Фотосинтез

По современным представлениям сущность фотосинтеза заключается в превращении лучистой энергии солнечного света в химическую энергию в форме АТФ и восстановленного никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФ ∙ H). По мере появления новых данных наши представления о фотосинтезе многократно изменялись.
   Начало изучению фотосинтеза было положено в 1630 году, когда ван Гельмонт показал, что растения сами образуют органические вещества, а не получают их из почвы. Взвешивая горшок с землей, в котором росла ива, и само дерево, он показал, что в течение 5 лет масса дерева увеличилась на 74 кг, тогда как почва потеряла только 57 г. Ван Гельмонт пришел к заключению, что остальную часть пищи растение получило из воды, которой поливали дерево. Теперь мы знаем, что основным материалом для синтеза служит двуокись углерода, извлекаемая растением из воздуха.
   В 1772 году Джозеф Пристли показал, что побег мяты «исправляет» воздух, «испорченный» горящей свечой. Семь лет спустя Ян Ингенхуз обнаружил, что растения могут «исправлять» плохой воздух только находясь на свету, причем способность растений «исправлять» воздух пропорциональна ясности дня и длительности пребывания растений на солнце. В темноте же растения выделяют воздух, «вредный для животных».
   Следующей важной ступенью в развитии знаний о фотосинтезе были опыты Соссюра, проведенные в 1804 году. Взвешивая воздух и растения до фотосинтеза и после, Соссюр установил, что увеличение сухой массы растения превышало массу поглощенной им из воздуха углекислоты. Соссюр пришел к выводу, что другим веществом, участвовавшим в увеличении массы, была вода. Таким образом, 160 лет назад процесс фотосинтеза представляли себе следующим образом:

Углекислота + Вода + Солнечная энергия --> Кислород + Органическое вещество.

   Ингенхуз предположил, что роль света в фотосинтезе заключается в расщеплении углекислоты; при этом происходит выделение кислорода, а освободившийся «углерод» используется для построения растительных тканей. На этом основании живые организмы были разделены на зеленые растения, которые могут использовать солнечную энергию для «ассимиляции» углекислоты, и остальные организмы, не содержащие хлорофилла, которые не могут использовать энергию света и не способны ассимилировать CO2.
   Этот принцип разделения живого мира был нарушен, когда С. Н. Виноградский в 1887 году открыл хемосинтезирующие бактерии — бесхлорофильные организмы, способные ассимилировать (т. е. превращать в органические соединения) углекислоту в темноте. Он был нарушен также, когда в 1883 году Энгельман открыл пурпурные бактерии, осуществляющие своеобразный фотосинтез, не сопровождающийся выделением кислорода. В свое время этот факт не был оценен в должной мере; между тем открытие хемосинтезирующих бактерий, ассимилирующих углекислоту в темноте, показывает, что ассимиляцию углекислоты нельзя считать специфической особенностью одного лишь фотосинтеза. После 1940 года благодаря применению меченого углерода было установлено, что все клетки — растительные, бактериальные и животные — способны ассимилировать углекислоту, т. е. включать ее в состав молекул органических веществ; различны лишь источники, из которых они черпают необходимую для этого энергию.
   Другой крупный вклад в изучение процесса фотосинтеза внес в 1905 году Блэкман, который обнаружил, что фотосинтез состоит из двух последовательных реакций: быстрой световой реакции и ряда более медленных, не зависящих от света этапов, названных им темповой реакцией. Используя свет высокой интенсивности, Блэкман показал, что фотосинтез протекает с одинаковой скоростью как при прерывистом освещении с продолжительностью вспышек всего в долю секунды, так и при непрерывном освещении, несмотря на то что в первом случае фотосинтетическая система получает вдвое меньше энергии. Интенсивность фотосинтеза снижалась только при значительном увеличении темнового периода. В дальнейших исследованиях было установлено, что скорость темновой реакции значительно возрастает с повышением температуры.
