PI-kurva
PI - kurvan (eller fotosyntes-bestrålning ) är en grafisk representation av det empiriska förhållandet mellan solbestrålning och fotosyntes . En härledning av Michaelis–Menten- kurvan visar den generellt positiva korrelationen mellan ljusintensitet och fotosynteshastighet. Det är en plot av fotosynteshastigheten som en funktion av ljusintensiteten (instrålning).
Introduktion
PI-kurvan kan tillämpas på terrestra och marina reaktioner men används oftast för att förklara havslevande växtplanktons fotosyntetiska svar på förändringar i ljusintensitet. Att använda detta verktyg för att uppskatta biologisk produktivitet är viktigt eftersom växtplankton bidrar med ~50 % av den totala globala kolfixeringen och är viktiga leverantörer till den marina näringsväven.
Inom det vetenskapliga samfundet kan kurvan hänvisas till som PI, PE eller Light Response Curve. Även om enskilda forskare kan ha sina egna preferenser, är alla lätt acceptabla för användning i litteraturen. Oavsett nomenklatur kan den aktuella fotosynteshastigheten beskrivas i termer av kol (C) fixerat per enhet per gång. Eftersom individer varierar i storlek är det också användbart att normalisera C-koncentrationen till Klorofyll a (ett viktigt fotosyntetiskt pigment) för att ta hänsyn till specifik biomassa.
Historia
Så långt tillbaka som 1905 försökte havsforskare utveckla en ekvation som skulle användas som standard för att fastställa förhållandet mellan solinstrålning och fotosyntetisk produktion. Flera grupper hade relativa framgångar, men 1976 nådde en jämförelsestudie utförd av Alan Jassby och Trevor Platt, forskare vid Bedford Institute of Oceanography i Dartmouth, Nova Scotia, en slutsats som befäste sättet på vilket en PI-kurva utvecklas. Efter att ha utvärderat de åtta mest använda ekvationerna, hävdade Jassby och Platt att PI-kurvan bäst kan approximeras med en hyperbolisk tangentfunktion, åtminstone tills fotoinhibering uppnås.
Ekvationer
Det finns två enkla härledningar av ekvationen som vanligtvis används för att generera den hyperboliska kurvan. Den första antar att fotosynteshastigheten ökar med ökande ljusintensitet tills Pmax uppnås och fortsätter att fotosyntetisera med maximal hastighet därefter.
- P = P max [ I ] / ( KI + [ I ])
- P = fotosynteshastighet vid en given ljusintensitet
- Betecknas vanligen i enheter som (mg C m-3 h-1) eller (µg C µg Chl-a-1 h-1)
- Pmax = den maximala potentiella fotosynteshastigheten per individ
- [I] = en given ljusintensitet
- Betecknas vanligtvis i enheter som (µMol fotoner m-2 s-1 eller (Watt m-2 h-1)
- KI = halvmättnadskonstant; ljusintensiteten med vilken fotosynteshastigheten fortsätter vid ½ Pmax
- enheter reflekterar de som används för [I]
- P = fotosynteshastighet vid en given ljusintensitet
Både Pmax och kurvans initiala lutning, ΔP/ΔI, är artspecifika och påverkas av en mängd olika faktorer, såsom näringskoncentration, temperatur och individens fysiologiska förmågor. Ljusintensiteten påverkas av latitudinell position och genomgår dagliga och säsongsbetonade flöden som också kommer att påverka individens totala fotosynteskapacitet. Dessa tre parametrar är förutsägbara och kan användas för att förbestämma den allmänna PI-kurvan som en population ska följa.
Som kan ses i grafen kan två arter ha olika svar på samma inkrementella förändringar i ljusintensitet. Population A (i blått) har en initial hastighet som är högre än den för population B (i rött) och uppvisar också en starkare hastighetsändring till ökade ljusintensiteter vid lägre irradians. Därför kommer population A att dominera i en miljö med lägre ljustillgänglighet. Även om population B har ett långsammare fotosyntetiskt svar på ökningar i ljusintensitet är dess Pmax högre än för population A. Detta möjliggör eventuell befolkningsdominans vid högre ljusintensiteter. Det finns många avgörande faktorer som påverkar befolkningens framgång; att använda PI-kurvan för att framkalla förutsägelser av hastighetsflöde till miljöförändringar är användbart för att övervaka växtplanktonblomningsdynamik och ekosystemstabilitet.
Den andra ekvationen står för fenomenet fotoinhibition . I de övre meter av havet kan växtplankton utsättas för strålningsnivåer som skadar klorofyll-a-pigmentet inuti cellen, vilket därefter minskar fotosynteshastigheten. Svarskurvan visar fotoinhibering som en minskning av fotosynteshastigheten vid ljusintensiteter starkare än de som krävs för att uppnå Pmax.
Termer som inte ingår i ovanstående ekvation är:
- βI = ljusintensitet vid början av fotoinhibition
- αI = en given ljusintensitet
Exempel
Den hyperboliska responsen mellan fotosyntes och bestrålning, avbildad av PI-kurvan, är viktig för att bedöma växtplanktonpopulationens dynamik, som påverkar många aspekter av den marina miljön.
Anteckningar
- Chalker BE, Dunlap WC och Oliver JK, 1983. Batymetriska anpassningar av revbyggande koraller vid Davies Reef, Great Barrier Reef, Australien. II. Ljusmättnadskurvor för fotosyntes och andning . J Exp Mar Biol Ecol 73:37–87.
- Lalli CM och Parsons TR, 1997. Biological Oceanography: An Introduction , 2nd edn. Butterworth–Heinemann, Oxford.
- Marra J., Heinemann K. och Landriau G. Jr., 1985. Observerade och förutspådde mätningar av fotosyntes i en växtplanktonkultur exponerad för naturlig bestrålning . Mar Ecol. 24:43–50.
- Miller CB, 2004. Biologisk oceanografi , Blackwell.
- Jasby AD och Platt T., 1976. Matematisk formulering av förhållandet mellan fotosyntes och ljus för växtplankton . Limnol. Oceanogr. 21:540–547.
- Platt T. och Jasby, AD, 1976. Förhållandet mellan fotosyntes och ljus för naturliga sammansättningar av kustnära marin växtplankton . J. Phycol. 12:421–430.