Растения поглощают воду всей поверхностью

Поддержание водного баланса растениями

Низшие наземные растения из влажного субстрата поглощают воду погруженными в него частями таллома, а влагу дождя, росы и тумана – всей поверхностью. В максимально набухшем состоянии лишайники содержат в 20–30 раз больше воды, чем сухого вещества.

Среди высших наземных растений мохообразные поглощают воду из почвы ризоидами, а большинство других – корнями, специализированными органами, всасывающими воду. В клетках корня развивается сосущая сила чаще всего в несколько атмосфер , но этого достаточно для извлечения из почвы большей части связанной воды. Лесные деревья умеренной зоны развивают сосущую силу корней около 3 · 10 6 Па (30 атм ), некоторые травянистые растения (земляника лесная, медуница неясная) – до 2 · 10 6 (20 атм ) и даже свыше 4 · 10 6 Па (40 атм ) (смолка обыкновенная); растения сухих областей – до 60 атм.

Когда в непосредственной близости от корней запасы воды в почве истощаются, корни растут в направлении большей влажности, так что корневая система растений постоянно находится в движении. У степных и пустынных растений часто можно видеть эфемерные корни, быстро вырастающие в периоды увлажнения почвы, а с наступлением засушливого периода засыхающие.

По типу ветвления различают следующие корневые системы:

1) экстенсивная охватывает большой объем почвы, но сравнительно слабо ветвится, так что почва пронизана корнями негусто. Таковы корневые системы у многих степных и пустынных растений (саксаула, верблюжьей колючки), у деревьев умеренной полосы (сосны обыкновенной, березы повислой ), а из трав у люцерны серповидной, василька шероховатого и др.;

2) интенсивная– ох ватывает сравнительно небольшой объем почвы, но густо пронизывает ее многочисленными сильно ветвящимися корнями, как, например, у степных дерновинных злаков (ковылей, типчака и др.), у ржи, пшеницы. Между этими типами корневых систем есть переходные .

Корневые системы очень пластичны и резко реагируют на изменение условий, в первую очередь увлажнения. При недостатке влаги корневая система становится экстенсивнее . Так, при выращивании ржи в разных условиях общая длина корней (без корневых волосков) в 1000 см 3 почвы варьирует от 90 м до 13 км , а поверхность корневых волосков может увеличиться в 400 раз.

Рис. Корневые системы стенных и тундровых растений:

А – Festuca sulcata ; Б – Euphorbia gerardiana на черноземах в Аскания-Нова ;

В – Eriophorum scheuchzeri ; Г – Hierochloe alpina – из тундр Таймыра

Всасывание воды корнями затруднено при большой сухости почвы, засолении или сильной кислотности, при низкой температуре. Например, ясень обыкновенный при температуре почвы 0 °C поглощает воды в 3 раза меньше, чем при +(20–30) °С. Способность поглощать воду при той или иной температуре зависит от приспособленности растений к тепловому режиму почв в местах их произрастания. Виды с ранним началом развития, как правило, могут всасывать воду корнями при более низкой температуре, чем развивающиеся позднее. Тундровые растения и некоторые деревья, растущие на почвах с подстилающей их многолетней мерзлотой, могут поглощать воду при температуре почвы 0 °C .

У высших растений есть и дополнительные пути поступления воды в тело. Мхи могут поглощать воду всей поверхностью, как и лишайники. Особенно много воды впитывают такие мхи, как кукушкин лен, виды сфагнума, чему способствует строение их листьев и побегов. При полном насыщении сфагновые мхи содержат в своем теле в десятки раз больше воды, чем в воздушно-сухом состоянии.

Рис. Часть листа сфагнума болотного с клетками двух типов: зеленых с хлоропластами и бесцветных водоносных

Семена поглощают воду из почвы. Из воздуха, насыщенного водяными парами, в дождевом тропическом лесу поглощают воду многие эпифиты, например папоротник гименофиллум – тонкими листьями, многие орхидеи – воздушными корнями. В чашевидных влагалищах листьев многих зонтичных скапливается вода, которая постепенно всасывается эпидермисом. Виды из рода тилляндсия ( бромелиевые ) существуют в пустыне Атакама практически исключительно за счет влаги туманов и росы, которую впитывают чешуевидные волоски на листьях.

