Благодаря чему вода передвигается по растению
Как вода движется по растениям вверх?
Хотя представители флоры могут абсорбировать воду всеми частями тела, основным её источником является почва. Но как она попадает от корня к вершине дерева, высотой с десятиэтажный дом? У растений нет мышц, они не могут качать жидкость по системе кровообращения. Тем не менее, вода движется по растениям вверх через клеточные стенки между протопластом клеток, через плазмодесмы (цитоплазматические мостики), через плазматические мембраны, а также через соединённые между собой проводящие элементы, распространённые по всему растению.
Сначала вода входит в корни, потом перемещается по ксилеме – внутренней проводящей ткани растения. Она поднимается, преодолевая силу тяжести Земли, благодаря двум двигателям: нижнему – корневому давлению и верхнему – испарению воды, и покидает растение в парообразном состоянии главным образом через устьица листьев (транспирация).
Большую часть пути наверх молекулы воды проходят по ксилеме. Например, по проводящим путям секвойи раствор может подниматься на высоту до 100 м. Главная роль в передвижении воды вверх принадлежит притягивающей силе, возникающей в результате испарения. При этом молекулы воды сцепляются водородными связями и движутся по стенкам трахеид и сосудов ксилемы (адгезия).
Части растения, участвующие в подъёме воды
Осмос усиливается аквапоринами
Вода в корневую систему поступает в зоне всасывания, через корневые волоски. Механизмы проникновения её в клетки подчиняются общим законом транспорта воды через плазмалемму. Если одиночную клетку поместить в воду, то концентрация ионов внутри ячейки будет больше, чем снаружи неё. И вода станет двигаться в клетку путём осмоса.
Однако скорость осмоса через мембрану ограничена. Долгое время учёные не могли понять, как вода может двигаться быстрее, чем предусматривает скорость осмоса. Теперь мы знаем, что осмос усиливается мембранными водными каналами, которые формируют интегральные мембранные протеины, называемые аквапоринами. Эти каналы есть в клетках животных и растений. Они проходят через мембраны вакуолей и клеточные мембраны и обеспечивают объёмный поток жидкостей.
Мембранные водные каналы ускоряют движение воды по ксилеме, обеспечивают постоянство водного баланса клетки, но они не способны изменить направление потока.
Вода движется по растениям вверх благодаря разности собственного потенциала
Направленное движение воды через плазмалемму обеспечивает разность потенциалов воды в корне и на поверхности устьиц. Потенциал воды – это вид свободной энергии. Именно градиент водного потенциала является решающей силой в определении направления движения жидкости. Жидкость движется от места большей концентрации к тому месту, где она меньше. Потенциал воды измеряется в единицах, называемых мегапаскалями (МПа).
Корневое питание растения
Как образуется водный потенциал?
Клеточные стенки сдерживают внутреннее давление клетки, когда вода наполняет её. Если клетку поместить в гипертонический раствор (с очень высокой концентрацией сахарозы), вода будет выходить из клетки, а клеточное давление упадёт. Клеточная мембрана отходит от клеточной стенки по мере уменьшения объёма клетки. Когда давление падает до 0, большинство растений вянут.
Тургор и плазмолиз в клетке растений
Изменение размера тургора можно предсказать путём вычисления потенциала воды в клетке и окружающем растворе. Водный потенциал имеет две составляющие:
Вода всегда движется в направлении более низкого потенциала воды. Например, водопад движется вниз, потому что гравитация является для него основным фактором, а потенциал в нижней части водопада ниже, чем в верхней.
На уровне клетки вклад гравитации в потенциал воды настолько мал, что обычно не входит в расчёты, если не рассматривать очень высокое дерево. Тургорное давление (давление на клеточные стенки) называется потенциалом давления. Как только увеличивается тургор, увеличивается и потенциал давления.
Концентрация растворённых веществ также определяет потенциал воды и называется потенциалом растворённого вещества. В чистой воде он нулевой. Когда в ней растворяют вещества, молекулы воды образуют с ними водородные связи. Становится меньше свободных молекул воды, что уменьшает водный потенциал. Раствор с большей концентрацией веществ имеет меньший потенциал.
Общий водный потенциал растительной клетки – это сумма потенциала её давления и потенциала растворённого вещества. Когда общий потенциал энергии воды внутри и снаружи клетки одинаковый, то вода не движется.
Вам будет интересно
Строение растений очень разнообразно и отличаются даже в пределах одного вида. Древнейшие представители флоры, многие…
Хлопковые, льняные, синтетические — это ткани, из которых люди шьют себе одежду. Она нужна им…
Из всех известных нам веществ только вода может находиться в жидком состоянии при относительно низкой…
Листья – основные фотосинтезирующие органы растений. На развитом побеге они инициируются как листовые примордии в…
Стебель – это осевой вегетативный орган высших растений, часть побега, которая состоит из междоузлий и…
Новое в блогах
Движение воды по растению
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.
