Ugrás a tartalomhoz

Növénytan

A fény ökológiai jelentősége

A fény ökológiai jelentősége

A földfelszín és a levegő felmelegítésében, az élet fenntartásában és az időjárási jelenségek kialakításában döntő jelentőségű a napsugárzás. Az egyéb energiaforrások, mint pl. a Föld belső hője (geotermikus energia) és a többi bolygó sugárzása elhanyagolható hatással van az előbbi folyamatokra. A napsugárzás részben korpuszkuláris,[1828] részben elektromágneses sugárzás formájában éri el a Földet. A korpuszkuláris sugárzás elektronfelhője a felső légrétegekben elnyelődik, és nem jut el a bioszféráig. A légkör felső határán mérhető sugárzásintenzitás az ún. napállandó vagy szoláris koefficiens. Értéke a Naptól való távolságtól, azaz az évszakoktól függően kismértékben változó: nyáron pl. az északi félgömbön kisebb az átlagosnál, télen viszont nagyobb annál. A szoláris koefficiensnek csupán mintegy fele jut el a Föld felszínére. A többi része elnyelődik vagy visszaverődik. Az elektromágneses sugárzás különböző hullámhossz-tartományokból áll. Az ultraibolya (UV) sugárzás 380 nm-nél kisebb, az infravörös vagy hősugárzás pedig 720 nm-nél nagyobb hullámhosszú. 380-tól 720 nm-ig terjed a látható tartomány. Ez utóbbi a fotoszintetikusan[1829] aktív radiáció (PAR). A zöld növények fő fotoszintetikus pigmentje[1830] - a klorofill - ugyanis csak a látható fényt képes megkötni. A baktériumok fő pigmentje - a bakterioklorofill - viszont a napsugárzás energiájának PAR-on kívül eső sugarait (a 800, a 850 és a 870-890 nm-es hullámhosszúakat) köti meg leghatékonyabban. Az elektromágneses sugárzás alkotói a fentieken kívül még a gamma-, a röntgen- és a rádiósugarak. A Földet érő napsugárzásnak mintegy 44%-a esik a PAR tartományába.

A beérkező sugárzás a Föld felszínén részben visszaverődik, részben elnyelődik és különböző hőátadási folyamatokban (hővezetés, sugárzás, hőáramlás, evaporáció) vesz részt. A visszaverődés mértéke, az ún. reflexiós koefficiens vagy felületi albedó függ a felület fizikai adottságaitól (pl. színétől) és a sugárzás beesési szögétől. Csekély a mély vizek, nagy a friss hó albedója. A növényállományokról visszavert sugárzásban az infravörös és a zöld sugarak aránya nagy, mivel ezeket a fotoszintetikus pigmentek[1831] nem abszorbeálják[1832].

A zöld növények kizárólag a napsugárzást képesek felhasználni anyagcserefolyamataik energiaigényének biztosításához. A növényeket érheti közvetlen (direkt) és szórt (diffúz) fény. Az utóbbi a légkör alkotóiról, illetve más felületekről visszaverődve éri el a növényeket. A direkt és az indirekt fény aránya függ a légkör vastagságától és a benne előforduló apró, diszpergált részecskék (aeroszolok) mennyiségétől. Ennek következtében a földfelszínre jutó direkt fény mennyisége a sarkoktól az Egyenlítő irányában fokozatosan növekszik. A direkt fény a növényre kedvezőtlenebb, mert annak hőmérsékletét nagymértékben megemeli, és kisebb benne a fotoszintézisben[1833] jól hasznosuló narancsvörös és vörös hullámtartomány. A növények a direkt sugárzással szemben aktív helyzetváltoztató mozgással - ún. fototropizmussal - védekeznek. Ökológiai szempontból mindenekelőtt a megvilágítás erősségével, a megvilágítás időtartamával és spektrális összetételével kell foglalkoznunk.

A növények belső felépítését a megvilágítás erőssége nagymértékben befolyásolja. Gyenge megvilágítás mellett a sejtek fala vékonyabb és csökken a szilárdító elemek száma. Vékonyabb és kevesebb rétegű a levelek oszlopos parenchimája, és csökken az erek mennyisége is. A levél ennek következtében vékonyabb lesz. A sejtalkotók közül a kloroplasztiszok gránumozottsága kisebb mértékű, számuk kevesebb, méretük pedig nagyobb lesz. Ezek, illetve az ezzel ellentétes tulajdonságok jellemzik az ún. árnyék- (szkiofiton) és fény- (heliofiton) növényeket. Gyenge megvilágítás mellett a növény etiolálódik,[1834] internódiumai[1835] erősen megnyúlnak.

