Биология в лицее
Сайт учителей биологии МБОУ Лицей № 2 г. Воронежа, РФ
Site biology teachers lyceum № 2 Voronezh city, Russian Federation
Испарение воды растениями
Известно, что вода имеет жизненно важное значение для любого организма. Тогда почему растение испаряет воду? Все ли растения имеют одинаковые потребности в воде? Наша цель – выяснить, какие именно функции вода выполняет в растении.
Водный обмен в растении. Большую часть воды растение получает из почвы с помощью корневых волосков корня. По сосудам корня вода с растворёнными в ней минеральными солями поступает в сосуды древесины стебля. Наконец, она попадает через сосуды жилок листа к каждой клеточке основной ткани. Здесь часть воды используется в процессе фотосинтеза, другая часть – во многих химических процессах преобразования веществ. В результате разложения органических веществ до углекислого газа и воды, она освобождается, выделяется из клетки и испаряется. Заметим, что большинство химических процессов идёт именно в водных растворах, поэтому поступление воды в клетку должно быть постоянным. Почему же клетка выделяет воду? Это помогает притоку новых порций водных растворов минеральных веществ из почвы. Вода затем испарится, а минеральные вещества останутся в растении, образуя так называемое сухое вещество. Они войдут в состав различных соединений организма растения.
Следовательно, водный ток в растении идёт снизу вверх – от корней к листьям. Снизу вода подаётся корнем, вверху листья её испаряют. Таким образом, ток воды с растворёнными веществами становится непрерывным. При нормальном водном обмене в благоприятных условиях растение испаряет до 95 % воды, полученной из почвы. В процессе фотосинтеза на создание органического вещества используется совсем небольшая её часть (из 1 литра – 1,5–2 г).
Условия, влияющие на испарение воды. Известно, что в жаркий день многие растения, особенно с широкими горизонтальными листьями, опускают их (подвядают). К вечеру листья распрямляются. В чём причина этого явления? На солнце, в жаркое время суток испарение превышает поступление воды в клетки листа. Объём вакуоли, а с ней и клетки уменьшается. Лист как бы подвядает. Но стоит понизиться испарению, как содержание воды в клетках восстанавливается. И клетки, и органы возвращают прежнее упругое состояние.
Если температура высокая, солнце яркое, ветрено, а влажность воздуха небольшая – испарение идёт особенно интенсивно. В тихую, пасмурную погоду, при умеренной температуре испарение уменьшается. Практически на интенсивность испарения влияют все условия, в которых произрастает растение: температура, освещённость, сила ветра, влажность воздуха и почвы. Растения, которые произрастают в условиях постоянного недостатка влаги, выработали специальные приспособления для уменьшения испарения. В первую очередь – это небольшие листовые пластинки (вспомним кактусы), а также утолщённые стенки клеток кожицы, восковой налёт, густые волоски, отражающие солнечные лучи.
Механизм испарения листьями. (Анимация)
Достаток или дефицит влаги в клетках влияет на все жизнедеятельные процессы растения.
Сухопутные растения произрастают в местах разной степени обводненности. По способности осуществлять свой водный обмен в разных условиях среды обитания растения разделяются на разные экологические группы. Экологические группы – это группы растений по отношению к какому-либо одному фактору среды, определяющему приспособительные свойства организмов.
Значение испарения воды для растения. Ни одно растение не может жить без воды. Она составляет от 70 до 95% сырой массы тела растения. Все процессы жизнедеятельности организма протекают с использованием воды: прорастание семян, рост и развитие взрослого растения, фотосинтез, образование плодов и семян. Важно, что при испарении поддерживается непрерывный ток воды по растению снизу вверх. Клетки листа, отдавшие воду, начинают активно её поглощать из сосудов жилок. Вместе с водой к клеткам поступают растворённые вещества. Следовательно, питание клетки прямо связано с испарением. При испарении организм растения охлаждается. Если процесс испарения нарушен, растение в потоках яркого солнечного света может пострадать от ожогов.
Интерактивный урок-тренажёр. (Выполните все задания урока)
Интенсивность испарения зависит от температуры, освещённости, влаж ности, силы ветра. У растений выра ботались специальные приспособле ния к излишней потере воды.
Источник
Инспирировано буком
Зачем учить искусственные материалы транспирировать
Деревья выкачивают из земли десятки литров за день, не пошевелив ни корнем, ни веткой — вода все делает сама. Рассказываем, какая физика заставляет воду устремляться по стволу в небо, и зачем ученые пытаются воспроизвести этот процесс в искусственных материалах, на примере недавнего изобретения физиков из Ливерморской национальной лаборатории.
Зачем париться
Понятно, для чего потеет человек: так наше тело удерживает свою температуру в нужных пределах. На испарение тратится много теплоты, поэтому для терморегуляции его используют многие животные. Даже если потовых желез на теле мало, охлаждаться можно, испаряя воду и с других открытых поверхностей: собаки для этого высовывают язык из пасти, а птицы открывают клюв и начинают чаще дышать. Кроме управления температурой, потоотделение помогает животным выводить из организма избыток жидкости, солей и вредные вещества, а также создавать собственный запах, иногда нужный для социальных взаимодействий. Регуляция работы потовых желез — сложный гормональный процесс, а его сбой приводит, например, к гипергидрозу — избыточному потоотделению, которое свидетельствует не о высокой температуре окружающей среды, а о каких-то функциональных нарушениях.
Для растений испарение воды на листьях — куда более важный процесс, чем для животных. Оно тоже помогает им с терморегуляцией в жаркую погоду. Но помимо этого у «потоотделения» деревьев есть другая, намного более важная функция.