Таким образом, верхний концевой двигатель водного тока в растении – это присасывающая сила транспирации листьев, и его работа мало связана с жизнедеятельностью корневой системы. Действительно, опыты показали, что вода может поступать в побеги и через мертвую корневую систему, причем в этом случае поглощение воды даже ускоряется.
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.
К такому же выводу можно прийти и при рассмотрении явления плач растений. Если срезать побеги растения и к срезанному концу присоединить стеклянную трубку, то по ней будет подниматься жидкость. Анализ показывает, что это вода с растворенными веществами – пасока. В некоторых случаях, особенно в весенний период, плач наблюдается и при надрезе веток растений. Определения показали, что объем выделяющейся жидкости (пасоки) во много раз превышает объем корневой системы. Таким образом, плач – это не просто вытекание жидкости в результате пореза. Все сказанное приводит к выводу, что плач, как и гуттация, связана с наличием одностороннего тока воды через корневые системы, не зависящего от транспирации. 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. Корневое давление можно измерить, присоединив манометр к концу, оставшемуся после срезания надземных органов растения, или поместив корневую систему в серию растворов различной концентрации и подобрав такую, при которой плач прекращается. Оказалось, что корневое давление равняется примерно 0,1 – 0,15 МПа (Д.А.Сабинин). Определения, проведенные советскими исследователями Л.В.Можаевой, В.Н.Жолкевичем, показали, что концентрация наружного раствора, останавливающего плач, значительно выше концентрации пасоки. Это позволило высказать мнение, что плач может идти против градиента концентрации. Было показано также, что плач осуществляется только в тех условиях, в которых нормально протекают все процессы жизнедеятельности клеток. Не только умерщвление клеток корня, но и снижение интенсивности их жизнедеятельности, в первую очередь интенсивность дыхания, прекращает плач. В отсутствии кислорода, под влиянием дыхательных ядов, при понижении температуры плач приостанавливается. Все сказанное позволило Д.А.Сабинину дать следующее определение: плач растений – это прижизненный односторонний ток воды и питательных веществ, зависящий от аэробной переработки ассимелятов. Д.А.Сабинин предложил схему, объясняющую механизм одностороннего тока воды в корне. Согласно этой гипотезе, клетки корня поляризованы в определенном направлении. Это проявляется в том, что в разных отсеках одной и той же клетки процессы обмена веществ различны. В одной части клетки идут усиленные процессы распада, в частности, крахмала на сахара, вследствие чего концентрация клеточного сока возрастает. На противоположном конце клетки преобладают процессы синтеза, благодаря чему концентрация растворенных веществ в этой части клетки уменьшается. Надо учитывать, что все эти механизмы будут работать только при достаточном количестве воды в среде и не нарушенном обмене веществ.
Согласно другой гипотезе, зависимость плача растений от интенсивности дыхания является косвенной. Энергия дыхания используется для поступления ионов в клетки коры, откуда они десорбируются в сосуды ксилемы. В результате концентрация солей в сосудах ксилемы повышается, что и вызывает поступление воды.
Рис. 1. 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. Изменение температуры, введение метаболических ингибиторов не влияют на передвижение воды. Вместе с тем этот процесс, как и следовало ожидать, очень сильно зависит от скорости транспирации и от диаметра водопроводящих сосудов. В более широких сосудах вода встречает меньшее сопротивление. Однако надо учитывать, что в более широкие сосуды могут попасть пузырьки воздуха или произойти какие-либо иные нарушения тока воды.
Видео: Движение воды и органических веществ по стеблю.
Передвижение воды и питательных веществ в растении
Урок 17. Биология 6 класс. Многообразие покрытосеменных растений ФГОС
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Передвижение воды и питательных веществ в растении»
Стебли растений снаружи покрыты кожицей, образующей наружный слой.
Со временем кожица превращается в пробку. Пробка состоит из мёртвых клеток, заполненных воздухом. Кожица и пробка — это покровные ткани.
Под кожицей и пробкой находятся клетки коры, которые могут содержать хлорофилл, ― это основная ткань.
В жизни растения важную роль играют проводящие ткани, которые обеспечивают транспорт веществ в растении.
Различают два типа проводящих тканей — ксилема (или древесина) и флоэма (или луб).
По ксилеме (древесине) вода и растворенные в ней минеральные вещества передвигаются от корня к листьям — это восходящий ток.
Ксилема состоит из клеток разной формы и величины: сосудов проводящей ткани, волокон механической ткани и клеток основной ткани.