Gyenge megvilágítás mellett a fotoszintézist[1836] a fotokémiai folyamatok[1837] korlátozzák (limitálják). Ekkor a fényenergia-átalakítás hatásfoka igen magas. Mennél inkább telítődnek a levelek fénnyel, annál nagyobb a nettó fotoszintézis értéke (a nettó fotoszintézis a tiszta szervesanyag-gyarapodás a légzési veszteség levonása után). Erős megvilágítás mellett már a fotoszintézis hatékonysága a CO2 levélbe irányuló, illetve levélen belüli diffúzióját akadályozó fizikai tényezőktől - pl. sztómaellenállás,[1838] belső surlódás, membránon való átjutás nehézségei - függ.

A növény leveleit érő sugárzó energia változás nélkül visszaverődhet, megszűrve, és így színképi összetételében megváltozva továbbhaladhat vagy abszorbeálódhat. Az abszorbeálódott energiának is csupán egy kis része éri el a kloroplasztiszokat és hasznosul a fotoszintézis[1839] folyamatában. Az egész fotoszintézis fényenergia-hasznosítása mindössze 2-3%. A termesztett növényállományok fotoszintézisének hatékonysága 1-2% körüli. Ennek több oka van (pl. a PAR az összes sugárzásnak mindössze 50%-a; a fotoszintetikus apparátus fénykvantum-hasznosítása gyenge hatásfokú; erős megvilágítás mellett fénytelítettség következik be, illetve a rezisztencia-tényezők miatt rosszabb a hatékonyság; az egyes egyedek, illetve szervek az állományon belül alászorult ("szubpesszimum") helyzetben vannak; az idősödő és a beteg asszimiláló szervek szervesanyag-előállítása csekély mértékű; az ökológiai feltételek nem optimálisak). A napfénynek tehát mindössze néhány százaléknyi töredékéből kell az egész földi élővilágnak fenntartania magát. A fényhasznosítás csökkenésében jelentős szerepet tölthet be a levelek porral, pernyével, korommal, hamuval stb. való befedése (pl. cementgyárak, hőerőművek és közlekedési útvonalak közelében). A fotoszintézis hatékonyságát számos légszennyező anyag (pl. hidrogén-fluorid, kén-dioxid, peroxi-acetil-nitrát) közvetlenül, illetve talaj- és vízszennyezés közvetve befolyásolhatja negatív irányban. A CO2-szint megemelkedése viszont számos növényfaj /az ún. C3-as növények/[1840] fotoszintézisét serkentheti, azonos megvilágítási viszonyok mellett. A megkötött fényenergia a fotoszintézis során energiában gazdag szénvegyületekben (mindenekelőtt cukrokban) kötődik meg, majd később döntő mértékben a légzési folyamatok révén használódik fel munkavégzésre.

A különböző növények fotoszintetikus kapacitása között igen nagy eltérések vannak. Optimális feltételek mellett az erőforrások bőségéhez szokott termesztett és gyomnövények sokkal hatékonyabban kötik meg a CO2-t, mint a limitált környezethez adaptálódott fajok (pl. szikes puszták és sivatagok növényei, az árnyéknövények, a hideg égöv és a magas hegyek növényei). A sugárzás intenzitásának fokozódásával a C4-es növények[1841] produktivitása is sokkal erőteljesebben nő, mint a C3-as növényeké[1842]. A fénykompenzációs pont az a fényerősség, amely mellett a képződött szerves anyag pótolja a légzési veszteséget. Hasonló alapon létezik CO2- és hőkompenzációs pont is. A fotoszintézis hatékonyságát a fentiek mellett a rendelkezésre álló víz mennyisége is nagymértékben befolyásolja.

A növény leveleit érő fény erőssége ciklusokhoz kötődően és véletlenszerűen is jelentősen változhat. Ciklusok alatt a napszakos és az évszakos ritmusok értendők. A Föld felszínének eltérő pontjain különböző módon jelentkező ilyen ritmusokhoz a levelek morfológiai és fiziológiai tulajdonságai az evolúció[1843] során alapvetően adaptálódtak, és így azokra genetikai programjuk segítségével megfelelően - de ugyanakkor meglehetősen rugalmatlanul - reagálnak. Az évszakos változásokhoz kapcsolódik pl. a lombhullató fák leveleinek elvesztése akkor, amikor azok amúgyis a legkevésbé képesek fotoszintetikus aktivitásra. Egyes fajok leveleinek napi, megvilágítástól függő helyzetváltoztatása (fototropizmus) is ilyen adaptáció következménye. Az evolúció során kialakult válaszreakció a fény- (heliofiton) és árnyéknövények (szkiofiton) elkülönülése is. Az árnyéknövények a kisebb fényintenzitást jobban hasznosítják, mint a fénynövények, maximális fotoszintetikus produktivitásuk viszont az utóbbiaké alatt marad. Ugyanazon növények fénynek kitett és alászorult levelei (az ún. fény-, illetve árnyéklevelek) között is jelentős különbségek ismerhetők fel.

