Жизнедеятельность растений: фотосинтез, дыхание, транспорт

До XVII века считалось очевидным: растение ест почву. Ван Гельмонт решил это проверить — посадил ивовый побег весом около 2 кг в бочку с отвешенной землёй и пять лет поливал только дождевой водой. Ива прибавила больше 70 кг, а земли убыло меньше ста граммов. Вывод он сделал неверный (решил, что растение строится из воды), но главное было показано: масса растения берётся не из почвы.

В 1771 году Джозеф Пристли поставил опыт, который до сих пор разбирают на экзамене. Мышь под стеклянным колпаком быстро погибала, свеча гасла. Но если под колпак поместить веточку мяты, мышь оставалась жива, а свеча горела. Пристли сказал: растение «исправляет» воздух, испорченный дыханием. Ян Ингенхауз через несколько лет уточнил решающее условие: воздух исправляется только на свету и только зелёными частями растения. В темноте мята не спасала мышь.

Дальше Жан Сенебье показал, что растению нужен углекислый газ, а русский учёный К. А. Тимирязев выяснил, какие лучи работают: сильнее всего фотосинтез идёт в красных и синих лучах, то есть в тех, которые поглощает хлорофилл, а зелёные лучи хлорофилл отражает — потому лист и выглядит зелёным.

Соберём итог. Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды на свету, в хлоропластах, с выделением кислорода. Четыре слова в этом определении обязательны, и потеря любого из них на экзамене стоит балла: свет, хлоропласты (хлорофилл), углекислый газ и вода как исходные вещества, кислород как побочный продукт.

На экзамене редко просят пересказать фотосинтез — просят объяснить опыт. Опытов три, и каждый доказывает своё утверждение; путать их нельзя.

Опыт первый: крахмал образуется только на свету. Комнатное растение на двое-трое суток ставят в тёмный шкаф — чтобы израсходовался крахмал, накопленный раньше. Потом часть листа закрывают полоской чёрной бумаги и выставляют растение на свет. Через сутки лист срывают, кипятят в воде, обесцвечивают в горячем спирте (спирт растворяет хлорофилл, и зелёная окраска не мешает смотреть) и заливают раствором иода. Освещённая часть синеет — там крахмал; закрытая остаётся желтовато-бурой — крахмала нет. Вывод: для образования органических веществ необходим свет. Важная деталь: закрытый бумагой участок — это контроль, и он находится на том же листе, поэтому все прочие условия у него заведомо те же.

Опыт второй: выделяется кислород. Веточку водного растения (элодеи) помещают в сосуд с водой и накрывают воронкой с пробиркой. На свету с листьев поднимаются пузырьки газа и собираются в пробирке. Внесённая туда тлеющая лучинка вспыхивает — значит, газ поддерживает горение, это кислород. В темноте пузырьки не идут. Ошибка, которую делают постоянно: считать, что вспыхнувшая лучинка доказывает фотосинтез вообще. Она доказывает только одно — что выделился кислород.

Опыт третий: нужен углекислый газ. Растение накрывают колпаком, под который ставят раствор щёлочи, поглощающий углекислый газ. Другое растение под таким же колпаком, но без щёлочи, — контроль. Через сутки лист первого растения иодом не синеет, лист второго синеет. Вывод: без углекислого газа крахмал не образуется, хотя света и воды достаточно.

Общая логика у всех трёх одна: меняем ровно одно условие, остальные держим одинаковыми и сравниваем с контролем. Это и есть то, что проверяет задание 23.

Самая частая ошибка девятиклассника звучит так: «днём растение дышит, а ночью фотосинтезирует» или «растения не дышат, они же выделяют кислород». Оба утверждения неверны, и в задании 12 («верны ли суждения») они встречаются почти дословно.

Правильно так. Дыхание идёт непрерывно, круглые сутки, во всех живых клетках растения — в листьях, в стебле, в корне, в прорастающих семенах, в клубнях. При дыхании поглощается кислород и органические вещества окисляются до углекислого газа и воды, а энергия высвобождается и идёт на рост, деление клеток, всасывание веществ корнем. Без дыхания растение существовать не может.

Фотосинтез идёт только на свету и только в клетках с хлоропластами. Он запасает энергию света в органических веществах, поглощая углекислый газ и выделяя кислород. То есть по веществам и по направлению энергии два процесса противоположны — но они не заменяют друг друга и не отменяют.

Почему же днём кажется, что растение только выделяет кислород? Потому что на ярком свету фотосинтез идёт во много раз интенсивнее дыхания: кислорода образуется гораздо больше, чем расходуется, и излишек уходит наружу. Ночью фотосинтез прекращается, а дыхание продолжается, и растение поглощает кислород, как животное.