По флоэме (лубу) осуществляется транспорт продуктов фотосинтеза от листьев к местам их использования или отложения — это нисходящий ток.
Луб состоит из проводящей, основной и механической ткани.
Проводящая ткань флоэмы состоит из ситовидных трубок с сопровождающими их клетками-спутницами.
Ситовидные трубки — это вертикальный ряд вытянутых живых клеток, по которым перемещаются растворы органических веществ. Главной их функцией является транспортировка углеводов (например, из листьев в плоды и корни).
Жизнедеятельность ситовидных трубок, обеспечивают клетки-спутницы. В отличие от ситовидных трубок, каждая клетка содержит ядро, благодаря чему они способны управлять всей деятельностью (особенно транспортной) ситовидных трубок.
Основная ткань флоэмы представлена лубяной мягкой тканью — паренхимой. Её клетки направляют работу проводящих элементов луба и запасают питательные вещества.
Механическая ткань флоэмы представлена лубяными волокнами, вытянутыми клетками с разрушенным содержимым и одревесневшими стенками, которые придают механическую прочность растению.
Сильно разветвлённая сеть проводящих тканей несёт водорастворимые вещества и продукты фотосинтеза ко всем органам растения, начиная от тончайших корневых окончаний до самых молодых побегов.
Проводящие ткани объединяются в сосудистые пучки, часто окружённые прочными волокнами механической ткани. Поэтому такие пучки называют сосудисто-волокнистыми. Они проходят по всему стеблю, соединяя корневую систему с листьями.
Между корой и древесиной залегает камбий ― это образовательная ткань (меристема).
В центре стебля находится более рыхлый слой — сердцевина, в которой откладываются запасные питательные вещества.
Для нормальной жизнедеятельности растениям необходима вода и питательные вещества, которые разносятся по растению благодаря проводящим тканям.
Проведём небольшой опыт чтобы убедится в том, что по ксилеме (древесине) от корня к листьям передвигаются вода и растворенные в ней минеральные вещества.
Рассмотрим поперечный срез побега липы, простоявшего 3-е суток в подкрашенной воде. Мы видим, что окрасилась только древесина.
А теперь рассмотрим продольный срез этого побега. В данном случае мы также видим, что окрасилась только древесина.
В этом опыте чернила заменяли минеральные вещества, растворённые в воде.
Растворы этих веществ, как и подкрашенная вода, поднимаются от корня вверх внутри стебля по сосудам древесины.
Если же в воду, подкрашенную чернилами, поставить веточки комнатного растения бальзамина или цветки подснежника, то можно увидеть, как вода поднимается по стеблю в листья, окрашивая их жилки. Сосуды проходят через стебель в листья и разветвляются там. По этим сосудам вода и поступает в листья.
Передвижению воды и минеральных веществ в растения способствует корневое давление. Сила, которая вызывает одностороннюю подачу влаги от корней к побегам.
Пройдя по ксилеме вода с растворенными минеральными веществами достигает листьев. Участвует в фотосинтезе. И испаряется через устьица. Благодаря чему происходи охлаждение листа и защита его от перегрева.
На место испарившейся воды в листья постоянно поступает новая.
Посмотрим, как происходит передвижение органических веществ по стеблю.
Мы сказали, что по флоэме (лубу) осуществляется транспорт продуктов фотосинтеза (сахара) от листьев к местам их использования или отложения.
Проверим это экспериментально.
На стебле комнатного растения (например, драцены) осторожно сделаем кольцевой надрез. Удалим с поверхности стебля кольцо коры и обнажим древесину. На стебле укрепим стеклянный цилиндр с водой.
Окольцевав ветку, мы перерезали ситовидные трубки луба, поэтому органические вещества, оттекающие из листьев, дойдут до кольцевой вырезки и будут там накапливаться.
На поверхности свежего среза у растения образуется раневая пробка. Клетки, находящиеся под раневой пробкой, энергично делятся. Они используют питательные органические вещества, скопившиеся перед кольцевым надрезом. Вскоре возникает кольцеобразный наплыв, заживляющий рану. Из наплыва развиваются придаточные корни.
Итак, органические вещества передвигаются по лубу. Зная, как передвигаются в растении питательные вещества, можно управлять их движением.
Например, если обрезать боковые побеги у томата, можно направить к плодам те органические вещества, которые использовались бы при развитии удалённых побегов. Это ускорит созревание плодов и увеличит урожай.
Запасание питательных веществ.
Не все органические вещества используются для питания растений и роста его молодых органов сразу.
Часть веществ откладывается про запас в клетках плодов и семян у однолетних растений, а у двулетних и многолетних растений, кроме того, в клетках корней, стеблей и их видоизменений.
В качестве запасных питательных веществ встречаются основные группы органических соединений белки, липиды и углеводы.
