MB130P68 Globální změny a trvalá udržitelnost. ZS 2012/2013 Globální změny klimatu a trvale udržitelný rozvoj 2. Biologické principy fotosyntetické produkce rostlin Lubomír Nátr Lubomír Nátr
2. Biologické principy fotosyntetické produkce rostlin Sluneční záření zajišťuje energii a potravu pro vše živé na Zemi. Co zajišťují rostliny pro lidstvo? Jak se tvoří biomasa v rostlinách: Fixace CO2 s využitím energie záření. Sluneční záření: spektrum, vlastnosti, význam pro rostliny, živočichy, člověka. Lubomír Nátr 2009
Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA Lubomír Nátr 2009
Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa FOTOSYNTÉZA The portion of Sun radiation energy fixed in photosynthesis Theoretical maximum: about 11 (22) % Global annual mean: 0,12 % Lubomír Nátr 2009 Why not more?
FOTOSYNTÉZA Jaderné reakce Záření O 2 CO 2 Biomasa Voda N, P. K, Ca, Mg, Kvalita půdy Lubomír Nátr 2009
Všežravci (i lidé) Masožravci Býložravci 0,1 % 1 % 10 % Producenti rostliny = 100 % Lubomír Nátr 2009
CO 2 H 2 O Fotoautotrophy Heterotrophy O 2 Assimilates Lubomír Nátr 2009
Záření (1) Sluneční (300 až 3000 nm) (2) Ultrafialové (<400 nm): A, B, C (3) Fotosynteticky aktivní radiace (FAR, PAR, 400 až 700 nm) (4) Infračervené (>700 nm) Jiné členění: Lubomír Nátr 2009 1 nm = 10-9 m (A) Krátkovlnné (300 až 3000 nm) (B) Dlouhovlnné (> 3000 nm) Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Sluneční záření ovlivňuje rostliny: 1.Přímo: (a) Umožňuje fotosyntézu PAR: 400 až 700 nm (b) Modifikuje velikost a složení struktur UV (<400 nm), PAR, IR (>700 nm) (c) Spoluurčuje rychlost vývoje rostlin Fotoperiodismus (krátký a dlouhý den) (d) Určuje směr růstu (fototropismus) (e) Poškozuje struktury a procesy UV nebo nadměrné celkové záření 1.Nepřímo: Ovlivňuje počasí a klima Země i Lubomír Nátr 2009 mikroklima dané lokality Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
SOLAR CONSTANT SOLÁRNÍ KONSTANTA 1373 W.m -2 ATMOSPHERE/ ATMOSFÉRA Temperate Region / Mírné pásmo: max. 1000 W.m -2 1000 1200 kwh. m -2.yr -1 6 8 kwh.m -2.day -1 EARTH SURFACE / ZEMSKÝ POVRCH
Lubomír Nátr 2009
In our conditions annually Only less than 1% of sun energy is fixed in biomass about 0.5-1 Kg/m2 Used for albedo, heating and evaporation 1kg of biomass contains only 0,5%of energy radiating on canopy
ENERGY IN BIOMASS Annual biomass production 0.5 % Out of total annual sun radiation Production: 1 kg dry mass / 1 m 2 1 kg contains/obsahuje 5 6 kwh
Albedo Albedo is the fraction of solar energy (shortwave radiation) reflected from the Earth back into space
E = h. c / λ E: energie 1 fotonu h: Planckova konstanta (6,626. 10-34 J s) c: rychlost světla ve vakuu (299800 km s -1 ) Λ: vlnová délka (m, 1 m = 1O 9 nm) E A = E N E A : energie 1 kvanta fotonů N: Avogadrovo číslo (6,022. 10 23 mol -1 ) E A420 = 292 kj mol -1 E A680 = 176 kj mol -1 Lubomír Nátr 2009 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Stefanův-Boltzmannův zákon energie záření J = σ. T 4 σ: : Stefanova-Boltzmannova konstanta (5,670. 