Водный режим растений

Введение

О роли воды в живом организме  древними учеными были высказаны  умозрительные гипотезы. Усилия многих исследователей были направлены к выяснению  практических вопросов, связанных с  возделыванием сельскохозяйственных растений. Вода, очевидно, имела большое  значение и в возникновении жизни  на нашей планете.

По мнению многих ученых, жизнь возникла в водной среде. Вода имела важное значение в эволюции неорганических веществ, а затем органических соединений, так как она обладает высокой теплоемкостью, небольшие колебания температурного режима в окружающей среде не вызывают изменения ее температуры. Вода защищала сложные органические образования от прямого воздействие ультрафиолетовых лучей (солнечной радиации). Благодаря защитному действию воды могли сохраниться и эволюционировать сложные органические соединения.

Некоторые авторы (Фирсов) считают, что она участвовала и в  эволюции первичной атмосферы Земли, так как переход последней  от восстановленной к окислительной  форме связан с наличием воды. В атмосфере Земли благодаря фотохимическому окислению воды, появляются свободный кислород и водород.

Под действием ультрафиолетового  излучения осуществлялся синтез формальдегида из углекислого газа и молекулы водорода, при этом освобождался свободный кислород.

Указанные процессы способствовали увеличению количества кислорода в первичной атмосфере.

Пять тысяч лет до нашей  эры люди знали о роли воды в  жизни растений, об этом свидетельствует  то, что они сооружали водохранилища  и строили оросительные системы  для полива возделываемых растений для обеспечения их водой. Фалес  Милетский (640 – 546 г. г. до н. э.) считал, что вода является первичным веществом Вселенной, что она первооснова всего.

Для выяснения питательной  роли воды первые опыты проводились  Ван-Гельмонтом. Он посадил ветку ивы (2,3 кг) в сухую землю (вес земли 90,7 кг) и поливал ее дождевой водой в течение пяти лет. При ликвидации опытов через 5 лет вес растения был 76,8 кг. , потеря веса земли составляла 56,6 г. , а прирост ветки 74,5 кг. . На основании этих опытов автор пришел к выводу, что растение питается водой (так как потеря веса земли небольшая).

Опыты Ван-Гельмонта были проверены Вудвордом, который растения (мяту) в одном варианте поливал дождевой водой в течение 77 дней, в другом варианте – вытяжкой, полученной из почвы. В первом варианте прироста мяты в весе не наблюдалось (исходный вес ее был 1,8 г. , а после опыта 1,12 г.). В Варианте, где растение поливалось почвенной вытяжкой, прирост составил 12,29 г. На основании своих опытов Вудворд отверг заключение Ван-Гельмонта о том, что растение питается (только) водой.

В живом организме вода выполняет разнообразные функции. Во-первых, она, являясь средой и  растворителем, способствует распаду  солей неорганических веществ, во-вторых, внешний облик растения, особенности  морфологического, анатомического строения его, а также строения цитоплазмы ее субклеточных компонентов тесно  связаны с наличием воды, в-третьих, она имеет важное значение в процессах метаболизма.

Внешний облик растения в  значительной степени зависит от состояния клеточной оболочки, последнее  связано с количеством воды в  ней. При оптимальном содержании воды клеточная оболочка немного  растянута, это состояние ее определяется тургорным давлением, направленным от центра к периферии, его можно рассматривать как давление протопласта на клеточную оболочку. Последняя обладает упругими свойствами, под действием тургорного давления растягивается, вследствие чего возникает противодавление, направленное от клеточной оболочки к центру клетки. Его называют радиальным давлением (или тургорным натяжением), по величине оно равно тургорному. Тургорное давление влияет на форму листа, на внешний облик растения. При недостатке воды в клетке оно исчезает, листья увядают, изменяется угол наклона листа на оси стебля, нарушается явление отрицательного геотропизма. Тургорное состояние клеток определяется количеством воды в растении и величиной тургорного давления.

Величина осмотического  давления клеточного сока и сосущей  силы клеток тесно связана с наличием и количеством воды в клетках. Осмос – это диффузия через полупроницаемую мембрану, то есть такую мембрану, которая хорошо проницаема для воды и непроницаема или плохо проницаема для растворенных в воде веществ. Низкомолекулярные, высокополимерные вещества и неорганические соли способны к проявлению осмотической активности в клетках лишь присутствии воды. Молекулы неорганических веществ распадаются на ионы при участии воды, последняя, вызывая диспергирование солей, способствует увеличению числа активно действующих частиц, принимающих участие в осмотическом давлении и метаболических процессах. При пониженном количестве воды (например, во время засухи) осмотическое давление клеточного сока повышается, сосущая сила клеток возрастает, что обусловливает поступление воды в растение. Этот пример свидетельствует о том, что процесс водообмена (поступление) связан и с количеством воды в организме растения.

