A fotoszintézis átlagos hatékonysága az. A fotoszintézis főbb mutatóinak jellemzői. Globális energiaválság, avagy miért van szükség mesterséges fotoszintézisre
A fosszilis erőforrások ellenőrizetlen felhasználása a környezeti és energiaválság küszöbéhez sodorta a világot. Ilyen helyzetben egy alapvetően más energiaforrásra van szükség, amely egyrészt illeszkedne olajvilágunkba, másrészt megújuló, környezetbarát és gazdaságilag is kifizetődő lenne. Egy lehetséges megoldás a mesterséges fotoszintézis (AP), amelynek köszönhetően már megjelentek mesterséges anyagok elektromos és fényből történő szintézisére szolgáló létesítmények, valamint csodálatos félvezető páncélozott fotoszintetikus baktériumok.
Globális energiaválság, avagy miért van szükség mesterséges fotoszintézisre
Ma a bolygó amúgy is nagy népessége évente 1%-kal növekszik. Az emberiség évről évre növekvő energiaszükségletét elsősorban a fosszilis erőforrásokból fedezi. De már nem titok, hogy az olaj- és szénkészletek korlátozottak, és a legtöbb esetben nem megújulóak. Amikor mennyiségük már nem felel meg a globális fejlődési ütemnek (vagy akár el is fogy), a világ soha nem látott méretű energiaválsággal néz szembe.
Már látjuk azt a ádáz küzdelmet, amely a világ színpadán kitört a fosszilis tüzelőanyagok nagy forrásai miatt. A jövőben egyre kevesebb lesz az üzemanyag, és egyre gyakrabban fordulnak elő összeférhetetlenségek.
Az elmúlt két évszázad során az emberiséget elvakította a fosszilis energiaforrások elérhetősége, és ezek alapján számos technológiát fejlesztett ki, amelyek nélkül ma már egyszerűen elképzelhetetlen az élet. Először szén- és gőzmozdonyok voltak, majd az emberek megtanultak ugyanazon szén elégetésével áramot szerezni, gáztűzhelyet gyártani, magán- és tömegközlekedési eszközöket – mindehhez évmilliókkal ezelőtt tárolt szerves anyagok fogyasztása szükséges. Ezen anyagok energiáját felhasználva az emberiség a társadalmi élet számos területén ugrást hajtott végre: a világ népessége meghaladta a 7 milliárdot, virágzó városok és államok alakultak ki a sivatagokban, évről évre nő a termelési kapacitás és a fogyasztás szintje. Kétségtelen, hogy a modern világ elképzelhetetlen szén, olajtermékek és gáz nélkül.
Itt jön képbe a modern energia dilemmája: egyrészt teljesen nyilvánvaló a megújuló energiaforrásokra való átállás szükségessége, másrészt a világ nincs felkészülve ilyen energia fogyasztására. Az elmúlt évtizedben azonban egyre több olyan energiaforrást fejlesztettek ki, amely megoldhatja ezt a dilemmát. arról beszélünk mesterséges fotoszintézis (IF)- módja annak, hogy a napenergiát egy kényelmes szerves tüzelőanyaggá alakítsák.
Nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy az üzemanyagok elégetése hatalmas CO 2 -kibocsátáshoz vezet a légkörbe, ami negatívan befolyásolja az egész bioszféra állapotát. A nagyvárosokban ez a hatás különösen szembetűnő: füstölgő autók és vállalkozások ezrei hoznak létre szmogot, és minden városlakó a városból kikerülve elsősorban a friss levegőt csodálja. Egy olyan energiaforrás létrehozása, amely a növényekhez hasonlóan elnyeli a CO 2 -t és O 2 -t termel, megállíthatja a teljes sebességgel zajló környezetromlást.
Így az IF potenciális megoldás a globális energia- és környezeti válságra. De hogyan működik az IF, és miben különbözik a természetestől?
a növényzet tökéletlensége
2. ábra Nem ciklikus fotoszintézis növényekben. A II. fotorendszer (PS-II) fénnyel gerjesztett klorofillját egy elektron hagyja el, és a keletkező „lyukat” a víz hasadása során felszabaduló elektronok töltik ki. Az elektronok végső vevője nem a fotorendszer pigmentje, mint a lila baktériumoknál, hanem a NADP +. További különbség, hogy a növényekben két fotorendszer (PS-I és PS-II) alkot egy csatolt mechanizmust, működésének egy ciklusához két foton abszorpciója szükséges. A b 6 f komplex nem látható az ábrán.
A kapott H+ gradiens energiát ad az ATP szintézishez az ATP szintáz enzim által, hasonlóan ahhoz, ahogy a zuhanó víz szolgáltat energiát egy vízimalom számára (3. ábra). Az ATP a kémiai energia univerzális hordozója a sejtben, és részt vesz az energiaigényes reakciók túlnyomó többségében, beleértve a Calvin-ciklus reakcióit is, amelyek biztosítják a CO 2 redukált szerves anyaggá történő átalakulását. Ebben a ciklusban az energia nagy részét a mellékreakciók leküzdésére fordítják. A szén-asszimilációnak más módjai is vannak - például a Wood-Ljungdahl út, amelyről később fogunk írni.
3. ábra Fényenergia tárolása. A fotoszintézis során a fotorendszer fehérjéi fotonenergia felhasználásával protonokat adnak át a membránon. Az ATP-szintáz enzim visszaállítja a kapott H + koncentráció gradienst, és előállítja a sejtben az univerzális energiahordozót - az ATP-t. A forgó vízimalommal való analógia valójában nagyon közel áll a valósághoz.
Bár a fotoszintézis végső soron az egész bioszférát energiával látja el, ennek a folyamatnak a hatékonysága sok kívánnivalót hagy maga után (1. táblázat). A fotoszintézis rekordere a bioüzemanyagok előállítására termesztett cirok, amelynek a napenergiát vegyi energiává alakító hatásfoka 6,6%. Összehasonlításképpen: a burgonyában, a búzában és a rizsben körülbelül 4%.
| Az energiaveszteség oka | Energiavesztés | Maradék |
|---|---|---|
| A fotonok abszorpciója csak a spektrum látható részén | 47% | 53% |
| A fényáramnak csak egy része halad át a levél fotoszintetikus részein | 70% | 37% |
| Bár a látható fényben vannak nagy és alacsony energiájú fotonok, a fotorendszerek mindet elnyelik, mint alacsony energiájúakat (egyfajta karaván-elv) | 24% | 28% |
| Veszteségek a glükóz szintézis során | 68% | 9% |
| A levelek megtisztítása a fotoszintézis melléktermékeitől ( cm. fotolégzés) | 32% | 6% |
Ugyanakkor a modern napelemek jellemző hatásfoka 15-20%, a prototípusok pedig elérték a 46%-os értéket. Az ember által készített fotocellák és az élő növények hatékonyságában mutatkozó különbség elsősorban a szintézis szakaszok hiányával magyarázható. Van azonban egy finomabb különbség is: a növényi fotorendszerek csak a látható fény 400–700 nm hullámhosszúságú fotonjaiból nyernek ki energiát, és a nagyenergiájú fotonok teljesítménye pontosan ugyanaz, mint az alacsony energiájú fotonoké. A napelemekben használt félvezetők szélesebb spektrumból rögzítik a fotonokat. A teljesítmény maximalizálása érdekében pedig egyetlen akkumulátor egyesíti a kifejezetten a napfény spektrumának különböző részeihez tervezett anyagokat.
Az IF mérnökeinek végső célja egy olyan növény (vagy mesterséges szervezet) létrehozása, amely jobban végezné a fotoszintézist, mint a növények. Mára a biomérnökség elérte azt a szintet, hogy ezt meg lehet próbálni. A tudósok próbálkozásai pedig évről évre egyre közelebb kerülnek dédelgetett céljukhoz, és rácsodálkozunk a hihetetlen felfedezésekre.
