Фотосинтез в аквариуме или почему пузыряют растения

Серебристые кислородные пузырьки на листьях растения это завораживающе фантастическое зрелище, свидетельствующие об активных процессах внутри растения.

Пузыряние это термин, который описывает процесс высвобождения растением пузырьков кислорода. Пузыряние происходит в период освещения и является индикатором наиболее активного периода фотосинтеза у растений.

Если интенсивность освещения увеличить (не путать с длительностью освещения) и одновременно увеличить подачу количества CO2 (углекислого газа), то пузыряние ощутимо усиливается. Чем активнее идет процесс фотосинтеза, тем быстрее выделяются пузырьки кислорода.

При достаточном количестве света у водных растений происходит активный процесс образования органических веществ из диоксида углерода (CO2), воды, минеральных солей азота, фосфора и некоторых других химических элементов. Свет, а точнее, световая энергия это главное условие такого процесса, углекислый газ при этом поглощается, и в результате фотосинтеза растениями активно выделяется кислород.

Если же свет отсутствует или растение испытывает серьезный недостаток освещения, то происходит процесс, обратный фотосинтезу - вместо углекислого газа поглощается кислород (O2) и выделяется углекислый газ (CO2). В присутствии кислорода питательные элементы разлагаются, и выделяется некоторое количество тепловой энергии. Диоксид углерода (CO2) при этом выделяется в качестве побочного продукта. Другими словами, без света растения дышат кислородом и выделяют углекислый газ.

Фотосинтез растения происходит в листьях и зеленых стеблях, внутри клеточных структур, называемых хлоропластами. Каждый лист содержит в себе десятки тысяч клеток, в каждой из которых имеется от 40 до 50 хлоропластов.

Каждый отдельно взятый хлоропласт разделен мембранами дискообразной формы, которые называются гранами (thylakoid). В мембранах гранов содержатся сотни молекул хлорофилла – улавливающих свет зеленых пигментах, которые активно участвуют в процессе фотосинтеза.
Клeтки растения с хлоропластами. Хлоропласт Граны (т) в электронном микроскопе,
при увеличении в 25 тысяч раз


Хлоропласты — это пластиды высших растений, в которых идет процесс фотосинтеза, использование энергии световых лучей для образования из неорганических веществ (углекислого газа и воды) органических веществ, с одновременным выделением кислорода. Хлоропласты имеют форму двояковыпуклой линзы, размер их около 4-6 мкм.

Хлоропласты способны перемещаться по клетке. На слабом свету они располагаются под той стенкой клетки, которая больше обращена к свету. При этом хлоропласты обращаются к свету своей большей поверхностью. Если свет слишком интенсивен, они наоборот поворачиваются к нему ребром и выстраиваются вдоль стенок, параллельных лучам света. При средней степени освещенности хлоропласты занимают положение, среднее между двумя крайними, описанными выше. В любом случае, всегда достигается один результат: хлоропласты оказываются в наиболее благоприятных для фотосинтеза условиях освещения.

Помимо хлорофилла в мембранах также присутствуют каротиноиды, желтые, оранжевые, красные или коричневые дополнительные пигменты-модификаторы, которые поглощая определенные участки солнечного спектра, передают энергию этих лучей молекулам хлорофилла. Тем самым, они способствуют использованию тех лучей, которые хлорофиллом не поглощаются. Хлорофилл поглощает красные и синие лучи, тогда как зеленые лучи им в основном отражаются.


Наличие хлорофилла* и картиноидов, улавливающих разные лучи спектра означает, что лист растения обладает возможностью абсорбции света с широким спектром, что в свою очередь, приводит к тому, что фотосинтез выполняется постоянно, даже при меняющемся спектре света.

*Среди пигментов преобладает хлорофилл а. К вспомогательным пигментам относятся хлорофилл b, каротиноиды и др.