   Следующая гипотеза относительно химической основы фотосинтеза была выдвинута ван Нилем, который в 1931 году экспериментально показал, что у бактерий фотосинтез может происходить в анаэробных условиях, не сопровождаясь выделением кислорода. Ван Ниль высказал предположение, что в принципе процесс фотосинтеза сходен у бактерий и у зеленых растений. У последних световая энергия используется для фотолиза воды (H2O) с образованием восстановителя (H), определенным путем участвующего в ассимиляции углекислоты, и окислителя (ОН) — гипотетического предшественника молекулярного кислорода. У бактерий фотосинтез протекает в общем так же, но донором водорода служит H2S или молекулярный водород, и поэтому выделения кислорода не происходит.
   В настоящее время можно считать установленным, что все реакции включения CO2 в органические вещества могут протекать в темноте («темновые реакции»), т. е., строго говоря, они не относятся к процессу фотосинтеза. В сущности это реакции, обратные процессу распада углеводов. К реакциям, зависящим от света («световым реакциям»), относятся такие, в процессе которых свет превращается в химическую энергию; первые стабильные, химически идентифицированные продукты этих реакций — АТФ и НАДФ ∙ H.
   Прежде чем перейти к обсуждению химических реакций ассимиляции CO2 (которые сейчас довольно хорошо изучены) и реакций образования АТФ и НАДФ ∙ Н (которые еще не вполне выяснены), рассмотрим строение органелл клетки и свойства пигментов, участвующих в этих процессах.
   Хлоропласты. Изучение кусочка листа под микроскопом показывает, что зеленый пигмент не распределен по клетке равномерно, а сосредоточен в мелких тельцах, называемых хлоропластами. Каждая клетка содержит от 20 до 100 хлоропластов, которые могут расти и делиться, образуя дочерние хлоропласты. При помощи электронного микроскопа было обнаружено, что хлоропласт, подобно митохондриям, имеет двуслойную наружную мембрану, в которой имеется множество мелких телец, так называемых гран, содержащих хлорофилл.
   Каждая грана состоит из отдельных слоев, расположенных наподобие столбиков монет. Слои белковых молекул чередуются со слоями, содержащими хлорофилл, каротины и другие пигменты, а также особые формы липидов (содержащих галактозу или серу, но только одну жирную кислоту). Эти поверхностно активные липиды, по-видимому, адсорбированы между отдельными слоями молекул и служат для стабилизации структуры, состоящей из чередующихся слоев белка и пигментов. Как мы увидим, характерное слоистое (ламеллярное) строение граны имеет большое значение, облегчая перенос энергии в процессе фотосинтеза от одной молекулы к близлежащей.
   При помощи электронного микроскопа в ламеллах были обнаружены повторяющиеся структуры, названные квантосомами, которые состоят примерно из 230 молекул хлорофилла каждая. Предполагается, что квантосома служит функциональной единицей фотосинтеза. Остальная часть хлоропласта, находящаяся между гранами, называется стромой; она содержит ферменты, осуществляющие «темновые» реакции.
   Наземные растения поглощают необходимую для процесса фотосинтеза воду через корни, а водные растения получают ее путем диффузии из окружающей среды. Необходимая для фотосинтеза углекислота диффундирует в растение через мелкие отверстия на поверхности листьев — устьица. Поскольку углекислота расходуется в процессе фотосинтеза, ее концентрация в клетке обычно несколько ниже, чем в атмосфере. Освобождающийся в процессе фотосинтеза кислород диффундирует наружу из клетки, а затем и из растения — через устьица. Образующиеся при фотосинтезе сахара также диффундируют в те части растения, где их концентрация ниже.
   Для осуществления фотосинтеза растениям необходимо очень много воздуха, так как он содержит всего 0,03% углекислоты. Следовательно, из 10 000 м3 воздуха можно получить 3 м3 углекислоты, из которой в процессе фотосинтеза образуется около 110 г глюкозы. Обычно растения лучше растут при более высоком содержании в воздухе углекислоты. Поэтому в некоторых теплицах содержание С02 в воздухе доводят до 1—5%.