Annyira más IF
A legegyszerűbb IF séma az szerves anyagok teljesen abiotikus szintézise katalizátoron. 2014-ben egy ruténium katalizátort fedeztek fel, amely megvilágítva metánt szintetizál H 2 -ből és CO 2 -ből. Optimális körülmények között, beleértve a 150 °C-ra melegítést és az intenzív megvilágítást, ennek a katalizátornak egy grammja óránként egy millimól metánt hoz létre, ami természetesen nagyon kevés. A katalizátort tanulmányozó tudósok maguk is elismerik, hogy egy ilyen reakciósebesség a katalizátor meglehetősen magas költsége mellett túl alacsony a gyakorlati felhasználáshoz.
A valódi fotoszintézis többlépcsős folyamat, amelynek minden szakaszában energiaveszteség lép fel. Ez részben jó, mert nagy teret nyit az optimalizálásnak. Az abiogén fotoszintézis esetében nem lehet mást tenni, mint egy alapvetően új katalizátort előállítani.
Teljesen más megközelítés az IF-hez napenergiával működő bioreaktorok létrehozása. Az ilyen bioreaktorokban, furcsa módon, használják Nem fotoszintetikus mikroorganizmusok, amelyek más energiaforrások felhasználásával továbbra is képesek megkötni a CO 2 -t.
Konkrét példák segítségével ismerkedjünk meg az IF eszközök többféle kialakításával.
2014-ben teszteredményeket tettek közzé egy olyan létesítményről, amely rekord hatékonysággal, 13%-kal alakítja át az áramot biomasszává. Ha IF reaktort szeretne kapni, csak csatlakoztatnia kell egy napelemet. Ez a berendezés lényegében egy elektrokémiai cella (4. ábra). A), ahol két elektródát helyeznek el egy tápközegbe baktériumokkal Ralstonia eutropha(ők - Cupriavidus necator). Amikor külső áramot alkalmazunk, az anód katalizátora a vizet oxigénre és protonokra hasítja, a katódon lévő katalizátor pedig hidrogéngázzá redukálja a protonokat. R. eutropha energiát kap a CO 2 asszimilációjához a Calvin-ciklusban a H 2 hidrogenáz enzim általi oxidációja miatt.
4. ábra: Elektrokémiai cellákon alapuló IF bioreaktorok. Az áramot az anódon lévő víz fotolízisével lehet előállítani, napelem segítségével (A) vagy anélkül (b) . Mindkét esetben a vízből vett elektronok biztosítják az autotróf mikrobák számára a CO 2 rögzítéséhez szükséges redukáló ekvivalenseket.
A fejlesztők számításai szerint beépítésüket egy tipikus napelem akkumulátorral kombinálva (18%-os hatásfok) 2,5%-os teljes fotoszintézis-hatékonyságot eredményez, ha az összes fényenergiát biomassza növekedéssé alakítják, és 0,7%-os, ha a butanolt szintetizáló, genetikailag módosított baktériumok. használt. Ez az eredmény összevethető a valódi növények fotoszintézisének hatékonyságával, bár nem éri el a kultúrnövények szintjét. Képesség R. eutropha A szerves anyagok H 2 jelenlétében történő szintetizálása nemcsak az IF összefüggésében nagyon érdekes, hanem a hidrogénenergia lehetséges alkalmazásaként is.
2015-ben a kaliforniai tudósok egy hasonlóan érdekes installációt készítettek, ahol a fényelnyelés és a szintézis szakaszai szorosabban kapcsolódnak egymáshoz. A tervezett reaktor fotoanódja megvilágítva a vizet oxigénre, protonokra és elektronokra hasítja, amelyek egy vezető mentén a katódra jutnak (4. ábra). b). A határfelületen előforduló víz fotolízisének sebességének növelése érdekében a fotoanód szilícium nanohuzalokból készül, amelyek nagymértékben megnövelik a felületét.
Ennek a berendezésnek a katódja TiO 2 nanorudak „erdőjéből” áll (5. ábra A), amelyek között baktériumok szaporodnak Sporomusa ovata. A fotoanód elektronjai kifejezetten ezekhez a baktériumokhoz jutnak, amelyek redukáló ekvivalensként használják őket a közegben oldott CO 2 acetáttá alakítására.
5. ábra A mesterséges fotoszintézis elképzelhetetlen nanoanyagok nélkül. A - A CO 2 -termékből származó IF reaktorban a TiO 2-vel bevont szilíciumrudak (30 nm-es réteg) „nanoerdőjében” szaporodó baktériumokat rögzítik; Ez a nanoerdő megteremti a baktériumok számára szükséges anaerob körülményeket, és növeli a baktériumok és a vezető közötti érintkezés felületi sűrűségét. b - Alapvetően más megközelítéssel nem a baktériumok kerülnek a félvezetőre, hanem a félvezető kerül a baktériumokra; A CdS héjnak köszönhetően a fényben elpusztuló baktériumok fotoszintetikussá válnak.
A TiO 2 nanoerdő egyszerre több funkciót is ellát: érintkezéskor nagy baktériumsűrűséget biztosít, védi az obligát anaerobokat S. ovata a környezetben oldott oxigénből, és a fényt elektromos árammá is tudja alakítani, segítve a baktériumokat a CO 2 megkötésében.
S. ovata- nagyon rugalmas anyagcserével rendelkező baktériumok, amelyek könnyen alkalmazkodnak a növekedéshez az úgynevezett elektrotróf módban. A Wood-Ljungdahl útvonalon keresztül kötik meg a CO 2 -t, amelyben az acetátnak csak 10%-át használják fel a biomassza növekedésére, a fennmaradó 90%-ot pedig a környezetbe engedik.
De maga az acetát nem különösebben értékes. Ahhoz, hogy bonyolultabb és drágább anyagokká alakítsák át, genetikailag módosított anyagokat vezetnek be a reaktorba. Escherichia coli, butanolt, izoprenoidokat vagy polihidroxi-butirátot szintetizál acetátból. Utolsó anyag E. coli a legmagasabb hozamot termeli.
Ami a teljes telepítés hatékonyságát illeti, nagyon alacsony. A napenergiának csak 0,4%-a alakítható acetáttá, az acetát polihidroxi-butiráttá alakítása pedig 50%-os hatásfokkal megy végbe. Összességében a fényenergia mindössze 0,2%-a tárolható szerves anyag formájában, amely tovább hasznosítható tüzelőanyagként vagy vegyipari gyártás alapanyagaként. A fejlesztők legfőbb vívmányuknak azt tartják, hogy az általuk készített installáció teljesen más kémiai szintézisekhez használható, alapvető tervezési változtatások nélkül. Ez analógiát mutat a természetes fotoszintézissel, ahol az asszimilációval nyert CO 2 3-foszfoglicerátból végső soron mindenféle szerves anyag szintetizálódik.
Mindkét leírt technológia esetében a fejlesztők megpróbálták ötvözni a félvezetők kiválóságát a fényenergia elnyelőjeként a biológiai rendszerek katalitikus erejével. És mindkét létrejött létesítmény „fordított” üzemanyagcella volt, ahol az áramot anyagok szintézisére használják.
Egy alapvetően eltérő megközelítésben az egyes cellákat félvezetőkkel kombinálják egyetlen egésszé. Így 2016 legelején megjelent egy munka, amelyben az acetogén baktérium Moorella thermoacetica magas cisztein- és kadmiumtartalmú környezetben termesztik. Ennek eredményeként általában elhal a fényben M. thermoacetica CdS-héjjal (félvezető) borította, és ezáltal nemcsak védelmet kapott a nap ellen, hanem fotoszintetikussá is vált: a CdS-ből származó elektronok bejutottak a Wood-Ljungdahl útvonalba (5. ábra). b).
Egy ilyen „páncélozott” baktériumon végzett kísérletek azt mutatták, hogy a CO 2 nemcsak fényben, hanem sötétben is rögzítve van (a napi ciklus függvényében). Ennek az az oka, hogy a fotoszintetikus metabolitok olyan mennyiségben halmozódnak fel a fényben, hogy a sejteknek nincs idejük feldolgozni azokat. Az ilyen baktériumok fő előnye a fent leírt sejtekhez képest az önszerveződés. A sejtekhez előzetesen elő kell készíteni a nanoanyagokat és a katalizátorokat, ezek az alkatrészek maguk is csak idővel kopnak el. Amikor M. thermoacetica A fotoszintetikus egységek maguk osztják fel, állítanak elő és javítanak mindent, amire szükségük van, ha elegendő kadmium és cisztein van a környezetben. Ezeket a baktériumokat üzemanyagforrásként még nem tanulmányozták, de a fotoszintézis kvantumhozamát tekintve nem maradnak el a növényektől.
