Механизм передачи воды в растительных организмах

Оглавление

Введение ............................................................................................................. ……………2

Глава 1. Основные теоретические понятия ………………………………………………………. 3  -  5

Глава 2. Анализ литературных данных по транспорту воды в растениях ………………………………………………………. 6  -  9

Глава 3. Методика проведения и результаты исследования. ........................... ………….  ...  9-10

Итоги исследования ........................................................................................... …………….9-10

Литература................................................................................... ………………………………...10

Введение

Актуальность темы: 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. Однако непонятно, какие механизмы транспорта воды в растении играют главную роль и какими физическими законами объясняется подъем жидкости вверх в растении против силы тяжести?

Тема нашего учебного исследования: «Механизм передачи воды в растительных организмах».

Цель: Изучить механизм восходящего транспорта воды внутри растительного организма.

Задачи:

1. Выявить особенности внутреннего строения вегетативных органов растения.
2. Узнать, каковы физические механизмы транспорта воды в растительном организме?
3. Выяснить, есть ли взаимосвязь между максимальной высотой растения и диаметром его сосудов?

Гипотеза: Если, поступив в клетки корня, вода становится частью живой системы, то она и подчиняется закономерностям, действующим в живой клетке. Каждая клетка представляет собой окруженную мембраной особую ячейку с раствором веществ, то есть является осмотической системой, о чём свидетельствуют явления плазмолиза и тургора клетки.

Объект: Покрытосемянное растение.

Методы исследования:

В ходе учебного исследования нами были применены следующие методы: теоретический анализ, составление библиографии, реферирование, конспектирование, физический эксперимент по определению диаметра капилляров с помощью Наноэдюкатора -2.

Глава 1. Основные теоретические понятия

Строение вегетативных органов покрытосеменных растений

Растениями называют фотосинтезирующие живые организмы, относящиеся к эукариотам. Они имеют клеточную целлюлозную оболочку, запасное питательное вещество в виде крахмала, малоподвижны или неподвижны и растут в течение всей жизни.

Содержащийся в них пигмент хлорофилл придает растениям зеленую окраску. На свету из углекислого газа и воды они создают органические вещества и выделяют кислород, обеспечивая тем самым питание и дыхание всех остальных живых организмов. Растения также обладают регенерирующей способностью, могут восстанавливать вегетативные органы.

Тело растений обычно расчленено на корень и побег.  Из высших растений наиболее высокоорганизованными, многочисленными и распространенными являются цветковые или покрытосеменные растения. Кроме корня и побега, они имеют цветки и плоды – органы, отсутствующие у других групп растений. Строение растений удобно рассмотреть на примере цветковых растений. Вегетативные органы растений, корень и побег, обеспечивают их питание, рост и бесполое размножение. В данном вопросе нас интересует внутреннее строение вегетативных органов цветковых растений, а точнее их проводящие системы.

С помощью корня растение закрепляется в почве. Он также обеспечивает поступление воды и минеральных веществ и нередко служит местом синтеза и запасания питательных

Корневые волоски всасывают воду с растворенными в ней минеральными веществами в зоне всасывания.  По проводящей системе корня (сосуды и ситовидные трубки) вода и минеральные вещества поступают вверх к стеблям и листьям, а вниз передвигаются органические вещества.

Побег – это сложный вегетативный орган, состоящий из почек, стебля и листьев. Наряду с вегетативными у цветковых растений имеются генеративные побеги, на которых развиваются цветки.

Стебель – это осевая часть побега, на которой располагаются листья и почки. Он выполняет опорную функцию в растении, обеспечивает передвижение воды и минеральных веществ от корня вверх к листьям, органических веществ – вниз, от листьев к корню.

Лист – это важный вегетативный орган растения, выполняющий основные функции: фотосинтез, испарение воды и газообмен.

В листовой пластине листа находится система жилок, образованных проводящими сосудами и ситовидными трубками, а также волокнами, придающими прочность. По жилкам синтезированные в листе органические вещества передвигаются к стеблю и корням, а обратно идет приток воды и минеральных веществ.

На нижней стороне листа у большинства растений в эпидерме находятся многочисленные устьица – отверстия, образованные двумя замыкающими клетками. Через них осуществляются газообмен, испарение воды. Днем устьичная щель открыта, а на ночь закрывается.

Основные двигатели водного тока

Поглощение воды корневой системой идет благодаря работе двух концевых двигателей водного тока: верхнего концевого двигателя, или присасывающей силы испарения (транспирации), и нижнего концевого двигателя, или корневого двигателя. Основной силой, вызывающей поступление и передвижение воды в растении, является присасывающая сила транспирации, в результате которого возникает градиент водного потенциала. Водный потенциал – это мера энергии, используемой водой для передвижения. Водный потенциал и сосущая сила одинаковы по абсолютному значению, но противоположны по знаку. Чем меньше насыщенность водой данной системы, тем меньше (более отрицателен) ее водный потенциал. При потере воды растением в процессе транспирации создается ненасыщенность клеток листа водой, как следствие, возникает сосущая сила (водный потенциал падает). поступление воды идет в сторону большей сосущей силы, или меньшего водного потенциала.

