Efficiencia

Szerényi Gábor

2004. április 01. 11:35

A kifejezés pontos lefordítása kissé magyartalanul cseng: fényhasznosulás. A biológia ökológiai értelemben azt a százalékban kifejezett értéket érti alatta, amelyet a zöld növények a teljes fénysugárzásból a fotoszintetikus folyamataik során a szervesanyag felépítésére fel tudnak használni, abba be tudnak építeni.

Az érték megadható egy-egy növényfajra is, ez azonban nyilvánvalóan számos tényezőtől függ, ezért elsősorban kultúrnövényekre számolható. Megadható társulásokra is, a természetes vagy ahhoz közeli állapotban lévő biocönózisok adatai össze is hasonlíthatók, elemezhetők. Értéke függ egy élőhelyen a fénysugárzás erősségétől, a vizsgált társulás szintezettségétől, az egyes szintek borításától, az élőhely tápanyagellátottságától, víztartalmától, és még lehetne folytatni a sort. Annak a kérdésnek a megválaszolásához, hogy ez valamilyen társulásban pontosan mekkora, és ott miért éppen akkora, ahhoz ismernünk kell a fény fizikai jellemzőit, a fotoszintetikus folyamatok fényt igénylő szakaszának a fény elnyelésére vonatkozó sajátosságait, és végül azt, hogy milyen tényezők befolyásolják egy adott, konkrét élőhely tényleges fényviszonyait. Vizsgáljuk meg először a fény természetének számunkra fontos fizikai sajátosságait ! A Nap sugárzása elektromágneses sugárzás. Ennek egy része a látható fény. Az elektromágneses sugárzás két fontos jellemzője a hullámhossz és a rezgésszám. A nagy hullámhosszú sugarak alacsony rezgésszámúak, a rövidebb hullámhosszú sugarak rezgésszáma nagyobb. A nagy rezgésszámú sugárzás energiában mindig gazdagabb, nagyobb energiatartalmú. A nagy hullámhosszú sugarak tehát mindig alacsonyabb rezgésszámúak ezért energiában szegényebbek. A látható fénysugárzás a 400 nanométertől 750 nanométer hullámhosszúságig terjedő tartományt foglalja magába. A fénysugárzás mellett hősugárzás és néhány %-ban ultraibolya sugárzás is érkezik a Föld felszínére. A hősugárzás a 750 nanométernél nagyobb hullámhosszúságú, szemeink által még nem észlelhető infravörös sugárzás. Az ultraibolya sugárzás már ugyancsak nem látható, hullámhossza a látható fénynél rövidebb, de energiában gazdagabb, mint a hosszú hullámú sugarak. A mérsékelt égövben az érkező napfény mintegy 50 %-a a látható fény. Maga a látható fény sem egységes azonban. Jól ismert az az egyszerű fizikai kísérlet, hogyha a napsugarak egyszínű, fehér fényét üvegprizmán vezetjük keresztül a szivárvány színeire bomlik szét. Az ilyenkor jelentkező hat szín a vörös, a sárga, a narancs, a zöld, a kék és az ibolya. A hatféle szín hatféle hullámhosszúságú tartományba eső sugarakat jelöl, amelyek közül a vörösé a legnagyobb hullámhosszúságú, az ibolyáé pedig a legrövidebb. Ezt jól bizonyítja a tengerek színének alakulása is. Közvetlenül a segély partszegélyben a tengervíz teljesen színtelen, átlátszó, mert a fehér fény valamennyi hullámhosszúságú összetevője képes a vékony vízrétegen keresztülhaladni. Ha beljebb megyünk, a tenger színe fokozatosan zöldesre vált. Ennek az a magyarázata, hogy a 10-20 méter vastagságú vízrétegen a fehér fény nagyobb hullámhosszú, de energiába szegényebb vörös, narancs és sárga tartományba eső sugarai már nem tudnak keresztülhatolni, nincs elég energiatartalmuk hozzá, ezért teljesen elnyelődnek. Az energiában gazdagabb zöld, kék és ibolya sugarak azonban mélyebbre jutnak, zöldeskékké festve a vizet. Még mélyebben fokozatosan nyelődnek el előbb a zöld majd a kék sugarak. Végül 150-200 méter mélységbe már csak ibolya színű, energiában leggazdagabb fénysugarak képesek lehatolni, ezért ott a fény csupán ibolyás derengés. Végül 400 méter alatt a vaksötét lesz az úr. Az érkező napsugárzásnak csak egy része éri el a Földet. Az infravörös hősugarak jelentős része visszaverődik a felhőzetről, az ultraibolya sugárzás nagyobb része pedig elnyelődik a légkör felső rétegeiben (ózonpajzs). Az érkező sugarak egy része is szóródik, mielőtt elérné a földfelszínt. A szóródás azt jelenti, hogy különböző akadályokban ütközve (a levegő gázmolekulái, vízgőztartalma stb.) a sugárzás iránya megváltozik, és energiatartalma is csökken. Ennek eredményeképpen a földfelszínre érkező sugárzás közvetlen fényből és szórt fényből áll. Másodikként nézzük a fény és a fotoszintézis kapcsolatát. A fotoszintézis fényhasznosítása szempontjából nem közömbös a fény összetétele. A fényhasznosítás alapja ugyanis a fotoszintézisben nélkülözhetetlen színanyagok, fotoszintetikus pigmentek fényelnyelése. A zöld növények többféle fotoszintetikus színanyagot tartalmaznak, közülük a