Galvenie ūdens straumes dzinēji
Ūdens uzsūkšanās sakņu sistēmā notiek divu ūdens strāvas gala motoru darbības dēļ: augšējais gala motors jeb iztvaikošanas (transpirācijas) sūkšanas spēks un apakšējā gala motors jeb saknes motors. Galvenais spēks, kas izraisa ūdens plūsmu un kustību augā, ir transpirācijas sūkšanas spēks, kas rada ūdens potenciāla gradientu. Ūdens potenciāls ir enerģijas mērs, ko ūdens izmanto kustībai. Ūdens potenciāls un sūkšanas spēks ir vienādi pēc absolūtās vērtības, bet pretēji pēc zīmes. Jo mazāks ūdens piesātinājums konkrētai sistēmai, jo mazāks (negatīvāks) tās ūdens potenciāls. Kad augs transpirācijas procesā zaudē ūdeni, lapu šūnas kļūst nepiesātinātas ar ūdeni, kā rezultātā rodas sūkšanas spēks (ūdens potenciāls samazinās). ūdens plūsma iet lielāka sūkšanas spēka vai mazāka ūdens potenciāla virzienā.
Tādējādi ūdens plūsmas augšējais gala motors augā ir lapu transpirācijas sūkšanas spēks, un tā darbībai ir mazs sakars ar sakņu sistēmas dzīvībai svarīgo darbību. Patiešām, eksperimenti ir parādījuši, ka ūdens var iekļūt dzinumos caur mirušo sakņu sistēmu, un šajā gadījumā ūdens uzsūkšanās pat tiek paātrināta.
Papildus ūdens strāvas augšējā gala motoram augos ir arī apakšējā gala motors. To labi pierāda tādu parādību piemērs kā Gutācija.
To augu lapas, kuru šūnas ir piesātinātas ar ūdeni, augsta gaisa mitruma apstākļos, kas novērš iztvaikošanu, izdala pilienu-šķidru ūdeni ar nelielu daudzumu izšķīdušo vielu - gutāciju. Šķidrums tiek izvadīts caur īpašiem ūdens stomatiem - hidratētājiem. Izdalītais šķidrums ir gutta. Tādējādi gutācijas process ir vienvirziena ūdens plūsmas rezultāts, kas notiek, ja nav transpirācijas, un tāpēc to izraisa kāds cits iemesls.
To pašu secinājumu var izdarīt, aplūkojot šo fenomenu raudāt augi. Ja jūs nogriežat auga dzinumus un nogriežamajā galā pievienojat stikla cauruli, caur to pacelsies šķidrums. Analīze liecina, ka tas ir ūdens ar izšķīdušām vielām - sulu. Atsevišķos gadījumos, īpaši pavasarī, raudāšana novērojama arī tad, kad tiek griezti augu zari. Noteikumi liecina, ka izdalītā šķidruma (sulas) tilpums ir daudzkārt lielāks par sakņu sistēmas tilpumu. Tādējādi raudāšana nav tikai šķidruma noplūde griezuma rezultātā. Viss iepriekš minētais liek secināt, ka raudāšana, tāpat kā gutācija, ir saistīta ar vienvirziena ūdens plūsmu caur sakņu sistēmām neatkarīgi no transpirācijas. Spēku, kas izraisa vienvirziena ūdens plūsmu caur traukiem ar izšķīdušām vielām neatkarīgi no transpirācijas procesa, sauc par sakņu spiedienu. Sakņu spiediena klātbūtne ļauj runāt par ūdens strāvas apakšējā gala motoru. Sakņu spiedienu var izmērīt, pievienojot manometru galā, kas palicis pēc auga virszemes daļu nogriešanas, vai arī ievietojot sakņu sistēmu dažādas koncentrācijas šķīdumu sērijā un izvēloties tādu, kas pārtrauc raudāt. Izrādījās, ka saknes spiediens ir aptuveni 0,1 - 0,15 MPa (D.A. Sabinin). Padomju pētnieku L. V. Mozhaeva un V. N. Žolkeviča veiktie noteikumi parādīja, ka ārējā šķīduma koncentrācija, kas pārtrauc