Nem sokat kell várni...
Az IF-technológiák még a prototípus stádiumában vannak, de fejlesztőik nagy lehetőséget látnak az optimalizálásra. Optimalizálhatja a fényfogó félvezetőket, mikroorganizmusokat, a baktériumok térbeli szerveződését és más katalizátorokat. De mindenekelőtt a stabilitás problémáját kell megoldani. A gyártott berendezések hatékonysága már néhány napos üzemelés után észrevehetően csökken. Egy teljesen kész eszköznek az IF számára, mint minden élő rendszernek, regenerálódnia és önmagát kell reprodukálnia. Ebből a szempontból különösen érdekes M. thermoacetica, amelyre ezek a tulajdonságok teljes mértékben érvényesek.
És bár a meglévő minták korántsem tökéletesek, az FI területén végzett munka elsősorban azért értékes, mert megmutatja a napenergia integrálásának alapvető lehetőségét a belső égésű motor által megragadott világba. A szélturbinák és a napelemek természetesen nagy hatásfokúak és már szinte teljesen fedezik az uruguayi és dániai energiafogyasztást, a vízerőművek pedig számos ország energiahálózatának fontos csomópontjai. Az üzemanyag villamos energiával való helyettesítése azonban a legtöbb esetben az energiahálózatok radikális átalakítását igényli, és ez nem mindig lehetséges.
A befektetési alap további fejlesztése hatalmas befektetéseket igényel. Elképzelhető, hogy a napelemgyártó cégek, amelyeknek a futuristák 2030-ra világdominanciát jósolnak az energia területén, érdeklődni fognak ennek a még fiatal és tapasztalatlan tudománynak a fejlődésében, a bioenergia, az anyagtudomány és a nanomérnöki metszéspontjában. Ki tudja, lehet, hogy az IF a jövőben nem válik mindennapossá, esetleg a rajta végzett munka lendületet ad a hidrogénenergiának vagy a biofotovoltaikának. Nem kell sokáig várnunk, várjunk és meglátjuk.
Irodalom
- A világ népesedési piramisai 1950 és 2100 között. (2013). PopulationPyramid.net;
- Korzinov N. (2007).
A fotoszintézist közvetlenül szinte lehetetlen szabályozni, de közvetve igen.
Levélterület. Az ILP legyen legalább 4-5, azaz. 1 hektáronként a levélfelület 40-50 ezer m2 legyen.
Optikai vetéssűrűség, amely lehetővé teszi a fény jobb kihasználását. Ezt a magvetési arányokkal érik el, ami lehetővé teszi vagy megvastagodott (például burgonya vetőtáblákban), vagy ritkább növények (például szemes vetőmagok) kialakulását.
A növény leveleinek alakja fontos szerepet játszik. Vízszintes és szigorúan függőleges (íj) elrendezéssel is rossz. Jobb - tölcsér alakú, mint a kukorica és a szemek.
A környezeti tényezők szabályozása (fény, hőmérséklet, CO 2, H 2 O, ásványi táplálkozás stb.)
A fotoszintézishez optimális paraméterekkel rendelkező növények létrehozása:
Nagy szerepet játszik a zászlós levél - a gabonafélék legfelső levele. Munkájának köszönhetően a fotoszintézis termékek mintegy 50%-a virágzás után, a szemfeltöltési időszakban képződik.
A növények aktív tenyészidejének meghosszabbítása palánták, csíráztatott gumók ültetésével és korai vetésidővel. A növényeket aktív élettani állapotban kell fenntartani.
Nemcsak a levelek, hanem a kalászok, a szárak és még a napellenzők is, amelyekben a fotoszintézis megtörténik, részt vesznek a termés kialakulásában. Részesedésük eltérő, de elég észrevehető.
Alapvetően új növényfajták bevezetése, amelyekben a magasabb fotoszintetikus aktivitás miatt 1,5-2-szeresére nő a növények termőképessége. Ezek keskeny sávú növények: váltakozva körülbelül 1 m széles sávok a magas növényekből (gabonafélék) és a soros kultúrákból (répa, burgonya stb.) Az ilyen kultúrákban javul a fény felhasználása a fény mellékhatásai, koncentrációja miatt A CO 2 növekszik a növények kifújása és a szerves anyagok bejuttatása a sornövények alá, valamint számos egyéb előny.
A fotoszintézis a napenergia hasznosításának fő, rendkívül költséghatékony módja.
A fotoszintézis környezeti tényezőktől és növényi jellemzőktől való függése
Az IF függését a CL tartalomtól az asszimilációs szám (AN) vagy Willstätter szám magyarázza. Az AC a levél által 1 óra alatt asszimilált CO2 mennyisége a benne lévő klorofill egységenként. Minél magasabb a klorofilltartalom, annál alacsonyabb az AN-tartalom. A világoszöld levelű növényekben az AC-érték 60-80, a sötétzöldeknél - 5-7 mg CO 2 / óra mg CL.
A klorofill az egész növényvilágban egységes, és a növekedési körülményektől függően tartalma 0,7-9 mg/dm2 között mozog.
Minél több fényt nyel el egy növény, annál alacsonyabb a CL-tartalom a levelekben. A mérsékelt égövben, például a Fehérorosz Köztársaságban a levelek sötétzöldek, a déli régiókban világoszöldek. A növények általában némi feleslegben szintetizálják a klorofillt. Tartalma a növényekben a természetes páratartalom (0,05-0,32%) alapján száz-tized százalék között mozog.
A fotoszintézis változásai az ontogenezis során.
Ennek a függőségnek a vizsgálatára általában etiolált palántákat használnak, pl. sötétben nőtt. Nem tartalmaznak klorofillt. Ha megvilágítják őket, néhány percen belül klorofill képződik, majd négy óra múlva megindul bennük a fotoszintézis. Egynyári növényekben az IF unimodális változása következik be az ontogenezis során. Az IF egy bizonyos szinten a zöldítés után két nappal jön létre. Az IF maximális értéke a vegetációból a szaporodásba való átmenet (virágzási fázis) alatt van. Az öregedő levelekben az IF csökken.
2. A fotoszintézis intenzitása és környezeti tényezők.
2.1 Az IF mind a fény intenzitásától (fotonfluxusától), mind a spektrális összetételétől függ. Leírják az FI függését az IR-től (fényintenzitás). fénygörbe fotoszintézis, amely úgy néz ki, mint egy két fázisból álló parabola. Az első fázis az IF lineáris függése az IO-tól fénykompenzációs pont (SKP). SKP – fényintenzitás, amelynél IF = ID. A második fázis a görbe lejtésének csökkenése, ahogy az AI növekszik, és elér egy fennsíkot. Ez fénytelítettség fotoszintézis.
Az általánosított fénygörbe alakja a következő.
A C 3 növényekben a fénytelítettség a PSO 0,4-0,6 IR-értékeinél jelentkezik, a C 4-ben pedig gyakorlatilag nem figyelhető meg.
A fénygörbe hajlítási pontjának megfelelő napsugárzást ún sugárzó eszközök(RP). A fotoszintézis hatékonysága az RP során eléri a maximális értékeit. A növényekben azonban a kölcsönös árnyékolás miatt a növények elégtelen megvilágításúak.
A fényhez képest a növényeket fénykedvelő (SR) és árnyéktűrő (TP) fajtákra osztják. Morfológiai, anatómiai és élettani jellemzőikben különböznek egymástól. A CP levelei kisebbek, vastagabbak, sűrűn erezettek, világosabb zöld színűek és alacsonyabb klorofilltartalommal rendelkeznek. A TR-ben minden fordítva van: a levelek nagyobbak, vékonyabbak, gyéren erezettek, sötétzöld színűek, több a klorofill, különösen a Chlv. Az SR-k termelékenyebbek.
