Корневое давление не влияет на транспорт воды к листьям
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 19.09.2024
Ксилема цветковых растений содержит два типа проводящих воду структур — трахеиды и сосуды. В статье мы уже говорили о том, как выглядят эти структуры в световом микроскопе, а также на микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа. Строение вторичной ксилемы (древесины) рассматривается в статье. Ксилема и флоэма образуют проводящую ткань высших, или сосудистых, растений. Эта ткань состоит из так называемых проводящих пучков, строение и распределение которых в стеблях двудольных растений с первичным строением показано на рисунке.
То, что вода поднимается именно по ксилеме, нетрудно продемонстрировать, погрузив побег срезанным концом в разбавленный водный раствор красителя, например эозина. Подкрашенная жидкость, распространившись вверх по стеблю, заполнит сеть пронизывающих листья жилок. Если затем сделать тонкие срезы и рассмотреть их в световом микроскопе, то окажется, что краситель находится в ксилеме.
Любая теория, объясняющая транспорт воды по ксилеме, не может не учитывать следующие наблюдения.
Удовлетворительное объяснение этим фактам дает теория сцепления (когезии), или теория натяжения. Согласно этой теории, подъем воды от корней обусловлен ее испарением клетками листа. Как мы уже говорили в статье, испарение снижает водный потенциал клеток мезофилла, прилежащих к ксилеме, и вода поступает в эти клетки из ксилемного сока, водный потенциал которого выше; при этом она проходит через влажные клеточные стенки у концов жилок, как показано на рисунке.
Критики изложенной теории подчеркивают, что любое нарушение непрерывности столба сока должно немедленно останавливать весь поток, так как сосуд заполнится воздухом и паром (явление кавитации). Кавитацию может вызвать сильное сотрясение, изгибание ствола, а также дефицит воды. Хорошо известно, что на протяжении лета содержание воды в стволе дерева постепенно снижается, древесина заполняется воздухом. Этим пользуются лесозаготовители, потому что такие деревья легче сплавлять. Однако разрыв водного столба в части сосудов слабо влияет на общую скорость объемного потока. Возможно, дело в том, что вода перетекает в параллельно проходящие сосуды или же обходит воздушную пробку, продвигаясь по соседним паренхимным клеткам и по стенкам. Кроме того, согласно расчетам, для поддержания наблюдаемой скорости потока вполне достаточно, чтобы в каждый момент времени функционировала хотя бы небольшая доля ксилемных элементов. У некоторых деревьев и кустарников вода перемещается лишь по более молодой наружной древесине, называемой заболонью. У дуба и ясеня, например, проводящую функцию выполняют в основном сосуды текущего года, а остальная часть заболони играет роль водного резерва. Новые ксилемные сосуды образуются на протяжении всего вегетационного периода, но главным образом в его начале, когда скорость водного потока максимальна.
Вторая сила, обеспечивающая движение воды по ксилеме, — корневое давление. Его можно обнаружить и измерить в тот момент, когда срезают крону, а штамб с корнями некоторое время продолжает выделять сок из сосудов ксилемы. Этот процесс подавляется ингибиторами дыхания, например цианидом, и прекращается при недостатке кислорода и понижении температуры. Работа такого механизма, по-видимому, обусловлена активной секрецией солей и других водорастворимых веществ в ксилемный сок. В результате его водный потенциал падает, и вода поступает в ксилему из соседних клеток корня путем осмоса.
Этот механизм создает гидростатическое давление порядка 100-200 кПа (в исключительных случаях 800 кПа); одного его для подъема воды по ксилеме обычно недостаточно, однако у многих растений оно, несомненно, способствует поддержанию ксилемного тока. У медленно транспирирующих травянистых форм этого давления вполне хватает, чтобы вызвать у них мутацию. Так называется выделение воды на поверхности растения1 в виде капель жидкости, а не пара. Все условия, тормозящие транспира-цию, например слабая освещенность и высокая влажность, способствуют гуттации. Она обычна у многих видов дождевых тропических лесов и часто наблюдается на кончиках листьев у всходов трав.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
В этой работе я планирую описать механизмы транспорта воды в растении, такие как осмос, транспирация и корневое давление.
