Фотобиология — это научное исследование полезных и вредных взаимодействий света (технически неионизирующего излучения ) в живых организмах . [1] Эта область включает изучение фотофизики, фотохимии, фотосинтеза , фотоморфогенеза , визуальной обработки , циркадных ритмов , фотодвижения, биолюминесценции и эффектов ультрафиолетового излучения. [2]
Разделение между ионизирующим излучением и неионизирующим излучением обычно проводится по энергии фотона более 10 эВ, [3] что приблизительно 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. Затем они могут реагировать с молекулами вокруг них и стимулировать « фотохимические » и «фотофизические» изменения молекулярных структур. [1]
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, и они становятся намного более реактивными. Это чрезвычайно быстрый процесс, но очень важный для различных процессов. [5]
Эта область фотобиологии изучает реактивность молекулы, когда она поглощает энергию, исходящую от света. Она также изучает, что происходит с этой энергией, она может выделяться в виде тепла или флуоресценции, так что молекула возвращается в основное состояние.
Существует 3 основных закона фотохимии:
1) Первый закон фотохимии: этот закон объясняет, что для того, чтобы происходила фотохимия, необходимо поглощение света.
2) Второй закон фотохимии: этот закон объясняет, что каждый поглощенный фотон активирует только одну молекулу.
3) Закон взаимности Бунзена-Роско: этот закон объясняет, что энергия в конечных продуктах фотохимической реакции будет прямо пропорциональна общей энергии, которая была первоначально поглощена системой.
Рост и развитие растений в большой степени зависят от света . Фотосинтез является одним из важнейших 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 в растениях, управляемый светом, другие процессы, такие как фотоморфология и фотопериод растений , чрезвычайно важны для регуляции вегетативного и репродуктивного роста, а также для производства вторичных метаболитов растений . [8]
Фотосинтез определяется как ряд 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 хлоропласта фотосинтезирующих растительных клеток, где поглощающие свет пигменты можно обнаружить встроенными в мембраны структур, называемых тилакоидами . [9] В фотосистемах высших растений присутствуют 2 основных пигмента : хлорофилл (a или b) и каротины . [7] Эти пигменты организованы для максимального приема и передачи света, и они поглощают определенные длины волн , чтобы расширить количество света, которое может быть захвачено и использовано для фотоокислительно - восстановительных реакций . [7]
Из-за ограниченного количества пигментов в растительных фотосинтетических клетках существует ограниченный диапазон длин волн, которые растения могут использовать для выполнения фотосинтеза. Этот диапазон называется «Фотосинтетически активная радиация (ФАР)». Интересно, что этот диапазон почти такой же, как видимый спектр человека, и он простирается в длинах волн приблизительно от 400 до 700 нм. [10] ФАР измеряется в мкмоль с −1 м −2 и измеряет скорость и интенсивность излучаемого света в терминах микромолей на единицу площади поверхности и времени, которые растения могут использовать для фотосинтеза. [11]
Фотобиологически активная радиация (PBAR) — это диапазон световой энергии, выходящий за пределы PAR и включающий ее . Фотобиологический поток фотонов (PBF) — это метрика, используемая для измерения PBAR.
Этот процесс относится к развитию морфологии растений, которое опосредовано светом и контролируется 5 различными фоторецепторами: UVR8, криптохромом, фототропином, фитохромом r и фитохромом fr. [12] Свет может контролировать морфогенетические процессы, такие как размер листьев и удлинение побегов.
Различные длины волн света вызывают различные изменения в растениях. [13] Например, красный и дальний красный свет регулирует рост стеблей и выпрямление побегов рассады, которые выходят из земли. [14] Некоторые исследования также утверждают, что красный и дальний красный свет увеличивают массу корней томатов [15] , а также процент укоренения виноградных растений. [16] С другой стороны, синий и ультрафиолетовый 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 для растений из-за отсутствия пигментов, которые могли бы поглощать этот свет. Однако в 2004 году было обнаружено, что зеленый свет может влиять на активность устьиц, удлинение стеблей молодых растений и расширение листьев. [19]
Эти соединения представляют собой химические вещества, которые растения вырабатывают в ходе 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]