Отсюда объясняется и старый совет не оставлять на ночь в комнате больного много цветов, и практика проветривания овощехранилищ: клубни и корнеплоды живые, они дышат, и в закрытом хранилище накапливается углекислый газ, а кислород кончается. И наоборот, рыхление почвы («сухой полив») нужно потому, что корни тоже дышат: рыхлая почва пропускает воздух к корням, а корка после дождя его перекрывает.

Крупная берёза испаряет за летний день несколько сотен литров воды. На первый взгляд это чистая потеря. На деле испарение (транспирация) выполняет три работы сразу, и каждую надо уметь назвать.

Первая: охлаждение. На испарение воды тратится тепло, поэтому лист на солнце не перегревается. Растение с закрытыми в жару устьицами нагревается заметно сильнее.

Вторая: подъём воды. Испаряясь из клеток листа, вода тянет за собой следующие молекулы — водяной столб в сосудах не разрывается, и раствор поднимается по стеблю. Это присасывающее действие листьев, верхний двигатель водного тока. Нижний двигатель — корневое давление: клетки корня нагнетают раствор в сосуды. Весной, когда листьев ещё нет, работает только оно, и из среза берёзы течёт сок — «плач» растения.

Третья: вместе с водой по растению разносятся минеральные соли, ведь двигаются они только в растворе.

Интенсивность испарения зависит от условий, и это удобный сюжет для задания 25. Испарение усиливается при повышении температуры, на ветру и при сухом воздухе; ослабевает при высокой влажности и в безветрие. Отсюда объясняются приспособления растений сухих мест: у кактуса листья превращены в колючки, а фотосинтез идёт в стебле; у многих степных растений листья мелкие, свёрнутые в трубку, покрытые восковым налётом или волосками. У растений влажных мест, наоборот, листья крупные и испаряют много.

Практическое следствие, которое спрашивают в задании 22: пересаженное растение притеняют и обрывают часть листьев. Причина: корневые волоски повреждены, приход воды снизился, а листья продолжают испарять; уменьшив испарение, мы выравниваем приход и расход.

Важная и постоянно проверяемая мысль: корень не всасывает из почвы готовые органические вещества. Он берёт воду и растворённые в ней минеральные соли. Органические вещества растение создаёт само в листьях. Суждение «корень питает растение органикой из перегноя» в задании 12 всегда неверно.

Зачем же тогда нужны соли? Из них строятся вещества, которые из углекислого газа и воды не получишь. Азот входит в состав белков, поэтому при его нехватке растение слабо растёт, листья мелкие и бледные; азотные удобрения дают для роста зелёной массы. Фосфор нужен для цветения и созревания плодов и семян. Калий усиливает отток органических веществ в корни и клубни, поэтому калийные удобрения важны для картофеля и свёклы, и он же повышает зимостойкость.

Удобрения делят на минеральные (селитра, суперфосфат, хлорид калия) и органические (навоз, перегной, торф, птичий помёт). Органические не «кормят» растение напрямую: они разлагаются бактериями и грибами до минеральных солей, и только тогда становятся доступны корню. Заодно они улучшают структуру почвы.

Ещё один источник азота — клубеньковые бактерии на корнях бобовых (горох, клевер, люпин, фасоль). Они переводят азот воздуха в доступную форму, поэтому бобовые обогащают почву азотом, и их сеют в севообороте перед требовательными культурами. Это пример симбиоза, и он охотно встречается в заданиях на соответствие типов биотических связей.

Растение растёт не всем телом сразу, а определёнными участками, где сохранилась образовательная ткань. В длину побег растёт верхушкой, корень — зоной роста над кончиком, в толщину ствол растёт за счёт камбия. Именно поэтому гвоздь, вбитый в ствол на высоте метра, через двадцать лет останется на той же высоте: ствол не растягивается по всей длине.

Растение неподвижно, но оно способно к ростовым движениям — тропизмам. Тропизм — это изгиб органа, вызванный направленным раздражителем, и происходит он оттого, что клетки на одной стороне органа растягиваются сильнее, чем на другой.

Фототропизм — реакция на свет. Побег изгибается к свету (положительный фототропизм): на затенённой стороне клетки растут быстрее и выталкивают верхушку в сторону освещения. Поэтому комнатные растения поворачивают к окну, а горшок советуют время от времени разворачивать, иначе крона будет однобокой.

Геотропизм — реакция на силу тяжести. Корень растёт вниз (положительный геотропизм), побег вверх (отрицательный). Проверяется это просто: проросток кладут набок или переворачивают горшок — через сутки корень снова изгибается вниз, побег вверх, причём в полной темноте, значит, дело не в свете.

Гидротропизм — рост корня в сторону влаги; хемотропизм — в сторону питательных веществ. Из гидротропизма выводится правило полива: если поливать часто и понемногу, корни остаются в верхнем слое и растение плохо переносит засуху; редкий, но обильный полив заставляет корни идти вглубь.