Свет состоит из фотонов с различной длиной волны – частотой излучения. В этой таблице волна длиной 650 нанометров содержит самое большое количество фотонов на единицу энергии и наименьшее количество самой энергии.


Молекулы хлорофилла активизируются фотонами, а не энергией и фотосинтез достигает своей верхней точки при длине волны с 600 по 700 нанометров - самой большой численности фотонов на единицу энергии. Это наиболее важная область нанометров, способствующая интенсивному росту листьев и осевых органов растений.

Некоторые химические реакции, например, могут начаться только при облучении вещества светом, частота которого выше определённого порогового значения; излучение, частота которого ниже этого значения, вне зависимости от интенсивности, не может инициировать такую реакцию.

Если рассматривать видимую часть спектра, то известно, что самые короткие фиолетовые лучи спектра имеют длину 380 нанометров, а самые длинные красные лучи до 750 нанометров.

Итак подробнее о лучах, в большей мере влияющих на растения.

Красные лучи в сочетании с оранжевыми представляют собой основной вид энергии для фотосинтеза. Этот свет очень полно поглощается хлорофиллом и увеличивает образование углеводов при фотосинтезе. Зона красно-оранжевого света имеет решающее значение для всех физиологических процессов в растениях.

Лучи фиолетовые и синие тормозят рост стеблей, листовых черешков и пластинок, тo есть формируют более компактные растения и более толстые листья, позволяющие лучше поглощать и использовать свет в целом. Эти лучи стимулируют образование белков и органический синтез растений. Сине-фиолетовая часть спектра света почти полностью поглощается хлорофиллом, что создаёт условия для максимальной интенсивности фотосинтеза.

Зелёные лучи практически проходят через листовые пластинки, не поглощаясь ими. Последние под их действием становятся очень тонкими, а осевые органы растений вытягиваются. Уровень фотосинтеза – самый низкий. Зеленый свет хлорофиллом отражается, что и придает растениям специфическую зеленую окраску, если она не маскируется другими пигментами

Кроме видимой части свет для растений имеет значение невидимый свет – ультрафиолет (UV), который в свою очередь, делится на короткие (UVC), средние (UVB) и длинные лучи (UVA).


Средние ультрафиолетовые лучи (длиной 280-315 нанометров) действуют наподобие пониженных температур, способствуя процессу закаливания растений и повышая их холодостойкость. На хлорофилл ультрафиолетовые лучи практически не действуют, у растений, перемещённых из темноты на свет (этиолированных*), хлорофилл интенсивно образуется. Длинные ультрафиолетовые лучи (длиной 315-380 нанометров) необходимы для обмена веществ и роста растений. Они так же задерживают вытягивание стеблей и повышают содержание витамина С.

* Этиолированные растения, выросшие при недостатке света или в темноте. Отличаются белой или желтоватой окраской из-за отсутствия зелёного пигмента растений — хлорофилла, сильно вытянутым стеблем, слабым развитием листьев, механических тканей, устьиц.

При прохождении атмосферы лучи рассеиваются незначительно. Однако, при прохождении толщи воды они поглощаются, теряя энергию. Вода неодинаково поглощает световые лучи различных длин волн, т.е. обладает избирательным (селективным) поглощением. Сильнее всего поглощаются красные лучи, потеря энергии на глубине 30 см составляет 50%. При этом потеря энергии синего луча на глубине в 1 метр составляет всего лишь 0,5%.

Но это не значит, что для аквариума нужно выбирать свет с преобладанием синего. Чем краснее цвет, тем ниже цветовая температура, чем синее цвет, тем цветовая температура выше. Цветовая температура измеряется в Кельвинах (К). При цветовой температуре ниже 5000К растения и вода приобретают нездоровый желтый оттенок, а при 10000К растения выглядят неестественно синими. Оптимальной цветовой температурой, при которой растения выглядят наиболее естественно, может считаться цветовая температура от 7000-8000 К.