Актуальность
Нам известно, что механизмы транспорта воды в растении не так хорошо изучены, что нельзя сказать о механизмах транспорта воды у животных и человека. Некоторые механизмы, к которым можно отнести осмос и корневое давление, были изучены достаточно давно, в отличие от водной помпы. Существуют несколько основных механизмов транспорта воды в растении. К ним относятся осмос, корневое давление, транспирация. Именно о них и пойдет речь в данном реферате. Для начала введем эти понятия, руководствуясь Википедией, свободной интернет энциклопедией и Яндекс словарями.
2. Основная часть
2.1. Строение частей растения
Для изучения механизмов транспорта воды необходимо знать внутреннее строение органов растений. Орган – часть организма, имеющая определенное строение и выполняющая определенные функции. Органы возникли у высших растений в связи с освоением суши. Жизнь в двух средах – воздушной, где происходит фотосинтез, и в почве, откуда растение получает воду и минеральные вещества,- привела к появлению сначала тканей, а затем и органов. Вегетативные органы высшего растения - это побег и корень. Вегетативный побег состоит из стебля и листьев. Обязательная принадлежность побега – почки. Традиционное деление тела растения на стебель, листья и корень введено Теофастом ( IV в.до н. э. ).
Корень – один из основных вегетативных органов растения. Его главные функции – почвенное питание и закрепление растения в почве. Через корень растение поглощает из почвы воду с растворенными в ней минеральными веществами. Корень – осевой орган, обладающий осевой симметрией и неопределенно долго нарастающий в длину благодаря деятельности верхушечной меристемы. По происхождению различают главный, боковые и придаточные корни. Совокупность всех корней одного растения образует корневую систему. Характер корневой системы определяется соотношением роста главного, боковых и придаточных корней. Выделяют три типа корневых систем – стержневую, мочковатую и смешанную. В зависимости от влажности, характера почвы, распределения в ней питательных веществ корни могут формироваться разных горизонтах. Корневая система многих растений развита сильнее их наземной части.
Участки корня, находящиеся на различном расстоянии от апекса ( верхушки, конуса нарастания ) выполняют неодинаковые функции и различаются по своему строению, получили название зон корня.
Верхушечную меристему (ткань растений, в течении всей жизни сохраняющая способность к образованию новых клеток ) защищает корневой чехлик. Он состоит из живых клеток , которые постоянно обновляются. При углублении в почву клетки чехлика выделяют слизь, отслаиваются и погибают, их место занимают новые. Слизь облегчает продвижение корня в почве. Под чехликом располагается зона деления, представляющая верхушечную меристему. Клетки делятся путем митоза, формируя все прочие зоны корня. Выше располагается зона растяжения, или роста. Ее пртяженность несколько миллиметров. Клетки зоны роста практически не делятся, а сильно растягиваются (растут) вдоль оси корня, проталкивая кончик корня в глубь почвы. Далее идет зона всасывания (поглощения) , или зона корневых волосков. Через корневые волоски в корень поступает основная масса воды и растворов солей. Зона проведения начинается выше зоны всасывания и включает всю остальную часть корня. По ней вода и соли транспортируются к побегу.
При первичном строении в корне различают три блока тканей – эпиблему (покровная ткань, из нее образуются корневые волоски), первичную кору (после отмирания выполняет защитные функции и служит для циркуляции газов, необходимых для дыхания и обмена веществ) и центральный цилиндр (в центре корня находятся проводящие ткани – древесина с наиболее важными клетками – сосудами, по которым передвигается вода и растворенные в ней минеральные соли и луб по которому передвигаются органические вещества).