raudāt, ir ievērojami augstāka nekā pasoka koncentrācija. Tas ļāva paust viedokli, ka raudāšana var būt pretrunā koncentrācijas gradientam. Ir arī pierādīts, ka raudāšana notiek tikai tādos apstākļos, kādos normāli norisinās visi šūnu dzīvības procesi. Ne tikai sakņu šūnu nogalināšana, bet arī to dzīvībai svarīgās aktivitātes intensitātes samazināšanās, galvenokārt elpošanas intensitāte, pārstāj raudāt. Ja nav skābekļa, elpceļu indes ietekmē un, kad temperatūra pazeminās, raudāšana apstājas. Viss iepriekš minētais ļāva D.A. Sabininam sniegt šādu definīciju: raudošie augi- Šī ir mūža vienvirziena ūdens un barības vielu plūsma atkarībā no asimilātu aerobās apstrādes. D.A. Sabinins ierosināja diagrammu, kas izskaidro vienvirziena ūdens plūsmas mehānismu saknē. Saskaņā ar šo hipotēzi sakņu šūnas ir polarizētas noteiktā virzienā. Tas izpaužas faktā, ka vienas un tās pašas šūnas dažādos nodalījumos vielmaiņas procesi ir atšķirīgi. Vienā šūnas daļā notiek pastiprināti cietes sadalīšanās procesi cukuros, kā rezultātā palielinās šūnu sulas koncentrācija. Šūnas pretējā galā dominē sintēzes procesi, kuru dēļ izšķīdušo vielu koncentrācija šajā šūnas daļā samazinās. Jāņem vērā, ka visi šie mehānismi darbosies tikai tad, ja vidē būs pietiekams ūdens daudzums un nebūs traucēta vielmaiņa.
Saskaņā ar citu hipotēzi augu raudāšanas atkarība no elpošanas intensitātes ir netieša. Elpošanas enerģiju izmanto, lai apgādātu ar joniem garozas šūnām, no kurienes tie tiek desorbēti ksilēma traukos. Rezultātā palielinās sāļu koncentrācija ksilēma traukos, kas izraisa ūdens plūsmu.
Ūdens kustība caur augu
Ūdens, ko absorbē sakņu šūnas, ūdens potenciālu atšķirību ietekmē, kas rodas transpirācijas dēļ, kā arī sakņu spiediena spēka ietekmē, pārvietojas uz ksilēma ceļiem. Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām ūdens sakņu sistēmā pārvietojas ne tikai caur dzīvām šūnām. Vācu fiziologs Munks 1932. gadā attīstīja ideju par divu relatīvi neatkarīgu tilpumu, caur kuriem pārvietojas ūdens, esamību sakņu sistēmā - apoplastu un simpplastu. Apoplast -Šī ir saknes brīvā telpa, kas ietver starpšūnu telpas, šūnu membrānas un ksilēmas traukus. Simplast -Šī ir visu šūnu protoplastu kolekcija, ko ierobežo daļēji caurlaidīga membrāna. Pateicoties daudzajām plazmodesmām, kas savieno atsevišķu šūnu protoplastus, simplasts pārstāv vienu sistēmu. Apoplasts acīmredzot nav nepārtraukts, bet ir sadalīts divos apjomos. Pirmā apoplasta daļa atrodas saknes garozā pirms endodermālajām šūnām, otrā atrodas endodermālo šūnu otrā pusē un ietver ksilēmas traukus. Endodermas šūnas, pateicoties Kasparijas jostām, ir šķērslis ūdens kustībai pa brīvo telpu (starpšūnu telpām un šūnu membrānām). Lai iekļūtu ksilēma traukos, ūdenim ir jāiziet cauri daļēji caurlaidīgai membrānai un galvenokārt caur apoplastu un tikai daļēji caur simpplastu. Tomēr endodermālajās šūnās ūdens kustība acīmredzot notiek gar simpplastu. Tālāk ūdens nonāk ksilēma traukos. Tad ūdens kustība notiek caur saknes, stumbra un lapas asinsvadu sistēmu.
