Fotosynteza w wodzie

Fotosynteza w wodzie
Fotosynteza jest to przekształcanie prostych substancji mineralnych takich jak woda, tlen, dwutlenek węgla oraz sole mineralne w skomplikowane związki organiczne pod wpływem energii świetlnej.
Pojedyncze komórki roślin są producentami wszystkich substancji niezbędnych do życia i rozmnażania się.
Proces fotosyntezy w wodzie ma odmienny przebieg niż na lądzie i dlatego zrozumienie fizjologii wodnych roślin wymaga poznania wielu zagadnień pozornie nie związanych z biologią.
Zakładając akwarium i decydując się na hodowlę określonych ryb i uprawę wybranych gatunków roślin należy dokładnie zapoznać się z ich wymaganiami środowiskowymi, występowaniem w strefach klimatycznych i geograficznych. Pozwoli to uniknąć wielu podstawowych błędów i dostosować umiejscowienie zbiornika w mieszkaniu oraz wybór oświetlenia odpowiadający potrzebom roślin i ryb.
Światło słoneczne w zależności od położenia geograficznego akwenu wodnego, pory roku i fazy dnia, pada na powierzchnię wody pod różnym kątem zmieniającym się w czasie. Im mniejszy jest kąt padania światła tym większa jego ilość ulega odbiciu od lustra wody a pozostała część stykając się z wodą ulega załamaniu. Z kolei kąt załamania światła jest najmniejszy, gdy światło pada na tafle wody prostopadle. Światło widziane przez oko człowieka odbierane jako białe w rzeczywistości składa się z fal elektromagnetycznych o różnej długości i odpowiadającym im barwom. W momencie przechodzenia światła z atmosfery do wody następuje jego rozszczepienie na poszczególne składniki widma, przy czym największemu załamaniu ulega fioletowo-niebieska część widma a najmniejszemu czerwona. Własności fizyczne światła oraz wody sprawiają, że fale czerwone rozchodzą się tylko w najpłytszych partiach zbiornika do głębokości zależnej od zabarwienia i przezroczystości wody, nieco głębiej sięgają fale niebieskie. Głębokość, do której dociera światło czerwone i niebieskie jest jednocześnie granicą występowania roślin wodnych, o czym można się przekonać obserwując roślinność w naturalnych zbiornikach-zazwyczaj jest to strefa przybrzeżna nie przekraczająca głębokości 0,5-0,7 metra. Do głębszych warstw wody dociera jedynie światło barwy żółtozielonej.
Rośliny w procesie fotosyntezy zdolne są wykorzystywać jedynie fale o długości od 430 do 470 nm.-światło niebieskie ( określane często jako światło zimne )
oraz, od 680 do 730 nm.-światło czerwone ( określane jako ciepłe ) .

nm – jednostka długości, 1 nanometr = 0,000 000 001 metra.

Pozostała część widma adresowana jest do różnych gatunków glonów i porostów.
Wszystkie te informacje o jakichś kątach i nanometrach mogą się wydawać zawiłe i niepotrzebne, ale gdy dojdziemy do problemów związanych z oświetleniem i walki z glonami na pewno znajomość tych podstawowych zasad będzie niezbędna.

Nie tylko światło decyduje o odmienności fotosyntezy pod wodą.
Rośliny żyjące na ziemi wykorzystują do oddychania tlen, którego zawartość w atmosferze wynosi 21% natomiast w wodzie ilość rozpuszczonego tlenu zależna jest od temperatury oraz innych czynników i najczęściej waha się w granicach 0,5 – 0,7%.
Niezbędny do życia roślin dwutlenek węgla w powietrzu wynosi 0,03% natomiast w środowisku wodnym jest go znacznie więcej i zwykle przekracza ilość tlenu. Porównanie procentowej ilości tlenu i dwutlenku węgla już na pierwszy „rzut oka” uzmysławia jakże odmienny jest nasz świat od oddzielonego szkłem świata wodnej flory i fauny.
Innymi elementami decydującymi o odmienności fotosyntezy w wodzie jest rozkład temperatur, sposób pobierania substancji pokarmowych, oddychanie, prędkość przepływu wody oraz jej jakość. Zagadnienia te są opisane w dalszych rozdziałach.

Jak działa jeden z cudów życia ?
Elementarna porcja energii świetlnej – foton – uderzając w cząsteczkę chlorofilu powoduje „wybicie” z niej elektronu na wyższy poziom energetyczny i przekazanie go kolejnym komórkom zapoczątkowując całą serię reakcji biochemicznych w roślinie. Do prawidłowego działania komórek odbierających elektron i przekazujących już częściowo przetworzoną energię niezbędne są takie pierwiastki jak: żelazo, fosfor i miedź.
Dalszym etapem jest przekazanie energii do chloroplast i uaktywnienie licznych enzymów w wyniku czego rozpoczyna się produkcja cukrów, białek, węglowodanów oraz wszystkich niezbędnych roślinie związków. Na tym etapie roślinie potrzebne są wszystkie makro i mikroelementy jako surowiec budulcowy. Z chloroplast wyprodukowane związki transportowane są do poszczególnych części roślin i tam wykorzystywane do budowy organizmu lub odkładane w formie materiałów zapasowych i substancji o charakterze swoistym (występujących w określonych gatunkach).
Jest to bardzo uproszczony i skrócony opis fotosyntezy, w dalszych rozdziałach temat zostanie rozszerzony a bardziej „dociekliwych” odsyłam do literatury.