   Хлорофилл и другие светочувствительные пигменты. Молекула хлорофилла состоит из атомов углерода и азота, соединенных в сложное кольцо; она удивительно близка по строению к гему красного пигмента — гемоглобина, содержащегося в эритроцитах, но в отличие от гема содержит в центре кольца вместо атома железа атом магния, связанный с двумя или четырьмя атомами азота. Молекула хлорофилла имеет длинный «хвост», представляющий собой остаток фитола — спирта, который содержит цепь из 20 углеродных атомов.
   Изучение молекулы хлорофилла показало, что это конъюгированная система с чередованием двойных и простых связей по кольцу. Такая система допускает возможность различных перестроек и проявление разнообразных свойств простых и двойных связей кольцевой структуры. Это резонансная система, которая описывает различные пути перераспределения внешних электронов без сдвига в положении какого-либо из образующих ее атомов. Возможность резонанса в кольце придает молекуле хлорофилла значительную стабильность. Такие системы конъюгированных связей содержат подвижные электроны (π-электроны), относящиеся не к какому-либо одному атому или одной связи, а к конъюгированной системе в целом. Для перехода таких π-электронов на внешнюю орбиталь нужно лишь небольшое количество энергии.
   Имеются различные виды хлорофилла, из которых наиболее важны хлорофиллы а и b. Хлорофилл b содержит на 1 атом кислорода больше и на 2 атома водорода меньше, чем хлорофилл а. Хлорофилл а найден у всех зеленых растений, тогда как хлорофилл b отсутствует у многих водорослей и у некоторых других растений. Помимо хлорофилла, растения содержат много других пигментов, чем и объясняется разнообразие их окрасок. Некоторые из этих пигментов способны поглощать и передавать хлорофиллу, солнечную энергию, вовлекая ее тем самым в фотосинтез. У большинства растений найден темно-оранжевый пигмент — каротин, который в животном организме может превращаться в витамин А, и желтый пигмент — ксантофилл. Красные и сине-зеленые водоросли содержат другие пигменты — фикоцианин и фикоэритрин; у красных водорослей эти пигменты принимают более активное участие в процессе фотосинтеза, чем имеющиеся у них хлорофиллы.
   Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, обладает максимальной интенсивностью в сине-зеленой и зеленой областях спектра (от 450 до 550 нм). Однако именно в этой области поглощение света молекулой хлорофилла минимально. Хлорофиллы а и b характеризуются максимумом поглощения в фиолетовой области примерно при 440 нм; хлорофилл b поглощает кванты света в красной области примерно при 660 нм, а хлорофилл a — в дальней красной области примерно при 700 нм.
   Хотя хлорофилл относительно слабо поглощает солнечные лучи, обладающие наибольшей энергией, однако он характеризуется рядом свойств, которые позволяют понять, почему именно этот пигмент был сохранен отбором в процессе эволюции. Кроме того, по всей вероятности, и другие содержащиеся в гранах пигменты, например каротиноиды, интенсивно поглощающие в сине-зеленой или зеленой области, также способны переносить поглощенную энергию на хлорофилл, где она используется в процессе фотосинтеза.
   Как мы видели, при поглощении фотона энергия электрона возрастает и он перескакивает с одной из внутренних орбиталей на орбиталь, более удаленную от ядра. Количество поглощенной энергии должно точно соответствовать разнице в энергетических уровнях между старой и новой орбиталями. Число орбиталей, которые может занимать электрон, ограничено, и фотон поглощается только в том случае, если он может повысить энергию электрона ровно настолько, чтобы она соответствовала энергетическому уровню определенной орбитали.
   Уникальная роль хлорофилла в процессе фотосинтеза обусловлена его способностью очень эффективно поглощать солнечную энергию и передавать ее другим молекулам. В молекуле хлорофилла имеются химически активные участки (кольцо из 5 углеродных атомов, примыкающее к четырем кольцам, содержащим по 1 атому азота и по 4 атома углерода), которые могут участвовать в переносе атомов водорода.