No stublāja traukiem ūdens caur kātiņu vai lapas apvalku nonāk lapā. Lapas plāksnē dzīslās atrodas ūdeni vadoši trauki. Vēnas pakāpeniski sazarojas un kļūst mazākas. Jo blīvāks dzīslu tīkls, jo mazāka pretestība ūdens sastopas, pārejot uz lapas mezofila šūnām. Dažkārt ir tik daudz mazu lapu dzīslu zaru, ka tie apgādā gandrīz katru šūnu ar ūdeni. Viss šūnā esošais ūdens ir līdzsvara stāvoklī. Citiem vārdiem sakot, piesātinājuma ar ūdeni izpratnē starp vakuolu, citoplazmu un šūnu membrānu ir līdzsvars, to ūdens potenciāls ir vienāds. Ūdens pārvietojas no šūnas uz šūnu sūkšanas spēka gradienta dēļ.
Viss iekārtā esošais ūdens ir vienota savstarpēji savienota sistēma. Tā kā starp ūdens molekulām ir saķeres spēki(kohēzija), ūdens paceļas augstumā, kas ievērojami pārsniedz 10 m. Saķeres spēks palielinās, jo ūdens molekulām ir lielāka afinitāte vienai pret otru. Kohēzijas spēki pastāv arī starp ūdeni un kuģu sienām.
Ūdens pavedienu spriedzes pakāpe traukos ir atkarīga no ūdens absorbcijas un iztvaikošanas procesu attiecības. Tas viss ļauj augu organismam uzturēt vienotu ūdens sistēmu un ne vienmēr papildināt katru iztvaicētā ūdens pilienu.
Gadījumā, ja gaiss iekļūst atsevišķos kuģu segmentos, tie acīmredzot tiek izslēgti no vispārējās ūdens vadīšanas strāvas. Tas ir ūdens kustības ceļš caur augu (1. att.).
Rīsi. 1. Ūdens ceļš augā.
Ātrums, ar kādu ūdens pārvietojas pa augu, mainās visu dienu. Dienas laikā tas ir daudz lielāks. Tajā pašā laikā dažādu veidu augi atšķiras ar ūdens kustības ātrumu. Temperatūras izmaiņas un vielmaiņas inhibitoru ieviešana neietekmē ūdens kustību. Tajā pašā laikā šis process, kā varētu gaidīt, ļoti lielā mērā ir atkarīgs no transpirācijas ātruma un ūdeni vadošo trauku diametra. Plašākos traukos ūdens saskaras ar mazāku pretestību. Taču jārēķinās, ka plašākos traukos var nokļūt gaisa burbuļi vai rasties kādi citi ūdens plūsmas traucējumi.
Video: ūdens un organisko vielu kustība gar kātu.
Ziedošo augu ksilēma sastāv no divu veidu struktūrām, kas transportē ūdeni, traheīdus un traukus. In Sect. 8.2.1 jau runājām par to, kā atbilstošās šūnas izskatās gaismas mikroskopā, kā arī mikrogrāfijās, kas iegūtas, izmantojot skenējošu elektronu mikroskopu (8.11. att.). Sadaļā aplūkosim sekundārās ksilēmas (koksnes) struktūru. 21.6.6.
Ksilēms kopā ar floēmu veido augstāko augu vadošos audus. Šis audums sastāv no t.s vadošie saišķi, kas sastāv no īpašām cauruļveida konstrukcijām. Attēlā 14.15. attēlā parādīts, kā vaskulārie kūlīši ir izvietoti un kā tie atrodas divdīgļlapu un viendīgļlapju augu primārajā stumbrā.
14.19. Apkopojiet tabulas veidā primārā stumbra struktūras atšķirības divdīgļlapju un viendīgļlapju augiem.
14.20. Kāda ir šādu audu komponentu trīsdimensiju forma: a) epiderma; b) ksilēma; c) divdīgļlapu pericikls un d) serbenis?
To, ka ūdens var virzīties uz augšu pa ksilēmu, var ļoti viegli pierādīt, iegremdējot nogrieztā kāta apakšējo galu atšķaidītā krāsvielas, piemēram, eozīna, šķīdumā. Krāsviela paceļas cauri ksilēmai un izplatās pa lapu vēnu tīklu. Ja tiek ņemtas plānas sekcijas un tās apskatītas gaismas mikroskopā, krāsviela tiks atrasta ksilemā.
