыхает в час примерно 22 литра углекислого газа, то есть около 500 л в сутки. Для утилизации такого количества СО2 нужно намного больше зеленой массы, чем мы можем разместить в квартире. Так что даже если все подоконники в вашем доме уставлены горшками с комнатными растениями, никакого значимого вклада в уменьшение количества углекислого газа они не внесут – в отличие от того же проветривания.
Конечно, растения не задушат нас ночью – количество выделяемого ими углекислого газа весьма мало, но факт остается фактом, так что превращать свою спальню в оранжерею – все-таки не лучшая идея.
В свете этого очень забавным кажется совет, который регулярно мелькает в Интернете: «Если у вас в квартире установлена газовая плита, заведите в кухне побольше растений для поглощения углекислого газа». Способность растений к фиксации СО2 количественно не сравнима с теми объемами, которые выделяет работающая плита – особенно если вы готовите праздничный ужин, на который пригласили гостей. Зато хорошо известно, что микроклимат кухни с его перепадами температуры и влажности вреден для большинства растений, поэтому пользы от следования этому совету не будет ни людям, ни цветам. Ну а подборка комнатных растений, подходящих для кухонных условий, здесь >>>>
Растения выделяют фитонциды, которые убивают вирусы и бактерии в воздухе?
Фитонциды – модная тема, которая регулярно поднимается в последнее время, особенно в свете пандемии коронавируса. В общественном сознании прочно закрепилась мысль, что некие летучие вещества, вырабатываемые растениями, способны чуть ли не стерилизовать окружающий воздух. Так ли это на самом деле, а главное – применимо ли это к комнатным растениям? Посмотрим, что говорит наука.
Даже если открыть статью о свойствах фитонцидов в Википедии, можно обнаружить, что ни в одном из разделов нет ссылок на достоверные источники информации, а имеющаяся библиография ведет либо на очень старые публикации советских специалистов, либо на словарные определения фитонцидов. Ни одной ссылки на современные исследования там нет. И недаром: поиск по базам свежих научных публикаций выдает некоторое количество очень слабых исследований, посвященных фитонцидам, с низкой достоверностью полученных результатов. Причем ни в одном из них комнатные растения не фигурируют. Есть исследования, посвященные антибактериальным и антивирусным свойствам сока некоторых растений, но это не новость: о том, что растения могут быть лекарственными, человечество знает с древнейших времен. И речь идет не конкретно о фитонцидах, а о других компонентах сока растений.
Растения в целом действительно способны вырабатывать всевозможные способы защиты от вредителей и инфекций: это и разнообразные яды – фитотоксины (никотин, атропин, рицин и др.), и специфические фитогормоны, обеспечивающие активную иммунную реакцию на вторжение «врага» (подробнее об иммунитете растений можно почитать здесь >>>). Фитонциды считаются составляющими пассивного иммунитета растений, но, как показывает практика, они не особенно эффективны: те же лук и чеснок, «разрекламированные» как источник фитонцидов, очень часто поражаются болезнями – это видит у себя на участке каждый дачник.
В самом существовании фитонцидов никто не сомневается, но открытыми остаются вопросы:
— насколько комнатные растения способны их выделять и
— насколько эти фитонциды могут быть эффективными против инфекций, которые опасны для нас, а не для растений. Ведь люди и томаты болеют очень разными болезнями, и возбудители у них тоже разные. А защитные механизмы растения вырабатывали не для нас, а для себя.
Пока нет ни одного серьезного исследования, которое давало бы на эти вопросы обнадеживающие ответы.
Исходя из общих знаний биологии, можно предположить, что комнатные растения если и продуцируют фитонциды, то в исчезающе малых количествах, которые к тому же легко удаляются из помещения при проветривании (о пользе проветривания мы уже договорились). Так что фитонциды наших зеленых домашних питомцев вряд ли могут существенно поспособствовать сохранению нашего здоровья.
Зато в Интернете можно найти множество статей без указания источников информации, где буквально перечисляется, каким человеческим инфекциям доблестно противостоят определенные растения. Что характерно, некоторые из упоминаемых инфекций передаются только контактным путем, а не «по воздуху», так что никакие фитонциды здесь и не помогли бы.
Комнатные растения очищают воздух от тяжелых металлов и других опасных примесей?
В старых статьях, которые «любовно» перепечатывают недобросовестные ботанические сайты, можно встретить такое утверждение:
В современных герметичных зданиях с климат-контролем летучие органические соединения улавливаются внутри. Исследование NASA обнаружило, что растения очищают этот захваченный воздух, втягивая загрязнители в почву, где микроорганизмы корневой зоны превращают ЛОС в пищу для растений».
Утверждения о том, что комнатные растения очищают воздух, основаны на довольно старых (1980-е годы прошлого века) экспериментах NASA. Во время этих экспериментов растения помещали в герметичные камеры и через некоторое время замеряли содержание в этих камерах различных вредных веществ.
Оказалось, что спатифиллум, хризантема, сансевиерия и некоторые другие растения способны поглощать аммиак, формальдегид, бензол и другие канцерогены. Однако научное сообщество, комментируя результаты экспериментов, справедливо указывало на существенный момент: квартира или офис – это не герметичная камера. И действительно, попытки воспроизвести многообещающие результаты в реальных условиях не удались: в настоящих офисах, где проводились новые эксперименты, растения не оказали никакого влияния на количество примесей в воздухе. Это вполне объяснимо даже с точки зрения простого здравого смысла. Количество примесей в воздухе помещения зависит от качества наружного воздуха, постоянно поступающего при вентиляции, и от наличия постоянных загрязняющих агентов. Если, например, в помещении регулярно курят или оно отделано материалами, выделяющими формальдегид, то пара-тройка горшков с сансевиериями вряд ли повлияет на положение дел. Чисто теоретически возможно сделать точный расчет нужного количества растений с учетом всех факторов, но осилить такую работу самостоятельно не представляется возможным.
Кстати, о тяжелых металлах в экспериментах NASA и последующих речь не шла. Откуда же взялась информация о том, что такое якобы возможно?
Однако об очистке воздуха помещений от тяжелых металлов речь опять-таки не идет. Нет никаких достоверных научных данных о том, что комнатные растения имеют значимую способность к фиксации частиц тяжелых металлов из воздуха. В самом деле, в воздухе больших городов, особенно промышленных, можно обнаружить чуть ли не всю таблицу Менделеева, но могут ли растения как-то существенно на это повлиять – вопрос открытый. Говорить об этом как об установленном факте, как это иногда преподносится в Интернете, пока очень преждевременно.