Кроме верхнего концевого двигателя водного тока, в растениях существует нижний концевой двигатель. Это хорошо доказывается на примере таких явлениях, как гуттация.

Листья растений, клетки которых насыщены водой, в условиях высокой влажности воздуха, препятствующей испарению, выделяют капельно-жидкую воду с небольшим количеством растворенных веществ – гуттация. Выделение жидкости идет через специальные водные устьица – гидаторы. Выделяющаяся жидкость – гутта. Таким образом, процесс гуттации является результатом одностороннего тока воды, происходящего в отсутствие транспирации, и, следовательно, вызывается какой-то иной причиной.

Силу, вызывающую односторонний ток воды по сосудам с растворенными веществами, не зависящую от процесса транспирации, называют корневым давлением. Наличие корневого давления позволяет говорить о нижнем концевом двигателе водного тока. Надо учитывать, что все эти механизмы будут работать только при достаточном количестве воды в среде и не нарушенном обмене веществ.

Передвижение воды по растению

Вода, поглощенная клетками корня, под влиянием разности водных потенциалов, которые возникают благодаря транспирации, а также силе корневого давления, передвигается до проводящих путей ксилемы. Далее вода поступает в сосуды ксилемы. Затем передвижение воды идет по сосудистой системе корня, стебля и листа.

Из сосудов стебля вода движется через черешок в лист. Жилки, постепенно разветвляясь, становятся более мелкими. Чем гуще сеть жилок, тем меньшее сопротивление встречает вода при передвижении к клеткам листа. Иногда мелких ответвлений жилок листа так много, что они подводят воду почти к каждой клетке. Вся вода в клетке находится в равновесном состоянии. Иначе говоря, в смысле насыщенности водой, имеется равновесие между вакуолью, цитоплазмой и клеточной оболочкой, их водные потенциалы равны. Вода передвигается от клетки к клетке благодаря градиенту сосущей силы.

Вся вода в растении представляет единую взаимосвязанную систему. Поскольку между молекулами воды имеются силы сцепления (когезия), вода поднимается на высоту значительно большую 10 м. сила сцепления увеличивается, так как молекулы воды обладают большим сродством друг к другу. Силы сцепления обладают и между водой и стенками сосудов.

Степень натяжения водных нитей в сосудах зависит от соотношения процессов поглощения и испарения воды. Все это позволяет растительному организму поддерживать единую водную систему и не обязательно восполнять каждую каплю испаряемой воды.

Путь воды в растении

Скорость перемещения воды по растению в течение суток изменяется. В дневные часы она на много больше. При этом разные виды растений различаются по скорости передвижения воды. Вместе с тем этот процесс очень сильно зависит от скорости транспирации и от диаметра водопроводящих сосудов. В более широких сосудах вода встречает меньшее сопротивление.

Глава 3. Анализ литературных данных по транспорту воды в растениях

Обобщая сведения из разных источников, можно выделить 3 основных механизма транспорта воды в растении: корневое давление, капиллярные явления (силы поверхностного натяжения), транспирация.

Выделяя физические явления и законы в этих процессах, можно всё свести к трем физическим явлениям: диффузии, капиллярным явлениям, испарению.

Проанализируем каждое из них.

1. Начнем с корневого давления, которое по сути обусловлено осмосом, то есть давлением, вызываемым диффузией растворителя (воды) через мембрану корня

Известно, что чем больше разность концентраций растворов, перегороженных мембраной, тем выше осмотическое давление, вызванное явлением диффузии растворителя (воды) из области низкой концентрации минеральных солей в область высоких концентраций при данной температуре. С ростом температуры растет средняя скорость движения молекул, а вместе с ней и скорость диффузии, что тоже повышает осмотическое давление или корневое давление.

Опыты Хейлза и других авторов по определению величины корневого давления показывают, что у разных растений вода из срезанного стебля поднимается по изогнутой трубке выше уровня среза на 30 см - 103 см.

Этот результат явно не соответствует 80 м - 100 м высоты деревьям, хотя приводятся данные о его величине от 1-3 атм до 10 атм. Это скорее расчетные значения, а не измеренные. Полного согласия расчетных значений и экспериментальных данных нет. Кроме этого нужно учитывать и обратное движение растворенного вещества из раствора в растворитель, которое должно создавать давление, направленное в противоположную сторону по отношению к корневому (из-за диффузии)

2. Капиллярные явления объясняются действием сил поверхностного натяжения (взаимодействием молекул жидкости с молекулами капилляра). Если жидкость смачивающая, то высота её подъема в капилляре, опущенном в сосуд с жидкостью, по отношению к уровню жидкости  в сосуде составляет величину, определяемую формулой:

h = 2σ/(ρgr), где h - высота подъема жидкости в капилляре, σ - коэффициент поверхностного натяжения, ρ - плотность жидкости, g - ускорение свободного падения, r - радиус капилляра.