   Ассимиляция углекислоты. Процесс включения углекислоты в органические вещества в настоящее время детально изучен в экспериментах по инкубации суспензии водорослей в присутствии углекислоты, меченной 14C. Варьируя продолжительность инкубации и идентифицируя выделенные продукты, удалось установить, какие вещества первыми включают метку в ходе этих реакций. «Темновые» реакции синтеза углеводов протекают в определенной циклической последовательности: 1) карбоксилирование, 2) восстановление и 3) регенерация.
   Рибулозо-5-фосфат (сахар, содержащий 5 атомов углерода, с фосфатным остатком у углерода в положении 5) подвергается фосфорилированию за счет АТФ, что приводит к образованию рибулозодифосфата. Это последнее вещество карбоксилируется путем присоединения CO2, по-видимому, до промежуточного шестиуглеродного продукта, который, однако, немедленно расщепляется с присоединением молекулы воды, образуя две молекулы фосфоглицериновой кислоты. Затем фосфоглицериновая кислота восстанавливается в ходе ферментативной реакции, для осуществления которой необходимо присутствие АТФ и НАДФ • H с образованием фосфоглицеринового альдегида (трехуглеродный сахар — триоза). В результате конденсации двух таких триоз образуется молекула гексозы, которая может включаться в молекулу крахмала и таким образом откладываться про запас.
   Для завершения этой фазы цикла в процессе фотосинтеза поглощается 1 молекула CO2 и используются 3 молекулы АТФ и 4 атома H (присоединенных к 2 молекулам НАД • Н). Из гексозофосфата путем определенных реакций пентозофосфатного цикла регенерирует рибулозофосфат, который снова может присоединить к себе другую молекулу углекислоты.
   Ни одну из описанных реакций — карбоксилирование, восстановление или регенерацию — нельзя считать специфичной только для фотосинтезирующей клетки. Единственное обнаруженное у них отличие заключается в том, что для реакции восстановления, в течение которой фосфоглицериновая кислота превращается в фосфоглицериновый альдегид, необходим НАДФ • H, а не НАД • H, как обычно.
   Световые реакции. Необходимые для осуществления темновых реакций АТФ и НАДФ • Н образуются во время световых реакций. Прежде считали, что при световой реакции в хлоропластах образуется НАДФ • Н, который затем используется митохондриями растительной клетки для синтеза АТФ. Однако клетки листьев — наиболее приспособленных для фотосинтеза органов растения — содержат очень мало митохондрий. В связи с этим Арнон и его сотрудники показали, что изолированные хлоропласты, свободные от митохондрий, могут осуществлять процесс фотосинтеза и должны, следовательно, обладать способностью синтезировать как НАДФ • Н, так и АТФ.
   Работая с изолированными хлоропластами, Арнон продемонстрировал возможность полного разграничения световых и темновых реакций. Сначала он освещал хлоропласты в отсутствие CO2, но при наличии АДФ и НАДФ • Н. В этих условиях хлоропласты накапливали АТФ и НАДФ • Н и выделяли молекулярный кислород. Затем он экстрагировал ферменты, необходимые для темновых реакций ассимиляции углекислоты, отбрасывал зеленую часть хлоропластов и, используя АТФ и НАДФ • Н, предварительно синтезированные на свету, наблюдал ассимиляцию CO2 в темноте, т. е. образование системой углеводов, которые можно было выделить и идентифицировать. В других экспериментах к этим ферментам добавляли НАДФ • Н и АТФ из животных клеток; и в этом случае полученные системы также были способны ассимилировать CO2 в темноте.
   Фотосинтетическое фосфорилирование. В опытах Арнона изолированные хлоропласты, подвергнутые действию света в отсутствие С02 и пиридиннуклеотида, но в присутствии больших количеств АДФ и неорганического фосфата, обладали способностью использовать световую энергию для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Этот процесс был назван фотосинтетическим фосфорилированием в отличие от окислительного фосфорилирования, осуществляемого митохондриями.
   Хлоропласты содержат цепь переноса электронов, в которую входят флавопротеид, один или несколько цитохромов, железосодержащий белок ферредоксин, который может претерпевать циклическое окисление и восстановление, и близкое к убихинону вещество — пластохинон. Фотосинтетическое фосфорилирование АДФ с образованием АТФ может происходить в отсутствие кислорода. Тот же процесс был обнаружен в хлоропластах различных зеленых растений и в хлорофиллсодержащих хроматофорах некоторых видов фотосинтезирующих бактерий.
