Фотобиология
Фотобиология — это научное исследование полезных и вредных взаимодействий света (технически неионизирующего излучения ) в живых организмах . [1] Область включает изучение фотофизики, фотохимии, фотосинтеза , фотоморфогенеза , обработки изображений , циркадных ритмов , фотодвижения, биолюминесценции и эффектов ультрафиолетового излучения. [2]
Разделением между ионизирующим излучением и неионизирующим излучением обычно считается энергия фотона, превышающая 10 эВ. [3] что примерно соответствует как первой энергии ионизации кислорода, так и энергии ионизации водорода около 14 эВ. [4]
Когда фотоны вступают в контакт с молекулами, эти молекулы могут поглощать энергию фотонов и возбуждаться. Тогда они смогут реагировать с окружающими их молекулами и стимулировать « фотохимические » и «фотофизические» изменения молекулярных структур. [1]
Фотофизика [5] [ редактировать ]
Эта область фотобиологии фокусируется на физическом взаимодействии света и материи. Когда молекулы поглощают фотоны, соответствующие их энергетическим потребностям, они переводят валентный электрон из основного состояния в возбужденное состояние и становятся намного более реактивными. Это чрезвычайно быстрый процесс, но очень важный для разных процессов. [5]
Фотохимия [6] [ редактировать ]
Эта область фотобиологии изучает реакционную способность молекулы, когда она поглощает энергию света. Он также изучает, что происходит с этой энергией: она может выделяться в виде тепла или флуоресценции, поэтому молекула возвращается в основное состояние.
Существуют 3 основных закона фотохимии:
1) Первый закон фотохимии. Этот закон объясняет, что для возникновения фотохимии необходимо поглощение света.
2) Второй закон фотохимии. Этот закон объясняет, что только одна молекула будет активирована каждым поглощенным фотоном.
3) Закон взаимности Бунзена-Роско. Этот закон объясняет, что энергия конечных продуктов фотохимической реакции будет прямо пропорциональна общей энергии, первоначально поглощенной системой.
растений Фотобиология
Рост и развитие растений во многом зависят от света . Фотосинтез — один из наиболее важных биохимических процессов для жизни на Земле, и он возможен только благодаря способности растений использовать энергию фотонов и преобразовывать ее в молекулы, такие как НАДФН и АТФ , чтобы затем фиксировать углекислый газ и превращать его в сахара, которые растения могут использовать для своего роста и развития. [7] Но фотосинтез — не единственный процесс растений, управляемый светом. Другие процессы, такие как фотоморфология и фотопериод растений , чрезвычайно важны для регуляции вегетативного и репродуктивного роста, а также производства вторичных метаболитов растений . [8]
Фотосинтез [ править ]
Фотосинтез определяется как серия биохимических реакций, которые фототрофные клетки выполняют для преобразования энергии света в химическую энергию и сохранения ее в углерод-углеродных связях углеводов . [9] Как широко известно, этот процесс происходит внутри хлоропластов фотосинтезирующих растительных клеток, где светопоглощающие пигменты находятся в мембранах структур, называемых тилакоидами . [9] присутствуют два основных пигмента В фотосистемах высших растений : хлорофилл (а или б) и каротины . [7] Эти пигменты организованы таким образом, чтобы максимизировать прием и передачу света, и они поглощают волны определенной длины , увеличивая количество света, которое можно уловить и использовать для фотоокислительно -восстановительных реакций . [7]
Фотосинтетически активная радиация (ФАР) [ править ]
Из-за ограниченного количества пигментов в фотосинтетических клетках растений существует ограниченный диапазон длин волн, которые растения могут использовать для фотосинтеза. Этот диапазон называется «Фотосинтетически активная радиация (ФАР)». Интересно, что этот диапазон почти такой же, как видимый спектр человека, и простирается на длины волн примерно от 400 до 700 нм. [10] ФАР измеряется в мкмоль с. −1 м −2 и он измеряет скорость и интенсивность лучистого света в микромоль на единицу площади поверхности и время, которое растения могут использовать для фотосинтеза. [11]
Фотобиологически активное излучение (ФБАР) [ править ]
Фотобиологически активное излучение (PBAR) представляет собой диапазон световой энергии, выходящий за пределы PAR и включающий его . Фотобиологический поток фотонов (PBF) — это показатель, используемый для измерения PBAR.
