Η επίδραση της θερμοκρασίας στο ρυθμό της φωτοσύνθεσης

Η φωτοσύνθεση είναι μια από τις πιο αξιοσημείωτες βιοχημικές διεργασίες που βρέθηκαν στη Γη και επιτρέπει στα φυτά να χρησιμοποιούν το ηλιακό φως για να φτιάξουν τρόφιμα από νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Απλά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν από επιστήμονες δείχνουν ότι ο ρυθμός φωτοσύνθεσης εξαρτάται κρίσιμα από μεταβλητές όπως η θερμοκρασία, το pH και η ένταση του φωτός. Ο φωτοσυνθετικός ρυθμός μετράται συνήθως έμμεσα ανιχνεύοντας την ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που απελευθερώνεται από τα φυτά.

Η φωτοσύνθεση ορίζει τη διαδικασία με την οποία τα φυτά και ορισμένα βακτήρια παράγουν γλυκόζη. Οι επιστήμονες συνοψίζουν τη διαδικασία ως εξής: χρησιμοποιώντας ηλιακό φως, διοξείδιο του άνθρακα + νερό = γλυκόζη + οξυγόνο. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε ειδικές δομές που ονομάζονται χλωροπλάστες που βρίσκονται στα κύτταρα των φύλλων. Οι βέλτιστοι φωτοσυνθετικοί ρυθμοί οδηγούν στην απομάκρυνση μεγαλύτερων ποσοτήτων διοξειδίου του άνθρακα από την τοπική ατμόσφαιρα, παράγοντας μεγαλύτερες ποσότητες γλυκόζης. Δεδομένου ότι τα επίπεδα γλυκόζης στα φυτά είναι δύσκολο να μετρηθούν, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την ποσότητα αφομοίωσης διοξειδίου του άνθρακα ή την απελευθέρωσή της ως μέσο για τη μέτρηση των φωτοσυνθετικών ρυθμών. Κατά τη διάρκεια της νύχτας, για παράδειγμα, ή όταν οι συνθήκες δεν είναι πρωταρχικές, τα φυτά απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα. Οι μέγιστοι φωτοσυνθετικοί ρυθμοί διαφέρουν μεταξύ των ειδών των φυτών, αλλά οι καλλιέργειες όπως ο αραβόσιτος μπορούν να επιτύχουν διοξείδιο του άνθρακα ποσοστά αφομοίωσης τόσο υψηλά όσο 0,075 ουγγιά ανά κυβικό πόδι ανά ώρα, ή 100 χιλιοστόγραμμα ανά εκατοστόμετρο ανά ώρα. Για να επιτευχθεί η βέλτιστη ανάπτυξη ορισμένων φυτών, οι αγρότες τα διατηρούν σε θερμοκήπια που ρυθμίζουν συνθήκες όπως υγρασία και θερμοκρασία. Υπάρχουν τρία καθεστώτα θερμοκρασίας πάνω στα οποία αλλάζει ο ρυθμός φωτοσύνθεσης.

Τα ένζυμα είναι πρωτεϊνικά μόρια που χρησιμοποιούνται από ζωντανούς οργανισμούς για τη διεξαγωγή βιοχημικών αντιδράσεων. Οι πρωτεΐνες διπλώνονται σε ένα πολύ ιδιαίτερο σχήμα, και αυτό τους επιτρέπει να συνδέονται αποτελεσματικά με τα μόρια που μας ενδιαφέρουν. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, μεταξύ 32 και 50 βαθμών Φαρενάιτ - 0 και 10 βαθμών Κελσίου - τα ένζυμα που πραγματοποιούν φωτοσύνθεση δεν λειτουργούν αποτελεσματικά και αυτό μειώνει το φωτοσυνθετικό ρυθμό. Αυτό οδηγεί σε μείωση της παραγωγής γλυκόζης και θα οδηγήσει σε ανασταλτική ανάπτυξη. Για τα φυτά μέσα σε ένα θερμοκήπιο, η εγκατάσταση θερμαντήρα θερμοκηπίου και θερμοστάτη αποτρέπει αυτό να συμβεί.

Σε μεσαίες θερμοκρασίες, μεταξύ 50 και 68 βαθμών Φαρενάιτ, ή 10 και 20 βαθμών Κελσίου, τα φωτοσυνθετικά ένζυμα λειτουργούν στα βέλτιστα επίπεδα, έτσι οι ρυθμοί φωτοσύνθεσης υπολογίζονται υψηλοί. Ανάλογα με το συγκεκριμένο εργοστάσιο, ρυθμίστε τον θερμοστάτη θερμοκηπίου σε θερμοκρασία εντός αυτού του εύρους για καλύτερα αποτελέσματα. Σε αυτές τις βέλτιστες θερμοκρασίες, ο περιοριστικός παράγοντας γίνεται η διάχυση του διοξειδίου του άνθρακα στα φύλλα.

Σε θερμοκρασίες πάνω από 68 βαθμούς Φαρενάιτ ή 20 βαθμούς Κελσίου, ο ρυθμός φωτοσύνθεσης μειώνεται επειδή τα ένζυμα δεν λειτουργούν τόσο αποτελεσματικά σε αυτή τη θερμοκρασία. Αυτό συμβαίνει παρά την αύξηση της διάχυσης διοξειδίου του άνθρακα στα φύλλα. Σε θερμοκρασία πάνω από 104 βαθμούς Φαρενάιτ - 40 βαθμούς Κελσίου - τα ένζυμα που εκτελούν φωτοσύνθεση χάνουν το σχήμα και τη λειτουργικότητά τους και ο φωτοσυνθετικός ρυθμός μειώνεται γρήγορα. Το γράφημα του φωτοσυνθετικού ρυθμού έναντι της θερμοκρασίας παρουσιάζει μια καμπύλη εμφάνιση με τον ρυθμό κορυφής να εμφανίζεται κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Ένα θερμοκήπιο ή ένας κήπος που παρέχει το βέλτιστο φως και νερό, αλλά γίνεται πολύ ζεστό, παράγει λιγότερο έντονα.