Введение

Научное исследование влияния света на живые организмы. Фотобиология – это научное исследование полезных и вредных взаимодействий света (технически, неионизирующего излучения) в живых организмах. Эта область включает изучение фотофизики, фотохимии, фотосинтеза, фотоморфогенеза, зрительного восприятия, циркадных ритмов, фотодвижения, биолюминесценции и воздействия ультрафиолетового излучения. Граница между ионизирующим и неионизирующим излучением обычно определяется как энергия фотона, превышающая 10 эВ, что приблизительно соответствует первой энергии ионизации кислорода и энергии ионизации водорода, около 14 эВ. Когда фотоны взаимодействуют с молекулами, последние могут поглощать энергию фотонов и переходить в возбужденное состояние. Затем они могут реагировать с окружающими молекулами, вызывая "фотохимические" и "фотофизические" изменения в молекулярных структурах. == Данная область фотобиологии фокусируется на физических взаимодействиях света и вещества. Когда молекулы поглощают фотоны, соответствующие их энергетическим требованиям, валентный электрон переходит из основного состояния в возбужденное, и молекула становится значительно более реакционноспособной. Это чрезвычайно быстрый, но важный процесс для различных явлений. == Эта область фотобиологии изучает реакционную способность молекулы при поглощении энергии света, а также судьбу этой энергии – она может высвобождаться в виде тепла или флуоресценции, возвращая молекулу в основное состояние. Существует три основных закона фотохимии: 1) Первый закон фотохимии: для протекания фотохимической реакции необходимо поглощение света. 2) Второй закон фотохимии: каждая поглощенная фотон активирует только одну молекулу. 3) Закон взаимности Бунзена-Роско: энергия в конечных продуктах фотохимической реакции прямо пропорциональна общей энергии, первоначально поглощенной системой.

Фотобиологические растения

Рост и развитие растений сильно зависят от света. Фотосинтез – один из важнейших биохимических процессов для жизни на Земле, и он возможен лишь благодаря способности растений использовать энергию фотонов и преобразовывать её в такие молекулы, как NADPH и ATP, для последующей фиксации углекислого газа и превращения его в сахара, которые растения используют для своего роста и развития. Однако фотосинтез – не единственный процесс в растениях, зависящий от света; другие процессы, такие как фотоморфогенез и фотопериодизм растений, крайне важны для регуляции вегетативного и репродуктивного роста, а также для производства вторичных метаболитов растений.

Фотосинтез

Фотосинтез определяется как серия биохимических реакций, которые фототрофные клетки осуществляют для преобразования энергии света в химическую энергию и сохранения ее в углерод-углеродных связях углеводов. Как широко известно, этот процесс происходит внутри хлоропластов фотосинтезирующих растительных клеток, где светопоглощающие пигменты находятся в мембранах структур, называемых тилакоидами. PAR измеряется в мкмоль с⁻¹ м⁻² и определяет скорость и интенсивность фотосинтетически активного излучения в микромолях на единицу площади и времени, которое растения могут использовать для фотосинтеза.

Фотобиологически активная радиация (PBAR)

Фотобиологически активная радиация (PBAR) — это диапазон световой энергии, включающий в себя и выходящий за пределы PAR. Фотобиологический фотонный поток (PBF) — это величина, используемая для измерения PBAR.

Фотоморфогенез

Этот процесс относится к развитию морфологии растений, которое опосредовано светом и контролируется 5 различными фоторецепторами: UVR8, криптохром, фототропин, фитохром r и фитохром fr. Свет может контролировать морфогенные процессы, такие как размер листьев и удлинение побегов. Различные длины волн света вызывают различные изменения в растениях. Например, красный и дальний красный свет регулируют рост стебля и выпрямление саженцев, пробивающихся из земли. Некоторые исследования также утверждают, что красный и дальнокрасный свет увеличивают массу корней помидоров, а также процент укоренения виноградных растений. С другой стороны, синий и ультрафиолетовый свет регулируют прорастание и удлинение растений, а также другие физиологические процессы, такие как контроль устьиц и реакции на экологический стресс. Наконец, ранее считалось, что растения не воспринимают зеленый свет из-за отсутствия пигментов, способных его поглощать. Однако в 2004 году было обнаружено, что зеленый свет может влиять на активность устьиц, удлинение стебля молодых растений и расширение листьев.

Вторичные метаболиты растений

Эти соединения – это химические вещества, которые растения вырабатывают в ходе своих биохимических процессов и помогают им выполнять определенные функции, а также защищаться от различных факторов окружающей среды. В частности, некоторые метаболиты, такие как антоцианы, флавоноиды и каротины, могут накапливаться в тканях растений для защиты от ультрафиолетового излучения и чрезмерно высокой интенсивности света.