Стебель – вегетативный осевой орган растения, осевая часть побега .Характеризуется радиальной симметрией и неограниченным ростом в длину. Слагается из узлов и междоузлий, растет в длину за счет верхушечного и вставочного роста. Несет на себе листья, почки и ( у покрытосеменных) цветки. Основные функции стебля – опорная и проводящая. Стебель обеспечивает благоприятное для фотосинтеза расположение листьев и двустороннее передвижение веществ. Органические вещества, синтезированные в листьях, передвигаются по флоэме стебля к местам их использования : растущим листьям, стеблям, корням, цветкам, семенам и плодам. Из корней по ксилеме подается вода с растворенными минеральными веществами.
В стебле, как и в корне , при первичном строении можно различить три анатомо – топографические зоны: покровную ткань, первичную кору и центральный целинр. Однако, развиваются корень и стебель в разной среде и выполняют разные функции .
Лист – вегетативный орган растения, занимающий боковое положение на стебле – оси побега. Лист выполняет функции фотосинтеза, транспирации и газообмена. В процессе фотосинтеза образуется органическое вещество. в основном сахар, и выделяется кислород. Транспирация – регулируемое испарение, обеспечивает подъем из корня воды и растворенных минеральных веществ, необходимых для роста и развития растений. Газообмен обеспечивает дыхание растений. Сформировавшийся лист обычно состоит пластинки, черешка и основания.
Снаружи лист имеет покровную ткань (верхняя эпидерма) в которой характерно наличие катикулы и устьиц. Основную массу листа составляет мезофилл – высокоспециализированная ткань, где происходит фотосинтез. Жилки образуют проводящую систему листа, связанную с проводящей системой стебля. Жилка – это, как правило, закрытый коллатеральный пучок, ксилема которого обращена к верхней стороне листа, а флоэма – к нижней. Жилки образуют густую сеть. Через черешок и основание листа проводящие пучки (ли стовые следы) входят в стебель и образуют единое целое с его проводящей системой
2.2. Осмос, как механизм транспорта воды
Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.
Осмос - один из важнейших механизмов транспорта воды в растении. Осмос - переход молекул из более концентрированного раствора в менее через полупроницаемую мембрану. Процесс осмоса похож на процесс диффузии, но осмос протекает быстрее. Численной единицей осмоса принято считать осмотическое давление. Осмотическое давление - давление, которое необходимо приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор.
В растениях полупроницаемыми мембранами являются плазматическая мембрана и тонопласт ( тонопласт- мембрана, ограничивающая вакуоль растит, клетки.). В результате контакта клетки с раствором, с меньшей концентрацией воды, чем в клетке вода начнет выходить из клетки наружу. При этом клетка сморщивается, и этот процесс назван плазмолизом. Плазмолиз обратим- при помещении уже сморщенной клетки в раствор с более высоким содержанием воды- вода постепенно начнет поступать в клетку и она в скором времени набухнет. В результате данного процесса внутренние части клетки будут оказывать давление на стенку клетки.
Скажем еще раз, что осмотическое давление- величина скорее гипотетическая, чем реальная(она становится реальной лишь при ее измерении). Необходимо знать что вода движется от более низкого осмотического давления к более высокому.
Осмос происходит в средах где подвижность растворителя больше подвижности растворенных веществ. Частным случаем осмоса принято считать осмос через полунепроницаемую мембрану. Полунепроницаемой мембраной называют мембрану, имеющую высокую проницаемость лишь для некоторых веществ, к которым относится растворитель. Если такая мембрана будет разделять и чистый раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя будет менее высокой, так как там часть его молекул замещена молекулами растворенного вещества. Из-за этого, переходы растворителя в раствор будут происходить чаще, следовательно объем раствора будет увеличиваться и соответственно объем растворителя- уменьшаться. Приведем пример- к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полунепроницаемая мембрана, пропускающая молекулы воды и задерживающая молекулы сахара. При разделении такой мембраной растворы сахара с определенной концентрацией, через нее(мембрану) будут проходить только молекулы воды. Вследствие в более разбавленном растворе концентрация повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Через определенное время наступит равновесие- одинаковая концентрация сахара в каждом из растворах Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими.
Клетки растений используют осмос для увелечения обьема вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки(тугурное давление).Клетки растений делают это путем запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.
Осмос через полупроницаемую мембрану. Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (красные) — нет.