Más a helyzet azokkal a viszonylag gyors változásokkal, amelyek az időjárással vagy más levelek, illetve növények általi takarással állnak kapcsolatban. Az alulrekedt leveleknek a föléjük helyeződők légáramlatok miatti mozgása gyakran pillanatonként változó környezetet teremt.

A fotoperiodizmus a földrajzi elterjedéssel áll kapcsolatban. Különböző földrajzi környezetben ugyanis a törzsfejlődés során a populációk eltérő nappalhosszúsághoz alkalmazkodtak, és virágzásukat ehhez a megvilágításhosszhoz igazították. Ennek alapján megkülönböztetünk hosszúnappalos, rövidnappalos és a megvilágítás időtartamára közömbös növényeket. A rövidnappalos növények a trópusokról vagy a szubtrópusokról származnak (ahol a megvilágítás hossza napi 12 órához közeli). A mérsékelt égövben élnek a hosszúnappalos növények, amelyek a vegetációs periódus alatt napi 12 óránál jóval hosszabb megvilágítást kapnak. Hosszúnappalos növény pl. a zab, a cukorrépa, a sárgarépa, a rozs, a saláta, a mák, a lucerna, a búza és az árpa . Rövidnappalos pl. a kender, a dália, a csicsóka, a szója, a dohány, a banán, a rizs, a köles és a cirok.

Abrakzab (Avena sativa, Poaceae) bugavirágzata (Turcsányi Gábor felvétele)
Abrakzab (Avena sativa, Poaceae) bugavirágzata (Turcsányi Gábor felvétele)

Sárgarépa (Daucus carota, Umbelliferae) (Turcsányi Gábor felvétele)
Sárgarépa (Daucus carota, Umbelliferae) (Turcsányi Gábor felvétele)

Mák (Papaver somniferum, Papaveraceae) toktermése (Turcsányi Gábor felvétele)
Mák (Papaver somniferum, Papaveraceae) toktermése (Turcsányi Gábor felvétele)

Takarmánylucerna (Medicago sativa, Fabaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)
Takarmánylucerna (Medicago sativa, Fabaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)

Közönséges búza (Triticum aestivum, Poaceae) kalászvirágzata (Turcsányi Gábor felvétele)
Közönséges búza (Triticum aestivum, Poaceae) kalászvirágzata (Turcsányi Gábor felvétele)

Négysoros árpa (Hordeum vulgare, Poaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)
Négysoros árpa (Hordeum vulgare, Poaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)

Vetési kender (Cannabis sativa, Cannabaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)
Vetési kender (Cannabis sativa, Cannabaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)

Kerti dália (Dahlia x hortensis, Compositae) (Turcsányi Gábor felvétele)
Kerti dália (Dahlia x hortensis, Compositae) (Turcsányi Gábor felvétele)

Termesztett banán (Musa x paradisiaca, Musaceae) (Babos Károly felvétele)
Termesztett banán (Musa x paradisiaca, Musaceae) (Babos Károly felvétele)

A napenergia spektrális megoszlása napszakosan és évszakosan is változik. Alacsony napállás mellett több a szórt fény, és a fény gazdagabb vörös sugarakban. A növénytársulás is megváltoztatja a fény színképi összetételét. Az állományok alja rendszerint az átengedett zöld fényben gazdagabb. A vízben élő algák ún. kromatikus adaptációja hosszú törzsfejlődési folyamat eredménye. Létezik ontogenetikus[1844] fényadaptáció is. A magashegyi növények a rövidebb hullámhosz-tartományokhoz és az erősebb UV-sugárzáshoz adaptálódtak. Ezért kevesebb virágúak, sötét színűek, rövidebb internódiumúak[1845] és erősen szőrözöttek .

Pirosodó tárnics (Gentiana purpurea, Gentianaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)
Pirosodó tárnics (Gentiana purpurea, Gentianaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)

Üstökös lobéliafaj (Lobelia sp., Lobeliaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)
Üstökös lobéliafaj (Lobelia sp., Lobeliaceae) (Turcsányi Gábor felvétele)



[1828] A korpuszkuláris sugárzás olyan részecskéket tartalmazó sugárzás, amelyeknek nyugalmi tömege nem nulla.