To, ka ksilēms vada ūdeni, vislabāk parāda eksperimenti ar “zvanīšanu”. Šādi eksperimenti tika veikti ilgi pirms radioaktīvo izotopu izmantošanas, tādējādi ļoti viegli izsekot vielas ceļam dzīvā organismā. Vienā eksperimenta versijā tiek izgriezts mizas gredzens ar floēmu. Ja eksperiments nav ļoti garš, šāda “zvanīšana” neietekmē ūdens celšanos gar kātu. Taču, ja nolobīsit kādu mizas gabalu un izgriežat ksilēmu, nesabojājot mizas gabalu, augs ātri novīst.
Jebkura teorija, kas izskaidro ūdens kustību caur ksilēmu, nevar neņemt vērā šādus novērojumus:
1. Ksilēmas trauki ir nedzīvas caurules ar šauru lūmenu, kuru diametrs svārstās no 0,01 mm “vasaras” koksnē līdz aptuveni 0,2 mm “pavasara” koksnē.
2. Lieli ūdens daudzumi tiek transportēti salīdzinoši ātri: augstos kokos ir fiksēti ūdens kāpuma ātrumi līdz 8 m/h, savukārt citos augos tas bieži ir ap 1 m/h.
3. Lai pa šādām caurulēm paceltu ūdeni augsta koka galotnē, nepieciešams aptuveni 4000 kPa spiediens. Augstākie koki - Kalifornijas milzu sekvojas (skujkoki, kuriem nav trauku un ir tikai traheīdas) un Austrālijas eikalipti - ir virs 100 m. Ūdens paceļas pa tievām kapilārām caurulēm augstā virsmas spraiguma dēļ kapilāro spēku iedarbībā; tomēr, pateicoties šiem spēkiem vien, pat caur plānākajiem ksilema traukiem ūdens nepacelsies augstāk par 3 m.
Visi šie novērojumi ir apmierinoši izskaidroti ar teoriju sajūgs(kohēzija) vai teorija spriedze. Saskaņā ar šo teoriju ūdens pacelšanās no saknēm ir saistīta ar ūdens iztvaikošanu no lapu šūnām. Kā jau teicām sadaļā. 14.3, iztvaikošana izraisa ūdens potenciāla samazināšanos šūnās, kas atrodas blakus ksilēmai. Tāpēc ūdens šajās šūnās nonāk no ksilēma sulas, kam ir lielāks ūdens potenciāls; to darot, tas iziet cauri ksilēma trauku mitrajām celulozes šūnu sieniņām vēnu galos, kā parādīts attēlā. 14.7.
Ksilēmas trauki ir piepildīti ar ūdeni, un, ūdenim izejot no traukiem, ūdens kolonnā rodas spriedze. Tas tiek pārnests lejup pa stublāju no lapas līdz saknei, pateicoties sajūgsūdens molekulu (kohēzija). Šīm molekulām ir tendence "pielipt" vienai pie otras, jo tās ir polāras un pievelk viena otru ar elektriskiem spēkiem, un pēc tam tās satur kopā ūdeņraža saites (5.1.2. sadaļa). Turklāt spēku ietekmē tie mēdz pielipt pie asinsvadu sieniņām saķere. Ūdens molekulu augstā kohēzija nozīmē, ka ir nepieciešams salīdzinoši liels stiepes spēks, lai salauztu ūdens stabu; citiem vārdiem sakot, ūdens stabam ir augsta stiepes izturība. Spriedze ksilēma traukos sasniedz tādu spēku, ka tas var vilkt visu ūdens stabu uz augšu, radot masas plūsmu; šajā gadījumā ūdens nokļūst šādas kolonnas pamatnē saknēs no blakus esošajām sakņu šūnām. Ir nepieciešams, lai arī ksilēma trauku sienām būtu augsta izturība un tās netiktu nospiestas uz iekšu.
Šo spēku nodrošina lignīns un celuloze. Pierādījumi, ka ksilēmas trauku saturs ir pakļauts liela stiepes spēka ietekmei, tika iegūti, mērot ikdienas izmaiņas stumbra diametrā kokos, izmantojot instrumentu, ko sauc par dendrometru. Minimālās vērtības tika reģistrētas dienas laikā, kad transpirācijas ātrums ir maksimālais. Atsevišķu ksilema trauku niecīgā saspiešana summējās un deva pilnīgi izmērāmu visa stumbra diametra samazināšanos.