Поступившая в растение вода транспортируется от клетки к клетке (ближний транспорт) и по ксилеме во все органы, где расходуется на жизненные процессы (дальний транспорт). В среднем 0,5 % воды идет на фотосинтез, а остальная – на восполнение потерь от испарения и поддержание тургора. Вода испаряется со всех поверхностей, как внутренних, так и наружных, соприкасающихся с воздухом. Различают устьичную , кутикулярную и перидермальную транспирацию.

Через устьица транспирируется влага, испарившаяся с поверхности клеток внутри органов. Это основной путь расходования воды растением. Кутикулярная транспирация составляет менее 10 % от свободного испарения; у вечнозеленых хвойных пород она сокращается до 0,5 %, а у кактусов даже до 0,05 %. Относительно велика кутикулярная транспирация молодых развертывающихся листьев. Перидермальная транспирация обычно незначительна. Интенсивность общей транспирации повышается с увеличением освещенности, температуры, сухости воздуха и при ветре.

Водный баланс остается уравновешенным в том случае, если поглощение воды, ее проведение и расходование гармонично согласованы друг с другом. Нарушения его могут быть кратковременными или длительными. По приспособлениям наземных растений к кратковременным колебаниям условий водоснабжения и испарения различают пойкилогидрические и гомойогидрические виды.

У пойкилогидрических растений содержание воды в тканях непостоянно и сильно зависит от степени увлажнения окружающей среды. Они не могут регулировать транспирацию и легко и быстро теряют и поглощают воду, используя влагу росы, туманов, кратковременных дождей, в сухом состоянии находятся в анабиозе. Способны обитать там, где короткие периоды увлажнения чередуются с длительными периодами сухости.

Пойкилогидричность свойственна цианобактериям , всем водорослям, некоторым грибам, лишайникам, а также ряду высших растений: многим мхам, некоторым папоротникам и даже отдельным цветковым, по-видимому, вторично перешедшим к пойкилогидрическому образу жизни. Таков, например, южно-африканский кустарник Myrothamnus flabel-lifolia ( розоцветные ).

Рис. Лишайник сосновых лесов Cetraria islandica – типичный пойкилогидрический организм

В мелких клетках таллома большинства низших растений нет центральной вакуоли, поэтому при высыхании они равномерно сжимаются без необратимых изменений ультраструктуры протопласта. Сине-зеленые водоросли ( цианобактерии ), вегетирующие на поверхности почвы в пустыне, высыхая, превращаются в темную корочку. От редких дождей их слизистая масса набухает и нитчатые тела начинают вегетировать . Мхи, растущие на сухих скалах, стволах деревьев или на поверхности почвы лугов и степей (роды Thuidium , Tortula и др.), также могут сильно высыхать, не теряя жизнеспособности.

Пойкилогидричны пыльцевые зерна и зародыши в семенах растений.

Гомойогидрические растения способны поддерживать относительное постоянство обводненности тканей. К ним относят большинство высших наземных растений. Для них характерна крупная центральная вакуоль в клетках. Благодаря этому клетка всегда имеет запас воды и не так сильно зависит от изменчивых внешних условий. Кроме того, побеги покрыты с поверхности эпидермой с малопроницаемой для воды кутикулой, транспирация регулируется устьичным аппаратом, а хорошо развитая корневая система во время вегетации может непрерывно поглощать влагу из почвы. Однако способности растений, не выдерживающих высыхания, регулировать свой водный обмен различны . Среди них выделяют разные по экологии группы.

Источник

Поглощение воды растением

Корневая система является главным аппаратом поглощения воды, но не единственным: небольшое коли­чество воды поглощается надземными частями растения во время дождей, выпадения туманов, росы. В принципе любая клетка может всасывать воду, если она не насы­щена ею, даже кутикула способна разбухать.

Размеры корневых систем растений огромны. Хлебные злаки способны развивать корневую систему, достигающую глубины 1,5 — 2 м и широко распространяющуюся в стороны. Глубина залегания корней древесных растений может достигать 20 м и более (песчаная ака­ция, тамарикс и др.). у столетней сосны насчитывается около 5 млн корневых окончаний, а общая длина корне­вой системы (без корневых волосков) достигает 50 км.

