Жизнедеятельность растений: питание, фотосинтез, дыхание

Твоя фиалка стоит у северного окна: листья бледнеют, розетка тянется к стеклу, а цвести она отказывается третий месяц. Соседка советует поливать чаще — худший из возможных советов: делу не хватает света, а не воды. Растение — маленький завод: чтобы расти, ему нужны сырьё и энергия. Сейчас узнаем, откуда оно берёт то и другое и что делает круглые сутки.

Два питания: корень и лист

У растений два пути питания. Корневое питание: через корень всасывается вода с растворёнными минеральными солями — азотом, фосфором, калием; отсюда и состав удобрений на пачках: N-P-K. Воздушное питание — фотосинтез — идёт в зелёных листьях. Хлорофилл в хлоропластах ловит свет, и из воды и углекислого газа клетка собирает глюкозу, а кислород выбрасывает наружу: $6C{O}_2+6H_{2}O\to C_6{H}_{12}{O}_6+6O_2$. Из глюкозы растение строит целлюлозу, крахмал и всё остальное тело. Третий процесс — дыхание: клетка круглосуточно расходует кислород, чтобы расщепить готовую глюкозу и получить энергию для роста. Похоже на сжигание топлива, только медленное и без огня.

Корень всасывает не лужу, а тонкую плёнку воды на частицах почвы, и работает на всасывание миллионы корневых волосков — выростов на молодых корнях. Удобрение при этом не еда, а сырьё для строительства: азот нужен для роста листьев, фосфор — для корней и цветков, калий — для крепости тканей. Если какого-то элемента не хватает, растение сигнализирует: бледнеют листья, слабеют побеги, отстают цветки. Поэтому на пачках удобрений и печатают три цифры — сколько азота, фосфора и калия внутри.

В одной клетке мякоти листа работают десятки хлоропластов, а во всём листе их миллиарды. Взрослое дерево за летний день выделяет кислорода столько, сколько нескольким людям хватит на дыхание в этот день. Основную же массу кислорода планете дают не леса, а океан: микроскопические водоросли его поверхности — главный зелёный цех Земли.

Опыты, которые доказали фотосинтез

Долгое время люди думали, что растение ест почву. Первым это опроверг голландский врач Ян Ван Гельмонт: в 1649 году он посадил иву весом около двух килограммов в девяносто килограммов земли и пять лет поливал её только водой. Через пять лет ива весила около семидесяти четырёх килограммов, а земля похудела меньше чем на сто граммов. Откуда взялись семьдесят килограммов дерева? Не из почвы — из воды и из воздуха.

В 1771 году англичанин Джозеф Пристли поставил под стеклянный колпак мышь: одна грызла воздух за считаные часы, но рядом с веточкой мяты другая жила сутками. Так открыли, что растение «исправляет» воздух, выделяя кислород. Через восемь лет нидерландский учёный Ян Ингенхауз показал: это работает только на свету, в темноте растение воздух не исправляет. Сегодня процесс сведён к короткой записи: вода плюс углекислый газ плюс энергия света — глюкоза плюс кислород.

А осенью растение готовится к зиме заранее: полезные вещества из листа оттекают в ствол и корни, черешок отделяется, и лист падает. Листопад — не болезнь, а защита: с голых веток меньше испаряется, снег не ломает крону, а опавшие листья укрывают корни и перегнивают в питание. Поэтому зимние дуб и клён стоят голыми — и живыми.

Фотосинтез и дыхание: сравнение в одну таблицу

Эти два процесса постоянно путают, а смотреть на них надо как на противоположные операции. Фотосинтез — склад: клетка строит глюкозу и запасает в ней энергию солнца. Дыхание — расход: глюкоза расщепляется, и энергия идёт на рост, всасывание корнем воды и деление клеток.

Отдельно запомни устьица: это пары клеток на нижней стороне листа, между которыми щель. Через неё лист дышит и испаряет воду, а испарение работает как насос — тянет воду с солями от корня вверх по стеблю. В жару устьица закрываются, чтобы растение не высохло, и фотосинтез сбавляет обороты.

Почему листья желтеют: другие пигменты

Зелёный цвет листа — это хлорофилл. Но в листе есть и другие пигменты: жёлтые и оранжевые каротиноиды и красные антоцианы — их просто перекрывает зелёный. Осенью дни короткие, хлорофилл разрушается, и на первый план выходят жёлтые и красные пигменты — вот откуда осенний пожар листьев. У хвойных хлорофилл держится всю зиму: хвоинки защищены восковым налётом и не боятся мороза.

Для растения глюкоза — не только еда, но и строительный материал. Из неё клетка собирает целлюлозу для оболочек и крахмал для запасов: в клубнях картофеля и в зёрнах пшеницы крахмала столько, что человек кормится им целыми полями. Не случайно название «фотосинтез» переводится как «собранное на свету»: почти вся органика на планете — работа зелёного листа.

Дыхание при этом не отдых, а труд: на него клетка расходует часть готовой глюкозы и кислород. Если света мало, расходы перевешивают доходы, и растение чахнет — вот почему осенью и зимой цветам на северных окнах нужна подсветка. Под лампой лист продолжает работать, а в полумраке завод простаивает даже при тёплой погоде.

Фотосинтез можно поймать за руку: срезанный стебель элодеи, поставленный в банку на солнце, выделяет видимые пузырьки — это кислород. Чем ярче свет, тем чаще пузырьки; убери банку в шкаф — и через час выделение прекратится. Такой опыт показывают на уроках по всему миру: фотосинтез — не строчка из учебника, а процесс, который реально посмотреть.

Почему устьица прячутся на нижней стороне листа? Верх освещён, и открытые сверху щели быстро высушили бы лист; в тени снизу испарение спокойнее. У плавающей кувшинки всё наоборот: её устьица смотрят вверх, ведь снизу — вода, и дышать ей можно только с воздушной стороны. По расположению устьиц учёные даже определяют, где жил лист — в лесу или на болоте.

Словарь урока

Фотосинтез#

создание глюкозы из воды и углекислого газа на свету

Дыхание#

расщепление глюкозы с кислородом ради энергии, идёт круглые сутки

Хлорофилл#

зелёный пигмент листа, ловящий свет

Устьица#

щели на нижней стороне листа для дыхания и испарения

Минеральные соли#

питательные вещества, которые корень всасывает из почвы

Испарение#

уход воды с поверхности листа, тянет воду от корня вверх

Разбор типового задания

Как это спрашивают на контрольной

• Расскажи, из чего растение строит органику и что при этом выделяет.
• Сравни фотосинтез и дыхание: где и когда идёт, что поглощает и выделяет.
• Объясни, зачем растению корень и что он всасывает.
• Почему пакет на ветке комнатного растения к вечеру запотевает изнутри?
• Объясни, почему листья желтеют осенью.

Образец полного ответа. Фотосинтез идёт в зелёных листьях на свету: из воды и углекислого газа растение строит глюкозу и выделяет кислород. Глюкоза идёт на строительство клеток и в запасы крахмала. Дыхание расходует готовую органику с кислородом круглые сутки, поэтому днём работают оба процесса, а ночью — только дыхание. Испарение через устьица тянет воду от корня вверх по стеблю.

Подсказка: клавиши J — следующая тема, K — предыдущая, клик по картинке — на весь экран, ←/→ — листать, на телефоне: свайп влево/вправо — соседняя тема