   При окислительном фосфорилировании энергия, необходимая для присоединения неорганического фосфата (Фн) к АДФ, получается в результате переноса электрона от донора электронов, находящегося на одном энергетическом уровне, к акцептору электронов, находящемуся на другом энергетическом уровне. Это происходит в три этапа, причем на каждом этапе образуется богатая энергией фосфатная группа (—Ф), которая присоединяется к АДФ с образованием АТФ. Переход электронов (на некоторых этапах электрон присоединяется к протону, в результате чего образуется атом водорода) с одного энергетического уровня на другой сопровождается освобождением энергии. Каждый из этих этапов можно сравнить с водяным колесом, которое вращается благодаря «падению» электрона и приводит в движение процесс присоединения неорганического фосфата к АДФ, для которого необходима энергия. В сущности этот процесс состоит в переносе энергии: обычно при переходе электронов с одного энергетического уровня на другой происходит улавливание энергии в форме богатой энергией фосфатной группы. Однако имеется возможность разобщить процесс фосфорилирования и процесс переноса электронов. При окислительном фосфорилировании конечным акцептором электронов служит кислород, а донором электронов — сахар или какое-либо другое органическое вещество.
   Поскольку при фотофосфорилировании используется только свет, а кислород и молекулы субстрата отсутствуют, доноры и акцепторы электронов должны находиться в самих хлоропластах. Арнон предположил, что обе эти функции может осуществлять молекула хлорофилла. Свет, попадая на молекулу хлорофилла, выбивает из нее один электрон. Молекула, потерявшая один электрон, может служить акцептором электронов (хлорофилл+). Если такая молекула просто получит назад тот же электрон, то произойдет выделение световой энергии в виде тепла и флуоресценции (этим обусловлена флуоресценция чистого хлорофилла). Если же освободившийся электрон присоединится к молекуле ферредоксина, то он может затем вернуться к хлорофиллу через ряд последовательных этапов, несколько напоминающих этапы окислительного фосфорилирования. Электроны переходят от ферредоксина к флавопротеину, к цитохрому и затем к хлорофиллу; при этом в результате переноса энергии электрона при участии фосфорилирующей ферментной системы образуются две макроэргические фосфатные связи —Ф. Благодаря этому переносу электронов — из молекулы хлорофилла через ферредоксин, флавопротеин и цитохром снова на хлорофилл — часть лучистой энергии сохраняется в форме химической энергии, а не рассеивается в виде флуоресценции и тепла. Специфичными для фотосинтеза являются только освобождение под действием света богатого энергией электрона и природа первичного акцептора электронов — хлорофилла. Этот процесс фотосинтетического фосфорилирования первичная реакция фотосинтеза, ответственная за образование по крайней мере части АТФ, необходимого для темновой реакции ассимиляции CO2; однако этот процесс не имеет отношения ни к образованию НАДФ • Н, также необходимому для темновой реакции, ни к расщеплению воды до водорода и кислорода.
   Нециклическое фотофосфорилирование. Образование НАДФ • Н связано с довольно сходной системой переноса электронов, но в этом случае процесс не является циклическим, а электроны, поставляемые водой, поглощая световую энергию, достигают уровня, достаточного для образования восстановленного пиридиннуклеотида. Возбуждение хлорофилла a светом приводит к потере им электронов с высокой энергией, которые передаются ферредоксину и восстанавливают его, а затем переходят к НАДФ+, восстанавливая его до НАДФ • Н. Электроны, необходимые для возвращения хлорофилла a+ в основное состояние, образуются, по-видимому, при возбуждении хлорофилла b. Эти высокоэнергетические электроны переходят к ферредоксину и затем через флавопротеин и цитохромы — к хлорофиллу а. На последнем этапе происходит фосфорилирование АДФ до АТФ. Как нециклическое фотофосфорилирование, так и описанный выше циклический процесс катализируются одной и той же цепью переносчиков электронов. Однако при циклическом фотофосфорилировании электроны возвращаются от хлорофилла a снова к хлорофиллу а, тогда как при нециклическом фотофосфорилировании электроны переходят от хлорофилла b к хлорофиллу a.