legjelentősebb négy, amely minden zöld növényben megtalálható, a kékeszöld A-klorofill, a haragoszöld B-klorofill, a narancsvörös -karotin és a sárga xantofill. A különböző színanyagok fényelnyelésének mértékét az úgynevezett fényelnyelési vagy abszorpciós görbékről tudjuk leolvasni. A klorofillok a 440 nm hullámhosszúságú fényt csaknem teljesen elnyelik, az elnyelés 95 % körüli. Mintegy 50 %-os elnyelési maximumuk van 660 nanométernél is. A két elnyelési maximumból az egyik a vörös, a másik a kék színtartományba esik, de a vörösé, sokkal nagyobb, csaknem kétszeres. A -karotin és a xantofill egyik elnyelési csúcsa a valamivel hosszabb, ugyancsak a vörös színű tartományban van, a másik maximuma alig 25 %-os. Az elnyelési görbéket elemezve két fontos következtetést vonhatunk le. Az egyik: a fotoszintézis szempontjából a nagyobb hullámhosszú, energiában szegényebb, vörös, narancs és sárga sugarak a kedvezőbbek. Mivel a szórt fény ezekben feldúsul, a szórt fény a fotoszintézis szempontjából kedvezőbb mint a közvetlen sugárzás. A másik: egyik színanyag sem képes hasznosítani az 500 és 600 nanométeres hullámhosszúságú, zöld színű tartományba eső fénysugarakat. Ezért látjuk a növényeket zöld színűeknek. Harmadikként fontos megállapítás, hogy a fénysugárzás nem egyenletesen oszlik el a bioszférában. Egy adott élőhelyen a fényviszonyokat az érkező fény mennyisége, azon belül a közvetlen fény és a szórt fény aránya, a fény erőssége és a megvilágítás ideje együttesen alakítja ki. Ezek a tényezők változnak a földrajzi szélesség mentén és változnak a tengerszinttől mért magasság szerint is. Az Egyenlítő mentén például a déltájban merőlegesen érkező napsugárzás erős közvetlen fényt eredményez. Az Egyenlítőtől távolodva a napsugarak beesési szöge egyre kisebb lesz, a mind vastagabb levegőrétegen keresztülhaladó sugárzás egyre nagyobb mértékben szóródik és nyelődik el, így a közvetlen fény aránya csökken. A földrajzi szélesség szerint változik a megvilágítás időtartama is. Az északi sarkkör mentén például nyáron még éjjel is olyan erős a megvilágítás, hogy a növények 24 órán keresztül folyamatosan fotoszintetizálnak. A tengerszinttől mind magasabbra emelkedve az egyre vékonyabb légréteg több és több napsugárzást enged át. Ezért nő a közvetlenül érkező fénysugarak és nő az ultraibolya sugárzás aránya is. Az azonos földrajzi fekvésű területek eltérő fényviszonyait a terület feletti felhősödés és a domborzati viszonyok valamint az ott élő növények együttese is befolyásolja. Derült időben magasabb a közvetlen fény aránya, mint felhősödés esetén. A napsütésnek jobban kitett déli lejtőket hosszabb ideig éri a megvilágítás, mint az északiakat. Egy zárt erdőállományban a gyepszint sokkal kevesebb fényt kap, mind nyílt területeken. A mérési eredményekkel megállapítható, hogy átlagosan növényzet az őt érő fénysugárzás mintegy 80 %-át képes abszorbeálni. Ez az arány a mérsékelt égövben rosszabb, kb. 50 %. A fény hasznosulása, a tényleges efficiencia érték a fotoszintézis során felépített szerves anyagok energiatartalma és a besugárzott energia hányadosa. azonban átlagosan csupán 0,5 - 1 %. A hasznosulás mértéke faji sajátosság is, az 5 %-ot azonban már a leggazdaságosabban fotoszintetizáló növények sem érik el. Kultúrnövényeink közül például a búza efficiencia értéke 2,6 , burgonyáé 2,3 , a takarmányrépáé mindössze 1,9 , a takarmányként termelt csillagfürté viszont a 4,8 -et is eléri. A természetes biocönózisokban a társulásokra számított fényhasznosulási együttható a klímaxtársulásokban a legnagyobb. Minél több szintre tagolt egy társulás annál hatékonyabb a fény hasznosítása is. A kettős lombkoronaszintű társulások, — ilyenek nálunk a gyertyános tölgyesek — vagy azok, amelyek egy lombkoronaszintűek ugyan, de cserjeszintjük fejlett, szintén igen hatékonyak a fényenergia társulásba való bejuttatásában. A hatékonyság előny volt a társulások evolúciója során is, ez a magyarázata annak, hogy minden éghajlati övben a lehetőségekhez képest leghatékonyabb társulások alakultak ki. Ilyen kétszintű erdőtársulás például Skandináviában a borókás erdeifenyves, amelyek sovány talajon, csapadékbő éghajlatú területen alakulnak ki. Az emberi beavatkozás következtében létrejött mesterséges erdők sokszor lényegesen kisebb efficienciájúak. Például a homokos talajon nálunk ültetett akácosok fényhasznosítása - mivel cserjeszintjük nincs vagy szegényes, gyepszintjük pedig néhány fajra korlátozódik — lényegesen kisebb az eredeti homoki tölgyeseknél.

hirdetés

hirdetés

hirdetés

hirdetés

hirdetés

hirdetés

hirdetés