Водный режим растений

Мезофиты. «Мезофитами называются растения умеренно-влажных местностей, обладающие ограниченной способностью в процессе своего онтогенеза приспособляться к неблагоприятному влиянию атмосферной и почвенной засухи» (П .А. Генкель). По режиму влажности они занимают промежуточное положение между гигрофитами и ксерофитами, растут при средних условиях увлажнения, теплового и воздушного режима, минерального питания. К мезофитам относятся лиственные деревья, большинство луговых трав, многие лесные травы, полевые сорняки, большинство культурных, плодово-ягодных растений и др. . Избыточное увлажнение мезофитам вредно, так как у них проводящая и механическая ткани развиты умеренно. Устьица чаще расположены на нижней стороне листа. В условиях засухи у мезофитов появляются признаки, характерные для ксерофитов – мелкоклеточность, уменьшение размера листа, увеличение числа устьиц на единицу поверхности (площади) листа и др.

 

6.  Влияние различных факторов на содержание воды

На содержание воды в растении влияют: возраст, влажность почвы, время  суток и др. .

Влияние времени суток  на содержание воды в листьях груши  Козловский (1969) изучал в зависимости  от возраста растений.

В ночные часы в листьях  груши содержание воды увеличивается  по сравнению с дневными часами. Это, очевидно, связано с меньшим  расходом воды (меньшей транспирацией) в ночное время. Козловский считает, что суточные колебания содержания воды зависят от соотношения поглощения воды и транспирации. То, что наибольшее содержание воды в листьях наблюдается  между двумя и четырьмя часами ночи, более вероятно связать с  изменением сухого веса их, нежели с изменением абсолютного количества воды в тканях.

Однако необходимо сказать, что по мнению многих исследователей как увеличение (ночью), так и уменьшение (днем) содержания воды в растении обусловлено экологическими условиями: повышенной температурой в дневные часы, понижением ее в ночное время, возрастанием относительной влажности в ночные часы и уменьшением ее в дневное время.

Понижение содержания воды в листьях по мере старения груши  автор ставит в зависимость от количества сухого вещества, которое  с возрастом увеличивается на 25 %. Возрастание сухого вещества объясняется  утолщением клеточных оболочек.

Уменьшение содержания воды в растениях по мере их старения может быть связано с понижением водоудерживающей способности листьев, уменьшением способности клеточных  коллоидов к набуханию и поглощению воды. Здесь, очевидно, имеет значение и проницаемость цитоплазматической мембраны.

Количество воды в растении зависит от характера общего водообмена, при отрицательном водном балансе оно значительно уменьшается, при положительном балансе, наоборот, увеличивается. В митохондриях содержание воды тесно связано с метаболическими процессами: в начальный период дыхания дегидрирование материала дыхания сопровождается набуханием, увеличением количества воды в них. Сукцинатдегидрогеназа стимулирует увеличение количества воды в митохондриях, а малатдегидрогеназа, наоборот, подавляет набухание.

Таким образом, количество воды в растении не является постоянным, оно изменяется как под влиянием различных процессов, протекающих  в самом растении, так и под  действием различных внешних факторов.

 

7. Водный режим растений

Работники и ученые сельскохозяйственного  производства направляют усилия на повышение  урожайности культурных растений, чтобы увеличить количество продуктов питания. А все это связано с недостатком воды, а именно с рациональным ее использованием. Необходимо создавать такие сорта и формы, которые хорошо бы вписывались в стойкие агробиоценозы и способны были бы хорошо переносить определенные местные условия, при которых они бы давали большие урожаи.

Успех интродукции сибирских сортов в Центральном Черноземье диктуется  многими параметрами устойчивости к внешним факторам среды. Из них  важным является засухоустойчивость. Косвенными показателями засухоустойчивости сортов являются водный дефицит, интенсивность транспирации и транспирация завядания. Поэтому вторым важным процессом в организме растений, стоящим на пути урожайности, наряду с фотосинтезом, является водный режим.

