Ферменты – это белковые молекулы, используемые живыми организмами для проведения биохимических реакций. Белки сложены в очень специфическую форму, и это позволяет им эффективно связываться с интересующими молекулами. При низких температурах, от 32 до 50 градусов по Фаренгейту - от 0 до 10 градусов по Цельсию - ферменты, осуществляющие фотосинтез, не работают эффективно, и это снижает скорость фотосинтеза. Это приводит к снижению выработки глюкозы и замедлению роста. Для растений внутри теплицы установка тепличного обогревателя и термостата предотвращает это. При средних температурах, от 50 до 68 градусов по Фаренгейту или от 10 до 20 градусов по Цельсию, фотосинтетические ферменты работают на своем оптимальном уровне, поэтому скорость фотосинтеза высока. В зависимости от конкретного растения установите термостат теплицы на температуру в этом диапазоне для достижения наилучших результатов. При этих оптимальных температурах ограничивающим фактором становится диффузия углекислого газа в листья. При температуре выше 68 градусов по Фаренгейту или 20 градусов по Цельсию скорость фотосинтеза снижается, потому что ферменты не работают так эффективно при этой температуре. И это несмотря на усиление диффузии углекислого газа в листья. При температуре выше 104 градусов по Фаренгейту - 40 градусов по Цельсию - ферменты, осуществляющие фотосинтез, теряют свою форму и функциональность, и скорость фотосинтеза быстро снижается. График скорости фотосинтеза в зависимости от температуры имеет изогнутый вид с максимальной скоростью, близкой к комнатной температуре. Теплица или сад, которые обеспечивают оптимальное освещение и воду, но становятся слишком горячими, производят менее энергично. Сотрудники Исследовательского центра изменения климата Университета Пердью (США) изучили адаптацию растений к повышению температуры и обнаружили, что нагревание стимулирует процессы, связанные с фотосинтезом, в том числе обмен углекислого газа. В лабораторных условиях разные растения при повышении температуры окружающей среды в среднем фиксировали больше, а выделяли меньше CO2. Работа опубликована в журнале Global Change Biology. Углекислый газ (CO2) является естественным компонентом атмосферы нашей планеты, однако его избыточный выброс, наряду с другими парниковыми газами, является причиной глобального потепления. Приток углекислоты в атмосферу осуществляется в результате натуральных процессов — дыхания и вулканической активности, однако с начала индустриальной революции основной вклад вносит человек, сжигая ископаемое топливо. Отток углекислого газа производится растениями, которые в процессе фотосинтеза фиксируют СО2 и превращают его в сахара с участием света и воды. Повышение концентрации СО2 в атмосфере приводит к тому, что растения начинают более активно его поглощать, однако деятельность человека по уничтожению лесов сводит на нет эту естественную саморегуляцию системы. В результате температура поверхности планеты продолжает расти. Специалисты по исследованию последствий изменения климата решили выяснить, как увеличение температуры, без изменения других параметров среды, влияет на процессы фотосинтеза и газообмена растениями. Эксперимент охватил разные виды растений, различающиеся по типу фотосинтеза, продолжительности жизни (однолетние и многолетние) и произрастанию (тропические либо нетропические). Всего в исследовании было использовано 22 вида, включая культивируемые растения, такие как рис, кукуруза и огурцы, а также деревья, такие как береза и сосна. Растения выращивали в лабораторных условиях и в течение недели выдерживали при определенной температуре, от 15 до 35 градусов Цельсия. За это время биохимические процессы должны были адаптироваться к заданным условиям. Ученых интересовали такие параметры фотосинтеза, как скорость фиксации углерода, обусловленная работой двух ферментовкарбоксилаз, уровень генерации энергии в процессе работы электронтранспортной цепи и уровень темнового дыхания, в процессе которого растения выделяют углекислый газ. Эти параметры были измерены у адаптированных к определенной температуре растений. Кроме того, адаптированные растения подвергали кратковременному (в течение нескольких минут) действию экстремальных температур до 50 градусов, чтобы выяснить устойчивость биохимических параметров. Графики, демонстрирующие изменение скорости фиксации углерода (слева) и выделения углекислого газа (справа) растениями в зависимости от температуры Smith et al / Global Change Biology 2017 В итоге все растения при