   Электроны, необходимые для возвращения хлорофилла в его основное состояние, поставляются, вероятно, ионами ОН-, образующимися при диссоциации воды. Некоторая часть молекул воды диссоциирует на ионы Н+ и ОН-. В результате потери электронов ионы ОН- превращаются в радикалы (ОН), которые в дальнейшем дают молекулы воды и газообразного кислорода.
   Этот аспект теории подтверждается результатами опытов с водой и С02, меченными 18O. Согласно этим результатам, весь газообразный кислород, выделяющийся при фотосинтезе, происходит из воды, а не из С02. Ясно, однако, что осуществление всех последовательных реакций нециклического фотофосфорилирования, в том числе возбуждение одной молекулы хлорофилла a и одной молекулы хлорофилла b, должно приводить к образованию одной молекулы НАДФ • Н, двух или более молекул АТФ из АДФ и Фн и к выделению одного атома кислорода. Для этого необходимо по крайней мере четыре кванта света — по два для каждой молекулы хлорофилла.
   У некоторых фотосинтезирующих бактерий, например у пурпурной серобактерии Chromatium, в процессе аналогичных реакций активация хлорофилла под влиянием света приводит к повышению энергетического уровня электронов. Такие электроны могут затем восстанавливать либо пиридиннуклеотиды (как у зеленых растений), либо молекулярный азот до аммиака, либо протоны до газообразного водорода.
   Возможно, что циклическое фотофосфорилирование — наиболее примитивный процесс, возникший раньше других, когда атмосфера Земли не содержала кислорода или была им бедна. Оно просто давало возможность примитивным организмам синтезировать АТФ в анаэробных условиях не в ходе брожения, а иным путем.
   Следующей ступенью в процессе эволюции было, по-видимому, нециклическое фотофосфорилирование такого типа, как у некоторых ныне живущих бактерий; у этих бактерий происходит восстановление пиридиннуклеотидов (которые после этого могут быть использованы в реакциях биосинтеза), но донорами электронов служат молекулы тиосульфата или янтарной кислоты. Третья ступень, достигнутая зелеными водорослями, — это способность использовать при фотофосфорилировании в качестве доноров электронов молекулы воды вместо тиосульфата или янтарной кислоты. Выработав систему, позволяющую получать необходимые для процессов восстановления электроны из молекул воды, зеленые растения получили возможность жить почти повсюду, а не только в тех местах, где имеются источники специальных доноров электронов, например тиосульфат.
   По мере расселения и размножения растений они выделяли в атмосферу молекулы кислорода и обеспечили тем самым возможность дальнейшей биохимической эволюции животных и других организмов, которым необходим молекулярный кислород.
   Общая эффективность процесса фотосинтеза довольно высока. Можно подсчитать, что для химического восстановления 1 моля С02 до уровня углевода понадобилось бы около 120 ккал. Энергия наиболее эффективного в процессе фотосинтеза красного света с длиной волны около 680 нм составляет 41—42 ккал на 1 моль. Если бы КПД процесса был равен 100%, то для восстановления каждой молекулы С02 было бы достаточно 3 квантов энергии. Определения, производившиеся в самых различных условиях, показали, что на восстановление одной молекулы С02 требуется от 4 до 12 квантов (по новейшим подсчетам — в среднем 5 или 6).
   Таким образом, суммарный процесс фотосинтеза, который приводит к образованию органических молекул согласно уравнению

6С0₂ + 6Н₂O -> С₆Н₁₂O₆ + 6O₂,

чрезвычайно сложен; он не менее сложен, чем процесс клеточного дыхания, в ходе которого эти органические молекулы впоследствии разрушаются. В результате световых реакций благодаря замечательным свойствам хлорофилла происходит высокоэффективное поглощение лучистой энергии Солнца и (при участии ферредоксина, цитохромов и других соединений, содержащихся в мембранах гран) образование НАДФ • Н, АТФ и молекулярного кислорода.