В процессе эволюции современные растения приспособились к недостатку влаги, сохранив в себе свойство своих предков  – потреблять больше воды в период формирования репродуктивной части. Это  так называемые «критические периоды». Хотя для получения высокого урожая влага требуется во время всего  роста и развития. При достаточном  водоснабжении в растении больше идут процессы ассимиляции, процессы построения органических веществ, обеспечивается нормальное соотношение тургорного, осмотического давлений и сосущей силы. В это время растение нормально транспирирует, в результате чего образуется больше сухих веществ. Ведь плодовые деревья теряют воду и летом, и зимой. А в разных органах яблони вода распределяется следующим образом: листья – 60 %, свежие побеги 0 около 50 %, плоды – 80-90 %, семена – 40 % . Как видно из цифр вода является составной частью всех органов растений, а также она участвует во всех биохимических и физиологических процессах, влияя на продуктивность фотосинтеза, урожайность сельскохозяйственных культур, обеспечивает постоянную необходимую связь с окружающей средой. Проблемы водного режима высших растений тесным образом связаны с процессами фотосинтеза, который осуществляется в листьях, и дыхания корней. Все эти процессы замыкаются в единый круг, который постоянно поддерживается непрерывным током воды, идущим от корневой системы через все растение. Это определяет необходимый уход за теми или иными сортами культурных растений. Для этого необходимо знать содержание воды в разных органах растения и потребность их в ней. Поэтому им необходимо постоянно пополнять запас воды для перенесения неблагоприятных условий окружающей среды. Растение само управляет своей адаптацией к окружающей среде. Как животные, так и растения сохраняют постоянство внутренней среды. Эти вопросы гомеостаза изучал американский ученый W. Cannon. Внутреннюю среду определяет гомеостатическая вода, входящая в состав растений в определенном количестве. При падении этого количества растение прекращает свое существование. Эти выводы принадлежат П. А. Геккелю и Н. А. Шаламовой. Для растений различных мест обитания количество гомеостатической воды разное.

 В растительном организме  содержится достаточно большое  количество воды, которое колеблется  у разных растений  и даже у отдельных органов одного растения. Так, в листьях салата содержится 95 % воды, кукурузы – 77 %, яблони – 60 %, в клубнях картофеля – 74-80 %, в зерновке злаков – 12-14%.

Подавляющая часть содержимого  растительной клетки - вода, которая  является важнейшей частью живой  материи. Роль воды в растении обусловлена ее уникальными физико-химическими свойствами (полярность молекулы).

Полярность образуется благодаря  несимметричному расположению в  молекуле воды водорода и кислорода, что приводит к неравномерному распределению  положительных и отрицательных  зарядов.

Вследствие этой особенности молекула Н₂О, являясь электронейтральной, имеет, тем не менее, два полюса, то есть, представляет собой диполь. Благодаря этому, молекулы воды способны образовывать соединения с другими заряженными частицами, различной степени сложности.

В насыщенных водой клетках корней осуществляется вся сложнейшая цепь процессов ионного обмена с почвой. При поглощении воды белки развивают  давление свыше 1000 атм.

В клетке растения вода может быть свободной и связанной. Связанной  считают воду, которая удерживается коллоидами протоплазмы, а также  другими осмотически активными веществами. На содержание связанной воды влияет количество находящихся в клетке растворенных веществ.

В листьях и корнях равновесие с  внешним раствором наступает  через 15-20 минут, но при этом обменивается чуть больше половины содержащейся в них воды. Вода же стеблей обменивается на 90%.

При искусственном подвяливании разных видов растений НАУ установлено, что наименее теряется при увядании прочно связанная вода и растения долго противостоят засухе и заморозкам.

Для осуществления всех процессов  жизнедеятельности в клетку с  окружающей среды должны поступать  вода и питательные вещества. Внутри клетки вещества перемещаются за счет диффузии. Диффузия — это непроизвольный процесс, который обуславливает перемещение любого вещества с одного участка в другой, где концентрация данного вещества меньше.

Реальный поток молекул всегда осуществляется от источника, где их концентрация выше, в те участки, где  концентрация ниже. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше ее активность и химический потенциал.