A TP és az SR a fotoszintézis fénygörbéiben különbözik (2. ábra). Alacsony IR-nél a TR-nek nagyobb az IF-je, mint az SR-nek, és az IR növekedésével a TR-nek IF ↓, az SR-nek pedig .
Egyes növényfajok, hibridek és fajták azon képességét, hogy alacsony IR értékek mellett is fotoszintézist hajtsanak végre, a nemesítési munkában próbálják kihasználni. Ilyen szelekció még a C 4-es növények között is lehetséges – a kötelező fénykedvelők.
A fény spektrális összetétele. IF erősen függ a fény minőségétől. A kvantumelmélet szerint 1 J vörös sugárzás (CR) 1,5-szer több kvantumot tartalmaz, mint 1 J kék-ibolya sugárzás (SV). Amikor az SF-et és a CS-t a beeső kvantumoknak megfelelően igazítjuk, az IF magasabbnak bizonyul a CS-n, mint az SF-en és a fehér fényen (BL). A telített fényben azonban az SF előnyt élvez. Az SF-en termesztett növényekben a Phs telítettsége nagyobb megvilágítás mellett következik be, és hatékonyabban használják fel az erőteljes sugárzó fluxust, mint a CS-n lévő növények.
A fény minősége nem befolyásolja a kloroplasztiszok számát és méretét egy olyan levélben, amelyik befejezte a növekedést, ezért az IF-eket főként egyetlen kloroplasztisz aktivitása határozza meg, amely az SS-n lévő növényekben magasabb.
A szintetizált anyagok összetétele a fény minőségétől függ. Az SF több fehérjét és lipidet, míg a CS több oldható szénhidrátot és keményítőt halmoz fel. Még 20% SF és CS hozzáadásának hatása hasonló a monokromatikus kék fény hatásához. Megjegyzés: Az SF kék fényre utal. Ezt a fotoszintetikus lámpák építésénél használják.
„A mi problémánkkal kapcsolatban, azzal a problémával, amelyet először felvetettem – mit kezdjünk a Földön élő emberek egyre növekvő számával, felvetődik a kérdés: „Mit adhat az embereknek egy nagy biológiai körforgás a bioszférában?” Ezt a problémát úgy lehet tekinteni három az imént leírt bioszféra főbb pontjai vagy helyei:
1) az energiabevitelnél,
2) a bioszféra biológiai körforgásában és
3) a biológiai körforgásból a geológiába való kilépésnél.
Kezdjük az energiabevitellel. Egy bizonyos mennyiségű napenergia esik a Föld felszínére. Természetesen csak az a része tud biológiailag működni, amelyet az autotróf szervezetek felszívnak. A Földre eső összes napenergia csak egy bizonyos százaléka (nem olyan könnyű pontosan kiszámítani), mondjuk kb. háromról nyolc százalékra , felszívják a zöld növények. Az elnyelt energia nem minden része megy a fotoszintézisbe. Ahogy a technikában, úgy az élő természetben is beszélhetünk hatékonyságról – a fotoszintézis hatékonyságáról. Ez (ismét nagyon nehéz kiszámolni) hozzávetőlegesen innen két-nyolc százalék .
Nagyon fontos megjegyezni, hogy a különböző növényfajták és -csoportok eltérő hatásfokkal rendelkeznek.
Az emberiség tehát már a bejáratnál tehet annak érdekében, hogy a növényzet többet nyeljen el a Földbe jutó napenergiából, ehhez pedig növelni kell a Föld zöldtakarójának sűrűségét. Mindeközben mi, emberek a gazdasági, ipari tevékenységünkben és a mindennapi életben nagyobb eséllyel csökkentjük a Föld zöldtakarójának sűrűségét, hanyagul kezelve az erdőket, réteket, szántókat, építkezéseket. A sivatagok és sztyeppék elégtelen zöldítésével csökkentjük a zöldtakaró sűrűségét. De éppen a modern technológia és ipar szintje az, amely elméletileg lehetővé teszi, hogy az ellenkező munkát végezzük - minden lehetséges módon növeljük a zöldtakaró sűrűségét a földfelszín minden alkalmas területén és a tározókban, különösen az édesvíziekben.
Sőt, amint azt a számítások mutatják, legalább másfélszeresére, esetleg kétszeresére növelhető, és ezáltal a Föld biológiai termelékenysége is növelhető.
Fentebb elhangzott, hogy a különböző növényfajták hatásfoka - hatékonysági együtthatói - nagyon eltérőek lehetnek, kettőtől nyolcig, illetve számos növényforma esetében akár több százalékig is változhatnak. És itt megnyílik egy újabb lehetőség az emberiség előtt: természetesen indokolt a különböző növényfajok hatékonyságának előzetes, pontos, fiziológusok által végzett vizsgálata alapján, hogy megpróbáljuk növelni a Földet borító növénytársulások arányát a növényekben. a legnagyobb, nem pedig a legalacsonyabb hatékonysággal. Ez ismét egy számmal, másfélszeresére, vagy kevesebbre, vagy többre nőhet a napenergia azon százalékos arányának, amelyet a növények elnyelnek, és a növényi fotoszintézis révén szerves anyag képződéséhez vezet a Földön.
Ez azt jelenti, hogy már a bioszféra bejáratánál, az energiabevitelnél lehet nyerni, növelni a Föld biológiai termelékenységét, mondjuk kétszer. Hadd emlékeztesselek arra, hogy erre száz év múlva feltétlenül szükségünk lesz.”
Timofejev-Resovszkij N.V., Emlékiratok, M., „Vagrius”, 2008, 1. o. 344-345.
n1.doc
6. A fotoszintézis, mint a termelékenység alapjaNövények
A fotoszintézis termelékenységének problémája fontos helyet foglal el a modern fotoszintézis-tanulmányokban, mivel végső soron a fotoszintézis mechanizmusának minden szintjén végzett vizsgálatának célja a növények fotoszintetikus aktivitásának irányított szabályozásának és a teljes fotoszintetikus szint növelésének mechanizmusainak megértése. termelékenység. Ennek a problémának a különböző aspektusai, mint például a fotoszintézis élettani szabályozása, a növények fotoszintetikus aktivitásának optimalizálása, a fotoszintézis intenzitása és a növényi szervezetek általános produktivitása közötti kapcsolat és mások, részletes kutatások tárgyává váltak. A kutatás a növénykultúrák, az egész növény, egyes szervek, sejtek és sejtszerkezetek szintjén történik.
6.1. Fotoszintézis mutatók
A fotoszintetikus funkciót különböző mutatókkal lehet értékelni, amelyek közül a fotoszintézis hatékonyságának összehasonlításakor széles körben használatosak a következők: kvantumfelhasználás, kvantumhozam, fotoszintetikus intenzitás, nettó termelékenység, fotoszintetikus hatékonysági együttható, asszimilációs szám stb.
A kvantumfogyasztás az a fénykvantumok száma, amelyek 1 mol CO 2 szerves vegyületek szintjére történő redukálásához szükségesek. Egy egyedi kvantum (foton) energiája nagyon kicsi, általában egy mól foton energiájában fejeződik ki - Einstein (1 Einstein egyenlő 1 mol kvantumokkal,
1 mol kvantum egyenlő 6,02 10 23). Einstein egyenlő N A h-vel, ahol N A az Avogadro-állandó (6,02·10 23; molekulák száma egy mol anyagra). A fotonenergiát ergekben fejezhetjük ki, kcal/mol (1 kcal=
4,2·10 10 erg) vagy elektronvoltban (1 eV=23 kcal/mol). Az asszimilált CO 2 -t mólokban fejezzük ki.