   В дальнейшем в процессе темновых реакций ферменты, находящиеся в строме хлоропластов, конденсируют углекислоту с рибулозодифосфатом до образования двух молекул фосфоглицериновой кислоты. Последняя превращается затем в фосфоглицериновый альдегид (процесс, в котором участвует АТФ и НАДФ • Н). В результате конденсации двух молекул фосфоглицеринового альдегида образуется фруктозодифосфат. Сложная цепь ферментативных реакций переноса двух- и трехуглеродных единиц от одного углевода к другому приводит в конечном счете к регенерации рибулозофосфата и к синтезу глюкозы.

Лист и его функции

Для того чтобы мог происходить фотосинтез, клеткам зеленых растений необходим постоянный приток воды, двуокиси углерода и лучистой энергии. Водоросли и другие растения, обитающие в пресноводных водоемах или морях, получают все это в изобилии из воды. У наземных растений для обеспечения снабжения питательными веществами и максимально эффективного фотосинтеза в процессе эволюции развились корни, стебли, листья и специальные проводящие ткани — ксилема и флоэма. Корни закрепляют растение в почве, поддерживают стебель в вертикальном положении, поглощают воду и минеральные вещества из почвы и транспортируют их в стебли и листья.
   Каждый лист представляет собой специализированный орган питания, осуществляющий фотосинтез. Листья обычно бывают широкими и плоскими; такая их форма обеспечивает создание максимальной поверхности для поглощения солнечных лучей и для газообмена. Листья закладываются в верхушечной меристеме стебля в виде последовательно образующихся выростов — листовых зачатков. Каждый вырост претерпевает клеточное деление, рост и дифференциацию, что приводит к образованию миниатюрного, но вполне сформированного листа. Весной листья начинают быстро расти, сбрасывают почечные чешуи, развертываются и достигают своих конечных размеров (преимущественно за счет поглощения воды). Листья большинства растений лишены меристематической ткани и поэтому живут недолго — несколько недель (листья некоторых пустынных растений), несколько месяцев (листья большинства деревьев) и 3—4 года (игловидные листья вечнозеленых растений).
   У типичного двудольного растения лист состоит из черешка, которым он прикрепляется к стеблю, и широкой листовой пластинки, которая может быть простой или сложной, т. е. состоять из нескольких частей. Черешок может быть очень коротким, а у некоторых растений он совершенно отсутствует. На поперечном срезе видно, что черешок, подобно стеблю, состоит из сосудистых пучков, связанных, с одной стороны, с пучками стебля, а с другой — с пучками средней жилки листовой пластинки. В пределах листовой пластинки пучки проводящих тканей — ксилемы и флоэмы — многократно ветвятся и образуют жилки.
   Микроскопическое изучение поперечного среза листа показывает, что он состоит из клеток различного рода. Наружные клетки верхней и нижней поверхности листа составляют бесцветный защитный слой, называемый эпидермисом, который выделяет воскоподобное вещество — кутин. Эпидермальные клетки — тонкие, крепкие, прозрачные, с прочными стенками — хорошо приспособлены к тому, чтобы служить защитой для нижележащих клеток, снижать потери воды, но вместе с тем пропускать свет. По поверхности эпидермиса разбросаны многочисленные мелкие поры, называемые устьицами. Каждое устьице окружено двумя замыкающими клетками, которые, меняя свою форму, могут изменять величину поры, регулируя тем самым расход воды и газообмен. В отличие от эпидермальных клеток замыкающие клетки устьиц содержат хлоропласты. На 1 мм2 листа приходится от 50 до 500 устьиц, причем у большинства видов их значительно больше на нижней поверхности листа, чем на верхней.