Химический потенциал чистой воды, называют водным потенциалом. Наивысшее  значение водного потенциала имеет  химически чистая вода. Условно эту  величину принято за нуль, а поэтому  водный потенциал любого вещества имеет  отрицательное значение.

Мембраны живых клеток способны транспортировать лишь определенные молекулы или ионы растворенных веществ, проявляя избирательность, которая зависит  от природы мембраны.

Диффузия воды сквозь мембрану — это осмос.

Поскольку во всех биологических системах растворителем является вода, то осмос  для них это диффузия воды сквозь мембрану. Чем концентрированнее  раствор, тем выше осмотическое давление. Осмотический потенциал равен разнице  между химическим потенциалом раствора и химическим потенциалом чистой воды. Он всегда отрицательный, а его  величина свидетельствует о том, насколько растворенное вещество снижает  активность воды.

Движение воды обуславливает не природа растворенного в ней  вещества, а количество частичек этого  вещества. Водный потенциал клетки становится более отрицательным благодаря присутствию органических веществ, которые связывают воду.

Возможно также поступление  воды в клетку при помощи электроосмоса вследствие разности электрических потенциалов, которые возникают по разным сторонам мембраны.

Как правило, через мембрану быстрее  проникают катионы или анионы. Чем быстрее они включаются в  обмен веществ, тем интенсивнее  происходит их поглощение.

Поэтому не бывает равновесия между  содержимым ионов во внешнем растворе и их наличием в клеточном соку.

Все взаимодействия растений с водой  имеют не биохимический, а биофизический  характер, возможно даже и физико-химический. Для биохимических реакций необходимо лишь до 1% воды от количества, проходящего  через растения. Необходимо уяснить  очень важный момент. Вода нужна  растению (клетке) не только как источник питания, а еще больше, как средство выведения из нее токсинов и других продуктов жизнедеятельности. Известно, что существует не только восходящий поток (по ксилеме), а и нисходящий — по флоэме.

Ксилема — система, обеспечивающая доставку воды и питательных веществ с почвы к верхней части растения. Диаметры проводящих элементов ксилемы варьируют в диапазоне 10-500 мкм для разных видов растений. Их длина может составлять от нескольких сот микрометров до двух и более метров. Через то, что эти проводящие элементы лишены протопластов и клеточных оболочек, сопротивление прохождению через них воды и растворов очень маленькое.

Вода по капилляру будет подниматься  до тех пор, пока не уравновесится  давление. Дополнительное давление в  сосудах ксилемы не способно обеспечить подъем жидкости в растения свыше  одного метра.

На больших расстояниях переносом  воды управляет объемный поток, который  в состоянии преодолеть силу притяжения и поддержать движение воды в ксилеме. Чем больше радиус капилляра, тем  больше скорость объемного потока, доминирующего при переносе жидкости на большие расстояния.

Флоэма — вторая проводная система, распределяющая большинство органических веществ (в первую очередь фотоассимиллянтов) на обеспечение процессов роста разных частей растения.

В отличие от ксилемы проводящие элементы флоэмы имеют протоплазму. Эти проводные элементы называют ситоподобными трубками. Они соединены в единую цепочку, которая обеспечивает транспортировку органических веществ. Продукты фотосинтеза движутся по флоэме от листьев к корням, а сахар от корней до верхушки растения (с разгрузкой флоэмы). Работа флоэмы изучена еще не достаточно. Существует гипотеза, предусматривающая участие электроосмоса в транспорте веществ по флоэме. Транспорт ионов К+ сопровождается возникновением электрических полей на каждой сытоподобной пластинке. Скорость передвижения фотоасимилянтов составляет 50-100 см/час. Отток со стареющих органов по флоэме называют — реутинизация (вынос калозы). Чем активнее вода, тем лучше разгружается флоэма.

Активность чистой воды (Ав) равняется единице. Добавление растворенных веществ в воду уменьшает активность воды. Если изначальный потенциал клетки меньше раствора, то она его поглощает. В противном случае вода будет переходить с клетки в раствор, пока не установится динамическое равновесие.

