Скорость фотосинтеза зависит от факторов среды, среди которых выделяют свет, концентрацию углекислого газа, воду и температуру. Почему эти факторы являются лимитирующими для реакций фотосинтеза?

Фотосинтез — это сложный биохимический процесс, в котором растения, водоросли и некоторые бактерии преобразуют световую энергию в химическую, запасённую в органических веществах. Чтобы этот процесс происходил эффективно, необходимо наличие определённых условий. Факторы среды, такие как свет, концентрация углекислого газа (CO₂), вода и температура, называются лимитирующими, потому что именно они ограничивают или, наоборот, ускоряют скорость фотосинтеза в зависимости от их уровня. Вот почему каждый из них может стать лимитирующим:

1. Свет
   Свет — основной источник энергии для фотосинтеза. Без света фотосинтетические реакции (особенно световая фаза) не могут происходить. При низкой освещённости растения не могут вырабатывать достаточное количество АТФ и НАДФ·Н, которые необходимы для фиксации CO₂ в тёмной фазе. Однако при достижении определённого уровня освещённости скорость фотосинтеза выходит на плато: все пигментные системы работают на пределе, и дополнительный свет уже не увеличивает скорость реакции.

2. Концентрация углекислого газа (CO₂)
   Углекислый газ — основной источник углерода для построения органических молекул в ходе фотосинтеза. При низкой концентрации CO₂ растение не может фиксировать достаточное количество углерода, что ограничивает скорость синтеза глюкозы. Повышение концентрации CO₂ ускоряет процесс до определённого предела, после чего наступает насыщение — ферментативные системы не успевают перерабатывать избыток CO₂.

3. Вода
   Вода участвует в световой фазе фотосинтеза как источник электронов и протонов при фотолизе (расщеплении воды под действием света), а также как сырьё для образования кислорода. При недостатке воды у растений закрываются устьица для предотвращения испарения, и это ограничивает поступление CO₂. Кроме того, обезвоживание клеток нарушает работу хлоропластов и ферментов, необходимых для фотосинтеза.

4. Температура
   Фотосинтез включает в себя множество ферментативных реакций, особенно в тёмной фазе (например, фиксация CO₂ с участием фермента Рубиско). Все ферменты работают в определённом температурном диапазоне. При пониженной температуре скорость реакций замедляется, при слишком высокой — ферменты денатурируют и разрушаются, что также тормозит фотосинтез.

Таким образом, каждый из этих факторов необходим и может ограничивать фотосинтез, если находится в дефиците или выходит за пределы оптимального диапазона. Именно поэтому они называются лимитирующими: наименьший из них определяет общую скорость процесса, как это описывает закон минимума Либиха.