Asymilacja światła przez rośliny wodne (fotosynteza i barwniki roślin)

Procesy asymilacyjne

Barwniki asymilacyjne

Przystosowania do wykorzystywania światła u roślin wodnych idą w dwóch kierunkach: przystosowań fizjologicznych w stosunku do zmieniającej się jakości promieni oraz przystosowania do zmniejszonej ilości światła.

U roślin lądowych najczęściej występujące barwniki asymilacyjne to:
chlorofil a i b, β-karoten oraz ksantofil.

Rośliny wodne posiadają te same barwniki, jednak w innych stosunkach ilościowych, ponadto w roślinach wodnych występują barwniki, których brak u roślin lądowych.

Rośliny sinozielone zawierające barwnik fikocyjaninę szczególnie silnie wykorzystują czerwone światło, natomiast czerwono zabarwione rośliny zawierające fikoerytrynę lepiej wykorzystują promienie o krótkich falach (zielononiebieskie) (Bernatowicz i Wolny, 1974).

U roślin wodnych istnieje ścisła zależność między ilością chlorofilu a głębokością występowania. Wraz z nią chlorofil coraz mniej racjonalnie spełnia zadanie barwnika absorbującego promienie świetlne, gdyż promienie czerwone, które wchłania, stopniowo zanikają. Rośliny przystosowują się wtedy do korzystania z zielonych promieni przenikających w głąb wody.

Jednym z przystosowań jest zwiększenie produkcji chlorofilu przejawiające się intensywniejszą barwą roślin rosnących na głębszych poziomach wody. Kolejne równie ważne przystosowanie – zwiększenie ilości chlorofilu b, który wykazuje większą zdolność absorpcji promieni o średniej długości fali (w porównaniu z chlorofilem a) – czyli obniżenie stosunku chlorofilu a do chlorofilu b w głębokiej wodzie, do której przenikają tylko zielone promienie.

Dodatkowo przepuszczalność świetlna liści roślin wodnych, których grubość nie przekracza jednej do trzech warstw komórek jest wielokrotnie wyższa od przepuszczalności liści roślin lądowych. Przystosowanie roślin wód słodkowodnych do ilości, światła ma tutaj znacznie większe znaczenie niż przystosowanie do jego barwy.

Dobowa intensywność asymilacji

Intensywność asymilacji jest proporcjonalna do intensywności światła.

W kwestii tej można stwierdzić daleko idącą zgodność ze zmianami intensywności światła, przy czym formy światłolubne (np. Elodea) lepiej wykorzystują silne promieniowanie w godzinach południowych od form cieniolubnych (np. Utricularia intermedia).

Na wielkość asymilacji ma wpływ postać rośliny. Doświadczenia prowadzone na trzech gatunkach rdestnicy o różnym kształcie liści wykazały, że liście całobrzegie (rdestnica połyskująca – Potamogeton lucens) wykazują najmniejszą asymilację; rdestnica gęsta (Potamogeton densus) – o liściach równowąskich – ma krzywą dobową asymilacji przebiegającą nieco wyżej; rdestnica o liściach pociętych na drobne nitki – rdestnica nitkowata (Potamogeton filiformis) – wykazuje największą zdolność asymilacyjną (Bernatowicz i Wolny, 1974). Rozczłonkowanie blaszki liściowej wpływa tu dodatnio na wykorzystywanie silnego promieniowania.

Różnorakie źródła informują, że maksimum asymilacji roślin submersyjnych przypada na godzinę 12-14 – związane jest to z kątem padanie promieni słonecznych, który w tych godzinach jest najwyższy, dzięki czemu więcej promieni dociera do głębszych warstw pod powierzchnią wody.

Fotosynteza

Natężenie fotosyntezy uzależnione jest od działania wielu czynników, przy czym zgodnie z prawem Leibiega jeden może ograniczać szybkość całego procesu.

Jak wynika z doświadczeń prowadzonych przez Pedersena (1999) okazuje się, że tak jak dla roślin lądowych w przypadku roślin wodnych więcej niż jeden czynnik może mieć charakter limitujący w stosunku do fotosyntezy (światło i dostęp dwutlenku węgla). W warunkach naturalnych fotosynteza polega ciągłym wahaniom, np. przy niedoborze dwutlenku węgla czy węglanów roślina nie może wykorzystać odpowiednich warunków termicznych czy świetlnych.

Fizjolodzy wyznaczają dla roślin tzw. punkt kompensacyjny, tj. punkt w zmieniającej się stopniowo intensywności światła, w którym asymilacja jest tak niska, że pokrywa jedynie zapotrzebowanie roślin na oddychanie. Na przykład w jeziorze humusowym warstwa kompensacyjna znajduje się już na głębokości od 0 do 1m i w tych wodach rośliny autotroficzne przeżywają jedynie w najżyźniejszej 1-metrowej warstwie wody (Bernatowicz i Wolny, 1974).

Punkt kompensacyjny roślin cieniolubnych zostaje osiągnięty przy niższym natężeniu światła niż w przypadku rośliny światłolubnej. Dolna granica intensywności światła, przy której rozpoczyna się asymilacja wynosi ok. 20 luksów.

Rośliny wodne reagują specyficznie na skład widma światła przenikającego pod powierzchnię wody. Przy nadmiarze światła pomarańczowego i jasnoczerwonego mają one tendencję do wydłużania międzywęźli, natomiast w przypadku nadmiaru promieni niebieskich i fioletowych (przy dużym niedoborze światła pomarańczowego) – mają tendencję do „płożenia” się na dnie.

Zbyt wysokie natężenie światła objawia się tym, że rośliny nie osiągają właściwych rozmiarów, rozety ulegają zwarciu a ogonki liściowe wyraźnemu skróceniu. Bardzo często występuje nadmiar barwy czerwonej, nawet u tych gatunków, które jej normalnie nie posiadają – związane jest to z produkcją antocyjanów, których rolą jest ochrona niżej położonych barwników chlorofilowych (antocyjanom przypisuje się rolę ochronną przed promieniowaniem nadfioletowym gdyż wiele z nich ma zdolność absorbowania światła w zakresie nadfioletu – Kopcewicz, 2002).

Niedobór oświetlenia objawia się osłabieniem lub całkowitym zanikiem barwy czerwonej, która występuje u wielu roślin podwodnych naturalnie. Liście ulegają skarleniu, a u gatunków łodygowych obserwuje się utratę liści w dolnych partiach łodygi. Poza tym zakłócana jest intensywność barw, określana w ogrodnictwie jako „wypłonienie”.