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…
При каком условии вода может подниматься в растении вверх
1. Закрепляет растение в почве.
2. Поглощает воду с минеральными солями («почвенное питание»).
3. Запасает органические вещества (если утолщается боковой или придаточный корень, то получается корнеклубень у георгина; если утолщается главный корень и нижняя часть стебля, то получается кореплод у свеклы).
4. Образует симбиозы, отдает симбионтам органические вещества (сахар). Получает: от грибов (в микоризе) воду с минеральными солями, от азотфиксирующих бактерий азот.
1. Фотосинтез («воздушное питание»).
2. Транспирация (испарение воды). За счет транспирации листья охлаждаются и присасывают воду из корней («верхний двигатель»).
3. Запас воды и органических веществ (мясистые листья у алоэ – приспособление к засушдивым условиям).
4. Защита (иголки у кактуса).
5. Опора (усики у гороха).
Стебель
1. Опора для всех остальных частей побега.
2. Проведение воды с растворенными в ней веществами.
3. Запас воды и органических веществ (мясистый стебель у кактуса – приспособление к засушливым условиям).
4. Фотосинтез (зеленый стебель у картофеля).
Тесты
660-01. Специализированным органом воздушного питания растения является
А) зелёный лист
Б) корнеплод
В) цветок
Г) плод
660-02. Какую роль играют корни в жизни растения?
А) образуют органические вещества из неорганических
Б) охлаждают растения
В) запасают органические вещества
Г) поглощают углекислый газ и выделяют кислород
660-03. Главной функцией корня является
А) запасание питательных веществ
Б) почвенное питание растений
В) поглощение органических веществ из почвы
Г) окисление органических веществ
660-04. Какова важнейшая роль листа в жизни растения?
А) обеспечивает испарение воды
Б) выполняет опорную функцию
В) используется как защитный орган
Г) поглощает воду и минеральные соли
660-05. При каком условии вода может подниматься в растении вверх?
А) при отсутствии испарения воды
Б) при постоянном испарении воды
В) только в дневное время
Г) только при закрытых устьицах
660-06. Основная роль листьев в жизни растений –
А) дыхание
Б) запасающая
В) фотосинтезирующая
Г) вегетативное размножение
660-07. Испарение воды листьями способствует
А) передвижению минеральных солей в растении
Б) снабжению листьев органическими веществами
В) усвоению углекислого газа хлоропластами
Г) повышению скорости образования органических веществ
660-08. Главной функцией стебля является
А) воздушное питание растений
Б) запасание воды и питательных веществ
В) проведение воды и питательных веществ
Г) испарение воды
660-09. Что из перечисленного ниже является приспособлением к засушливым условиям жизни?
А) широкие листья
Б) множество устьиц
В) мясистые стебли
Г) стелющиеся стебли
660-11. Роль стебля в жизни растения состоит в
А) укреплении растения в почве
Б) образовании органических веществ
В) передвижении веществ по растению
Г) поглощении воды и минеральных солей
660-12. Приспособленность кактусов к засушливым условиям пустыни состоит в том, что у них
А) прекращаются все процессы жизнедеятельности
Б) в стеблях имеются водоносные ткани, в которых они запасают воду
В) устьица расположены на нижней части листа
Г) корни уходят глубоко в почву, поглощают много воды
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.
При каком условии вода может подниматься в растении вверх
Белая кувшинка имеет еще и другие названия— водяная лилия, или нимфея (от латинского названия Nymphaea). Она представляет собой одно из самых удивительных водных растений, которые когда-либо существовали в природе.
Это растение притягивает к себе неповторимой красотой. Плавающие на поверхности воды темно-зеленые листья, в виде большого сердечка, украшены белоснежным, завораживающим цветком, который источает хорошо ощутимый, нежный аромат. Состоит цветок кувшинки из множества наружных и внутренних белоснежных лепестков. Наружные лепестки по своему размеру немного больше своих внутренних собратьев. В середине цветка находится рыльце, представляющее собой оранжевого цвета круг с исходящими в разные стороны лучами.
У белой кувшинки имеются и подводные листья, которые сильно отличаются от надводных своим строением и формой. Это пленчатые листья, которые свернуты в виде трубочки.
Все листья и цветок закреплены на упругом стебле, который тянется от подводного корня до поверхности воды. Этот стебель настолько крепкий, что не позволяет даже сильному ветру сорвать кувшинку со своего места.
Размножается водяная лилия семенами, созревающими под водой и корневым разветвлением. Созревшие семена всплывают на поверхность воды, скапливаясь друг возле друга, отдаленно напоминая рыбью икру.
Реки, озера и пруды являются постоянной средой обитания этого прекрасного цветка, но стоит так же помнить, что белая кувшинка не любит быстрых течений, поэтому встретить его можно только на «тихой» воде.
К великому сожалению количество сказочной нимфеи становится все меньше и меньше, а происходит это из-за загрязнения и пересыхания водоемов. В связи с этим белая кувшинка во многих странах занесена в красную книгу как исчезающий вид и охраняется законом.
Не многие знают, что нимфея может предсказывать погоду. Так, например, если днем цветки кувшинки полузакрыты, или закрыты полностью—приближается дождь.
§ 19. Передвижение воды и питательных веществ в растении — Пасечник. 6 класс. Учебник
Вопросы в начале параграфа
1. Какие типы проводящей ткани в стебле вы знаете?
К проводящей ткани относятся ситовидные трудки луба стебля, по которым перемещаются растворы органических веществ, а также клетки сосудов древесины.