В этой главе мы разобрались с осмосом- одним из важнейших устройств для транспорта воды.
2.3. Транспирация, как механизм транспорта воды
Начало изучении транспирации началось с XVIII века, но научный подход к обьянению этого явления начался в середине XIX века.Одним из первым исследователям транспирации был Г.Моль (1856), который докозал, что величина устьичных отверстий определяется тургором замыкающих клеток и зависит от света, тепла и влажности воздуха. Также он проводил эксперементы в результате которых он доказал, что рисутствие в замыкающих клетках хлоро-пластов, синтезирующих осмотические вещества, и таким образом влияющих на работу устьиц и на транспирацию. Другими учеными, изучающими транспирацию были. Унгер (1857), опубликовавший в 1862 г. большую работу о транспирации. С. Швенденер (1883) высказал мысль, что устьица обеспечивают не только испарение, но и усвоение СОг- Представление об активной роли замыкающих, а не прилегающих к ним эпидермальных клеток, как это считал Дейтгеб (1886), окончательно утвердил сын Чарлза Дарвина Ф. Дарвин (1898). Действие различных лучей спектра на работу устьиц первым исследовал Коль (1895). Он установил, что красные и синие лучи, т. е. лучи, поглощенные хлорофиллом, вызывают открывание устьиц. Кроме устьичной транспирации в 1878 г. была обнаружена еще и кутикулярная (Хенель). Определения количеств испаряемой воды (Га-берландт, 1877; Хенель, 1879, 1880) показали, что эта величина различна в зависимости от природы самого растения и условий его произрастания. Но обо всем по порядку.
Транспирация - процесс потери растениями воды в виде пара. Основной орган для транспирации - лист. Аналогом транспирации является физический процесс испарения. Транспирация- один из важнейших факторов водного режима растений, так как испарение создает определенный энергетический импульс, который является причиной передвижения воды по растению. В связи с этим транспирация определяет скорость поглощения воды растением и вызывает водный дефицит в листьях. Также из-за потери воды в ходе процесса транспирации возрастает сосущая сила. Это приводит к усилению поглощения клетками листа воды из сосудов и передвижению воды по ксилеме из корней в листья. Процесс транспирации может осуществляться лишь при полном отключении нижнего концевого двигателя для работы верхнего концевого двигателя.Науке известно два вида транспирации: кутикулярная и устьичная. Кутикулярная транспирация представляет собой механтзм, в котором листья должны иметь однослойный эпедермис, внешние стенки клеток которого покрыты кутикулой и воском, образующие барьер на пути движения воды. На поверхности листьев часто развиты волоски, которые также влияют на водный режим листа, так как снижают скорость движения воздуха над его поверхностью и рассеивают свет, тем самым уменьшают потери воды за счет транспирации.Устьичная транспирация. Транспирация через устьица идет почти с такой же скоростью, как и обычная.Транспирация спасает растения от перегрева.
Итак, подведем итог. Мы узнали что транспирация в своей основе является физическим процессом испарения, который контролируется физическими факторами. Однако транспирация - это и физиологический процесс, который находится под влиянием таких внутренних факторов, как строение и расположение листьев, поведение устьиц. Транспирация обычно происходит в две стадии: испарение воды из клеточных стенок в межклетники и диффузия водяного пара в наружную атмосферу
2.4. Корневое давление, как механизм транспорта воды
В статье представлена информация о том, что такое корневое давление. В растениях отсутствует регулярная циркуляция сока, сравнимая с кровью животных, или постоянный поток в любом одном направлении, за исключением временного. Корневое давление вызывает подъем жидкости в растениях.
Роль корневого давления
В низкорослых растениях корневое давление наиболее видимо ночью или рано утром, то есть через некоторое время после того, как транспирация прекратилась, и прежде, чем она начнет действовать снова с дневным светом. Корневое давление способствует их жизни и росту.
Что такое корневое давление для лиственных деревьев и кустарников? Этим видам растений требуются значительные силы для пробуждения своих зимних почек и стимуляции их к росту. Растения растут быстрее ночью, чем днем, потому что корневое давление в темное время суток оказывает свою полную силу.