повышении температуры окружающей среды смогли адаптироваться к ней. Уровень фотосинтеза у растений возрос, как и газообмен. Увеличилось как поглощение углекислого газа, так и выделение его в процессе дыхания. Однако сравнение скоростей процессов фиксации углекислого газа и дыхания показало, что нагрев в среднем сдвигает баланс в сторону усвоения углекислоты. Кроме того, предварительная адаптация к повышенной температуре сделала растения менее чувствительными к ее внезапному кратковременному скачку. Ученые отмечают, что эти обнадеживающие результаты получены при достаточном количестве воды и питательных веществ в почве. Между тем следствием глобального потепления может стать не только повышение температуры, но и засуха, поэтому надеяться на то, что экосистема сама справится с изменением климата благоприятным для человечества образом, не стоит. Температура влияет на фотосинтез, регулируя активность ферментов и скорость диффузии углекислого газа. На световую фазу она влияет меньше, так как поглощение света, миграция энергии и разделение зарядов не зависят от температуры при тех ее значениях, при которых возможна жизнь. Однако при повышении температуры выше оптимального значения нарушается фотосинтетическое фосфорилирование. Температура влияет на скорость фотосинтеза и косвенно, изменяя скорость оттока ассимиля- тов из листовой пластинки в другие органы, а накопление ассимилятов в листовой пластинке замедляет фотосинтез. Зависимость интенсивности фотосинтеза от температуры описывается одновершинной температурной кривой, на которой выделяются три кардинальные точки (от лат. cardinalis — главный, важный) — минимальная, оптимальная и максимальная температуры (рис. 4.33). Рис. 4.33. Зависимость интенсивности фотосинтеза от температуры листа1: 1 — хлопчатник; 2 — подсолнечник; 3 — сорго У тропических и субтропических растений фотосинтез начинается при температуре 5—7°С, а у большинства растений умеренной зоны — около 0°С. В умеренном климате вечнозеленые хвойные деревья (сосна, ель) способны фотосинтезировать при температуре ниже нуля: сосна — при -2°С ... -7°С, а ель обыкновенная — при 4°С. При температуре +4°С нарушается транспорт по плазмадесмам, поэтому у С4растений клетки мезофилла и обкладки не могут обмениваться метаболитами. Распространение этих растений к северу ограничено температурой июля +12°С. Поглощение и восстановление двуокиси углерода у всех растений с повышением температуры сначала увеличивается. У большинства С3-растений умеренной зоны наибольшая интенсивность фотосинтеза наблюдается при [1] температуре 20—25°С, а у С4- и САМ-растений — при 35—45°С. При дальнейшем повышении температуры скорость фотосинтеза уменьшается из-за увеличения транспирации, уменьшения тургора в листьях и закрывания устьиц. Для Сз-видов умеренной зоны максимальными являются температуры 40—50°С, а для тропических видов — 50—60°С. Под влиянием нагрева прежде всего нарушается структура хлоропластов. При повышении температуры сильно уменьшается растворимость С02. При минимальных температурах медленно идет темновая фаза фотосинтеза, при максимальных — инактивируются ферменты. Температуру, при которой интенсивность фотосинтеза равна интенсивности дыхания, называют температурной компенсационной точкой. При такой температуре в растении не происходит накопления сухого вещества. На температурную компенсационную точку влияют освещенность и содержание углекислого газа в атмосфере. Положение кардинальных точек на температурной кривой зависит от продолжительности действия данной температуры. Если растения поместить в условия с температурой 25, 30 и 40°С, то вначале фотосинтез будет идти быстрее при более высокой температуре, но через 40 мин картина изменится: при 40°С скорость фотосинтеза будет меньше, чем при 25 и 30°С. При высокой температуре фотосинтетический аппарат разрушается вследствие инактивации ферментов и повреждения мембран. При высокой температуре С02 растворяется в воде хуже, поэтому с повышением температуры фотодыхание активируется. При повышении температуры на 10°С в пределах от 0 до 25—35°С в зависимости от вида растения интенсивность фотосинтеза увеличивается в 2—3 раза (правило ВантГоффа). При дальнейшем повышении температуры она снижается. Температура положительно влияет на фотосинтез лишь тогда, когда все другие факторы оптимальн С началом индустриальной революции в XVIII веке концентрация углекислого газа в атмосфере возросла на 43 процента. Средняя температура на планете с начала ХХ века возросла почти на градус.