   У фасолевидных замыкающих клеток стенки, обращенные к щели, толще, чем на противоположной стороне. Как правило, устьица открываются на свету и закрываются в темноте. Открывание и закрывание устьиц регулируется изменениями тургорного давления в замыкающих клетках. При повышении тургорного давления обращенные наружу стенки замыкающих клеток выпячиваются; это вызывает соответствующее искривление внутренних стенок, в результате чего они отходят друг от друга, так что между ними образуется устьичная щель. Когда тургорное давление в замыкающих клетках снижается, эластичные внутренние стенки восстанавливают свою первоначальную форму и устьица закрываются.
   Механизм повышения тургорного давления сложен; в частности, он связан с образованием глюкозы и других осмотически активных веществ в результате фотосинтетической активности самих замыкающих клеток. Свет вызывает также ряд последовательных ферментативных реакций, которые приводят к превращению запасного крахмала замыкающих клеток (молекулы крахмала крупны, нерастворимы и осмотически неактивны) в глюкозу, молекулы которой невелики, растворимы и осмотически активны. Опыты показали, что на свету тургорное давление замыкающих клеток может возрасти в 3 раза и даже более. Усиление освещения вызывает повышение интенсивности фотосинтеза и скорости использования углекислоты. При этом концентрация углекислоты в листе уменьшается, что приводит к увеличению pH системы. В условиях высокого pH активируется фермент фосфорилаза, превращающая крахмал в глюкозо-1-фосфат. Глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозу, содержание глюкозы в замыкающих клетках повышается, осмотическое поступление воды в эти клетки увеличивается, их тургорное давление возрастает и устьица открываются! В темноте процесс идет в обратном направлении.
   Открывание устьиц обеспечивает поступление углекислоты в лист и создает предпосылки для осуществления фотосинтеза. В отсутствие света фотосинтез в замыкающих клетках (как и во всех других) прекращается, тургорное давление снижается и устьица закрываются. Если в жаркий сухой день корни доставляют недостаточно воды, то замыкающие клетки уже не могут оставаться в тургесцентном состоянии, и устьица закрываются, сберегая таким образом то небольшое количество влаги, которое доступно растению.
   Большая часть толщи листа между верхним и нижним эпидермисом заполнена тонкостенными клетками — мезофиллом,— содержащими много хлоропластов. Ткань мезофилла вблизи верхнего эпидермиса состоит обычно из цилиндрических палисадных клеток, тесно примыкающих друг к другу и расположенных так, что их длинная ось перпендикулярна поверхности эпидермиса. Остальные клетки мезофилла расположены очень рыхло и между ними остаются большие воздушные пространства.
   В результате многократного ветвления жилок создается тонкая сеть, пронизывающая весь лист, так что любая клетка мезофилла оказывается вблизи одной из жилок. Каждая жилка содержит ткани ксилемы и флоэмы. Ксилема расположена на верхней стороне жилки, а флоэма — на нижней. В самых тонких жилках имеется всего несколько сосудов ксилемы и трахеид и несколько ситовидных трубок флоэмы.
   У ряда пустынных растений листья толстые и мясистые; они служат местом хранения запасов воды. В листьях кубышки и других водных растений имеются большие воздушные полости, благодаря которым они удерживаются на поверхности воды. В листьях многих растений, например капусты, откладываются про запас значительные количества питательных веществ. Выше уже упоминалось о способности листьев некоторых растении, например саррацении и венериной мухоловки, улавливать насекомых.
   Опадение листьев осенью обусловлено изменениями, происходящими в месте прикрепления черешка к стеблю. У основания черешка в поперечном направлении образуется специальный слой (так называемый отделительный слой) тонкостенных, рыхло расположенных клеток, ослабляющий основание листа. Клетки, ближайшие к стеблю, пробковеют и образуют защитный слой, который сохраняется после опадения листа. После того как сформировался отделительный слой, черешок связан со стеблем только эпидермисом и ломкими сосудистыми пучками. Поэтому при сильном ветре листья опадают. Изменение окраски листьев происходит частично за счет разрушения зеленого хлорофилла (в результате чего выявляются желтый ксантофилл и оранжевый каротин, прежде маскировавшиеся зеленым пигментом), а частично — за счет синтеза в клеточном соке красного и пурпурного пигментов — антоцианов.