Носителем полезных веществ для растений служит вода (как, впрочем, и у животных). С восходящими токами по стволам берез и елей идут минеральные вещества, которые корни извлекли из почвы и отправили к стеблям, листьем и цветкам. Те взамен отправляют вниз растворы сахаров, полученных в ходе фотосинтеза.
Но у растений нет сердца. Наш «мотор» поддерживает циркуляцию крови в замкнутой системе сосудов. У растений вместо этого — множество маленьких «насосиков» и параллельных «труб», из которых образуются две проводящие ткани, ксилема и флоэма. По клеткам ксилемы вода поднимается от корней к листьям, а по клеткам флоэмы — отправляется от листьев в обратном направлении. Как артерии несут кровь, богатую кислородом, от легких к другим органам, а вены — от органов обратно к легким, так и флоэма — несет воду, богатую сахарами, от листьев к другим органам, а ксилема — воду без сахаров в обратном направлении к листьям.
Поперечный срез проводящего пучка в стебле кукурузы. Сосуды ксилемы — три самых крупных клетки в средней части пучка, проводящие клетки флоэмы — слева от них
Berkshire Community College Bioscience Image Library / flickr
Вдох неба
Для транспорта воды растения используют два механизма: корневое давление толкает жидкость снизу, а капиллярные силы — тянут вверх.
Давление снизу возникает из-за избыточной солености в корне по сравнению с почвой. Этот перепад создает осмотическое давление, и вода стремится это недоразумение сгладить — так растение «пьет». Корневое давление иногда может достигать шести атмосфер, но в одиночку оно справляется с прокачкой воды только через очень невысокие растения. Основную работу по подъему воды наверх совершает уже атмосфера.
Схема ксилемного транспорта
Melissa Ha, Maria Morrow & Kammy Algiers / ASCCC OERI / CC BY-SA 4.0
Устьице на поверхности листа тунга горного (Vernicia montana)
Swingle Plant Anatomy Digital Archive / University of Miami Libraries
Схема переноса углеводов от листьев к остальным органам по флоэме. Слева на схеме — сосуд ксилемы, вода в котором создает осмотическое давление в клетках флоэмы и сама участвует в циркуляции
Alyssa Pham / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0
Скорость транспирации (ей растение управляет, раскрывая или прикрывая устьица) изменяет количество воды, забираемой из почвы. А это, соответственно, влияет на ее влажность.
Из-за этого, например, одинаковое изменение состава атмосферы может по-разному изменить климат в разных регионах Земли. Например, тропические леса в бассейне Амазонки находятся довольно далеко от моря, поэтому влажность воздуха очень сильно зависит от транспирации, скорость которой определяется шириной раскрытия устьиц. А поскольку работа устьиц, которые регулируют еще и газообмен, завязана на концентрацию газов в атмосфере, то повышение концентрации CO2 неизбежно затормозит скорость переноса воды из почвы в воздух и сделает его суше. В тропиках Юго-Восточной Азии, однако, роль транспирации не столь велика. В такой ситуации намного заметнее эффект от увеличения разницы температуры воздуха над сушей и морем и усиления ветра с моря. Он приносит с собой большое количество облаков и повышает уровень осадков и влажность воздуха.
Повтори за деревом
Ученые любят красть у природы технологии. С испарением для охлаждения все довольно просто: его технически несложно исполнить, причем практически в любой области. Японские инженеры еще в 2016 году создали потеющего робота, у которого система пассивного охлаждения моторов работала на испарении воды. А в прошлом году для микроэлектронных устройств, где просто нет места для вентиляторов, китайские ученые предложили специально конденсировать воду в металлоорганические каркасные структуры на поверхности устройства, чтобы потом просто испарять ее за счет избыточного нагрева.
Использовать древесину в качестве строительного материала человек начал очень давно. Даже научился выращивать ее ex planta, «в пробирке». Создал искусственные материалы, воспроизводящие механические свойства ксилемы. А вот мощный насос на движке испарения сделать оказалось намного сложнее.
Чтобы реализовать в искусственных трехмерных системах пассивный капиллярный транспорт за счет транспирации, нужно специально увеличивать эффективную площадь, с которой происходит испарение. И обычные капилляры, и микрофлюидные каналы — это закрытые системы, вода контактирует с воздухом только в конце своего пути. Поэтому основной способ решения этой проблемы — увеличивать площадь испаряющей поверхности. Растение эту задачу решает экстенсивно: на одном листе могут быть десятки тысяч устьиц.
Но если взялся подражать, сложно остановиться на достигнутом. Если уже получил дерево, почему бы его не доработать?
Дерево+
Одно из таких решений — убрать внешние стенки капилляра. Удержать в нем воду будет сложнее, зато скорость транспирации резко возрастет — ведь испарение будет происходить с каждого миллиметра открытой части капилляра, а не только с кончика. Именно такой способ выбрали американские физики из Ливерморской национальной лаборатории, чтобы сделать платформу для капиллярного транспорта, основанного на искусственной транспирации.
Помимо общего физического принципа, ученые подсмотрели у растений еще один важный базовый принцип для строительства искусственных капилляров сложной формы — они составляли их из небольших одинаковых элементов, благодаря чему их платформа стала масштабируемой и позволяет строить капилляры практически любой формы. В растении проводящие каналы состоят из клеток — члеников сосудов, в искусственном капилляре их место заняли миллиметровые каркасные кубики, как раз такого размера, чтобы совпадать с капиллярной длиной воды — чтобы сила поверхностного натяжения, которая тянет жидкость вверх, превосходила силу тяжести, которая тянет вниз.
Вершины кубика ученые соединили по ребрам и диагоналям: в эксперименте вода заполняла каждый из них, карабкаясь по этим соединениям, за пару сотен микросекунд.
Капиллярное поднятие жидкости в реальной ячейке (справа) и ее компьютерной модели (слева)
Источник