Процесс давления в корневой системе
Рассмотрим, что такое корневое давление. Это поперечное осмотическое давление в клетках системы корней, благодаря чему сок в растениях поднимается к стеблям и листьям.
Корневое давление возникает в ксилеме растений, когда влажность почвы находится на высоком уровне, либо в темное время суток.
Ночью в некоторых растениях корневое давление способствует появлению капель сока от кончиков или краев листьев. Оно анализируется при срезании стеблей растений поблизости уровня почвы. Сок будет сочиться из разреза стебля в течение нескольких часов или дней и для того, чтобы под действием корневого давления измерить его уровень и силу продвижения, можно использовать манометр.
Соки накапливаются в корневой ксилеме, после чего отправляются в стебли, цветы и листья. Корневое давление растений характеризуется активным распределением минеральных питательных веществ и ионов в корневище.
Оно дает усилие, которое проталкивает воду вверх по стеблю, но этого недостаточно, чтобы объяснить движение воды в листья на вершине самых высоких деревьев.
Корневое давление растений транспортирует воду и растворенные минеральные питательные вещества от корней через ксилему к верхушкам. Максимальное корневое давление составляет около 0,6 мегапаскаль.
Движение минеральных веществ и жидкости вверх сосудистых растений происходит благодаря транспирации.
Движение воды внутри растения
Существуют 2 способа, которые позволяют воде двигаться вверх. Это корневое давление и транспирация:
1. Давление корня: вода перемещается от корней вверх. В виду того, корневое давление не способно достаточно высоко поднять воду, для этого необходим другой процесс.
2. Транспирация. Большая часть жидкости проходит через отверстия, которые называются устьица. Они находятся с нижней стороны листьев. Вода движется из-за давления корня вверх по стеблю, после чего "включается" процесс транспирации, и она подается к листьям.
Вода - это полярная молекула. Когда ее молекулы сближаются, они образуют водородную связь. Вода поступает в ксилему в корни при помощи осмоса. Она постоянно испаряется с поверхности листьев, поэтому так важно, чтобы круговорот воды был постоянным. Без ее поступления жизнь растений невозможна, поэтому корневое давление имеет большое значение для жителей зеленого мира.
Поглощение минералов корнями
Минералы поступают в корень через корневые волоски. Этот процесс требует энергии, поэтому волоски корня содержат много митохондрий, чтобы создавать ее. Митохондрии - это органеллы в цитоплазме клеток, которые преобразуют углеводы в энергию с клеточным дыханием.
Каждому садоводу интересно было бы знать, что такое корневое давление и какое его значение в жизни растений. Все они имеют корневое давление, благодаря чему растут, насыщаются влагой и питательными веществами.
В наземные части папоротников, голосеменных и цветковых растений растворы минеральных веществ поступают из корней, всасывающих их из почвы корневыми волосками .
Корневые волоски работают как маленькие насосы. Вещества, поступившие в корневой волосок, перемещаются в другие клетки всасывающей зоны корня, поступают в сосуды центрального цилиндра корня и по ним поднимаются вверх в стебли и листья.
Доказать, что поступление растворов минеральных веществ в наземную часть растения происходит по сосудам древесины , можно с помощью простого опыта.
Ветку дерева ставят в окрашенную чернилами воду. Через несколько часов отрезают часть стебля и разрезают его вдоль. На срезе видно, что чернилами окрашивается только слой древесины. Значит, раствор чернил поднимается вверх по сосудам, которые находятся в древесине.
Процессы всасывания воды и её передвижения вверх по органам растений возможны благодаря действию корневого давления .
Обрезают стебель растения, оставив небольшой пенёк. На него одевают небольшой кусочек трубки из резины, в который вставляют стеклянную трубку. Через некоторое время из трубки начинает капать вода. Но это происходит только после полива тёплой водой. Если же для полива использовать холодную воду, то капли воды не появляются. Значит, корни не могут поглощать холодную воду.
Читайте также: