Тепловые и молекулярные явления в жизни растений

МОУ Долганская средняя общеобразовательная школа

«Тепловые и молекулярные явления в жизни растений»

Работу выполнила:

ученица 11 класса  Пирогова Люба

Руководитель:

учитель физики Солодухина Е.В.

2009 год

Содержание

 Введение.

1. Диффузия и растительный мир.
2. Капиллярные явления.
3. Испарение в жизни растений.
4. Причина «теплолюбия» растений.

Введение

Исследуя мир живой материи, человек широко использует законы физики и прежде всего законы сохранения. Многие свойства биологических объектов и систем, несмотря на их сложность и специфичность, удаётся проанализировать, опираясь на физические модели, применяя законы механики, термодинамики, акустики, электромагнетизма, оптики.

 При исследовании биологических объектов различной степени сложности, начиная от отдельных молекул и их комплексов и кончая клетками, их сообществами, тканями, органами, целостными организмами и популяциями, возникает ряд комплексных проблем. Их решение требует применения всего арсенала теоретических и экспериментальных методов современной физики, в том числе ряда разделов математической физики, теории информации, кибернетики, автоматического регулирования и других смежных направлений науки.

Использование биофизикой физико-химических методов и физических приборов при изучении биологических объектов привело к важнейшим для человечества открытиям материальных основ наследственности и изменчивости, особенностей биосинтеза, фотосинтеза и др.

Физика – наука о природе.

 Растительный мир – это составная часть природы. С изучения растений начинается в биологии формирование естественно научной картины мира.  Растительная клетка мельчайшая частица строения организма растения и одновременно элементарная структурно-функциональная единица жизни. Растения чутко откликаются на изменения в окружающей среде, будь то живительный дождь или губительный химический выброс.

В своей работе я расскажу о тепловых и молекулярных явлениях в жизни растений.

Диффузия и растительный мир

        «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счёт атмосферы или одного органа за счёт другого, соседнего, - везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия»

                                                     К.А.Тимирязев.   

Диффузия –  (от лат. diffusio — распространение, растекание), взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества.

Большое значение играют диффузионные процессы в растительном мире.  

Основную роль в диффузионных процессах  растений играют мембраны клеток, обладающие избирательной проницаемостью. Прохождение веществ через мембрану зависит от:

1. размеров молекул;  
2. электрического заряда;
3. от присутствия и числа молекул воды;
4. от растворимости этих частиц в жирах;
5. от структуры мембраны.

Существует две формы диффузии: а) диализ – это диффузия молекул растворенного вещества; б) осмос – это диффузия растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны).

Явление диффузии жидкостей сквозь пористые перегородки обес печивает всасывание воды корнями расте ний, усвоение пищи и удаление отходов из клеток растений. В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения.  Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Там вещества быстро усваивают ся, то есть химически преобразуются, так что их концентрация у поверхности корней оказывается все время пониженной, что и продолжает диффузию нужных ве ществ из окружающей почвы в корни.

 Для деревьев диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию не только дыхания, но и частично питания, поэтому у деревьев наблюдается особенно большое развитие поверхности (листовая крона). В настоящее время широко  практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.                                                                                   

        Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающая поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей.

Капиллярные явления

        Капиллярные явления, физические явления, обусловленные действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред.

Капиллярное впитывание играет существенную роль в водоснабжении растений, передвижении влаги в почвах и др. пористых телах.

Большинство растительных тканей пронизано громадным числом капиллярных сосудов. Именно в капиллярах происходят основные процессы, связанные  с дыханием и питанием организма, вся сложнейшая химия жизни связана с диффузионными явлениями.

        Как известно, стволы деревьев, ветви растений пронизаны огромным числом капиллярных трубочек, по которым питательные вещества поднимаются до самых верхних листочков. Корневая система растений, в свою очередь, оканчивается тончайшими нитями – капиллярами. И сама почва, являющаяся источником питания для корня, может быть представлена как совокупность капиллярных  трубочек, по которым, в зависимости от её структуры и обработки, быстрее или медленнее поднимается к поверхности вода с растворенными в ней веществами.

 Высота подъёма жидкости в капиллярах тем больше, чем меньше его диаметр; отсюда ясно, что для сохранения влаги надо почву перекапывать, а для осушения утрамбовывать.

Испарение в жизни растений

            Вода является не только важным веществом в жизни живых организмов, но и важным компонентом природы, т. к. без круговорота воды жизнь невозможна. А круговорот зависит от «испарения».

Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.   Растения извлекают нужную им воду из почвы при помощи корней. Лишайники, среди которых есть засухоустойчивые формы, могут адсорбировать водяной пар. Низшие растения способны поглощать воду всей поверхностью. Количество воды, расходуемое растением в течение своей жизни, в большей степени зависит от климата.