В случае полного насыщения клетки листа водой фотосинтез уменьшается, так же, как и при ее дефиците. Максимальный фотосинтез при дефиците воды 5-20%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Водный режим  растений складывается из трёх последовательно протекающих и тесно связанных между собой процессов: поступления воды в корни растений из почвы; поднятия воды по корням и стеблям в листья и в расположенные на стеблях растущие эмбриональные ткани, точки роста; испарения избыточной воды из листьев в окружающую атмосферу. Общее количество воды, проходящей через растение, чрезвычайно велико. В умеренно влажном климате за вегетационный период одно растение кукурузы или подсолнечника расходует до 100 л воды, а один гектар посева пшеницы испаряет за лето 2—3 тыс. м³ воды. В среднем на создание каждого килограмма урожая сухой массы растение расходует около 250—300 кг воды, а в засушливом климате — до 500—600 кг. 
 
Вода, получаемая растением из почвы, поглощается не всей поверхностью корней, а только молодыми их окончаниями, так называемыми корневыми мочками и корневыми волосками. Клетки всасывающей зоны корня обладают по отношению к воде своеобразной полярностью. Наружная их сторона всасывает воду, а внутренняя выталкивает её в сосуды корня. Так в растений создаётся корневое давление, нагнетающее воду вверх по корню и стеблю с силой 2—3 и более атмосфер. С такой же примерно силой корень растения сосет воду из почвы и преодолевает сопротивление почвенных частиц, удерживающих воду на своей поверхности силами адсорбции и набухания почвенных коллоидов. По мере уменьшения толщины слоя воды, облекающей почвенные частицы, силы адсорбции, удерживающие воду, быстро возрастают и становятся равными, а затем и большими, чем всасывающая сила корневых клеток, поэтому корни растений не могут отнять от почвы всю находящуюся в ней воду и в почве всегда остаётся некоторое количество недоступной для растения воды. В таком случае дальнейшая потеря растением воды уже не может возмещаться за счёт поступления её из почвы: содержание воды в растении падает и оно увядает. 
 
Лист растений обладает рядом физиологических особенностей, позволяющих ему в значительной степени регулировать отдачу воды. Испарение воды с поверхности растений получило название транспирации. Понижая содержание воды в клетках листовой мякоти и создавая состояние ненасыщенности водой, транспирация способствует возникновению значительной сосущей силы, обеспечивающей ток воды из сосудов листовых жилок в клетки. Это обусловливает движение воды вверх по растению, нередко значительно превосходящее по скорости накачивание воды клетками корневых мочек. В силу свойственного молекулам воды сцепления друг с другом вода, переходящая из сосудов в живые клетки мякоти листа тянет за собой весь столб воды, заполняющей проводящую систему вплоть до самого корня. В результате во всём растений создаётся натяжение воды в сосудах, способствующее поступлению воды из почвы в корень. 
 
Для получения высоких и устойчивых урожаев чрезвычайно важное значение имеют мероприятия по накоплению запасов влаги в почве и уменьшению ее расходования (например, снегозадержание, вспашка под зябь, раннее боронование весной для задержания влаги, посадка полезащитных лесных полос и т.д.). В засушливых областях прибегают к ирригации или искусственному орошению земель. 
 
Избыток влаги в почве может, однако, оказаться вредным для растений, поскольку при затоплении почвы в её капиллярах не остаётся воздуха, необходимого для дыхания корней и их нормальной жизнедеятельности. Кроме того, в затопленной почве усиливаются анаэробные бактериальные процессы, приводящие к накоплению веществ, отравляющих корни. Излишнее количество влаги можно удалить осушением почвы. Оптимальным является увлажнение почвы, при котором в почве будет содержаться достаточное количество доступной для растения воды, а также и воздуха. 
 
Различные растения в неодинаковой мере нуждаются в увлажнении почвы. Например, ксерофиты приспособлены к жизни в условиях аридного климата (в степях, пустынях, полупустынях) и в более влажном климате в условиях низкого водоснабжения.