Что такое верхний двигатель водного потока в растении

Что такое верхний двигатель водного потока в растении

Лабораторная работа № 3

ДВИЖУЩИЕ СИЛЫ ПОСТУПЛЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОДЫ В РАСТЕНИИ

Контрольные вопросы

1. Содержание воды в растении, её роль в процессах жизнедеятельности растений.

2. Молекулярная структура и физические свойства воды. Взаимодействие молекул воды и биополимеров, гидратация. Свободная и связанная вода. Физиологическое значение различных фракций воды в растении.

3. Основные закономерности поглощения воды клеткой. Набухание биоколлоидов, осмос — явления, лежащие в основе поступления воды в растение. Термодинамические показатели, определяющие поведение воды: активность воды, химический потенциал, водный потенциал.

4. Составляющие водного потенциала: осмотический потенциал, матричный потенциал, потенциал давления. Градиент водного потенциала как движущая сила поступления и передвижения воды в системе «почва-растение-атмосфера», в клетках, тканях и целом растении.

5. Система ближнего и дальнего транспорта воды в растении. Механизм формирования в растении. Верхний и нижний концевые двигатели. Корневое давление. Натяжение воды в сосудах.

6. Движущие силы тока воды в системе ближнего транспорта.

7. Движущие силы передвижения воды в системе дальнего транспорта.

Передвижение воды по растению осуществляется по системе ближнего и дальнего транспорта. Ближний транспорт осуществляется на небольшие расстояния в пределах органа, ткани по неспециализированным тканям. Различают следующие пути ближнего транспорта: 1) по апопласту (совокупности клеточных стенок и межклетников); 2) по симпласту (совокупности протопластов, сообщающихся через плазмодесмы); 3) трансмембранный перенос (через систему мембранных барьеров и дискретных вакуолей клеток). Различают ближний радиальный транспорт (от клеток зоны всасывания до корневых окончаний ксилемы) и ближний транспорт по мякоти (мезофилл листа). Дальний транспорт осуществляется из одного органа растения в другой по специализированным тканям в системе восходящего (ксилемный) и нисходящего (флоэмный) транспорта.

Водные потоки в растении зависят от градиента водного потенциала и от величины гидравлической проводимости тканей (клеток). По аналогии с законом Ома поток воды (J_w) в системе почва — растение — атмосфера, можно представить в виде гидравлической цепи:

В целом растении можно выделить три основных последовательно соединенных гидравлических сопротивления: R₁ — участок от поверхности клеток эпидермиса до сосудов ксилемы, R₂ — сопротивление элементов ксилемы, R₃ — сопротивление при испарении воды в атмосферу из листьев.

Поскольку , а R (гидравлическое сопротивление) – величина обратная k_w (гидравлическая проводимость), имеем:

,

где — суммарный градиент водного потенциала всей цепи, R — суммарное сопротивление всех элементов цепи.

5rik.ru

Материалы для учебы и работы

Поступление воды в растение. Двигатели водяного потока.

Корневая система распространяется в почве в вертикальном и горизонтальном направлениях. Особенности распространения зависят от видовых особенностей растения. Так, у пустынных растений корневая система распространяются вглубь на десять (а отдельные виды и на большее количество) метров, а у теневыносливых растений, растущих в нижнем ярусе леса, корневая система в основном располагается в ярусе до 0.5 метра, но вширь может занимать несколько квадратных метров.

Поступление воды в корневую систему растения и перемещение ее по тканям корня осуществляется путем пассивной диффузии. Поступление идет по градиенту концентрации, поэтому если в почве концентрация почвенного раствора выше, чем концентрация клеточного сока, то вода будет диффундировать не в растение, а из него, и наступит гибель растения. Такая ситуация может сложиться в результате передозировки минеральных удобрений, небрежного внесения минеральных удобрений, когда они рассыпаются неравномерно.

Корневая система имеет поглощающую или всасывающую зону — это зона корневых волосков. Поступив в клетку корневого волоска вода становится частью живой системы — клетки растения — и подчиняется закономерностям, действующим в живой клетке. Передвижение по растению определяется двумя основными двигателями водного потока в растении:

нижним двигателем водного потока или корневым давлением,

верхним двигателем водного потока или присасывающим действием атмосферы.

