Контрольная работа по "Ботанике"

теория фотоэффекта. Из теории фотоэффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции определяется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем, как уже упоминалось, величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты мельче и характеризуются меньшей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и то же количество поглощенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соответственно большее количество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Правда, могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Иначе говоря, для фотохимических реакций существует нижний предел энергии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы. Так, фотохимические реакции возможны в пределах величины квантов от 147 до 587 кДж/моль. Таким образом, в квантах красного света (176 кДж/моль hv) заключено достаточное количество энергии для осуществления фотохимической реакции. Вместе с тем при поглощении квантов синего света (261 кДж/моль hv) реагирующие молекулы будут получать избыток энергии, который выделяется в виде тепла или света. Следовательно, использование энергии зависит от качества света. Это было подтверждено исследованиями О. Варбурга. В этих исследованиях впервые была установлена величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере увеличения длины волны. Данные таблицы 6 показывают совпадение теоретических расчетов и экспериментально полученных величин.

Таким образом, количество молекул С02 и Н20, использованных в процессе фотосинтеза, пропорционально числу поглощенных квантов. Однако число квантов, необходимое для протекания различных фотохимических реакций, неодинаково. Редкая фотохимическая реакция имеет квантовый расход, равный единице. Он может быть значительно больше единицы, так как не все возбужденные молекулы вступают в реакцию. Может быть и меньше единицы, если благодаря цепным взаимодействиям в реакцию вступают не только возбужденные молекулы.

Квантовый расход процесса фотосинтеза, т. е. количество квантов, необходимое для того, чтобы одна молекула С02восстановилась до углеводов, окончательно не установлен. Все же большинство исследований показывает, что для восстановления одной молекулы С02 до углеводов нужно 8—9 квантов света. Противоположной величиной квантовому расходу является квантовый выход — это количество ассимилированного С02 при поглощении одного кванта. Квантовый выход составляет 1/8 или 1/9 М. Анализ квантового расхода, наблюдаемого в различных участках солнечного спектра, позволил также доказать роль каротиноидов в процессе фотосинтеза.

Исследования показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. В этой части спектра расход квантов приближается к теоретически возможному, только если принять, что кванты света, поглощенные каротиноидами, передаются хлорофиллу и, таким образом, используются в процессе фотосинтеза. Правда, кванты света, поглощенные каротиноидами, используются менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом. Исследования А.А. Рихтера, а затем Р. Эмерсона показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. В этой части спектра расход квантов приближается к теоретически возможному, только если принять, что кванты света, поглощенные каротиноидами, передаются хлорофиллу и, таким образом, используются в процессе фотосинтеза. Правда, кванты света, поглощенные каротиноидами, используются менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом.

Спектры поглощения пигментов. Каждое химическое вещество имеет определенный спектр поглощения, который может захватывать видимый и невидимый участки спектра.

Хлорофиллы а и b различаются спектрами поглощения: у хлорофилла b по сравнению с хлорофиллом а полоса поглощения в красной области спектра несколько смещена в сторону коротковолновых лучей, а в сине-фиолетовой области максимум поглощения смещен в сторону длинноволновых, т. е. красных, лучей.

С помощью дифференциальной спектрофотометрам установлено, что, хлорофилл—это комплекс зеленых пигментов, компоненты которого имеют различные полосы поглощения в дальних красных и ближних инфракрасных лучах, а именно: 670, 685, 705 и 720 нм. Вероятно, в хлоропластах есть несколько форм хлорофилла, имеющих различный характер связей белков с липидами, что влияет иа его оптические свойства. В толстом слое хлорофилла зеленые лучи гаснут, и он приобретает вишнево-красную окраску.

Солнечные лучи имеют разную длину волны, из них глаз человека воспринимает как свет лишь лучи с длиной волны 390—760 нм. Цвет всякого тела, в том числе хлорофилла и желтых пигментов, зависит от лучей, дополнительных к поглощенным. Следовательно, зеленый цвет хлорофилла зависит от непоглощенных зеленых лучей. Но зеленый цвет растений не является чисто-зеленым. Это смесь зеленого с красным, в чем можно убедиться, если смотреть на зеленый ландшафт через синее стекло, которое поглощает зеленые лучи и пропускает часть красных. При этом можно увидеть фантастический ландшафт с кораллово-красными лугами и лесами.

Сложную смесь пигментов можно разделить с помощью реакции Крауса, основанной на их различной растворимости в

спирте и бензине. К спиртовой вытяжке хлорофилла необходимо добавить бензин, в который перейдет хлорофилл, в нижнем спиртовом слое будут содержаться ксантофиллы. Если в делительную воронку прибавить гидрат окиси калия, то он, попадая в нижний спиртовой слой, образует спиртовую щелочь, при взбалтывании жидкости произойдет омыление хлорофилла. В группах СООСНз и СООС20Н39 место остатков метилового спирта и фитола займет калий, зеленый пигмент — производное хлорофилла — перейдет в нижний слой и смешается с ксантофиллами, а в верхнем слое останется только желтый пигмент— каротин; щелочные соли хлорофилла сохраняют цвет и флуоресценцию, поскольку центральное ядро молекулы хлорофилла не нарушено. Если с помощью кислоты вытеснить магний из молекулы хлорофилла и вместо него ввести водород, то образуется продукт бурой окраски — феофитин. Зеленую окраску можно восстановить, если вместо водорода ввести металл — медь, магний, железо, цинк.

При, постепенном расщеплении молекулы хлорофилла образуются порфирины, которые уже не содержат магния, но сохраняют все четыре пиррольных кольца, связанных между собой метановыми мостиками (—СИ — ). Одним из близких к ядру но своему строению соединений является этиопорфирин, который можно получить из гемоглобина крови. Так устанавливается связь между двумя важнейшими пигментами органического мира — гемоглобином и хлорофиллом.