Итак, из вышеперечисленного ясно, что для осуществления фотосинтеза необходимы, как минимум два обязательных условия: достаточное количество света и углекислого газа (CO2). Буквальное значение термина фотосинтез - строить из света.


Упрощенно сам процесс фотосинтеза происходит в два этапа. В первый этап реакция зависит от света. Хлоропласт улавливает энергию фотона и трансформирует ее в химическую энергию, состоящую из двух молекул: НAДФH (восстановленная форма кофермента никотинамидадениндинуклеотид-фосфата) и ATФ (аденозинтрифосфат).

Второй этап это уже независимая от света реакция, когда НАДФ-Н2 отдает атомы водорода для создания глюкозы, при этом АТФ обеспечивает достаточное количество энергии для синтеза глюкозы. При разложении воды образуются кислород и водород. Кислород выделяется в воду, а водород связывается белком ферредоксином. На всех этапах фотосинтеза принимают участие фосфорилированные соединения. АТФ образуется из АДФ путем присоединения к нему еще одного фосфата (Р).

6 CO2 + 6 H2O + световая энергия -> C6H12O6 + 6 O2
углекислый газ + вода + световая энергия приводят к образованию глюкозы + кислорода

Глюкоза это топливо, которое образуется в процессе фотосинтеза и используется растением для построения листьев, стеблей и т.п. Излишки глюкозы хранятся в корнях, стеблях и листьях растения в качестве резерва. Глюкоза может быть трансформирована в целлюлозу, которая используется в качестве материала для построения клеточной ячеистой структуры.

В АТФ аккумулируется много энергии — она затем используется для синтеза, а также для других нужд клетки. НАДФ-H2 — аккумулятор водорода, причем, легко его отдающий. Следовательно, НАДФ-H2 является химическим восстановителем. Большое число биосинтезов связано именно с восстановлением, и в качестве поставщика водорода в этих реакциях выступает НАДФ-H2. Роль АТФ и восстановленного НАДФ состоит просто в поставке энергии и водорода для темновых реакций.

Множество водных растений, которые сейчас растут в аквариумах, изначально были взяты из природы. В естественных условиях они разрастаются над водой или плавают на поверхности, где, во-первых, освещение более интенсивно, во-вторых, таким образом, они дополнительно получают углекислый газ из атмосферы. Те растения, которые во время своего жизненного цикла постоянно погружены в воду, часто испытывают нехватку диоксида углерода и недостаток освещения, поэтому не могут достигнуть необходимого уровня фотосинтеза, для этого в аквариумах существуют определенные нормы освещения и подачи CO2. При подаче углекислого газа важно учитывать изменение параметров воды, в частности, рН. Наиболее оптимальным для фотосинтеза считается промежуток pH от 6,6 до 7,3, концентрацией CO2 от 25 до 30 ppm.

Некоторые виды растений способны усваивать диоксид углерода через корни из скопившегося на дне ила. Ил может содержать углекислый газ, образующийся в результате разложения органической материи и CO2, выделяющийся в результате жизнедеятельности бактерий.

Питание растений так же играет существенную роль в процессе фотосинтеза, поскольку помимо света и диоксида углерода (CO2) для реакции необходимы определенные химические вещества - макро и микроэлементы. Потребности растений в химических элементах разнятся от условий и места обитания, поэтому количественные составляющие, как правило, берутся в виде средних значений сухой массы веществ содержащихся в растениях.

Особое значение для фотосинтеза водных растений имеют три макроэлемента: азот, фосфор и калий. Потребность растений в этих элементах весьма значительна. После них следуют кальций, магний, сера и железо

Азот (N). В процессе фотосинтеза участвуют многочисленные белки-ферменты, имеющие в своей структуре атомы азота. В этой связи понятно большое значение уровня азотного питания.