Из этой формулы следует, что, чем меньше радиус капилляра, тем выше высота подъема в нем жидкости. Это теоретически означает, что при достаточно маленьком радиусе капилляра возможен подъем жидкости на любую высоту в пределах наблюдаемых высот у деревьев. Имеются все основания это проверить, если у дерева с известной высотой замерить радиус его капилляров.

Высота подъема смачивающей жидкости в капилляре объясняется разницей в величине притяжения между молекулами жидкость-жидкость и молекулами жидкость-стенки капилляра. Если последняя величина больше, то жидкость будет подниматься вверх до тех пор пока не будет достигнуто равенство между силой тяжести поднявшегося столбика жидкости, направленной вниз, и силой поверхностного натяжения, направленной вверх.

3. Транспирация - это по сути явление испарения жидкости с поверхности растения, а точнее с листьев. Транспирация не может объяснить того, как жидкость поступила в лист. Но транспирация объясняет другое: почему, несмотря на непрерывное поступление воды (как растворителя) в корень и другие части растения, не происходит выравнивания концентраций раствора внутри растения и снаружи его и осмотическое давление не исчезает полностью. Оказывается, испарение с воды листьев растения увеличивает снова концентрацию раствора жидкости в верхней части растения по отношению к нижней и тем самым способствует поддержанию осмоса.

Глава 3. Методика проведения опыта и результаты исследования

Изучая и анализируя литературные источники по выбранной тематике, мы рассмотрели особенности внутреннего строения вегетативных органов покрытосеменных растений и выявили, что в данной литературе рассматриваются несколько механизмов передвижения воды в растительных организмах, основным из которых, по мнению авторов, является транспирация и корневое давление. Но эти механизмы не в полной мере объясняют физический процесс восходящего тока воды.

Для определения величины растительного капилляра в камбии коры дерева был проведен физический эксперимент по определению диаметра капилляров с помощью Наноэдюкатора -2. Был взят срез ветки ясеня, диаметром около 0,7 см. Результат сканирования среза представлен на рис. 1. Масштаб выбран в микрометрах. Диаметр капилляра в камбии варьируется от 10 до 45 мкм. Расчетная высота дерева тогда, согласно формуле h = 2σ/(ρgr), варьируется от 0,3 м до 1,5 м. Но данное дерево, даже «на глаз», значительно выше: около 5-6 м.

Итоги исследования

Главный результат работы

В ходе работы мы выяснили, что особенности внутреннего строения вегетативных органов растения связаны с определенным механизмом транспорта воды в этих органах. Транспорт воды в растении не может быть полноценно объяснен с помощью одного из основных механизмов транспорта воды в растении, таких как осмос, корневое давление, транспирация. С нашей точки зрения, указанные механизмы транспорта воды в растении, сами по себе, являются сложными физико-биологическими явлениями, которые сводятся в итоге к явлениям диффузии и испарению. Однако, данные процессы не объясняют, каким образом жидкость поднимается в растении на достаточно большую высоту и почему при той же интенсивности транспирации, со временем, наблюдается замедление роста растения и возникает проблема с подачей воды. Необходимо учитывать такой важный процесс, как капиллярные явления, связанные с силами поверхностного натяжения. Согласно формуле высота h подачи воды в капилляре обратно пропорциональна радиусу r капилляра, поэтому максимальная высота поступления воды в растительный организм ограничена размерами и строением его сосудов. Анализ литературных данных и наши исследования показывают, что основным механизмом продвижения воды вверх является поверхностное натяжение. В силу предполагаемой нами неоднородности строения капилляров растений и их разветвления предсказать величину максимальной высоты растения не получается, так как вышеупомянутая формула справедлива только для однородных капилляров.

Практическая значимость нашего исследования в качестве прогнозирования высоты растения на данном этапе не просматривается, так как нужны дополнительные изыскания в этой области.

Исследование привело в двум гипотезам:

Гипотеза №1

Возможно, что в сосудах растений есть продольные перегородки и ответвления, которые уменьшают их диаметр по мере уровня высоты на такую величину, которой достаточно для доставки воды на большую высоту.

Гипотеза №2

Осмотическое давление зависит от разницы в концентрациях растворов между мембраной: чем она выше, тем больше это давление. Точно также оно зависит и от температуры.

Есть предположение, что концентрация веществ в растении постоянно возрастает от корней до наружных ( том числе и верхних ) слоев растения. Тогда осмотическое давление будет постоянно направлено вверх. При этом транспирация будет постоянно поддерживать эту разность концентраций.

Вывод

Невозможно объяснить транспорт воды в растении с помощью какого-то одного способа. Только их комбинация позволяет как-то объяснить данное явление.

Литература

1.Якушкина Н.И. Физиология растений. М., Просвещение, 1980г.

2.Козловский Водный обмен растений. М., Колос. 1969г.

3.Сказкин Ф.Д. Критический период у растений к недостаточному водоснабжению. М., Наука. 1968г.

4.Радкевич В.А. Экология. Мин., Высшая школа. 1983г.

5.Генкель П.А. Физиология устойчивости растительных организмов. М., Изд-во МГУ. 1967г. т.3.

6. Горышина Т.К. Экология растений. – М.: Высшая школа,1979г.