Все многообразие древесных растений по харак­теру строения и развития корневых систем делят на три основные группы:

· с глубоко идущей в почву якорной корневой сис­темой (лиственница, дуб, липа, робиния и др.);

· с поверхностной корневой системой (ель, ясень, рябина и др.);

· с промежуточным типом корневых систем, вклю­чающим в зависимости от лесорастительных усло­вий как глубоко идущую, так и поверхностную кор­невую систему (сосна, береза, осина, многие клены, ольха и др.).

Далеко не вся корневая система всасывает воду. Этой способностью обладают лишь молодые корневые окончания. Вода поглощается клетками зоны корневых волосков, а также зоны растяжения. Поглощающие корни относятся к по­следнему порядку ветвле­ния. Для них характерно первичное строение, отсут­ствие камбиального слоя. Основная их функция ­поглощение воды и элемен­тов минерального питания из почвы, тогда как для ро­стовых — увеличение раз­меров корневых систем.

Длина всасывающей части корня травянистых растений достигает нескольких сантиметров, а древес­ных — всего лишь нескольких миллиметров. При этом у большинства деревьев всасывающий аппарат увели­чивается за счет развития микоризы — симбиоза корня с гифами гриба. Грибной чехол микоризных корней и отходящие от него отдельные гифы существенно увели­чивают поглощающую поверхность корня. Оказалось также, что микоризные растения более устойчивы к засухе, чем растения без микоризы: грибница продол­жает активно всасывать воду при таком осмотическом давлении почвенного раствора, когда безмикоризные корни уже не работают.

Различают пассивное и активное поглощение воды корневой системой. Первое осуществляется за счет сосущих сил листьев, теряющих воду в процессе транс­пирации. Активное поглощение тесно связано с мета­болизмом клеток корня и проявляется в явлениях «пла­ча» и гуттации.

При перерезании стебля через поверхность среза начинает вытекать жидкость — пасока. Это явление носит название «плача» растений. Очень легко наблю­дается «плач» у таких растений, как тыква, гортензия, а из древесных — у березы, кленов, особенно сахарного.

По многолетним данным В.П. Рябчука, сезонная сокопродуктивность одного дерева березы в различных районах страны (в зависимости от диаметра и коли­чества подсочных каналов) составляет 37 — 360 л.

В пасоке березы при весеннем сокодвижении со­держится до 1,5 % сахаров, а у отдельных деревьев ­до 3,5 % (сахароза, глюкоза и фруктоза). В небольших количествах в березовом соке обнаруживаются ами­нокислоты, жирные кислоты, минеральные соли и некоторые другие вещества. Эти качества пасоки ши­роко используют в народном хозяйстве. Она добывает­ся в процесс е так называемой ксилемной подсочки берез, кленов и некоторых других пород.

Под ксилемной подсочкой понимается совокупность производственных процессов, связанных с добычей ксилемного сока лиственных древесных растений. До­бываемая жидкость (пасока) используется для приготов­ления сока, сиропа, кваса, вина, спирта, а также в каче­стве добавок в парфюмерно-косметическом производ­стве, медицине, животноводстве и пчеловодстве. Более

всего заготавливалось березового сока среди стран СНГ на Украине (в среднем 35 тыс. т/год), Белоруссии и России. Грамотное ведение ксилемной подсочки березы в 5 раз экологически более эффективно, чем сбыт бере­зовой древесины с единицы лесопокрытой площади. Еще более выгодна пневая подсочка берез. Ксилемная под­сочка лиственных древесных растений существенно снижает и затраты картофеля и других ценных с/х продуктов в спиртовом производстве.

Иногда можно наблюдать выделение капелек жид­кости из неповрежденных листьев. Это гуттация. Она ярко проявляется у проростков злаков, У каллы, манжетки, земляники. Из древесных растений нередко гутти­руют ольха, ивы, вязы и некоторые другие. Гуттация обусловлена тем, что при высокой влажности воздуха и почвы в теплую погоду вода, поступившая в растение, не испаряется, а выдавливается в виде капелек жидко­сти. У срезанного побега дерева или кустарника даже при 100 % влажности воздуха гуттация наблюдаться не будет, ибо отсутствует корневое давление.

