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第6章 吸碳吐氧——植物特点

植物和动物不同,它不能行走,没有神经和知觉。但是它们和动物又有很多相同的地方,它们会呼吸,有细胞,有自己的祖先和科属等。

植物最大的特点就是能进行光合作用和呼吸作用。

1.植物的光合作用

在植物界,绿色植物光合作用是地球上最为普遍、规模最大的反应过程,光合作用有助于有机物合成,能蓄积太阳能量和净化空气,保持大气中氧气含量和碳循环的稳定等,是农业生产的基础。

绿色植物的叶片是进行光合作用的主要场所,叶绿体是光合作用的重要细胞器。高等植物的叶绿体色素包括叶绿素(a和b)和类胡萝卜素(胡萝卜素和叶黄素),它们分布在光合膜上。叶绿素能吸收光谱和荧光,说明它可吸收光能、被光激发。叶绿素的生物合成在光照条件下形成,既受遗传性制约,又受到光照、温度、矿质营养、水和氧气等的影响。

绿色植物的光合作用包括光反应、光合碳同化两个相互联系的过程,光反应过程包括原初反应和电子传递与光合磷酸化两个阶段,其中前者进行光能的吸收、传递和转换,把光能转换成电能。

后者则将电能转变为ATP(ATP是三磷酸腺苷的英文缩写,它是各种活细胞内普遍存在的一种高能磷酸化合物,也是生物体内最直接的能量供应源,生物通过合成或分解ATP来储存能量和释放能量)和NADPH2(合称同化力)这两种活跃的化学能。活跃的化学能转变为稳定化学能是通过碳同化过程完成的。碳同化有C3、C4和CAM三条途径,根据碳同化途径的不同,把植物分为C3植物(C3植物是指在光合作用的暗反应过程里,在叶肉细胞基质中,一个CO2被一个五碳化合物固定后形成两个三碳化合物,即CO2被固定后最先形成的化合物中含有三个碳原子,所以称为C3植物)、C4植物(指在光合作用中CO2同化的最初产物不是光合碳循环中的三碳化合物3-磷酸甘油酸而是四碳化合物苹果酸或天门冬氨酸的植物,又称C4植物)和CAM植物(景天酸代谢植物)。但C3途径是所有的植物所共有的、碳同化的主要形式,其固定CO2的酶是RuBP(5-二磷酸核酮糖,光合作用中用于固定二氧化碳)羧化酶。C4途径和CAM途径都不过是CO2固定方式不同,最后都要在植物体内再次把CO2释放出来,参与C3途径合成淀粉等。C4途径和CAM途径固定CO2的酶都是PEP羧化酶,其对CO2的亲和力大于RuBP羧化酶,C4途径起着CO2泵的作用;CAM途径的特点是夜间气孔开放,吸收并固定CO2形成苹果酸,昼间气孔关闭,利用夜间形成的苹果酸脱羧所释放的CO2,通过C3途径形成糖。这是在长期进化过程中形成的适应性。

光呼吸是绿色细胞吸收O2放出CO2的过程,其底物是C3途径中间产物加氧形成的乙醇酸。整个乙醇酸途径是依次在叶绿体、过氧化体和线粒体中进行的。C3植物有明显的光呼吸,C4植物光呼吸不明显。

植物光合速率因植物种类品种、生育期、光合产物积累等的不同而异,也受光照、CO2、温度、水分、矿质元素、O2等环境条件的影响。这些环境因素对光合的影响不是孤立的,而是相互联系、共同作用的。在一定范围内,各种条件越适宜,光合速率就越快。

目前,植物光能利用率还很低。作物现有的产量与理论值相差甚远,所以增产潜力很大。要提高光能利用率,就应减少漏光等造成的光能损失和提高光能转化率,主要通过适当增加光合面积、延长光合时间、提高光合效率、提高经济产量系数和减少光合产物消耗。改善光合性能是提高作物产量的根本途径。

2.植物的呼吸作用

植物除了要进行光合作用外还要进行呼吸作用。呼吸作用是高等植物代谢的重要组成部分。与植物的生命活动关系密切。生活细胞通过呼吸作用将物质不断分解,为植物体内的各种生命活动提供所需能量和合成重要有机物的原料,同时还可增强植物的抗病力。呼吸作用是植物体内代谢的枢纽。