Ksilēmas sulas kolonnas stiepes izturības aplēses svārstās no aptuveni 3000 līdz 30 000 kPa, un pēdējā laikā iegūtas zemākas vērtības. Lapu ūdens potenciāls ir aptuveni -4000 kPa, un ksilēma sulas kolonnas stiprums, iespējams, ir pietiekams, lai izturētu radīto spriedzi. Protams, iespējams, ka ūdens stabs dažkārt var plīst, īpaši liela diametra traukos.
Šīs teorijas kritiķi norāda, ka jebkura sulas kolonnas nepārtrauktības pārtraukuma gadījumā nekavējoties jāpārtrauc visa plūsma, jo traukam jābūt piepildītam ar gaisu un ūdens tvaikiem (parādība kavitācija). Kavitāciju var izraisīt spēcīga kratīšana, stumbra saliekšana vai ūdens trūkums. Ir labi zināms, ka vasaras laikā ūdens saturs koka stumbrā pakāpeniski samazinās un koksne piepildās ar gaisu. To izmanto kokrūpniecībā, jo koksnei ir labāka peldspēja. Tomēr ūdens staba plīsums dažos traukos īpaši neietekmē ūdens pārneses ātrumu. Tas izskaidrojams ar to, ka ūdens pāriet no viena trauka uz otru vai apiet gaisa aizbāzni, pārvietojoties pa blakus esošajām parenhīmas šūnām un to sieniņām. Turklāt saskaņā ar aprēķiniem, lai saglabātu novēroto plūsmas ātrumu, pietiek ar to, ka vismaz neliela daļa trauku darbojas jebkurā laikā. Dažos kokos un krūmos ūdens pārvietojas tikai pa jaunāko koksnes ārējo slāni, ko sauc aplievas. Piemēram, ozolā un osā ūdens pārvietojas galvenokārt pa kārtējā gada traukiem, bet pārējā aplievu daļa kalpo kā ūdens rezerve. Veģetācijas periodā visu laiku tiek pievienoti arvien jauni kuģi, taču lielākā daļa no tiem veidojas sezonas sākumā, kad plūsmas ātrums ir daudz lielāks.
Otrais spēks, kas ir iesaistīts ūdens kustībā caur ksilēmu, ir sakņu spiediens. To var noteikt un izmērīt brīdī, kad tiek nogriezts vainags, un stumbrs ar saknēm turpina izdalīt sulu no ksilēmas traukiem. Šo eksudācijas procesu nomāc cianīds un citi elpošanas inhibitori, un tas apstājas, ja trūkst skābekļa vai pazeminās temperatūra. Lai šis mehānisms darbotos, šķiet, ka ir nepieciešama aktīva sāļu un citu ūdenī šķīstošu vielu sekrēcija ksilēma sulā, kas samazina ūdens potenciālu. Pēc tam ūdens ar osmozi iekļūst ksilemā no blakus esošajām sakņu šūnām.
Ar pozitīvo hidrostatisko spiedienu aptuveni 100-200 kPa (izņēmuma gadījumos līdz 800 kPa), ko rada sakņu spiediens, parasti nepietiek, lai nodrošinātu ūdens kustību augšup pa ksilēmu, taču tā ieguldījums daudzos augos ir neapšaubāms. Lēnām izplūstošās zālaugu formās šis spiediens tomēr ir pietiekams, lai izraisītu gutāciju. Gutācija- tā ir ūdens noņemšana šķidruma pilienu veidā uz auga virsmas (turpretī transpirācijas laikā ūdens izplūst tvaiku veidā). Visi apstākļi, kas samazina transpirāciju, t.i., vājš apgaismojums, augsts mitrums utt., veicina gutāciju. Tas ir diezgan izplatīts daudzos tropu lietus mežu augos un bieži tiek novērots jauno stādu lapu galos.
14.21. Uzskaitiet ksilēma īpašības, kuru dēļ tas nodrošina ūdens un tajā izšķīdušo vielu transportēšanu lielos attālumos.