Белковые кристаллы запасаются непосредственно в цитоплазме, в клеточном соке.
Липиды играют роль наиболее эффективной формы запасных питательных веществ в семенах, спорах, зародышах, особенно в зимующих органах растений. Они содержатся в цитоплазме растительных клеток в виде бесцветных или жёлтых шариков.
К основным из запасных углеводов принадлежит крахмал. Это один из самых распространённых полисахаридов, который откладывается чаще всего в корнях растений.
Вы знаете, что корнеплоды моркови, свёклы, репы и некоторых других растений — это своеобразные кладовые питательных веществ. Капуста кольраби образует толстый шаровидный стебель, похожий на репу. В таком стебле растение запасает питательные вещества.
У деревьев и кустарников основные запасы органических веществ откладываются в сердцевине и древесине. Весной эти вещества растворяются в воде и по сосудам растений поднимаются к распускающимся почкам.
Весной часто можно видеть, как из ранок на стволе дерева вытекает сок — пасока. Пасока сладковата на вкус, в ней растворены различные питательные вещества, в том числе сахара и витамины. Она необходима растению для его весеннего роста, набухания и развёртывания почек. Берёзовый сок вкусен и полезен для здоровья человека, его заготавливают в берёзовых лесах, предназначенных к рубке.
Однако, необходимо помнить, что при повреждении коры и большой потере сока деревья слабеют и могут погибнуть. Поэтому следует охранять растения от повреждений.
Благодаря чему вода передвигается по растению
Вода, поступившая в клетки корня, под влиянием разности водных потенциалов, которые возникают благодаря транспирации и корневого давления, передвигается до проводящих элементов ксилемы. Согласно современным представлениям, вода в корневой системе передвигается не только по живым клеткам. Еще в 1932г. немецкий физиолог Мюнх развил представление о существовании в корневой системе двух относительно независимых друг от друга объемов, по которым передвигается вода,— апопласта и симпласта.
Однако, для того, чтобы попасть в сосуды ксилемы, вода должна пройти через полупроницаемую мембрану клеток эндодермы. Таким образом, мы имеем дело как бы с осмометром, у которого полупроницаемая мембрана расположена в клетках эндодермы. Вода устремляется через эту мембрану в сторону меньшего (более отрицательного) водного потенциала. Далее вода поступает в сосуды ксилемы. Как уже упоминалось, по вопросу о причинах, вызывающих секрецию воды в сосуды ксилемы, имеются различные суждения. Согласно гипотезе Крафтса, это следствие выброса солей в сосуды ксилемы, в результате чего там создается повышенная их концентрация, и водный потенциал становится более отрицательным. Предполагается, что в результате активного (с затратой энергии) поступления соли накапливаются в клетках корня. Однако интенсивность дыхания в клетках, окружающих сосуды ксилемы (перицикла), очень низкая, и они не удерживают соли, которые благодаря этому десорбируются в сосуды. Дальнейшее передвижение воды идет по сосудистой системе корня, стебля и листа. Проводящие элементы ксилемы состоят из сосудов и трахеид.
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. В связи с этим, как только в силу процесса транспирации возникает ненасыщенность водой клеточных стенок паренхимных клеток, она сейчас же передается внутрь клетки, водный потенциал которой падает. Вода передвигается от клетки к клетке благодаря градиенту водного потенциала. По-видимому, передвижение воды от клетки к клетке в листовой паренхиме идет не по симпласту, а в основном по клеточным стенкам, где сопротивление значительно меньше.
По сосудам вода движется благодаря создающемуся в силу транспирации градиенту водного потенциала, градиенту свободной энергии (от системы с большей свободой энергии к системе с меньшей). Можно привести примерное распределение водных потенциалов, которое и вызывает передвижение воды: водный потенциал почвы (-0,5 бара), корня (-2 бара), стебля (-5 бар), листьев (-15 бар), воздуха при относительной влажности 50% (-1000 бар).
Однако ни один всасывающий насос не может поднять воду на высоту больше 10м. Между тем есть деревья, у которых вода поднимается на высоту более 100м. Объяснение этому дает теория сцепления, выдвинутая русским ученым Е. Ф. Вотчалом и английским физиологом Е. Диксоном. Для лучшего понимания рассмотрим следующий опыт. В чашку с ртутью помещают заполненную водой трубку, которая заканчивается воронкой из пористого фарфора. Вся система лишена пузырьков воздуха. По мере испарения воды ртуть поднимается по трубке. При этом высота подъема ртути превышает 760мм. Это объясняется наличием сил сцепления между молекулами воды и ртути, которые в полной мере проявляются при отсутствии воздуха. Сходное положение, только еще более ярко выраженное, имеется в сосудах у растений.