10-8 W m -2 K -4 ) T: teplota v kelvinech (273,15 o C ) Roste-li teplota tělesa, intenzita záření velmi rychle vzrůstá a jeho spektrum se posouvá k vyšším frekvencím. Lubomír Nátr 2009 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Wienův zákon posuvu Λ = 3,6. 10 6 (nm K) / T(K) maxt T: teplota v kelvinech (pro maximum energie, konstanta = 2,9. 10 6 nm K) Λ max5800 = 620 nm Λ max290 = 12400 nm Každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní 0 (T = 0 K = -273,15 o C), vydává záření, jehož složení závisí na teplotě tělesa. Největší počet emitovaných kvant (oblast s maximální hustotou toku fotonů) má vlnovou délku (λ max, ), pro kterou platí vztah daný Wienovým zákonem posunu pro maximální hustotu toku fotonů: Slunce má na povrchu teplotu 5800 K a maximální hustota toku fotonů leží v oblasti kolem 620 nm. Slunce vydává maximum energie v oblasti kolem 500 nm. Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké Lubomír fakulty Nátr 2009 Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Slunce má na povrchu teplotu 5800 K a maximální hustota toku fotonů leží v oblasti kolem 620 nm. Tok fotonů 160x10 21 140x10 21 120x10 21 100x10 21 80x10 21 60x10 21 1000 K 2000 K 3000 K 4000 K 5000 K 6000 K 40x10 21 20x10 21 0 0,0 200,0x10-9 400,0x10-9 600,0x10-9 800,0x10-9 1,0x10-6 1,2x10-6 Vlnová délka 1,4x10-6 1,6x10-6 1,8x10-6 Lubomír Nátr 2009 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Kelvin Wm -2 nm 0,0000 0,0000 25,0000 0,0221 116000,0000 50,0000 0,3544 58000,0000 100,0000 5,6700 29000,0000 200,0000 90,7200 14500,0000 300,0000 459,2700 9666,6667 400,0000 1451,5200 7250,0000 500,0000 3543,7500 5800,0000 1000,0000 56700,0000 2900,0000 2000,0000 907200,0000 1450,0000 3000,0000 4592700,0000 966,6667 4000,0000 14515200,0000 725,0000 5000,0000 35437500,0000 580,0000 6000,0000 73483200,0000 483,3333 Katedra fyziologie rostlin Přírodovědecké Lubomír fakulty Nátr 2009 Univerzity Karlovy. Lubomír Nátr
Lubomír Nátr 2009
Dopadající sluneční záření (100%) Odražené sluneční záření (15%) Záření pohlcené listem (75%) Procházející sluneční záření (15%) Lubomír Nátr 2009
List, chloroplast, tylakoidní membrána Fotosyntéza Lubomír Nátr 2009
Energetická bilance listu (rostliny, porostu) Infračervené záření Lubomír Nátr 2009
Záření (světlo) Fotosyntéza: obecný přehled Zdroj e - a H + H 2 O, H 2 S aj. Substráty CO 2, NO 3- aj. Lawlor, 1993, uprav. Růst Absorpce pigmenty Přenos energie e - H + Odpad O 2, S Biochemie e - H + Přeměna energie zářivá chemická ADP+P i Přenos e - H + ATP Lubomír Nátr 2009 Donor e - Redukovaný akceptor (NADPH) Oxidovaný akceptor (NADPH)
Lubomír Nátr 2009
O 2 3C rubisco RuBP 5C 2C CO 2 Fotorespirace: pohlcování O 2 a výdej CO 2 Lubomír Nátr 2009
CO 2 3C PEPc 4C 4C rubisco 1C (CO 2 ) Buňky mezofylu 5C Lubomír Nátr 2009 Buňky parenchymatických pochev svazků cévních
CO 2 3C PEPc4C Buňky mezofylu 5 C 4C rubi sco 1C (CO 2 ) Buňky parenchymatických pochev svazků cévních Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2009
Lubomír Nátr 2008
Rice Potato Sugar beet Cassava Barley Batate Soybean Oil plame Tomato Sorghum Orange Cabbage Coconut Bananas Bean Carrot Capsicum Lettuce Peas Lentil 600 500 400 300 200 100 P Wheat Maize 0 Production in 1996 (10 6 t)
Lubomír Nátr 2008