Фотоморфогенез [ править ]
Этот процесс относится к развитию морфологии растений, которая опосредована светом и контролируется пятью различными фоторецепторами: UVR8, криптохромом, фототропином, фитохромом r и фитохромом fr. [12] Свет может контролировать морфогенетические процессы, такие как размер листьев и удлинение побегов.
Разные длины волн света вызывают разные изменения в растениях. [13] Например, свет от красного до дальнего красного регулирует рост стебля и выпрямление побегов рассады, выходящих из земли. [14] Некоторые исследования также утверждают, что красный и дальний красный свет увеличивает укореняемую массу томатов. [15] а также процент укореняемости виноградных растений. [16] С другой стороны, синий и УФ-свет регулируют прорастание и удлинение растения, а также другие физиологические процессы, такие как контроль устьиц. [17] и реакции на экологический стресс. [18] Наконец, считалось, что зеленый свет недоступен растениям из-за отсутствия пигментов, поглощающих этот свет. Однако в 2004 году было обнаружено, что зеленый свет может влиять на активность устьиц, удлинение стебля молодых растений и расширение листьев. [19]
растений Вторичные метаболиты
Эти соединения представляют собой химические вещества, которые растения производят в рамках своих биохимических процессов и помогают им выполнять определенные функции, а также защищать себя от различных факторов окружающей среды. В этом случае некоторые метаболиты, такие как антоцианы, флавоноиды и каротины, могут накапливаться в тканях растений, защищая их от УФ-излучения и очень высокой интенсивности света. [20]
Фотобиологи [ править ]
- Томас Патрик Кухилл , бывший президент Американского общества фотобиологии
- Гарольд Ф. Блюм , исследовавший рак кожи , вызванный солнечным светом.
- Пол Берт , пионер фотобиологии 1878 года.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б Смит, Кендрик К. (2014). «Что такое фотобиология?» . Проверено 2 августа 2018 г.
- ^ Смит, Кендрик (8 марта 2013 г.). Наука фотобиология . Springer Science & Business Media. ISBN 9781461580614 .
- ^ Роберт Ф. Кливленд-младший; Джерри Л. Ульчек (август 1999 г.). «Вопросы и ответы о биологических эффектах и потенциальных опасностях радиочастотных электромагнитных полей» (PDF) (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: Федеральная комиссия по связи OET (Управление инженерии и технологий). Архивировано (PDF) из оригинала 20 октября 2011 г. Проверено 2 августа 2018 г.
- ^ Джим Кларк (2000). «Энергия ионизации» . Архивировано из оригинала 26 ноября 2011 г. Проверено 2 августа 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Основы фотофизики» . photobiology.info . Проверено 24 ноября 2019 г.
- ^ «ОСНОВНАЯ ФОТОХИМИЯ» . photobiology.info . Проверено 24 ноября 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Эйххорн Билодо, Сэмюэл; Ву, Бо-Сен; Руфьикири, Анн-Софи; Макферсон, Сара; Лефсруд, Марк (29 марта 2019 г.). «Обновленная информация о фотобиологии растений и ее последствиях для производства каннабиса» . Границы в науке о растениях . 10 : 296. дои : 10.3389/fpls.2019.00296 . ISSN 1664-462X . ПМК 6455078 . ПМИД 31001288 .