Корневое давление создается при переходе воды из коры корня в сосудистую систему корня при прохождении воды через пропускные клетки перицикла, из которых вода под давлением как бы впрыскивается в сосуды ксилемы. Доказательством этого служат явления гуттации и «плача растений».

Гуттация — это выделение капельно-жидкой влаги листьями через гидатоды в условиях затрудненного испарения.

Плач растения — это вытекание пасоки (воды с растворенными в ней минеральными веществами, находящейся в ксилеме) из стеблей растений со срезанными побегами. Механизм образования корневого давления по-видимому состоит из двух аспектов:

переноса воды по законам осмоса,

дополнительной сократительной деятельности актомиозиновых белков, находящихся в перицикле и паренхимных клетках корня.

Присасывающее действие атмосферы определяется концентрацией водяных паров в атмосфере. Этот показатель в атмосфере почти всегда меньше, чем в листе растения, за исключением условий повышенной влажности воздуха, например, во время дождя, тумана.

Определяющую роль в формировании верхнего двигателя водяного потока в растении играет водный потенциал ¥ (фэта).

Водный потенциалYвыражает способность воды в данной системе, в том числе в почвенном растворе, или в клетке растения, или в атмосфере, совершить работу по сравнению с той работой, которую при тех же условиях совершила бы чистая вода.

Водный потенциал, являясь фактически мерой активности воды, определяет термодинамически возможное направление ее транспорта. Молекулы воды всегда перемещаются от более высокого водного потенциала к более низкому, подобно тому, как вода течет вниз. Водный потенциал имеет размерность энергии, деленной на объем, поэтому его выражают в барах или паскалях (1 атмосфера = 1,013 бар = 10 5 Па.10 6 Па равны 1 мегаПа)

Химический потенциал воды — µ_{w —} это величина, производная от активности воды. Она выражает максимальное количество внутренней энергии молекул воды, которое может быть превращено в работу, измеряется в ДЖ . моль -1 и рассчитывается по уравнению:

µ_w 0 _— химический потенциал чистой воды (принят равным нулю), R — газовая постоянная, T — абсолютная температура, a_{w —} активность воды в системе.

В системе «почвенный раствор — растение — атмосфера» водный потенциал изменяется от самого высокого значения в почвенном растворе до самого низкого в воздухе. Вода переходит из растения в окружающий воздух в парообразном состоянии. В мезофилле листа имеются обширные межклеточные пространства и каждая клетка мезофилла хотя бы одной стороной граничит с таким межклетником. Вследствие испарения воды с влажных клеточных стенок воздух в межклетниках насыщен водяными парами, часть которых через устьица выходит наружу.

Транспирация

Транспирация — процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветки. Вода необходима для жизнедеятельности растения, но только небольшая часть воды, поступающей через корни используется непосредственно для нужд роста и метаболизма. Оставшиеся 99-99,5 % теряются через транспирацию. Поверхность листа покрыта структурами, называемыми устьицами и у большинства растений большая часть устьиц находится на нижней части листа. Устьица ограничены замыкающими клетками и сопровождающими клетками (вместе известными как устьичный комплекс), которые открывают и закрывают устьичные щели. Транспирация проходит через устьичные щели и может рассматриваться как необходимая «цена», связанная с открытием устьиц для доступа углекислого газа, необходимого для фотосинтеза. Транспирация также охлаждает растение, изменяет осмотическое давление в клетках и обеспечивает движение воды и питательных веществ от корней к побегам.

Вода поглощается корнями из почвы с помощью осмоса и движется в ксилеме наверх вместе с растворенными в ней питательными веществами. Движение воды от корней к листьям частично обеспечивается капиллярным эффектом, но в основном происходит за счёт разности давлений. В высоких растениях и деревьях, гравитация может быть преодолена только за счёт уменьшения гидростатического давления в верхних частях растения из-за диффузии воды через устьица в атмосферу.

Охлаждение достигается путём испарения с поверхности растения воды, у которой высокая удельная теплота парообразования.

Регуляция [ править | править код ]

Растение регулирует свой уровень транспирации с помощью изменения размера устьичных щелей. На уровень транспирации также влияет состояние атмосферы вокруг листа, влажность, температура и солнечный свет, а также состояние почвы и её температура и влажность. Кроме того, надо учитывать и размер растения, от которого зависит количество воды, поглощаемой корнями и, в дальнейшем, испаряемой через листья.