A fotoszintézis során az O 2 molekula felszabadulásának kvantumfogyasztásának első mérését Warburg végezte 1922-ben. Klorellával végzett kísérletei során 4-gyel egyenlő kvantumfogyasztási értékeket kapott. 1937-re egyes kutatók 8-cal egyenlő kvantumfogyasztási értékeket kaptak. A fotoszintézis elsődleges folyamatainak kétkvantumelmélete (Z-séma) alapján ebből következik, hogy a legoptimálisabb körülmények között egy molekula O 2 kiválasztásához vagy egy molekula CO 2 rögzítéséhez szükséges kvantumfelhasználás 8 legyen. A 8-as kvantumfogyasztási érték nem mond ellent a kísérleti anyag nagy részének. De az optimális kvantumáramlási sebesség kérdését kísérletileg nem sikerült megoldani, ami további kutatást igényel. A gyakorlatban ez magasabb lehet 8 kvantumnál. Kedvezőtlen körülmények között (hőmérséklet, fény, páratartalom stb.) a fotoszintézis kvantumfogyasztása tízszeresére, százszorosára nőhet. Ennek oka a fotofizikai (energia disszipáció hővé) vagy fotokémiai és biokémiai szakaszai során bekövetkező elkerülhetetlen energiaveszteség.
A fotoszintézis folyamatában az energiafelhasználás jellemzésére olyan mennyiséget is használnak, mint a kvantumhozam - az elnyelt CO 2 molekulák számának és az erre fordított fénykvantumok számának aránya.
A legmagasabb és elméletileg lehetséges kvantumhozam 0,25. A gyakorlatban ez az érték lényegesen kisebb, mint az elméleti.
A fényenergia tárolásának hatékonyságát az energiateljesítmény (E) jellemzi. Ez a tárolt energia és az elnyelt energia aránya:
8
Fontos kérdés, hogy valójában mekkora a fotoszintézis maximális lehetséges energiakibocsátása, hiszen ettől az értéktől függ a maximális hozam. A lehetséges maximális hozamok elméleti kiszámításakor az elméletileg maximális kibocsátott energia értékből indulunk ki. Ha ismert a kibocsátott energia (E), akkor a növény által elnyelt fénymennyiség ismeretében kiszámítható a tárolt energia mennyisége. Az egyenlet szerint (CO 2 + H 2 O CH 2 O + O 2 + 112 kcal/mol) minden
A növény által tárolt 112 kcal energia 30 g szerves anyagot termel (30 g a CH 2 O molekulatömege). Ez lehetővé teszi a száraz tömeg növekedésének kiszámítását. Ha feltételezzük, hogy a fotoszintézis kvantumfogyasztása 8, akkor a fotoszintézis maximális lehetséges energiahozama 112 kcal lesz: 8·40=0,35. A szinte maximális energiakibocsátás alacsonyabb természetes fényben (0,35 érték a vörös fényre
( = 680). A számítások azt mutatják, hogy napsugárzás esetén a maximális energiahozam a 8. kvantumfogyasztás alapján 14%. Ezt az értéket annak figyelembevételével kaptuk meg, hogy a növényi levél elnyeli az összes ráeső fényt (az optimális lehetőség).
Az energiakibocsátás jellemzi az energiatárolás hatékonyságát, amely a fényenergia kémiai energiává történő átalakulásának teljesítménytényezőjének (hatékonyságának) kiszámításával értékelhető. Maximális értéke 35%. A sötét fotoszintézis reakcióinak hatékonysága 81%.
A fotoszintézis energiájának elemzése alapján ez utóbbi biológiai jelentése a környezetből szabad energia kinyerése, és ezt az energiát a későbbi felhasználásra stabil szerves vegyületek formájában tárolva. A fénykvantumok energiáját az általában erősebb kovalens kötések (CO 2 és H 2 O) általánosságban gyengébb kötésekkel (CH 2 O és O 2) való helyettesítésére és a rendszer rendezésére fordítják.
A fotoszintézis endoterm folyamat csak akkor lehetséges, ha a rendszert kívülről látják el energiával. A fotoszintézis intenzitása az egységnyi levélfelület (vagy tömeg) egységnyi idő alatt (mg/dm 2 óra, g/m 2 nap) elnyelt CO 2 mennyisége. 5-25 mg szén-dioxid per
1 dm 2 1 óra alatt.
A napi nettó termelékenység az egész növény tömegének növekedésének (g) a levélfelülethez viszonyított aránya. Általában napi 5-12 g száraz termés tömege 1 m 2 levélre vonatkoztatva. A fotoszintézis során asszimilált CO 2 mennyisége és a felhalmozott száraz szerves tömeg arányát fotoszintetikus hatékonysági együtthatónak nevezzük.
A fotoszintézis nettó termelékenysége (PF. pr.) a terméstömeg képződésének és felhalmozódásának intenzitását (g/m2) jellemzi, a képlet határozza meg: 
, 9
ahol B 1 és B 2 a termény szárazanyag-tömege az elszámolási időszak elején és végén, B 2 -B 1 a szárazanyag-növekedés az elszámolási időszak alatt, L 1 és L 2 a termés területe a minta az időszak elején és végén távozik, (L 1 +L 2)·1/2n – átlagos levélfelület a meghatározott időszakra, n – napok száma az elszámolási időszakban.
A termés fotoszintézise napi használatával becsülhető
A száraz fitomassza növekedése: 
, 10
ahol M a szárazanyag tömege (napi növekedés), S a felhalmozott száraz fitomassza átváltási tényezője az asszimilált CO 2 mennyiségére, k a légzés korrekciója, t a nap hossza.
A felsorolt mutatók közül leggyakrabban a fotoszintézis (valódi vagy látszólagos fotoszintézis) sebességét használjuk összehasonlításra.
A növény egésze által termelt asszimilátum mennyiséget (mind a test felépítéséhez, mind a légzés költségeinek fedezéséhez) igaz, vagy durva fotoszintézisnek nevezzük. A nettó fotoszintézis vagy látható, megfigyelhető fotoszintézis a levél által asszimilált és a légzés során a légkörbe egyidejűleg kibocsátott szén-dioxid mennyisége közötti különbség.
A biomassza és a termésnövekedés a levélterület és a növény által elfoglalt terület arányától függ (levélindex). Az optimális levélindex értéke 4-5. Az egyik fontos feladat az optimális asszimilációs felület megtalálása minden kultúrnövényhez és régiónként (gabonaféléknél ez 20-
30 ezer m2/ha). A kultúrnövények fotoszintetikus apparátusának fejlődésének jellemzésére javasolt a „klorofill index” meghatározása (g klorofill/m2; kg klorofill/ha termés), amelyhez minden föld feletti szervben a klorofill mennyiségét figyelembe veszik. számla és összegezte. Az 1 mg klorofill (PPX) teljesítménye a fotoszintetikus apparátus működésére is jellemző lehet: 
mg/nap, 11
ahol M a száraz tömeg, X a klorofill teljes mennyisége a növényben,
D – napok száma.
A klorofillnak a fotoszintézisben való felhasználásának hatását az asszimilációs szám jellemzi - a fotoszintézis intenzitása és a levél klorofilltartalma közötti arány:
12
A legtöbb növényben 4-8, árnyéktűrő növényekben 20-70, etiolált növényekben 100.
6.2. Fotoszintézis és bioproduktivitás
Évmilliárdok alatt a növények megteremtették a Földön a modern légkört és feltételeket az élet fejlődéséhez, beleértve az emberi életet is, táplálékkal, energiával és egyéb erőforrásokkal ellátva. A feladat nemcsak a növényvilág és a fotoszintetikus funkció védelmét, hanem annak erősítését is kitűzi, különösen a mezőgazdasági növényekben. Az elmúlt években a fotoszintetikus termelékenység elmélete intenzíven fejlődött. A kutatók kiemelt figyelmet fordítanak a fotoszintézis paraméterei és a növényi termőképesség kapcsolatára, valamint a nemesítés szempontjából fontos fotoszintetikus tulajdonságok azonosítására. Minden mezőgazdasági gyakorlat célja a magas hozamú növények termesztése. A betakarítás az egész tenyészidőszak alatt alakul ki, és az élettani folyamatok összhangjától és az anyagcsere irányától függ. Az intenzív növénynövekedés időszakában naponta átlagosan 80-150 kg száraz tömeg képződik 1 hektár termésre, esetenként 300-500 kg.
A termésfelhalmozás minden belső folyamat komplexumától és a külső tényezők kapcsolatától függ, de a központi hely továbbra is a fotoszintézis folyamataié. A fotoszintézis elsősorban a napfényenergia növények által redukált széntermékek formájában történő tárolásának folyamata.
A növényvilág földi léptékű fotoszintetikus funkciója a következő mutatókkal jellemezhető.
A Nap által kibocsátott energiának csak 1/10 9-e éri el a Föld felszínét. Az energia 30%-a visszaverődik a világűrbe, 47%-a disszipálódik és hővé alakul, 23%-a víz elpárologtatására, víz- és jégenergia formájában tárolódik, átlagosan 0,02%-a (40·10 12 W) ) fotoszintézisre fordítják. A Föld növényzete évente 80 milliárd tonna száraz biomasszát termel (3,2·10 17 kcal/év); szintézissel együtt: a tengerek és óceánok fitolaktonjai 27 milliárd tonna/év (1,1·10 17 kcal/év); szárazföldi növények – 53 milliárd tonna/év (2,1 10 17 kcal/év), ebből kultúrnövények – 7,5 milliárd tonna/év (0,3 10 17 kcal/év), erdők –
38 milliárd tonna/év (1,5 10 17 kcal/év), sztyeppék, rétek és sivatagok növényei –
7 milliárd tonna/év (0,3·10 17 kcal/év). A termesztett növények fotoszintézise a bolygó teljes fotoszintézisében 8%, a szárazföldi növények fotoszintézisében 12-15% (7,5 milliárd tonna száraz szerves tömeg évente, ami 3 10 16 kcal elraktározott energiának vagy 35 ezer milliárd kWh).
Az egy főre jutó élelmiszer mennyisége átlagosan évi 1,87 tonna biomassza (5,1 kg/nap). De a biomassza jelentős részét az ember nem tudja közvetlenül felhasználni, és vannak veszteségek is. Ezért fontos probléma a kultúrnövények termőképességének növelése. A földterület 12%-át kultúrnövények foglalják el. A terület növelhető, de ehhez hatalmas tőkebefektetésekre lesz szükség. A hozam növelhető a mezőgazdasági üzemek napenergia-felhasználásának hatékonyságának növelésével. Ennek oka a mezőgazdaság színvonalának emelése, a mezőgazdasági termények ésszerű elhelyezése, a termő fajták létrehozása. A növénylevél ráhulló összes napenergia felhasználásának hatékonyságának értékelésekor figyelembe kell venni, hogy ha a teljes napsugárzást 100%-nak vesszük, akkor a visszavert sugárzás 10%, az elnyelt sugárzás 70%, és a levélen keresztül átvitt sugárzás 20%. A levél által elnyelt sugárzás 70%-ának az energia 1%-a a fotoszintézis termékeiben raktározódik, 49%-a transzspirációra, 20%-a másodlagos sugárzásra fordítódik. Ezért a teljes sugárzás hatékonysági tényezője (hatékonysága) 1%. A növekedési feltételektől, a növények biológiai jellemzőitől és élettani folyamatainak állapotától függően változhat.
A fotoszintézis fotoszintetikusan aktív sugárzást (PAR, 380-780 nm) használ. A teljes napsugárzás 26-55%-át teszi ki. 70 c/ha feletti búzaszemtermés esetén a növények a tenyészidőszakban érkező PAR-t 4,0-4,3%-os hatékonysággal használják fel. Jó gazdálkodási kultúrával és aktív fotoszintetikus apparátussal a PAR használatának hatékonysága 8-5% lehet, és elérheti a 10%-ot. A maximális termelékenységi értékek elérhetik az 50 g száraz biomasszát 1 m 2 termény naponta. Ez 5 c/ha-nak felel meg. Ha a fotoszintézis intenzitása alapján értékeljük, akkor ezt a növekedést napi 20-25 kg CO 2-nek megfelelő fotoszintézis intenzitás biztosíthatja 1 m 2 levélfelületen.
A CO 2 egyenlege (%) a beáramló és a fogyasztás figyelembevételével a következő értékek (ha a levegő tartalmat 100%-nak vesszük): fiatal - 0,09%, szén égetése, olaj - 3,08, ipari tüzelés mészkő - 0,04, erdőtüzek - 0,38, légzés, erjedés, bomlás (szárazföldi, tengeri növények) - 56,09, CO 2 kibocsátás a talaj felszínéről - 38,09, emberi légzés - 0,32, állati légzés - 1,28%, fogyasztás : időjárás közben szilikátok - 0,09%, szárazföldi növények asszimilációja - 40,60, tengeri növények asszimilációja, algák - 59,31%.
A szárazföldi és óceáni növények egy év leforgása alatt 1,5 10 11 tonna szén-dioxidot nyelnek el, 1,2 10 11 tonna vizet bontanak le, 10 11 tonna oxigént szabadítanak fel, és 6 10 20 kalória napenergiát tárolnak kémiai energia formájában. a fotoszintézis termékek.
A fotoszintézisnek köszönhetően a fényenergia kémiai energiává alakul, amely a biomasszában raktározódik. A növényi biomassza az adott időpontban élő föld feletti és földalatti növényrészek száraz tömege a talajfelszín egységnyi területén. A termelés a biomassza vagy egy adott növénycsoport vagy faj által asszimilált szerves anyag tömege területegységenként, egységnyi idő alatt. Az elsődleges termelés viszont valódi elsődleges termelésre és tiszta elsődleges termelésre oszlik. A valódi elsődleges termelés az asszimilált szerves anyag teljes mennyisége, beleértve a légzési költségeket is, a nettó elsődleges termelés pedig a szerves anyag azon része (beleértve a légzési költségeket is), amely emberi felhasználásra rendelkezésre áll, vagy tárolt kémiai energia formájában megmarad. Számítások szerint a fotoszintézis globális nettó termelékenysége évi 78·10 9 tonna szén, melynek 7%-át közvetlenül és állati szervezeteken keresztül az ember felhasználja élelmiszerként, üzemanyagként és nyersanyagként. Az élő biomassza egész évben történő felhalmozódása jelenti az ökoszisztéma nettó termelékenységét. A szárazföldi fototrófok közül a trópusi erdők járulnak hozzá a legnagyobb mértékben a valódi termelékenységhez (akár 29%). Általánosságban elmondható, hogy az összes erdőtípus hozzájárulása 68%.
Az óceánok területe 2,5-szer nagyobb, mint a szárazföld, de elsődleges termelésük csak a szárazföldi termelés 1/2-1/3-a. A számítások szerint a teljes nettó elsődleges termelés 10–
13% széntartalom a légkörben. A légköri szén megújulása a bioszférából 7-10 évig tart. Ha figyelembe vesszük a légzést és a fotolégzést, akkor ez az időtartam 3-ra csökkenthető.
5 év. A légkör és az óceánok felszíne közötti széncsere is 7-8 évig tart. A CO 2 kultúrnövények általi asszimilációja meghatározza az ember fotoszintézistől való függőségét. A biomassza nemcsak élelmiszerként, hanem üzemanyag-fejlesztési alapanyagként is használható. A fotoszintézis éves termelése csaknem 10-szer több energiát tartalmaz, mint amennyi jelenleg a bolygó teljes lakosságának szükségleteinek kielégítéséhez szükséges. A biomassza mint energiaforrás ésszerű felhasználásához azonban tudományos és technológiai fejlesztésekre van szükség.
Figyelembe véve, hogy a fotoszintézis maximális energiahatékonysága CO 2 molekulánként nyolckvantumköltség mellett figyelhető meg, és hogy a fitocenózisokban az asszimilált CO 2 és energia 40-60%-a vész el a légzési folyamatokban, a fitocenózisok potenciális termelékenységi szintjei egy hatékonysági együtthatóval energiafelhasználásuk 4-6%-os fotoszintetikusan aktív sugárzást (PAR) állapítottak meg.
