Дыхание представляет собой фундаментальный физиологический процесс метаболизма растений, в ходе которого происходит поглощение кислорода и окисление органических соединений с выделением углекислого газа. Этот процесс характерен для всех живых структур растения — органов, клеток и тканей. Выделяемая при дыхании энергия обеспечивает протекание множества жизненно важных процессов, а её избыток рассеивается в форме тепла. В стандартных условиях ключевым субстратом для дыхания служат углеводы, в первую очередь сахара.
Химическая сущность дыхания
Общую схему превращения веществ в процессе дыхания отражает основное уравнение: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 674 ккал. Это означает, что при окислении сахара кислородом образуются углекислый газ, вода и выделяется значительное количество энергии. Интересно, что образующаяся вода может играть важную роль в выживании растения: в условиях экстремального обезвоживания растение способно использовать эту метаболическую воду для поддержания жизнедеятельности.
Условия и механизмы газообмена
Непрерывный доступ кислорода ко всем частям растения — обязательное условие нормального дыхания. При его временном дефиците растение может переключиться на анаэробный тип дыхания, используя кислород, связанный в собственных соединениях (например, в сахарах). Однако такой режим является энергетически невыгодным и может поддерживаться лишь кратковременно. Длительное кислородное голодание приводит к гибели организма.
Особенно критичен доступ воздуха для корневой системы. На плохо обработанных или переувлажнённых почвах корни страдают от недостатка кислорода, что нарушает процесс поглощения и транспорта воды. Именно поэтому застой воды на полях часто приводит к массовой гибели растений. В ходе эволюции многие водные и болотные растения (например, тростник) выработали специальные адаптации для снабжения корней кислородом: это могут быть система воздушных полостей, специализированная воздухоносная ткань (аэренхима) или даже особые воздушные корни, характерные для некоторых тропических видов.
Факторы, влияющие на интенсивность дыхания
Интенсивность дыхательного процесса оценивают по количеству поглощённого кислорода или выделенного углекислого газа. На неё влияет целый ряд факторов:
- Возраст и тип органа: Наиболее активно дышат молодые, растущие ткани. С возрастом интенсивность процесса снижается. Среди органов листья демонстрируют более высокую дыхательную активность по сравнению со стеблями и корнями.
- Фаза развития: В период цветения усиливается дыхание цветков, тогда как в других органах оно может временно снижаться. Резкий всплеск дыхательной активности наблюдается во время созревания плодов.
- Экологические условия: Теневыносливые растения обычно дышат менее интенсивно, чем светолюбивые. Для растений высокогорий характерно повышенное дыхание. Особенно высокой дыхательной активностью отличаются микроорганизмы, такие как плесневые грибы и бактерии.
Внешние факторы регуляции
Температура оказывает сильное влияние: дыхание усиливается при росте температуры от 5°C до примерно 40°C, после чего резко падает. При понижении температуры процесс замедляется, хотя у зимующих растений его можно обнаружить даже при -20°C. Именно замедление дыхания при температурах 3–5°C лежит в основе методов длительного хранения урожая, позволяя экономить тысячи тонн органического вещества, которое в противном случае было бы израсходовано на дыхание.
Механические повреждения тканей растения, как правило, стимулируют дыхание.
Концентрация углекислого газа в окружающей среде также является регуляторным фактором: повышение содержания CO₂ подавляет дыхание. Этот принцип широко используется в сельскохозяйственной практике: при хранении фруктов, винограда, а также при закладке силоса или сенажа в хранилища иногда нагнетают углекислый газ. Будучи тяжелее воздуха, CO₂ вытесняет его из массы продукта, подавляя дыхание и микробную активность, что предотвращает разогрев и способствует лучшей сохранности.