Czynniki hamujące proces fotosyntezy.

Istnieje wiele czynników pojawiających się w akwariach, które w sposób bezpośredni lub pośredni utrudniają roślinom wodnym prawidłowy proces fotosyntezy a tym samym intensywny wzrost. Do takich czynników należą:

Zbyt silne oświetlenie, które prowadzi do tak zwanej fotooksydacji chlorofilu – polega to na utlenianiu się chlorofilu, który nie może już spełniać swojej funkcji – zmiany takie są często trwałe, nieodwracalne i prowadzą do śmierci roślin (wypłowienie, wyblaknięcie naturalnego zabarwienia roślin). Przy zbyt silnym oświetleniu fotooksydacja chlorofilu prowadzi również do przemian auksyn w formy nieaktywne hamujące wzrost roślin. (auksyny- patrz rozdział „regulatory wzrostu”)

Zbyt wysoka temperatura wody, która prowadzi do spadku intensywności fotosyntezy w miarę upływu czasu pomimo prawidłowego i utrzymanego na zadanym poziomie oświetlenia.
W takiej sytuacji intensywność fotosyntezy spada tym szybciej im temperatura jest wyższa od optymalnej dla danego gatunku rośliny.

Nadmiar dwutlenku węgla. Po przekroczeniu pewnego stężenia tego gazu, której granicę jest trudno określić posługując się testami określającymi %CO2 również następuje spowolnienie lub zahamowanie fotosyntezy. Zbyt duża ilość CO2 działa toksycznie zarówno na ryby jak i rośliny. Ilość rozpuszczonego w wodzie CO2 w formie gazowej lub kwasu węglowego musi być dostosowana do intensywności światła oraz temperatury; te trzy czynniki są nierozerwalnie ze sobą powiązane.

Niedostatek substancji pokarmowych w zauważalny sposób ogranicza intensywność fotosyntezy i wymianę gazową zmniejszając wydzielanie tlenu przez rośliny.
Uzupełnieniem informacji o czynnikach hamujących fotosyntezę jest rozdział poświęcony chorobom roślin i ryb.
Sposoby poprawienia niekorzystnych warunków w domowym akwarium

W procesie fotosyntezy przy założeniu, że ilość światła oraz dwutlenku węgla jest odpowiednia i stała wyróżnia się trzy punkty określające temperaturę, przy której poszczególne gatunki roślin mogą przeprowadzać fotosyntezę.

Jak rozpoznać kiedy fotosynteza ustaje ?

Liść wybranej rośliny np. paprotnicy lekko skaleczony przy dobrym oświetleniu będzie wydzielał ulatniające się pęcherzyki tlenu; podnosząc temperaturę zaobserwujemy w pewnym momencie brak wydzielania tlenu- to koniec fotosyntezy.
Minimum to początek fotosyntezy, który dla jakiejś rośliny wynosi np. +10 , maksimum np. +20 , w której proces jest najbardziej intensywny oraz koniec fotosyntezy przy temperaturze np. +30 . W okresie letnim temperatura wody w akwarium bardzo często się podnosi na skutek wysokich temperatur w mieszkaniu, samej fotosyntezy, której produktem ubocznym jest ciepło, pracy pomp, filtrów i źródeł światła.
Jak już napisałem mamy tutaj trzy czynniki powiązane z sobą: temperatura, światło i CO2.
W matematyce to X, Y, Z – trzy zmienne. Jeżeli temperatury- X nie można obniżyć to trzeba zmienić wartości Y i Z oznaczające światło i CO2 i może uda się coś wykombinować?.
W rzeczywistości tak właśnie jest z fotosyntezą – aby przesunąć punkt maksimum oraz punkt krytyczny nieco w górę należy zwiększyć w wodzie ilość CO2. Wzrost ilości CO2 zwiększa fotosyntezę tylko przy zwiększonej ilości światła, natomiast przy obniżeniu oświetlenia przy tej samej zawartości CO2 należy obniżyć temperaturę aby przenieść punkt oddychania roślin z maksimum w dół. Zmniejszenie ilości CO2 przesuwa maksimum w dół w kierunku niższej temperatury. Trochę to zawiłe, ale myślę, że kolejne rozdziały pozwolą zrozumieć te zjawiska.
.

Prawidłowe oświetlenie akwarium to również prawidłowy przebieg fotosyntezy a tym samym wspaniały wygląd roślin.