 В жарком сухом климате  растения потребляют не меньше, а иногда даже больше воды, чем во влажном климате. У растений засушливых мест лучше развита корневая система и меньше площадь листовой поверхности. Меньше всего расходуют воду растения сырых, тенистых тропических лесов, берегов водоёмов, поэтому у них тонкие широкие листья, плохо развиты корневая и проводящая системы. Очень немногие растения могут переносить длительные перерывы в водоснабжении в состоянии полного высыхания. Из высших растений к этому способны лишь некоторые представители скальной и пустынной флоры. У растений засушливых местностей, где воды в почве очень мало, а воздух горяч и сух, наблюдаются разнообразные приспособительные приёмы. Кактусы, растущие в пустынях, имеют толстые мясистые зелёные стволы и колючки вместо листьев. У них незначительная поверхность при большом объёме, толстые, покрытые восковым налётом покровы, плохо пропускающие водяной пар, немногочисленные всегда открытые устьица. В связи с этим даже в сильную жару кактусы испаряют мало воды. Многие растения пустынь (ковыль, перекати-поле, вереск) имеют жесткие кожистые листья. При недостатке воды листья скручиваются в трубку, устьица при этом оказываются внутри. Часто листья растений засушливых мест бывают покрыты густым слоем светлых волосков, предохраняющих растения от перегревания и снижающих интенсивность испарения.        

Для успешного фотосинтеза хлорофиллоносные  клетки наземных растений должны иметь хороший контакт с атмосферой, снабжающей их углекислым газом. Однако это тесное соприкосновение приводит к тому, что вода из клеток испаряется. Необходимая для фотосинтеза энергия солнца способствует также нагреванию листа и увеличению процесса испарения.         

Чтобы представить себе масштабы испарения воды растением, приведем такой пример: за вегетационный период одно растение подсолнечника или кукурузы испаряет воду массой около 200 кг! При таком энергичном расходовании требуется не менее энергичное добывание воды корневой системой. Точные подсчёты числа корней волосков озимой ржи дали следующие цифры: корней оказалось почти 14 млн., общая длина всех корней 600 км, общая площадь поверхности около 225кв.м.  На этих корнях было около 15 млрд. корневых волосков общей площадью 400кв.м.

Интересной иллюстрацией приспособления растений к условиям своего обитания и роли процессов испарения в нем  является растение-компас. А.Кернер в своей книге «Жизнь растений» пишет: «Сложноцветные растения, встречающиеся в прериях Северной Америки, давно обратили на себя внимание охотников в прериях тем свойством, что пластинки из листьев, особенно отходящих от нижней части стебля, занимают не только вертикальное положение, но всегда расположены так, что один бок листа направлен к восходу, а другой – к  закату солнца. Все живое растение производит такое впечатление, как будто его положили между двумя громадными листами бумаги, несколько сдавили и высушили, как это делается с растениями, когда их приготавливают для гербария, а затем вынули из-под пресса и поставили таким образом, что концы и профиль вертикальных листовых пластинок обращены к северу и югу, совсем как у магнитной иглы, а широкие стороны смотрят на запад и на восток. Это направление сохраняется живым растением прерий так хорошо, что охотники могут в туманную погоду отлично ориентироваться по этому растению, почему оно и было названо растением-компасом. Для этого растения такое его положение даёт то преимущество, что утром и вечером, когда бывает прохладно и сравнительно светло, листовые пластинки хорошо освещаются, но при этом мало нагреваются и не слишком много испаряют воды, зато в полдень, когда солнцем освещается только края листьев, нагревание и испарение относительно ничтожны»

Причина «теплолюбия» растений

         Оказалось, что она обусловлена существованием в каждой клетке организма ядра, которое электрически заряжено по отношению к остальной части клетки. Электрический потенциал этого ядра  зависит от температуры окружающей среды и достигает максимума у некоторых сельскохозяйственных культур в интервале 20-35 градусов С. Это соответствует комфортным условиям для растения, когда оно хорошо растёт и развивается.

        Опыты свидетельствуют о том, что любое короткое охлаждение или нагрев, всего на несколько градусов превышающий верхнюю границу указанного интервала температур, тут же уменьшает тут ядерный потенциал. Видимо, заряд ядра играет какую-то важную роль в жизнедеятельности клетки, но какую именно пока неизвестно. Исследование обратного «перехода» (пропускания через клетку слабого электрического тока) показало, что её ядро начинает при этом ритмически сокращаться.

        Что же касается природы ядер, то предполагается, что они образуются так: тепловые колебания молекул приводят к разделению их по массе и заряду, в результате которого начинается их самоорганизация в крупные объединения и формирование макроскопических электрических зарядов. Но поскольку без необходимой энергии колебательного движения молекул, т. е. Нужной температуры, стабильными эти процессы не будут, растениям требуется тепло: оно обеспечивает нормальную работу клеточных ядер.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воронцова З. «Удивительные растения». М. Изобразительное искусство, 1976год.
2. Галактионов С., Юрин В. « Ботаники с гальванометром».

       М. Знание, 1979 год.

3. Кац Ц. « Физика и живая природа».

      Физика в школе № 2 и  3, 2001год

4. Ильченко В.Р. «Перекрёстки физики, химии, биологии».

      М. Просвещение , 1986год

5. Шостак В.И. « Природа наших ощущений»

      М. Просвещение , 1983год