Фосфор (P). На всех этапах фотосинтеза принимают участие фосфорилированные соединения. АТФ образуется из АДФ путем присоединения к нему еще одного фосфата. Этот процесс носит название фосфорилирования и требует затраты энергии, поэтому значение фосфора в процессе фотосинтеза велико. Энергия света аккумулируется в фосфорных связях. При дефиците фосфора нарушаются фотохимические и темновые* реакции фотосинтеза

* Темновые, а в некоторой степени и световые реакции контролируются ферментами, поэтому температура воды имеет большое значение. Для наиболее благоприятной температурой является температура примерно 26 °С. При повышении температуры на каждые 10 °С скорость реакции удваивается, (вплоть до 35 °С), однако есть данные, свидетельствующие, что при 26 С растение развивается лучше.

Калий (K). На свету в замыкающих клетках интенсивно накапливаются катионы калия и сопутствующие им анионы, которые отвечают за ускорение оттока ассимилятов из листьев, увеличение степени открытия устьиц закрытия устьиц (пор листа, через которые происходит газообмен диоксида углерода на кислород в процессе фотосинтеза, а так же водообмен и получение питательных элементов). Глюкоза, которая производится в результате фотосинтеза, должна транспортироваться ко всем частям растения для использования или хранения. Для этого необходима энергия АТФ. Если калия недостаточно, образуется меньше АТФ и транспортировка замедляется, интенсивность фотосинтеза снижается. При недостатке калия интенсивность фотосинтеза снижается очень быстро. При интенсивном газообмене в процессе фотосинтеза кислород образует пузырьки, которые и обозначаются термином пузыряние.

Магний (Mg) и кальций (Ca). Процессы фотофосфорилирования требуют также обязательного присутствия магния. В состав молекулы хлорофилла входит плоская голова, поглощающая свет, в центре которой расположен атом магния. Этим можно объяснить, почему растения нуждаются в магнии, и почему дефицит магния приводит к уменьшению образования хлорофилла и пожелтению листьев растения. Относительное увеличение содержания магния приводит к усиленному накоплению хлорофиллов по сравнению с каротиноидами. Противоположное влияние оказывает увеличение содержания кальция.

Железо (Fe). Другой пример, это хлорофилл – улавливающие свет пигменты, при недостатке железа листья растения желтеют, поскольку недостаточно вырабатывается зеленого пигмента хлорофилла и фотосинтез существенно замедляется.

Потребность в других химических элементах проявляется в гораздо меньшей степени потребления их водными растениями, поэтому их называют микроэлементами. Среди микроэлементов находятся: хлор, медь, марганец, цинк, молибден, бор.

Марганец (Mn). Отсутствие марганца резко угнетает реакцию Хилла и процесс нециклического фотофосфорилирования в процессе фотосинтеза. Все это значит, что роль марганца определяется его участием в реакциях фотоокисления воды (разложение воды на кислород, электроны и протоны). В естественных условиях фотоокисление воды производится при участии комплекса протеинов, получившего название «фотосистема II», в который входят энзимы, содержащие марганец (они и служат катализаторами).

Для пополнения питательных веществ в воде изготавливаются жидкие и прикорневые удобрения, содержащие макро и микроэлементы в разных пропорциях, дозировка и применение таких удобрений желательно рассчитывать исходя из каждого конкретного случая и параметров воды.

Все эти процессы необходимая часть жизненного цикла и роста растений, увеличение интенсивности освещения и содержания углекислого газа в воде пропорционально увеличивает активность фотосинтеза и потребность растения в питательных элементах.

При наличии всех обязательных условий для фотосинтеза происходит быстрый рост растения и усиливается его жизнеспособность.

Интенсивный фотосинтез это именно то, что отличает здоровое аквариумное растение от того, которое всего лишь выживает в аквариуме

Понимание основ фотосинтеза и представление о том, как это работает – это ключ к успеху, чтобы легко создавать оптимальные условий для активного роста красивых водных растений в аквариуме и эффектного пузыряния.