Все сельскохозяйственные культуры питаются через корни и листья, так как они обитают одновременно в двух средах: корни – в почве, а стебли – в воздухе. Поэтому условно различают два типа питания – воздушное питание и почвенное (корневое).
Под воздушным питанием понимают поступление в листья и ассимиляцию (усвоение) ими углекислого газа из атмосферы, а также усвоение некоторых солей. Под почвенным питанием подразумевают усвоение корнями растений из почвы воды и различных ионов минеральных солей, а также некоторых органических веществ. Оба типа питания взаимосвязаны и не могут существовать раздельно, так как корни питают листья и стебли, которые, в свою очередь, питают корни. В листья и корнях протекают многочисленные процессы, продуктами которых непрерывно обмениваются надземные и подземные органы растений.
При воздушном питании растения в первую очередь обогащаются углеродом, кислородом и водородом. В среднем растения содержат 45% углерода, 42% кислорода и 6,5% водорода. Эти три элемента – материальная основа сложнейшего биологического процесса – фотосинтеза.
Фотосинтез – единственный природный процесс связывания солнечной энергии. Благодаря ему из простых веществ – углекислого газа, воды и небольшого количества минеральных солей, не содержащих энергии и не способных при обычных условиях совершать химическую работу, создаются сложнейшие органические соединения, обладающие высокий потенциальной энергией. Они используются гетеротрофными организмами во всей сложной их жизнедеятельности. В процессе фотосинтеза создается до 90% сухого вещества растений.
В химическом отношении фотосинтез – это процесс взаимодействия углекислого газа и воды при участии хлорофилла. Поглощенная хлорофиллом световая энергия участвует в реакции, при которой водород воды восстанавливает углекислый газ. Процесс фотосинтеза состоит из реакций двух типов – фотолиза воды (разложение ее под действием света) и восстановления углекислого газа. Свет необходим лишь для первой реакции, а реакции восстановления СО2 – «темновые», т.е. идут без доступа света. В настоящее время считается, что первым продуктом фотосинтеза являеся фосфоглицериновая кислота, которая затем превращается в результате многих реакций в крахмал и другие углеводы.
Наряду с углеводами в процессе фотосинтеза образуются и другие соединения, в том числе аминокислоты. Результат первичной фотохимической реакции фотосинтеза – фосфорилирование аденизиндифосфорной кислоты с образованием адезинтрифосфорной кислоты (АТФ). Эта кислота – основное соединение, в котором запасается и переносится энергия, необходимая для осуществления синтетических процессов в обмене веществ, а также для выполнения работы живыми организмами. Энергия, высвобождаемая АТФ, может переносится почти без потерь на другие соединения или использоваться для синтеза белков нуклеиновых кислот, углеводов, жиров, витаминов и многих других соединений.
В процессе фотосинтеза растения одновременно выделяют в атмосферу свободный кислород, незначительная часть которого используется на дыхание растений. В результате дыхательных процессов в растительном организме возникает энергия, необходимая для поддержания жизненных процессов. Часть энергии запасается а АТФ и используется для последующих превращений веществ в «темновой» фазе фотосинтеза.
Углерод, кислород и водород – основные элементы при фотосинтезе углеводов и другие более сложных органических продуктов для всех последующих биохимических и синтетических процессов. С участием кислорода и водорода осуществляются важнейшие окислительно-восстановительные энергетические процессы. Наряду с образованием органических веществ в растениях происходят процессы их распада, связанные с дыханием.
Дыхание растений – это совокупность реакций, приводящих к распаду органических веществ до более простых соединений. Эти реакции непосредственно связаны с процессом обмена веществ, происходящего в клетке. Дыхание осуществляется благодаря сахарам, а также белкам, органическим и жирным кислотам.