Ziedošu augu ksilēma satur divu veidu ūdeni vadošas struktūras - traheīdas un traukus. Rakstā jau runājām par to, kā šīs struktūras izskatās gaismas mikroskopā, kā arī mikrogrāfijās, kas iegūtas, izmantojot skenējošo elektronu mikroskopu. Sekundārās ksilēmas (koksnes) struktūra ir apskatīta rakstā. Ksilēms un floēms veido vadošos audus augstākos jeb asinsvadu augos. Šie audi sastāv no tā sauktajiem asinsvadu kūlīšiem, kuru uzbūve un izplatība divdīgļlapu augu kātos ar primāro struktūru parādīta attēlā.
Kas ūdens paceļas cauri ksilēmai, var viegli parādīt, iegremdējot dzinuma nogriezto galu atšķaidītā krāsvielas, piemēram, eozīna, ūdens šķīdumā. Krāsains šķidrums, izkliedējot stublāju uz augšu, aizpilda vēnu tīklu, kas iet cauri lapām. Ja pēc tam paņemat plānas sekcijas un pārbaudīsit tās gaismas mikroskopā, jūs atklāsiet, ka krāsviela atrodas ksilemā.
Efektīvāks pierādījums ūdens paceļas cauri ksilēmai veiciet eksperimentus ar "zvanīšanu". Šādi eksperimenti tika veikti ilgi pirms radioaktīvo izotopu lietošanas sākšanas, tādējādi ļoti viegli izsekot vielu ceļam dzīvā organismā. Vienā eksperimenta variantā no koksnes stublāja kopā ar floēmu, t.i., floēmu, tiek noņemts šaurs mizas gredzens. Diezgan ilgu laiku pēc tam dzinumi, kas atrodas virs nogrieztā gredzena, turpina augt normāli: tāpēc šāda gredzenošana neietekmē ūdens celšanos gar stublāju. Taču, ja paceļat kādu mizas gabalu un no tā apakšas izgriežat koksnes segmentu, t.i., ksilēmu, augs ātri novīst. Tādējādi ūdens virzās dzinumos no augsnes tieši pa šiem vadošajiem audiem.
Jebkura teorija, kas izskaidro ūdens transportēšana caur ksilēmu, nevar ignorēt šādus novērojumus.
1. Ksilēmas anatomiskie elementi- plānas nedzīvas caurules, kuru diametrs svārstās no 0,01 mm “vasaras” koksnē līdz 0,2 mm “pavasara” kokam.
2. Lielos daudzumos ūdens pārvietojas pa ksilēmu salīdzinoši lielā ātrumā: augstiem kokiem tas ir līdz 8 m/h, bet citiem augiem tas ir aptuveni 1 m/h.
3. Izcelt ūdeni caur šādām caurulēm uz augsta koka galotni nepieciešams aptuveni 4000 kPa spiediens. Garākie koki - sekvoji Kalifornijā un eikalipts Austrālijā - sasniedz vairāk nekā 100 m augstumu.. Ūdens spēj pacelties pa tievām mitrināmām caurulēm, pateicoties tā augstajam virsmas spraigumam (šo parādību sauc par kapilāru), bet tikai pateicoties šiem spēkiem. pat caur plānākajiem ksilema traukiem ūdens nepaceļas augstāk par 3 m.
Apmierinošs izskaidrojums tam Saiknes teorija sniedz faktus(kohēzija) vai spriedzes teorija. Saskaņā ar šo teoriju ūdens pacelšanās no saknēm ir saistīta ar tā iztvaikošanu ar lapu šūnām. Kā jau teicām rakstā, iztvaikošana samazina ksilēmai blakus esošo mezofila šūnu ūdens potenciālu, un ūdens šajās šūnās nonāk no ksilēma sulas, kuru ūdens potenciāls ir lielāks; to darot, tas iziet cauri mitrām šūnu sieniņām vēnu galos, kā parādīts attēlā.