6.3. Termelési folyamat és fotoszintézis. Betakarítás kialakulása
A növények fotoszintetikus aktivitásának, a biológiai és gazdasági hozamok kialakulásának alapvető mintázatai számos laboratóriumban végzett sokéves kutatás eredményeként jöttek létre. A fotoszintetikus termelékenység elméletének alapelveivel összhangban, amely részletes fejlesztést és kísérleti alátámasztást kapott A.A. munkáiban. Nichiporovich és munkatársai szerint a növényi termelékenység szintjét meghatározó fő tényezők a fotoszintetikus apparátus mérete (levélfelülete), munkájának intenzitása és produktivitása, az újkeletkezési folyamat és a szerves anyagok fogyasztása közötti kapcsolat. Az élőlények termelékenységének ökológiai alapjainak és lehetőségeinek meghatározása a napsugárzás hatékonyságának növelésével a növénytermesztés egyik legfontosabb problémája. A termelési folyamat programozásának élettani elvei közé tartozik a levélfelület optimális mutatóival, a fotoszintézis nettó termelékenységével, a fotoszintetikus potenciállal és az asszimilációs felület termelékenységével rendelkező cenózisok kialakítása. Figyelembe kell venni, hogy a végső fotoszintetikus termelékenység a fotoszintetikus rendszerek összehangolt munkájának eredménye a szervezetük különböző szintjein. A. A. Nichiporovich (1982) az „ideális” fotoszintetikus rendszert jellemezve úgy véli, hogy a legnagyobb energiahatékonyságú fotoszintézis olyan körülmények között megy végbe, amikor 1 g mol CO 2 (44 g, vagyis 6,2 x 10 23 molekula) 8 kvantum vagy 8 einstein redukciója (e) a klorofill által elnyelt PAR elfogy (8·6,02·10 23 h).
Az 1 dm 2 levélfelületre eső maximális PAR intenzitás 15,07 kJ dm 2 h Ha figyelembe vesszük, hogy 1 e PAR egyenlő 209,35 kJ-val, akkor megállapíthatjuk, hogy a PAR intenzitás 12,56 kJ dm 2 h megfelel a a következő PAR kvantumfluxussűrűség:
Egy nyolckvantumos folyamat során a fotoszintetikus rendszernek asszimilálnia kellene:
CO 2 molekulák 1 dm 2 óránként,
Vagy végezzen fotoszintézist intenzitással:
A növényi levelek az „ideális” rendszerrel ellentétben mindössze 3–7 mg klorofillt, 4,0–5,5 10 9 kloroplasztot és 0,8–1,2 10 16 reakciócentrumot tartalmaznak 1 dm 2 -enként. Ez valódi fotoszintézist tesz lehetővé 20–40 mg CO 2/1 dm 2 óra nyolckvantumköltséggel. A modern növénytermesztés fotoszintézist alkalmaz 0,1-0,5% (ritkán 1-2%) PAR-tárolás hatékonysági tényezőjével. A cél ennek a szintnek a PAR 3-5%-ra való növelése.
Különböző körülmények között a növényi termőképesség egyes összetevői jelentősen eltérhetnek: a levélfelület növekedésének eltérő mértéke, a tenyészidőszak eltérő hossza, a fotoszintézis intenzitása (5-50 mg/dm 2 h).
A növények biológiai termőképességének jellemző mutatója a „növények fotoszintetikus potenciálja”, amely a teljes tenyészidőszakban minden napra eső levélfelület (m 2 /ha) összege. Ez a mutató a különböző növények között 0,5-5 millió között változik, ez az egyik meghatározó tényező a termés nagyságában.
Ugyanilyen fontos tényező a terméshozamban a fotoszintetikus munka termelékenysége minden négyzetméter levélfelületen. 1 m 2 levél fotoszintézisének termelékenysége a gramm töredékétől a 4-6 g CO 2 -ig terjed óránként. nap. A fotoszintézis nettó termelékenysége napi 0 és 15-18 g/m2 között változik. Normál körülmények között a termés napi száraztömeg-növekedése 150 kg/ha/nap, kedvezőbb körülmények között - 300-400 kg/ha, optimális körülmények között - 500-600 kg/ha. Ez a biomassza-felhalmozás búza esetében 45–50 c/ha, gabona esetében 70–80 c/ha, kukorica esetében 450–1000 c/ha zöldtömegnek felel meg. A fotoszintézis nettó termelékenysége attól is függ, hogy a fotoszintézis intenzitása meghaladja a légzés intenzitását. Minél nagyobb a különbség, annál nagyobb a nettó fotoszintetikus termelékenység. Ez a mutató eltérő a szén-anyagcsere típusában eltérő növényekben: C 3 növényekben 2 g/dm 2 nap, C 4 növényekben
4-5, CAM növényeknél – 0,015-0,018 g/dm 2 nap. A növény nettó termőképességét úgy határozzuk meg, hogy egy növény biomassza-nyereségét elosztjuk egy adott időszak alatt az átlagos levélterülettel.
A biomassza és a termésnövekedés a levélterület és a növény által elfoglalt terület arányától függ (levélindex).
A fotoszintetikus apparátus fejlődésének jellemzése
növényekben javasolt a „klorofill index” meghatározása
(g klorofill/m2; kg klorofill/ha termés). Fontos mutató a napi fotoszintézis mennyisége - a napi 1 m 2 levél által asszimilált CO 2 mennyisége (g CO 2 / m 2 d). A növények termésben végzett munkáját jellemző lényeges mutatók a folyamat energiahatékonysági együtthatója, a fotoszintézis (Eco 2) és a termésképzés energiahatékonysága (Eur.). Eso 2 az egységnyi termőterület által elnyelt CO 2 mennyiségének és a rá eső napsugárzás mennyiségének (teljes PAR) aránya. Eur. – a teljes biológiai (vagy gazdasági) betakarításban felhalmozott kémiai energia mennyiségének a terményre eső napsugárzás mennyiségéhez viszonyított aránya.
Vannak biológiai (Ubiol.) és gazdasági (Ukhoz.) betakarítások. A biológiai hozam tartalmazza a teljes száraz tömeg tömegét, amely a tenyészidőszakban a termés hektárjára jut:
Ubiol. = (С 1 ,С 2 , …, n), 14
ahol C a napi hozamnövekedés 1 hektáronként, számos mutató figyelembevételével számítva: 
kg/ha naponta. 15
Fso 2 - a nap folyamán elnyelt CO 2 mennyisége (g/m 2); Cef. – fotoszintézis hatékonysági együtthatója. Megmutatja, hogy egy növény 1 kg CO 2 elnyelésekor mennyi száraz biomassza keletkezik a nap folyamán (értéke átlagosan 0,3-0,5). L – levélfelület. Ezeket a mutatókat figyelembe véve a biológiai hozam a következő egyenlettel fejezhető ki: 
c/ha 16
A biológiai betakarítás nagysága meghatározza a gazdasági betakarítás mértékét is (például gabonatermés), hiszen a gazdasági betakarítás a biológiai betakarítás része, a gazdasági együttható értékétől függően (Khoz.): Ubiol.· Kkhoz.
Khoz. a termény gazdasági részét képező anyagok tömegének a biológiai termény össztömegéhez viszonyított arányát jelenti (Ukhoz./Ubiol.). Ebben a tekintetben a gazdasági betakarítás a következő mutatók figyelembevételével jellemezhető: 
c/ha 17
Ebből következően a termést a levélterület fejlettsége, a tenyészidőszakban végzett munkájuk időtartama, a fotoszintézis intenzitása és a napközbeni száraztömeg-növekedés határozza meg. Ezeknek a mutatóknak optimális arányban kell lenniük, ami bizonyos termésszerkezettel elérhető. A levelek (területük) növelése egy bizonyos határig - 30-40 ezer m 2 /ha - javasolt. Az asszimiláló felület további növekedése a levelek kölcsönös árnyékolását okozza. Ez rontja a fényviszonyokat, ami a fotoszintézis területegységenkénti termelékenységének csökkenéséhez vezet. E tekintetben a korszerű nemesítés feladata olyan gazdaságilag értékes növényfajták létrehozása, amelyek jelentős asszimilációs felülettel rendelkeznek, és képesek a fényenergia hatékony felhasználására a fotoszintetikus apparátus nagy aktivitásával. Az elmúlt években magas hozamú, úgynevezett intenzív típusú gabonafajták jöttek létre. Ez felvetette a magas növényi termőképesség élettani alapjainak kérdését. Az intenzív típusú fajtákat a Khoz. magas értéke különbözteti meg, biztosítva a teljes szerves tömeg akár 40% -ának hozamát a szemekbe (alacsony hozamúaknál: - 25%). A biológiai hozamot befolyásoló tényezők a gazdasági hozamot is befolyásolják, így a fotoszintézis intenzitását is.