[1829] A fotoszintézis folyamata során a növény fényenergia felhasználásával szervetlen anyagokból szerveseket állít elő.

[1830] A fotoszintetikus pigmentek a fotoszintézisben közreműködő színanyagok. Közéjük tartoznak pl. a bakterioklorofillok, a klorofillok, a karotinoidok (karotinok, xantofillok) és a fikobilinfestékek (pl. fikoeritrin, fikocián).

[1831] A fotoszintetikus pigmentek a fotoszintézisben közreműködő színanyagok. Közéjük tartoznak pl. a bakterioklorofillok, a klorofillok, a karotinoidok (karotinok, xantofillok) és a fikobilinfestékek (pl. fikoeritrin, fikocián).

[1832] Az abszorpció elnyelést, belső megkötést, míg az adszorpció felületi megkötést jelent.

[1833] A fotoszintézis folyamata során a növény fényenergia felhasználásával szervetlen anyagokból szerveseket állít elő.

[1834] Etiolált hajtások a fény hiányában kifejlődött sárgásfehér, erősen megnyúlt, pikkelyszerű levelekkel borított hajtások (ilyenek keletkeznek pl. a burgonyagumó pincében való kihajtásakor). A növény megzöldüléséhez, vagyis a proplasztiszok kloroplasztiszokká való átalakulásához ugyanis a fény serkentő hatása szükséges.

[1835] Internódiumok a szár csomóit összekötő, leveleket normális esetben nem viselő szártagok.

[1836] A fotoszintézis folyamata során a növény fényenergia felhasználásával szervetlen anyagokból szerveseket állít elő.

[1837] A fotokémiai folyamatok a fény energiájának segítségével végbemenő kémiai folyamatok.

[1838] A sztóma vagy gázcserenyílás a mohák, a harasztok és a virágos növények hajtásának elsődleges bőrszövetén kialakuló, gázcserét (mindenekelőtt szén-dioxid-felvételt és oxigénleadást) biztosító, specializálódott sejtekből álló képlet.

[1839] A fotoszintézis folyamata során a növény fényenergia felhasználásával szervetlen anyagokból szerveseket állít elő.

[1840] A C4-es típusú fotoszintézis a  CO2 megkötésének elsősorban a trópusi fűfélékben (pl. cukornád, kukorica), de más növényekben is előforduló, Calvin-ciklustól eltérő útja. Lényege, hogy a megkötött  CO2 először nem három szénatomos (C3-as), hanem négy szénatomos (C4-es) szerves savakban jelenik meg. Ökológiai jelentősége a fotoszintézis magas hőmérséklet és erős megvilágítás melletti nagyobb hatékonysága. A  CO2-t először 3 szénatomos szerves savakba kötő, leginkább a mérsékelt és hideg égöv alatt elterjedt növények a C3-as, míg az itt leírtak az ún. C4-es növények.

[1841] A C4-es típusú fotoszintézis a  CO2 megkötésének elsősorban a trópusi fűfélékben (pl. cukornád, kukorica), de más növényekben is előforduló, Calvin-ciklustól eltérő útja. Lényege, hogy a megkötött  CO2 először nem három szénatomos (C3-as), hanem négy szénatomos (C4-es) szerves savakban jelenik meg. Ökológiai jelentősége a fotoszintézis magas hőmérséklet és erős megvilágítás melletti nagyobb hatékonysága. A  CO2-t először 3 szénatomos szerves savakba kötő, leginkább a mérsékelt és hideg égöv alatt elterjedt növények a C3-as, míg az itt leírtak az ún. C4-es növények.

[1842] A C4-es típusú fotoszintézis a  CO2 megkötésének elsősorban a trópusi fűfélékben (pl. cukornád, kukorica), de más növényekben is előforduló, Calvin-ciklustól eltérő útja. Lényege, hogy a megkötött  CO2 először nem három szénatomos (C3-as), hanem négy szénatomos (C4-es) szerves savakban jelenik meg. Ökológiai jelentősége a fotoszintézis magas hőmérséklet és erős megvilágítás melletti nagyobb hatékonysága. A  CO2-t először 3 szénatomos szerves savakba kötő, leginkább a mérsékelt és hideg égöv alatt elterjedt növények a C3-as, míg az itt leírtak az ún. C4-es növények.

[1843] Az evolúció szó jelentése: fejlődés. A biológiai evolúció (törzsfejlődés) az élő anyag keletkezése az élettelenből és változatosságának kialakulása a Föld története folyamán.

[1844] Az ontogenetikus szó jelentése: az egyedfejlődéssel kapcsolatos.

[1845] Internódiumok a szár csomóit összekötő, leveleket normális esetben nem viselő szártagok.