Ksilēmas trauki piepilda nepārtrauktu ūdens kolonnu; ūdenim izejot no traukiem, šajā kolonnā rodas spriedze; ūdens molekulu adhēzijas (kohēzijas) dēļ tas tiek pārnests lejup pa stublāju uz sakni. Šīm molekulām ir tendence "pielipt" viena pie otras, jo tās ir polāras un tiek piesaistītas viena otrai ar elektriskiem spēkiem un pēc tam tiek turētas kopā ar ūdeņraža saitēm. Turklāt tie tiek piesaistīti ksilēma trauku sieniņām, t.i., tie pielīp pie tām. Spēcīgā ūdens molekulu kohēzija nozīmē, ka tās kolonnu ir grūti salauzt – tai ir augsta stiepes izturība. Stiepes spriegums ksilēma šūnās rada spēku, kas spēj pārvietot visu ūdens stabu uz augšu caur tilpuma plūsmas mehānismu. No apakšas ūdens iekļūst ksilēmā no blakus esošajām sakņu šūnām. Ir ļoti svarīgi, lai ksilēma elementu sienas būtu stingras un nesabruktu, kad spiediens iekšpusē pazeminās, kā tas notiek, sūcot kokteili caur mīkstu salmiņu. Sienu stingrību nodrošina lignīns. Pierādījumus tam, ka šķidrums ksilēma traukos ir ļoti noslogots (izstiepts), nodrošina koku stumbru diametra ikdienas svārstības, ko mēra ar instrumentu, ko sauc par dendrogrāfu.
Minimālais diametrs tiek atzīmēts dienā, kad transpirācijas ātrums ir vislielākais. Post spriedze ūdens ksilēma traukā nedaudz ievelk tās sienas iekšā (saķeres dēļ), un šo mikroskopisko saspiešanu kombinācija nodrošina kopējo stobra “saraušanos”, ko fiksē ierīce.
Spēka aprēķini par ksilēmas sulas kolonnas plīsums svārstījās no 3000 līdz 3000 kPa, un zemākas vērtības tika iegūtas vēlāk. Lapu ūdens potenciāls ir aptuveni -4000 kPa, un ksilēma sulas kolonnas stiprums, iespējams, ir pietiekams, lai izturētu radīto spriedzi. Protams, iespējams, ka ūdens stabs dažkārt var plīst, īpaši liela diametra traukos.
Izteiktās teorijas kritiķi uzsvērt, ka jebkuram sulas kolonnas nepārtrauktības pārkāpumam nekavējoties jāpārtrauc visa plūsma, jo trauks tiks piepildīts ar gaisu un tvaiku (kavitācijas parādība). Kavitāciju var izraisīt spēcīga kratīšana, stumbra saliekšana un ūdens trūkums. Ir labi zināms, ka vasaras laikā ūdens saturs koka stumbrā pakāpeniski samazinās un koksne piepildās ar gaisu. Mežizstrādātāji to izmanto, jo šādus kokus ir vieglāk peldēt. Tomēr ūdens staba plīsums dažos traukos maz ietekmē kopējo tilpuma plūsmas ātrumu. Varbūt fakts ir tāds, ka ūdens ieplūst paralēlos traukos vai apiet gaisa aizbāzni, pārvietojoties pa blakus esošajām parenhīmas šūnām un gar sienām. Turklāt saskaņā ar aprēķiniem, lai saglabātu novēroto plūsmas ātrumu, pietiek ar to, ka vismaz neliela daļa ksilēmu elementu darbojas jebkurā laikā. Dažos kokos un krūmos ūdens pārvietojas tikai caur jaunāko ārējo koksni, ko sauc par aplievu. Piemēram, ozolā un osā vadošo funkciju galvenokārt veic kārtējā gada trauki, bet pārējā aplievu daļa spēlē ūdens rezerves lomu. Jauni ksilēmas trauki veidojas visā augšanas sezonā, bet galvenokārt sākumā, kad ūdens plūsmas ātrums ir maksimāls.
Otrais spēks nodrošinot ūdens kustību caur ksilēmu, - saknes spiediens. To var noteikt un izmērīt brīdī, kad tiek nogriezts vainags, un stumbrs ar saknēm kādu laiku turpina izdalīt sulu no ksilēmas traukiem. Šo procesu nomāc elpošanas inhibitori, piemēram, cianīds, un tas apstājas, kad trūkst skābekļa un pazeminās temperatūra. Acīmredzot šī mehānisma darbība ir saistīta ar sāļu un citu ūdenī šķīstošu vielu aktīvo sekrēciju ksilēma sulā. Rezultātā tā ūdens potenciāls samazinās un ūdens no blakus esošajām sakņu šūnām iekļūst ksilēmā ar osmozi.