A növények termőképességének növeléséhez fontos magának a fotoszintézis folyamatnak a mechanizmusainak ismerete, ami az alapja a termelési folyamat elméletének kidolgozásának és az optimalizálását szolgáló rendszerek kidolgozásának. A fiziológiai kutatásnak integrálnia kell ezeket az ismereteket, és meg kell határoznia a fotoszintetikus rendszerek kialakulásának és működésének mintázatait, figyelembe véve az autoregulációt, az alkalmazkodást és az önhangolást a legmagasabb növényi termelékenység elérése érdekében. A növények a természetben és a szántóföldi mezőgazdaságban és speciális biomérnöki rendszerekben is lényegesen több hasznos terméket tudnak adni, mint amit jelenleg adnak.
Ha a felső levelek túlnyomórészt függőlegesen helyezkednek el, akkor a közvetlen napfény átcsúszik rajtuk, ezért a megvilágításuk némileg csökken, és megfelel azoknak az értékeknek, amelyeknél a fotoszintézis hatékonysága meglehetősen magas. Ugyanakkor az ilyen levelek elég jól áteresztik a fényt a termésbe, „elhagyva” azt a középső és alsó rétegek leveleire, de kissé gyengült formában. Előnyös, ha a középső és alsó réteg levelei fokozatosan egyre nagyobb dőlésszöggel rendelkeznek, amíg az alsó levelek vízszintesek lesznek. Ilyen esetekben az egységnyi vetésterületre jutó napsugárzás energiáját egyrészt a növény egésze teljesen elnyeli, és egyúttal nagy levélfelületen is eloszlik, azaz enyhén csökkentett intenzitással világítsa meg őket.
Ebben az esetben a levélfelület minden négyzetmétere enyhén csökkentett fotoszintézis intenzitással, de megnövekedett hatásfokkal fog működni, és egy kellően nagy levélfelülettel rendelkező ideális termés képes a legnagyobb teljes fotoszintetikus munka elvégzésére, azaz legjobb a sugárzásnak tulajdonítható napenergiát használni.
A kultúrnövények és a cenózisok, mint integrált fotoszintetikus rendszer fontosságának hangsúlyozására, amelyek segítségével a beérkező napsugárzás energiája nagy hatékonysággal hasznosítható, hozzuk a következő példát: képzeljük el, hogy a kultúrnövények egy folytonos vízszintes réteget alkotnak. egymás melletti levelek (moneslayer). Összterületük 10.000 m2/ha lesz (, 13).
Értékeljük egy ilyen képzeletbeli „egyrétegű” vetés tulajdonságait, illetve egy valódi, nedvességgel és ásványi tápanyaggal jól ellátott, 50 ezer m2/ha levélfelülettel rendelkező vetés tulajdonságait.
Mindkét növény elnyeli a beérkező fotoszintetikus aktív sugárzási energia mintegy 85%-át. Ebből a szempontból majdnem egyenrangúak lesznek. De egy valódi vetésben ezt az energiát a levelek 5-ször nagyobb területe fogja elnyelni, mint egy képzeletbeli vetés „egyrétegű” leveleivel. Utóbbi esetben a termés fotoszintézisének fényintenzitástól való függősége gyakorlatilag egy egyedi levél fotoszintézisének fénygörbéjének felel meg. Ezért az „egyrétegű” levelekkel történő vetésnél a nap nagy részében túlzott lesz a fény. Az ilyen növények fotoszintézisének intenzitása a nappali órákban jelentősen elmarad a fényintenzitás lefolyásától. Összességében az ilyen vetés viszonylag alacsony hatásfokkal használja fel az elnyelt fényenergiát
Ami a valódi vetést illeti, ugyanannyi elnyelt energia oszlik el nagyobb levélterületen. Ebben az esetben a levelek minden négyzetmétere átlagosan kisebb intenzitással lesz megvilágítva, mint az „egyrétegű” levelei. Ezért a tényleges vetésnél még a déli közvetlen napsugárzás sem lesz olyan túlzott, mint az „egyrétegű” vetésnél, és a valódi vetés még a legmagasabb intenzitású fényre is pozitívan reagál. Ebben az esetben a tényleges termés egészének fénygörbéje sokkal kedvezőbb lesz, mint egy egyedi levél vagy "egyrétegű" fénygörbéje. Ez megerősíti, hogy a valóságos termény napközbeni fotoszintézise a gyakorlatban (persze, ha jól ellátott és strukturált) elég jól követheti a sugárzás intenzitásának lefolyását, folyamatosan nagyobb hatásfokkal, mint egy képzeletbeli modelltermés. "egyrétegű" levelekkel.
Annak érdekében, hogy a növények fotoszintézisében a napsugárzás energia felhasználási arányát növeljük, két fő probléma megoldására kell törekednünk:
1< Всемерно улучшать интенсивность фотосинтеза отдельных листьев растений. (На графиках такой процесс выразится в повышении крутизны подъема световых кривых и уровня плато светового их насыщения).
2. Hozzon létre olyan növényeket, amelyek alacsony és nagy intenzitású fényt is nagy hatékonysággal használnának, vagyis általában a legmeredekebben emelkedő, magas fennsíkú fény fotoszintézis görbéi lennének.
Egy teljes értékű, jó fénygörbével rendelkező zárt növény a naponta elnyelt sugárzási energiát akár 15%-os hatásfokkal is felhasználhatja fotoszintézisre, a beérkező energia (azaz 85%-os elnyelése) kb. 12-13%. . Ez jó hatásfok a napsugárzás energia felhasználásában.
Itt ismertetjük a legjobb állapotú, azaz nagy levélfelületű és jó szerkezetű növények fotoszintetikus munkájának lehetséges hatékonyságát. Valójában ebben az állapotban a legjobb termés is csak egy részét képezi a teljes növekedési időszak terhének. Az idő jelentős részét a palánták kelése, fejlődésük első szakaszai töltik. Ekkor még nem zártak be a füves állományok, a napsugárzás energiájának jelentős része a talajra esik, és helyrehozhatatlanul elveszik a fotoszintézis számára.
Az optimális állapot időszaka után kezdődik a növény érésének időszaka. A levelek elveszítik a fotoszintetikus aktivitást. A termés gazdasági részének kialakulása nem annyira fotoszintézissel, hanem a korábban felhalmozódott képlékeny anyagoknak a levelekből és a szárakból a szaporodási és raktározó szervekbe: gabona, gumó, gyökérnövények stb.
Végül a növény fejlődése során a napsugárzás energiáját használja fel a fotoszintézisre, a fent jelzettnél alacsonyabb hatékonysággal. Ezen túlmenően, különböző esetekben és különböző kultúrákban a teljes végső hatékonysági mutatók nagyon eltérőek lehetnek. Mindezt figyelembe kell venni. De még a nehézségek ellenére is sokféleképpen lehet a terményképzés előrehaladását a legjobb utakon irányítani, és magas hatékonyságot elérni a fotoszintézis energiafelhasználásában.
A kívánt eredmények sikeres eléréséhez teljes mértékben ismerni kell azokat az összefüggéseket és előfeltételeket, amelyek a fotoszintézist a legnagyobb hatékonysággal végrehajtani képes fotoszintetikus rendszerek kialakulásának hátterében állnak.
Ezeket az előfeltételeket és elveket a legvilágosabban a fotoszintetikus rendszerek egysejtű algák szuszpenziói formájában történő működésének példáján lehet leírni.