- ^ Лефсруд, Марк Г.; Копселл, Дин А.; Сэмс, Карл Э. (декабрь 2008 г.). «Излучение светодиодов с различной длиной волны влияет на вторичные метаболиты капусты» . ХортСайенс . 43 (7): 2243–2244. дои : 10.21273/hortsci.43.7.2243 . ISSN 0018-5345 .
- ^ Перейти обратно: а б Купер, Джеффри М. (2018). Клетка: молекулярный подход . ISBN 9781605357072 . OCLC 1085300153 .
- ^ МакКри, KJ (январь 1971 г.). «Спектр действия, поглощение и квантовый выход фотосинтеза сельскохозяйственных растений». Сельскохозяйственная метеорология . 9 : 191–216. дои : 10.1016/0002-1571(71)90022-7 . ISSN 0002-1571 .
- ^ Янг, Эндрю Джон (декабрь 1991 г.). «Фотозащитная роль каротиноидов у высших растений». Физиология Плантарум . 83 (4): 702–708. дои : 10.1034/j.1399-3054.1991.830426.x . ISSN 0031-9317 .
- ^ Покок, Тесса (сентябрь 2015 г.). «Светодиоды и модуляция специальных культур: светочувствительные и сигнальные сети в растениях» . ХортСайенс . 50 (9): 1281–1284. дои : 10.21273/hortsci.50.9.1281 . ISSN 0018-5345 .
- ^ Скандола, доктор философии, Сабина. «Фотобиология: свет для растений имеет значение» . Оптика Г2В.
- ^ Макнеллис, Тимоти В.; Дэн, Син-Ван (ноябрь 1995 г.). «Световой контроль морфогенетического рисунка проростков» . Растительная клетка . 7 (11): 1749–1761. дои : 10.2307/3870184 . ISSN 1040-4651 . JSTOR 3870184 . ПМК 161035 . ПМИД 8535132 .
- ^ Ву, Нгок-Танг; Ким, Ён-Шик; Канг, Хо-Мин; Ким, Иль Соп (февраль 2014 г.). «Влияние кратковременного облучения в пред- и послепрививочный период на приживаемость и качество рассады томата». Садоводство, окружающая среда и биотехнология . 55 (1): 27–35. дои : 10.1007/s13580-014-0115-5 . ISSN 2211-3452 . S2CID 16250222 .
- ^ Пудель, Пуспа Радж; Катаока, Икуо; Мотиока, Рёске (30 ноября 2007 г.). «Влияние красных и синих светодиодов на рост и морфогенез винограда». Культура растительных клеток, тканей и органов . 92 (2): 147–153. дои : 10.1007/s11240-007-9317-1 . ISSN 0167-6857 . S2CID 24671493 .
- ^ Шварц, А.; Зейгер, Э. (май 1984 г.). «Метаболическая энергия открытия устьиц. Роль фотофосфорилирования и окислительного фосфорилирования». Планта . 161 (2): 129–136. дои : 10.1007/bf00395472 . ISSN 0032-0935 . ПМИД 24253600 . S2CID 12539218 .
- ^ Гойнс, Джорджия; Йорио, Северная Каролина; Санво, ММ; Браун, CS (1997). «Фотоморфогенез, фотосинтез и урожайность семян растений пшеницы, выращенных под красными светодиодами (светодиодами) с дополнительным синим освещением и без него» . Журнал экспериментальной ботаники . 48 (7): 1407–1413. дои : 10.1093/jxb/48.7.1407 . ISSN 0022-0957 . ПМИД 11541074 .
- ^ Фолта, Кевин М. (июль 2004 г.). Зеленый свет стимулирует раннее удлинение стебля, противодействуя светоопосредованному ингибированию роста1 . Американское общество биологов растений. OCLC 678171603 .
- ^ Деммиг-Адамс, Барбара. (22 ноября 2014 г.). Нефотохимическое тушение и диссипация энергии у растений, водорослей и цианобактерий . ISBN 978-94-017-9032-1 . OCLC 1058692723 .