Круговорот веществ в  растении осуществляется путем участия  воды. Координация деятельности органоидов в клетках и органах растения связана с наличием воды, следовательно, она в значительной степени определяет функциональную целостность организма. Установлено, что, с одной стороны, деятельность корневой системы растения связана с теми веществами, которые образуются в листьях, иначе говоря с деятельностью листьев и стебля, с другой стороны, нормальное функционирование листьев, их деятельность зависит от работы корневой системы. Различные вещества, поступившие из почвы в корень, передвигаются в виде пасоки в надземные органы, в том числе и в листья, где они используются на синтез новых веществ, необходимых для построения тела растения, для нормального функционирования его. Метаболиты, образовавшиеся в их листьях (сахара и другие вещества), перемещаются нисходящим током в подземные органы (корни), где они необходимы для поддержания их деятельности, для обеспечения жизненных процессов, тем самым обеспечивается связь между органами растения.

Уменьшение количества воды в листьях значительно замедляет  отток веществ из листьев в  корень и тем самым ослабляет  интенсивность процессов обмена и круговорота веществ в организме  растения. Деятельность растения в  целом координируется благодаря  процессам передвижения веществ, в  том числе и воды, как восходящим, так и нисходящим токами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Роль воды в терморегуляции растения.

Как известно, испарение  воды (транспирация) листьями сопровождается поглощением тепла. Источниками  тепла в растении являются солнечные  лучи и различные реакции метаболизма, в первую очередь, процесс дыхания. Если бы растение непрерывно поглощало  энергию, не излучая часть ее в  окружающий воздух, то его температура  все время повышалась бы до тех  пор, пока не наступила «тепловая  смерть». Однако этого не наблюдается  вследствие того, что растения теряют больше половины поглощенной энергии, излучая ее во внешнюю среду. Кроме того, потеря тепла растением имеет место и в процессе транспирации.

В процессе транспирации в  листьях растений вода переходит  из жидкого состояния в парообразное. В это время происходит поглощение энергии молекулами воды, она тратится на разрыв водородных связей, имевших место между молекулами воды.

Таким образом, фазовые переходы воды имеют большое значение в тепловом балансе растений.

 

2.  Физические и химические свойства воды

Вода – основной компонент  живого вещества. Ее содержание доходит  до 90 % от массы организма. Она составляет неотъемлемую часть внутренней структуры  всего живого и является одним  из главных факторов, определяющих климат на поверхности земли. Вода активно  участвует в биологических превращениях, служит субстратом для фотосинтеза, является одним из продуктов процесса дыхания и создает условия  внешней среды, которые обеспечивают возможность жизни. Как климатический  фактор она регулирует температуру  на поверхности земли, находясь в  атмосфере, частично задерживает солнечную  радиацию и уменьшает действие экстремальных  температур. Вода в теле растений и  вода, покрывающая нашу сушу и входящая в состав атмосферы, несмотря на разные ее формы едина, и ритмы ее движения в косной и живой материи согласованы.

Вода играет важную роль в жизнедеятельности организма, благодаря своим уникальным физическим и химическим свойствам. Молекула воды состоит из двух атомов водорода, присоединенных к одному атому кислорода. Атом кислорода  оттягивает электроны от водорода, благодаря этому заряды в молекулах  воды распределены неравномерно. Один полюс молекулы оказывается заряженным положительно, а другой – отрицательно. Иначе говоря, вода представляет собой  диполь. Молекулы воды могут ассоциировать  друг с другом. Положительный заряд  атома водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательному заряду другой. Это приводит к возникновению  водородных связей. Благодаря наличию  водородных связей вода имеет определенную упорядоченную структуру. Каждая молекула воды притягивает к себе еще четыре молекулы, которые стремятся расположиться как бы по вершинам тетраэдра. Число ассоциированных молекул может быть неопределенно большим. В жидкой воде упорядоченные участки чередуются с неупорядоченными – хаотически распределенными молекулами. Таким образом, большая часть молекул организована в виде тетраэдров, меньшая часть заполняет полости этих тетраэдров.

В твердом состоянии (лед) все молекулы воды соединены водородными  связями. При нагревании лед плавится, и частично эти связи разрываются. При нуле градусов разрывается примерно 15 % водородных связей. Даже при нагревании до 20 градусов остаются не нарушенными 80 % водородных связей.

Высокая скрытая теплота  испарения воды обусловливается  наличием водородных связей. Для того чтобы в процессе испарения произошел  отрыв молекул от водной поверхности, необходимо затратить дополнительное количество энергии для разрыва  водородных связей. Поэтому испарение  воды растением (транспирация) сопровождается охлаждением транспирирующих органов. Понижение температуры листьев при транспирации имеет важное физиологическое значение.