«Плач» и гуттация связаны с наличием корневого давления, нагнетающего воду вверх из корней по рас­тению. Само корневое давление является результатом жизнедеятельности корня. Движущей силой корнево­го давления служит энергия аэробного дыхания, ибо ингибиторы дыхания (яды, наркотики) и анаэробиоз приводят к прекращению корневого давления.

Роль процесса дыхания в проявлении корневого давления может быть не только прямой, но и косвен­ной. Энергия этого процесса способствует поглощению ионов солей из почвы, передвижению их по живым клеткам корня и выделению в полости сосудов цент­рального цилиндра корня. При интенсивном дыхании концентрация солей в сосудах корня увеличивается, а вместе с ней повышается осмотическое давление раст­вора в сосудах.

Существуют две основные гипотезы, объясняющие механизм действия корневого давления:

Осмотuческая теория основана на явлениях ос­моса. В сосудах центрального цилиндра поглощающе­го корня всегда находится раствор определенной кон­центрации, обладающий сосущей силой, равной цели­ком осмотическому давлению, так как в мертвых элементах ксилемы отсутствует тургорное давление. Поэтому вода будет отсасываться от ближайшей к со­суду клетки. Теряя воду, эта клетка будет развивать большую сосущую силу, что позволит ей отнимать воду от соседней с ней клетки и т.д. Клетки коровой парен­химы и центрального цилиндра корня будут испыты­вать недонасыщение водой. Этот дефицит коснется и корневого волоска, способного поглощать воду из по­чвы. При этом распределение величины осмотическо­го давления в ряду клеток, про водящих воду, не играет никакой роли, ибо основным фактором осмотического поглощения воды выступает сосущая сила клеток.

Метаболuческая теория, выдвинутая Д.А Са­бининым, основывается на допущении, что клетки кор­ня, через которые наблюдается односторонний ток воды, обладают полярностью. На противоположных сторонах осуществляются диаметрально разные про­цессы: на одной (обращенной к периферии) синтези­руются осмотически активные сахара, а на противопо­ложной — инертный в осмотическом отношении крах­мал. В первом случае осмотическое давление и сосущая сила будут больше, следовательно, к этой стороне клет­ки будет поступать вода от соседней клетки и выдав­ливаться с противоположного конца в сторону сосуда. Так создается непрерывный односторонний ток воды в корневой системе, как результат развиваемого в кор­нях корневого давления.

В области эндодермы корня вода прохо­дит через ее пропускные клетки, но их сравнительно мало. Другие клетки эндодермы с суберинизированны­ми поясками Каспари, тесно связанными с плазмалем­мой, представляют сильное препятствие току воды и растворов. По существу, эндодерма — основной барь­ер, препятствующий одностороннему току воды из кле­ток первичной коры в центральный цилиндр корня. Не­давно с помощью современной техники было показано, что растворы проходят только через протопласты кле­ток эндодермы, тогда как в других клетках — как через симпласт, так и через апопласт (по клеточным стенкам).

Величина корневого давления обычно колеблется около 1 атм, реже 2,5 — 3,0 атм. С помощью корневого давления растения в ночное время суток восполняют водный дефицит, возникающий в жаркий летний день.

Корневое давление, у древесных растений действует в течение всего года, в том числе зимой, пополняя вод­ные запасы ствола. Как установил Л. А. Иванов, после спиливания дерева влажность древесины пня повыша­ется под действием корневого давления. Особенно ве­лико значение корневого давления ранней весной до распускания листьев, когда отсутствует притягивающая воду транспирация. Корневое давление можно определить с помощью манометра, прикрепленного к пеньку срезанного растения.

В обычных условиях роль пассивного поглощения воды в водообмене растений существенно выше. Оно более выгодно и в энергетическом отношении, так как не связано с затратой внутренней энергии, присущей активному поглощению, а осуществляется за счет энер­гии Солнца.

Источник