Индукция флуоресценции хлорофилла

Если зеленый листок продолжительное время (15÷45 мин.) выдержать в темноте, то все запасы возбуждений (активированных молекул и ионов, в том числе ферментов) исчерпываются, и фотосинтез прекращается. Когда на такой адаптированный к темноте живой листок начинает действовать свет, то на реакционные центры хлоропластов направляется поток электронных возбуждений. В начальный момент все каналы фотосинтетического переноса электронов полностью открыты, они максимально интенсивно "откачивают" энергию в цепь реакций фотосинтеза, и флуоресценция хлорофилла минимальна. Ее интенсивность в этот момент обозначают F₀. Собранная энергия возбуждений в основном идет на восстановление первичных акцепторов электронов. Концентрация еще не восстановленных первичных акцепторов начинает уменьшаться. Из-за этого замедляется откачка электронных возбуждений на фотосинтез, вследствие чего интенсивность флуоресценции хлорофилла возрастает. В биохимической цепи фотосинтеза по мере накопления активированных молекул-ферментов предыдущего звена начинают активироваться следующие звенья. Весь фотосинтетический процесс развивается (как бы "разворачивается") во времени. А вместе с ним изменяется во времени и интенсивность флуоресценции хлорофилла, сигнализируя о развитии процесса фотосинтеза.

Это явление было открыто еще в 30-х годах прошлого века и получило название "индукции флуоресценции хлорофилла" (ИФХ). А график зависимости интенсивности флуоресценции хлорофилла от времени, начиная от начала освещения, (см. рис. 21.1) назвали "кривой индукции флуоресценции хлорофилла" ("кривой ИФХ" или же "кривой Каутского" – в честь первооткрывателя).

Среди специалистов принято разбивать её на ряд характерных участков, которые получили уже общепринятые обозначения . Вдоль горизонтали использовали логарифмическую шкалу времени в секундах. Вдоль вертикали интенсивность флуоресценции представлена в относительных единицах. Участок , на котором изменения интенсивности флуоресценции происходят весьма быстро (за доли секунды), называют "быстрой фазой" ИФХ, а участок – "медленной фазой" ИФХ.

Для каждого из участков в табл. 21.1 указаны интервалы времени (после начала освещения), на которых они наблюдаются. Там же указаны и стадии фотосинтетического процесса, которым они соответствуют и которыми регулируются.

Рис. 21.1. Типичная кривая ИФХ и общепринятые обозначения ее характерных точек

Интервалы времени могут существенно различаться для разных видов растений и даже для разных листьев одного растения, которые имеют разный возраст или адаптировались к разным условиям освещения (например, растут возле корней или на кроне, на старых ветвях или на молодых побегах, хорошо освещены или все время затенены). Поэтому в графе таблицы "Интервал времени" приведены по два разных варианта значений, – чтобы был ясен диапазон варьирования.

Интенсивность флуоресценции хлорофилла в главном максимуме (точка кривой ИФХ) принято обозначать или , а интенсивность в стационарном режиме – . Выход на стационарный режим после второго максимума в точке может быть монотонным или же проходить еще через один промежуточный минимум в точке . Для второго случая в табл. 21.1 выделены строки 4,а и 4,б.

Богатые информационные возможности метода ИФХ еще более возрастают, когда для исследования, кроме основного источника света, применяют и другие импульсные источники света. В настоящее время индукцию флуоресценции хлорофилла стали понимать в более широком смысле, – как любые изменения интенсивности флуоресценции хлорофилла, вызываемые воздействием внешних факторов.

Ценную дополнительную информацию о процессах фотосинтеза можно также получить, если исследовать их зависимость, например, от температуры или от других факторов, если измерять не только флуоресценцию, но и фосфоресценцию (длительное послесвечение) хлорофилла, а также если дополнить чисто флуоресцентный метод еще и спектральным. В этом случае, например, нацелено возбуждают флуоресценцию отдельных форм хлорофилла светом узкого спектрального интервала и/или измеряют не только интегральную интенсивность флуоресценции, но и интенсивность отдельных ее спектральных составляющих.

Из вышеизложенного вытекает, что методом ИФХ можно на живом растении, без его повреждения определять ряд важных характеристик. Это – квантовые выходы фотосинтеза (фактический и потенциально возможный) и тепловой диссипации энергии, оптимальные условия функционирования фотосинтетического аппарата растения, скорость светового повреждения (в результате слишком интенсивного освещения) и самовосстановления фотосинтетических систем, соотношение между концентрациями разных видов фотосистем и т.п..