我们知道,动物呼吸都是需要氧气的,那么植物的呼吸作用是不是一定需要氧呢?事实上,植物的呼吸分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型。有氧呼吸指生活细胞在氧气的参与下把某些有机物彻底氧化分解,放出二氧化碳和水,同时释放能量的过程。无氧呼吸一般指在无氧的条件下,细胞把某些有机物分解成不彻底的氧化产物,同时释放能量的过程。呼吸作用糖的分解代谢途径有三种:糖酵解(EMP)、三羧酸循环(TCA)、戊糖磷酸途径(PPP)。

EMP途径,是糖酵解途径,葡萄糖转化成丙酮酸的过程,是呼吸作用的起始阶段,也是有氧呼吸和无氧呼吸共同经过的步骤;TCA循环:就是三羧酸循环,是线粒体内有氧呼吸途径,继糖酵解后进一步进行的脱羧过程,放出二氧化碳,能量储存在脱氢酶高能键中,最后经氧化磷酸化产生ATP。

①糖酵解(EMP),淀粉在无氧状态下分解成丙酮酸的过程,通称为糖酵解。糖酵解是在细胞质中进行的,以淀粉、葡萄糖、果糖为底物,在一系列酶的参与下,形成丙酮酸(葡萄糖、果糖要供给ATP作为能量来源,才能进行氧化磷酸化)。在缺氧的情况下其进行无氧呼吸NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)还原乙醛成乙醇,或还原丙酮酸成乳酸。无氧呼吸也释放二氧化碳,其氧化作用的氧是来自组织内的水和被氧化的糖分子中,因此其又称为分子内呼吸。

②三羧酸循环(TCA),糖酵解进行到丙酮酸后,在有氧的条件下,通过一个包括三羧酸和二羧酸的循环而逐渐氧化分解,直至形成二氧化碳和水为止,故称为三羧酸循环。细胞中的线粒体具有三羧酸循环的全部酶,所以三羧酸循环是在线粒体中进行的,是细胞内的“动力站”。

③戊糖磷酸途径(PPP),在高等植物中,可以不经过无氧呼吸生成丙酮酸而进行有氧呼吸的途径,也就是葡萄糖不需预先分解成两个丙糖分子才能氧化脱氢,而是葡糖—6—磷酸直接氧化脱氢,这种途径称为戊糖磷酸途径,其也是在细胞质中进行的。

在正常的情况下葡萄糖降解主要是通过EMP和TCA,PPP途径占的比例非常的小,其比例和植物的种类、器官、年龄以及环境而异。以器官来说,茎的PPP所占比例大于叶子,叶子又大于根,对于年龄来说,年龄小的组织中比例小,在年老的组织中占的比例较大。植物在干旱、受伤等环境中其比例也会增大。

植物呼吸代谢受内外多种因素的影响。呼吸作用影响着植物生命活动的进行,因而与作物栽培、育种和种子、果蔬、块根、块茎的储藏及切花保鲜有着密切关系。人类可利用呼吸作用的相关知识,调整呼吸速率,使其更好地为生产服务。

植物虽然没有神经没有感觉但是它们能进行光合作用、能呼吸,是与动物相对应的另一生物干系,是一个庞大的群体,在它们的生活圈内也存在着形态各异,用途不一的种类。在这些方面植物界的专家们试图去给它们分门别类,但是,所得的结果也只是相对的。

除了上面我们介绍的植物具有光合作用和呼吸作用外,植物还有明显的细胞壁和细胞核,其细胞壁由葡萄糖聚合物——各类纤维素构成。

另外,所有植物的祖先都是单细胞非光合生物,它们吞食了光合细菌,二者形成一种互利关系:光合细菌生存在植物细胞内(即所谓的内共生现象)。最后细菌蜕变成叶绿体,它是一种在所有植物体内都存在却不能独立生存的细胞器。

植物通常是不运动的,因为它们不需要寻找食物。但是有些植物也是在不断的运动的,比如向日葵在绕太阳不断的运动等。

在植物界中,大多数植物都属于被子植物门,是有花植物,其中还包括多种树木。总之,植物界是一个五彩缤纷的世界,它们各具特点和特色,要想了解更多的植物,首先要从它们的特点入手。

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