2. Каковы особенности строения клеток этих тканей?
Ситовидные клетки — это вертикальный ряд вытянутых живых клеток, у которых поперечные стенки пронизаны отверстиями словно у сита. Ядра в этих ситовидных клетках разрушены, а цитоплазма примыкает к оболочке.
Сосуды древесины представляют собой длинные трубки, созданные из ряда слившихся воедино клеток.
3. Что такое корневое давление?
Корневое давление — это процесс, происходящий в проводящих сосудах корней растений. Благодаря корневому давлению вода и растворённые в ней минеральные вещества поднимаются вверх от корны к другим частям растения.
Лабораторные работы
Лабораторная работа: Передвижение воды и минеральных веществ по стеблю
1. Рассмотрите поперечный срез побега липы или какого-либо другого древесного растения, простоявшего 2—4 суток в подкрашенной воде. Установите, какой слой стебля окрасился.
Окрасилась древесина стебля 
2. Рассмотрите продольный срез этого побега. Укажите, какой слой стебля окрасился. На основании проведённых наблюдений сделайте вывод.
Окрасилась древесина стебля, а точнее сосуды древесины, по которым перемещаются вода и растворённые в ней минеральные вещества. То есть в данном опыте краситель, растворенный в воде прошел теми же путями, что и минеральные вещества, перемещающиеся по стеблю.
3. Прочитайте в учебнике, в чём особенности клеток, по которым передвигаются вода и минеральные соли.
Сосуды стебля состоят из длинных тонкостенных трубок. Эти трубки формируются из длинного вертикального ряда коротких клеток — члеников сосуда, которые соединяются за счёт растворения перегородок между ними.
4. Зарисуйте срезы.
5. Сделайте выводы об особенностях передвижения воды и минеральных веществ по стеблю.
Вода и минеральные вещества поднимаются от корня вверх к другим частям растения по сосудам, расположенным в древесине стебля растения.
Вопросы в конце параграфа
1. Что такое сосудистые пучки? Какую функцию они выполняют?
Сосудистые пучки, или сосудисто-волокнистые пучки, это группа проходящих рядом сосудов и окруженных прочными волокнами механической ткани.
По сосудисто-волокнистым пучкам вода с растворёнными в ней минеральными солями поднимается от корня вверх к другим частым растения.
2. Какой опыт доказывает, что вода с минеральными веществами передвигается по сосудам древесины?
Опыт, подтверждающий что вода с минеральными веществами передвигается по сосудам древесины проводится следующим образом:
Результат опыта: древесина ствола побега окрасилась в цвет использованных чернил.
Вывод: Растворы веществ, как и подкрашенная вода поднимаются от корня вверх внутри стебля по сосудам древесины.
3. Почему вода непрерывно поднимается вверх по сосудам стебля?
Вода поднимается вверх по сосудам стебля непрерывно благодаря процессу корневого давления и испарению: корневое давление подталкивает воду от корней вверх, а в процессе испарения в листьях и стеблях освобождается пространство для новых порций воды.
4. На каком опыте можно убедиться, что органические вещества передвигаются по ситовидным трубкам луба?
Опыт, подтверждающий, что органические вещества передвигаются по ситовидным трубкам луба проводится следующим образом:
Результат опыта: На стебле среза образовалась раневая пробка, а потом — кольцеобразный наплыв, заживляющий рану. Затем из наплыва начали образовываться придаточные корни.
Вывод: После срезания колька коры со стебля у растения были перерезаны ситовидные трубки луба и органические вещества, идущие от листьев в нижние части растения, стали накапливаться на кромке надреза. Получив увеличенное количество питательных веществ, клетки стебля со срезанной корой начали активно делиться и образовали наплыв, а затем и новые придаточные корни, позволяющие растению восстановить нормальную жизнедеятельность. 
5. Где запасаются органические вещества у разных растений?
Запас органических веществ у разных растений может образовываться:
Подумайте
Могут ли знания о передвижении питательных веществ в растениях помочь управлять их развитием? Если да, приведите примеры.
Да, знания о передвижении питательных веществ могут помочь управлять их развитием. Например, если обрезать боковые побеги у винограда или томата, то плоды на оставшихся ветках начинают получать большее количество органических веществ. Это позволяет увеличить урожайность растения и ускорить время созревания плодов.
Задания
Для подготовки к изучению прорастания семян возьмите четыре стакана или небольшие стеклянные банки и поместите в них одинаковое количество семян огурцов, фасоли, зерновок овса или пшеницы. В первом стакане семена оставьте сухими. Во второй на дно налейте немного воды и поставьте в тёплое место. Третий стакан до краёв наполните кипячёной водой и накройте его стеклом. В четвёртый стакан налейте немного воды (как во второй), но поставьте его на холод, например в холодильник, или закопайте в снег. Наблюдайте, что произойдёт с семенами в каждом стакане. Во всех ли стаканах и все ли семена проросли? Сделайте вывод, какие условия необходимы для прорастания семян. Свои наблюдения и вывод запишите.
Вывод: Для успешного прорастания семян необходимо обеспечить их достаточным количеством воздуха, влаги и комфортной температурой окружающей среды.
Задания для любознательных
Наблюдайте за образованием наплыва и придаточных корней на одревесневших побегах комнатных растений, повторив опыт, изображённый на рисунке 83. Посадив побег с корнями в почву, наблюдайте за развитием растения из укоренившегося побега.
Словарик
Сосудистые пучки — это группа сосудов растения (проводящая ткань) окруженная прочными волокнами механической ткани.