Вода обладает очень высокой  теплоемкостью, поэтому поглощение или потеря значительного количества тепла тканями растений сопровождается сравнительно небольшими колебаниями  их температуры. Это позволяет растительному  организму воспринимать колебания  температуры окружающей среды в  смягченном виде. Вода в растении находится  как в свободном состоянии, так  и в связанном. Свободной называют воду, сохранившую все или почти  все свойства чистой воды. Свободная  вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких температурах. Связанная вода имеет измененные физические свойства вследствие взаимодействия с неводными компонентами. Эти  взаимодействия представляют собой  процессы гидратации, вследствие чего связанную воду нередко называют гидратной водой. Различают два основных процесса гидратации:

1) притяжение диполей  воды к заряженным частицам (как  к ионам минеральных солей,  так и к заряженным группам  белка СОО- и NH2+);

2) образование водородных  связей с полярными группами  органических веществ – между  водородом воды и атомами О или N.

Воду, гидратирующую коллоидные частицы (прежде всего белки) называют коллоидно-связанной, а растворенные вещества (минеральные соли, сахара, органические кислоты и др.) – осмотически связанной.

Вода обладает исключительно  высокой растворяющей способностью. В воде анионы и катионы какой-либо соли оказываются разъединенными. Гидратные оболочки, окружающие ионы, ограничивают их взаимодействие. Положительно заряженные ионы притягивают полюс молекулы воды с отрицательно заряженными атомами кислорода, тогда как ионы, несущие отрицательный заряд, притягивают полюс с положительно заряженными атомами водорода. Одновременно нарушается и структура самой воды. При этом, чем крупнее ион, тем это нарушение сильнее.

 

3. Фракционный состав почвенной влаги.

Химически связанная вода. Эту категорию воды можно разделить  на конституционную и кристаллизационную. Первая входит в состав вторичных минералов. Она настолько прочно связана, что для ее удаления требуется применение температуры до 200 градусов и выше. Естественно, что эта форма воды недоступна для растений. К конституционной воде следует также отнести воду, входящую в состав органических веществ почвы.

Кристаллизационная вода менее прочно связана, нежели конституционная. Она входит в состав гипса и  других минералов. Ее можно удалить  путем продолжительного прогревания  при температуре около 100 градусов. Эта вода также недоступна для  растений.

Сорбированная вода. Сорбированную воду делят на прочносвязанную (гигроскопическую) и рыхлосвязанную (пленочную). Обе эти формы непосредственно облекают почвенные частицы и удерживаются на их поверхности силами адсорбции.

Гигроскопическая вода удерживается с силой до 1000 МПа и более  и передвигается только после  перехода в парообразное состояние. Удаляется из почвы при нагревании до 105 градусов в течение 6 часов. Наличие  такой воды обусловлено гигроскопичностью  почвы. Т. е. Способностью твердой фазы своей поверхностью поглощать водяные  пары. Гигроскопичность зависит от механического состава почвы  и содержания в  ней органического вещества. Максимальное содержание гигроскопической влаги наблюдается при полном насыщении воздуха водяными парами, т. е. При 99 – 100 %-ной относительной влажности. Это содержание гигроскопической влаги называют наибольшей или максимальной гигроскопичностью почвы.

Адсорбированный на поверхности  почвенных частиц слой гигроскопической влаги теряет свою подвижность и  сильно уплотняется. В результате высокой  плотности гигроскопическая вода изменяет свою естественную структуру и ряд  физико-химических свойств. Такая вода обладает повышенной по сравнению с  чистой водой вязкостью, не замерзает  даже при –70 –78 градусах, не обладает электропроводностью. Данная форма  почвенной воды недоступна растениям. Так как силы связывания воды превышают сосущую силу корней.

Хотя гигроскопическая вода и недоступна для растений, но ее образование имеет большое значение, так как сокращает непроизводительный расход капельно-жидкой влаги, поступающей в почву.

Пленочная вода. Парообразная влага, конденсируясь на поверхности  почвенных частиц при определенных условиях температуры и давления, дает начало образованию водной пленки. Процесс поглощения водяных паров  почвой рассматривается как переходный к адсорбции воды. Таким образом, часть сорбированной воды, которая связывается менее прочными силами, и представляет собой рыхлосвязанную воду. Она удерживается на поверхности тонких пленок прочносвязанной (гигроскопической) воды. Это дополнительно связанная сорбционными силами вода носит название пленочной. Часть этой влаги принадлежит водным оболочкам коллоидных частиц почвы, с которыми связь воды более прочная, чем с грубо дисперсными элементами. Эту часть пленочной влаги называют коллоидной водой.