Во время сезона роста лист может испарить количество воды во много раз превышающее его собственный вес. Один гектар посева пшеницы испаряет за лето 2000—3000 тонн воды [3] . В сельском хозяйстве оперируют понятием транспирационного коэффициента, это соотношение между затраченной массой воды и приростом сухой массы. Обычно он составляет от 200 до 600 [3] (1000) [4] , т.е для образования одного килограмма сухой массы сельхозкультуры необходимо от 200 до 1000 литров воды.

Для измерения уровня транспирации растений существует множество техник и приборов, включая потометры, лизиметры, порометры, фотосинтетические системы [en] и термометрические сенсоры. Для измерения эвапотранспирации применяют главным образом изотопные методы [5] . Недавние исследования [6] показывают, что вода, испарённая растениями, отличается по изотопному составу от грунтовых вод.

У пустынных растений есть специальные приспособления, позволяющие снизить транспирацию и сохранить воду, такие как толстая кутикула, уменьшенная площадь листьев и волоски на листьях. Многие из них используют так называемый CAM-фотосинтез, когда днём устьица закрыты, а открываются только ночью, когда температура ниже, а влажность больше.

Что такое верхний двигатель водного потока в растении

Вода и жизнь. Распространение воды в природе. Качественный количественный состав, круговорот, возраст и генезис воды. Изотопный состав, тяжелая вода. Чистая и сверхчистая вода. Способы ее опреснения и очистки. Эффект обезвоживания веществ. Особые свойства жидкой воды — реальные и вымышленные.

Физические свойства воды. Особенности строения молекул, водородные связи и модели структуры жидкой воды. Коэффициент самодиффузии как показатель микроподвижности молекул.

Водные растворы. Взаимодействие водной структуры с растворенным веществом.

Различные виды гидратации: (гидрофильная и гидрофобная, ионная и электронейтральная).

Растворы макромолекул. Вода свободная и связанная, капиллярная, коллоидная, иммобилизованная. Вода в биологических структурах. Клатратные комплексы и их свойства. Соотношение различных фракций воды в растении и их физиологическое значение. Методы оценки состояния воды в биологических объектах: ЯМР-, ИК- и диэлектрическая спектроскопия.

Макроперемещения молекул воды в растении. Факторы, влияющие на этот процесс.

Водный потенциал как обобщенный энергетический показатель состояния воды в биологических системах. Термодинамические показатели состояния воды и ее растворов. Понятие об энергии. Энергия внутренняя, тепловая, свободная. Законы термодинамики. Химический потенциал. Зависимость химического потенциала от концентрации. Активность воды и способы ее определения. Ионная сила раствора. Полный потенциал системы и его составляющие. Значение, способы и единицы выражения химического, полного и водного потенциалов. Диффузия. Движущая сила этого процесса. Законы А.Фика. Осмотический потенциал водных растворов, выводы Вант-Гоффа. Связь водного потенциала с полным, осмотическим потенциалами и с сосущей силой клетки.

Давление в жидкости. Гидростатическое, осмотическое и тургорное давление. Тургор и плазмолиз в растительных клетках. Методы определения осмотического и водного потенциалов биологических объектов. Осмотики, используемые при исследованиях и предъявляемые к ним требования. Коэффициент отражения биологических мембран.

Потоки воды в целом растении. Большой круг циркуляции воды в системе почва — растение-атмосфера. Движущие силы на этом пути. Радиальный транспорт воды в корне. Анатомические особенности строения корня. Нижний концевой двигатель растений. Осмотическая и метаболическая составляющие корневого давления. Представления о пассивном и активном участии растения в процессах водообмена. Верхний концевой двигатель растений. Транспирация. Поток воды на пути ксилемные окончания-воздух. Способы регуляции этого потока. Строение и функциональне особенности устиц. Движение воды по внутриннему апопласту растений. Поверхностное натяжение и капилярные силы. Значение когезии и адгезии для транспорта воды. Анатомические особенности строения проводящих путей ксилемы.

Малый круг циркуляции воды в растении. Поток через флоэму и силы его регулирующие. Строение проводящей системы флоэмы. Некоторые модели флоэмного двигателя и его роль в жизни растений. Влияние внешних и внутренних факторов на водообмен растений. Эволюция проводящих систем у растений. Особенности растений различных экологических групп и пути их адаптации к условиям водосна.