Фотосинтез наоборот: что растения делают ночью

Ночью растение переходит в режим клеточного дыхания: расщепляет накопленные за световой день органические вещества и извлекает из них энергию. Основной субстрат для дыхания — крахмал, отложенный в хлоропластах в течение дня и постепенно расщепляемый до сахаров ночью; также используются сахароза и другие запасённые соединения. Этот процесс идёт в каждой живой клетке — от листа до корня. Продукты реакции — углекислый газ, вода и молекулы АТФ, которые клетка расходует на все свои нужды.

Клеточное дыхание — это не то же самое, что дыхание лёгкими. Это химическая реакция окисления органических веществ внутри клетки. Растение расщепляет запасённые сахара контролируемо, шаг за шагом, высвобождая энергию порциями.

Днём главные рабочие органеллы листа — хлоропласты: именно в них идут световая фаза и цикл Кальвина. Ночью хлоропласты простаивают, а эстафету перехватывают митохондрии. Они расщепляют сахара через цепочку биохимических реакций и синтезируют АТФ.

Для клеточного дыхания нужен кислород — и ночью растение получает его в основном из атмосферы через устьица листа и через чечевички — небольшие отверстия на стеблях и корнях, которые дополняют газообмен у подземной и наземной частей растения. Небольшое количество кислорода, оставшегося в межклетниковых пространствах после дневного фотосинтеза, тоже может использоваться в первые часы темноты, но эта доля незначительна: объём газа в тканях листа мал по сравнению с суточной потребностью дыхания, а межклетниковый воздух быстро выравнивается с атмосферным.

Устьица при этом ведут себя неоднозначно. Чтобы сократить потерю воды, они закрываются с наступлением темноты. Кислород проникает сквозь поверхность листа, и даже закрытые устьица не делают лист полностью герметичным, поэтому газообмен полностью не прекращается.

Фотосинтез строит органические вещества из углекислого газа и воды, используя энергию света. Клеточное дыхание разрушает эти вещества и высвобождает запасённую энергию.

Ещё одно различие — место действия. Фотосинтез идёт только в клетках с хлоропластами, то есть преимущественно в листьях. Клеточное дыхание происходит в каждой живой клетке растения — в корнях, стеблях, лепестках и листьях одновременно.

Фотосинтез состоит из двух фаз. В световой фазе хлорофилл поглощает фотоны и использует их энергию для расщепления воды и синтеза АТФ и НАДФН — молекул-переносчиков энергии. Без света эта фаза невозможна физически: нет фотонов — нет реакции.

Темновая фаза, известная как цикл Кальвина, формально не требует света, но работает только на молекулах АТФ и НАДФН, произведённых в световой фазе. Запас этих молекул заканчивается быстро, и цикл Кальвина останавливается вслед за световой фазой.

Если растение лишить света на несколько дней, оно продолжит дышать — и продолжит тратить запасы органических веществ. Пополнять их будет нечем, так как нельзя запустить процесс фотосинтеза. Постепенно резервы в клетках истощаются, рост прекращается, листья желтеют.

Скорость этого процесса зависит от вида растения и объёма накопленных резервов. Суккуленты продержатся дольше, чем быстрорастущие травянистые виды, — у них больше запасных органических веществ.

У большинства растений логика простая: днём фотосинтез, ночью дыхание. Но у части видов эволюция выстроила иную схему — и именно она объясняет, почему кактус выживает там, где другие растения гибнут от жары.

Как работает ночной режим кактуса

CAM-растения — кактусы, алоэ, агавы и другие суккуленты — открывают устьица ночью, когда температура падает и испарение воды минимально. В это время они поглощают углекислый газ и запасают его в виде органических кислот. Днём устьица закрыты, что позволяет не терять влагу в жару. Накопленный ночью углекислый газ высвобождается из кислот и поступает в хлоропласты для фотосинтеза — уже без необходимости открывать устьица.

Ночной газообмен у CAM-растений устроен сложнее, чем у обычных видов. Часть углекислого газа, который выделяется при клеточном дыхании, может снова фиксироваться теми же клетками и включаться в цикл накопления кислот. В условиях экстремальной засухи CAM-растения переходят в режим CAM на холостом ходу, когда устьица закрыты круглосуточно, и тогда газообмен практически прекращается.

Миф о ночном кислороде и растениях в спальне

Распространено мнение, что алоэ вера и сансевиерия «выделяют кислород ночью» и поэтому полезны в спальне. Это научный миф.

CAM-растения имеют иную схему газообмена: ночью они поглощают CO₂, а не выделяют его, как обычные виды. Это создаёт впечатление обратного процесса. Однако эффект на состав воздуха в комнате ничтожен: одного горшка недостаточно, чтобы заметно изменить баланс газов. CAM-растения можно держать в спальне, но не потому, что они выделяют кислород ночью, а просто потому, что они так же безопасны, как и любые другие комнатные растения.

У многих видов именно в ночные часы клетки активно растягиваются и удлиняются за счёт тургорного давления, поэтому побеги заметно прибавляют в длине за одну ночь; синтез белков и липидов при этом идёт непрерывно и днём, и ночью. Скорость и время суток, на которые приходится основной рост, различаются у разных видов и зависят от их суточных ритмов.

Интенсивность дыхательного процесса при этом не остаётся постоянной.

Причём температура объясняет меньше половины суточных колебаний дыхания: остальное определяется внутренними биологическими факторами, которые учёные продолжают изучать.

Обычные комнатные растения действительно выделяют углекислый газ в темноте, но его количество ничтожно мало по сравнению с объёмом воздуха в обычной комнате. Спящий человек выдыхает на порядки больше CO₂, чем выделяет среднее растение за ту же ночь.

Несколько горшков в спальне не создадут заметного дефицита кислорода при нормальной вентиляции. Утверждение о том, что растения крадут кислород ночью, — устойчивый миф.

Ночью фотосинтез останавливается, а клеточное дыхание продолжается: растение поглощает кислород и выделяет углекислый газ, расходуя запасённые за день органические вещества. CAM-растения работают иначе — запасают углекислый газ ночью и используют его для фотосинтеза днём, но кислород выделяют только при свете. Ночь для растения — время роста и восстановления у многих видов, а дыхательный процесс в темноте постепенно замедляется к рассвету, подчиняясь внутренним биологическим ритмам.