Fotosynteza jest złożonym procesem zachodzącym w roślinach zielonych, w którym z prostych związków nieorganicznych (wody i dwutlenku węgla), przy udziale energii światła słonecznego, tworzone są związki organiczne magazynowane lub wykorzystywane przez rośliny w procesach wzrostowych.
Proces fotosyntezy jest szeregiem skomplikowanych reakcji fotochemicznych i biochemicznych. Zachodzące reakcje możemy podzielić na dwie fazy: świetlną i ciemną.
- W czasie fazy świetlnej dochodzi do absorpcji energii światła słonecznego oraz fotolizy wody. Efektem fazy świetlnej jest powstanie „siły asymilacyjnej”, czyli dwóch związków chemicznych (ATP – związku wysokoenergetycznego, wzbogacanego w energię i NADPH – związku redukowanego w tej fazie fotosyntezy).
- W fazie ciemnej zachodzą reakcje biochemiczne (przy udziale ATP i NADPH) prowadzące do wiązania dwutlenku węgla przez rośliny i wytwarzania asymilatów – cukrów prostych. Warunkiem przebiegu procesu fotosyntezy jest zaabsorbowanie energii światła przez barwniki roślinne: chlorofile i karotenoidy.
Intensywność procesu fotosyntezy ulega zmianom pod wpływem czynników wewnętrznych (np. zawartości chlorofilu, budowy liści) i zewnętrznych (np. zawartości dwutlenku węgla, wody, temperatury, natężenia światła, zawartości składników mineralnych).
Zawartość chlorofilu w liściach przeciętnie wynosi od 4 do 7 mg/dm². Czysty chlorofil stanowi około 10 proc. chloroplastu. Na zawartość chlorofilu i jego odpowiedni poziom duży wpływ mają składniki pokarmowe, a szczególnie magnez.
Światło. Ilość energii świetlnej wykorzystanej bezpośrednio w procesie fotosyntezy jest niewielka i może wynosić maksymalnie od 3,5 do 5 proc. Ilość światła zaabsorbowana przez liście zależy od wielu czynników, m.in. optycznych właściwości liści, zawartości barwników, kąta ustawienia liści, kąta i kierunku padania promieni słonecznych.
Zawartość dwutlenku węgla. Średnie stężenie CO₂ w przyziemnej warstwie atmosfery wynosi około 0,04 proc. Głównym źródłem dwutlenku węgla w atmosferze są procesy spalania substancji zawierających węgiel. Zachodzą one przede wszystkim w glebie przy udziale mikroorganizmów. Dwutlenek węgla produkowany jest także w wyniku oddychania wszystkich żywych organizmów oraz w procesach spalania paliw towarzyszących działalności człowieka. CO₂ wnika do roślin głównie przez aparaty szparkowe.
Proces fotosyntezy jest głównym procesem redukującym CO₂ (biosekwestracja)
Woda. Wpływ wody na przebieg procesu fotosyntezy jest duży. Jej niedobór w organizmie rośliny powoduje zamykanie się aparatów szparkowych i odcięcie dopływu dwutlenku węgla do miękiszu asymilacyjnego. Niedobór wody zmniejsza także ogólną aktywność biochemiczną chloroplastów, w których zachodzi fotosynteza.
Temperatura. Fotosynteza teoretycznie może zachodzić w temperaturze, w której enzymy zachowują aktywność, czyli od 0°C do 50°C. Optymalna temperatura dla fotosyntezy większości roślin klimatu umiarkowanego wynosi około 25°C. Jeśli jednak temperatura liści przekroczy 35°C, intensywność fotosyntezy na ogół spada. Temperatura zbliżona do maksymalnej powoduje inaktywację enzymów zaangażowanych w fazę ciemną fotosyntezy.
Składniki mineralne – pokarmowe
- Azot. Niedobór azotu powoduje silne ograniczenie tempa fotosyntezy – 75 proc. ogólnej zawartości azotu w liściach znajduje się w chloroplastach. Pierwiastek ten wchodzi w skład białek i chlorofilu. Wraz ze wzrostem jego zawartości w liściach, wzrasta też intensywność fotosyntezy i przyrasta powierzchnia blaszki liściowej. Azot wpływa na wielkość i prawidłową morfologię chloroplastów. Przy jego braku następuje przyspieszenie starzenia się chloroplastów i zwiększenie szkodliwości intensywnego promieniowania słonecznego.
- Fosfor wchodzi w skład wielu związków organicznych biorących udział w fotosyntezie. Jego niedobór oddziałuje m.in. na ograniczenie tempa przyrostu blaszek liściowych. Przy niedoborze fosforu obserwuje się zwiększenie zawartości skrobi w chloroplastach, co wpływa na spadek szybkości procesu fotosyntezy.
- Potas jest aktywatorem enzymów uczestniczących w reakcjach fazy świetlnej fotosyntezy. Jest także odpowiedzialny za otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych oraz za procesy transportu asymilatów w roślinie. Zamykanie i otwieranie aparatów szparkowych umożliwia pobieranie dwutlenku węgla przez rośliny. Nawet przy dobrym uwodnieniu tkanek roślin, a jednocześnie występującym deficycie potasu, następuje spadek tempa fotosyntezy. Natomiast szybkie odprowadzanie asymilatów z liści do organów, które ich potrzebują, poprawia tempo fotosyntezy.
- Magnez jest podstawowym składnikiem chlorofilu. Jego niedobór przekłada się wprost na spadek zawartości barwników w roślinie, a spadek ilości barwników ogranicza fotosyntezę. Wraz z potasem, magnez jest odpowiedzialny za transport asymilatów.
- Żelazo wpływa zaś na syntezę chlorofilu. Wchodzi także w skład przenośników elektronów – cytochromów, ferrodoksyny, asymilatów.
- Mangan łącznie z chlorem odpowiadają za fotolityczny rozkład wody leżący u podstaw fotosyntezy. Deficyt tego pierwiastka może prowadzić do dezorganizacji systemu membranowego w chloroplastach i obniżyć fotosyntezę nawet o 50 proc.
Odczyn gleb. Odpowiedni odczyn gleb ph właściwy dla danej rośliny warunkuje rozwój systemu korzeniowego, dostępność składników pokarmowych, makro- i mikroelementów, prawidłowy rozwój i plonowanie roślin.
W produkcji ogrodniczej niektóre czynniki można modyfikować – światło, temperaturę, zawartość dwutlenku węgla, wodę, zawartość makro- i mikroskładników, zawartość substancji organicznej.
W produkcji rolniczej ważny jest termin siewu, gęstość siewu, woda – wodna retencja glebowa. Szczególnie ważna jest zawartość makro- i mikroelementów oraz odczyn gleby i zawartość substancji organicznej gleby.
Krzysztof Domagała