Šis mehānisms rada hidrostatisko spiedienu 100-200 kPa (izņēmuma gadījumos 800 kPa); viens viņam ūdens paceļas cauri ksilēmai parasti nepietiek, bet daudzos augos tas neapšaubāmi veicina ksilēma plūsmas uzturēšanu. Lēnām izplūstošajās zālaugu formās šis spiediens ir pilnīgi pietiekams, lai tajās izraisītu mutāciju. Ar šādu nosaukumu ūdens izdalās uz auga1 virsmas šķidruma pilienu, nevis tvaiku veidā. Visi apstākļi, kas kavē transpirāciju, piemēram, vājš apgaismojums un augsts mitrums, veicina gutāciju. Tas ir izplatīts daudzās tropu lietus mežu sugās un bieži tiek novērots zāles stādu lapu galos.
Kalifornijā sastopamie sarkanie koki ir vieni no augstākajiem kokiem pasaulē. Viņi sasniedz 110 metru augstumu. Daži koki ir 2000-3000 gadus veci! Grūti nodot neizdzēšamo iespaidu, ko atstāj pastaiga starp šiem milžiem. Šeit spēcīgi tiek atklāta radīšanas patiesība. Koka šūnas ir sakārtotas, lai veidotu saknes, stumbru, mizu, ūdens kolonnas, zarus un lapas. Koks atgādina milzu ķīmisko rūpnīcu. Šeit nevainojamā kārtībā notiek ārkārtīgi sarežģīti ķīmiskie procesi.
Apbrīnojami ir tas, ka šis milzīgais koks aug no mazas sēklas, kas sver 58 gramus. Iedomājieties: visa informācija par šo milžu attīstību un organizāciju ir iestrādāta viņu DNS, sīkā, apaļā sēklā. Sēkla izpilda visus tās DNS atrodamos "norādījumus" un pārvēršas par gigantisku struktūru, kas nav salīdzināma pēc izskata un izmēra. Apbrīnojami, vai ne?
Milzu sekvoja "Ģenerālis Šermans". Tā augstums ir 83,8 m, stumbra perimetrs pie pamatnes ir 34,9 m Kokam ir 2500 gadu. Šis koks tiek uzskatīts par lielāko dzīvo organismu uz Zemes. Tā svars kopā ar sakņu sistēmu ir 2500 tonnas.Koka tilpums ir 17 000 kubikmetru, kas ir 10 reizes vairāk nekā zilā vaļa tilpums.
Svētie Raksti saka: “Dievs ir paaugstināts savā spēkā, un kurš ir tāds skolotājs kā Viņš? Atcerieties cildināt Viņa darbus, ko cilvēki redz. Visi cilvēki tos var redzēt; cilvēks tos var redzēt no tālienes". (Ījaba 36:22—25.) Patiešām, visi cilvēki var redzēt Viņa darbus.
Ūdens pacelšana līdz 30 stāvu ēkas augstumam
Caur tavām lapām sekvoja dienā izdala līdz 600 litriem ūdens, tāpēc pastāvīgi paceļ ūdeni no saknēm uz zariem, pārvarot gravitācijas spēku. Kā to dara koks, kuram nav mehānisku sūkņu? 100 metri ir patiesi iespaidīgs augstums, kas salīdzināms ar divām 14 stāvu ēkām. Izrādās, ka bagāžnieka iekšpusē sarkankoki ir īpaša šauru savstarpēji savienotu cauruļu sistēma, ko sauc par ksilēmu. Šie sarežģītie iekšējie koka audi kalpo ūdens novadīšanai no saknēm uz lapām. Ksilēmas caurules veido šūnas, kas atrodas viena virs otras. Kopā tie veido neticami garu kolonnu, kas stiepjas no saknēm cauri stumbram līdz lapām. Lai "sūknētu" ūdeni, sekvojašajā caurulē jāveido nepārtraukta ūdens kolonna.
Koks uztur ūdeni visu mūžu. Atcerieties, kā stiprs vējš noliec koku un zarus. Tomēr, ņemot vērā to, ka vadošā caurule sastāv no miljoniem mazu sekciju, kas savienotas kopā, ūdens plūsma tiek pastāvīgi ierobežota. Viena cieta caurule šo uzdevumu neizpildītu. Tā kā ūdens parasti neplūst uz augšu, kā kokam izdodas to sūknēt tik augstu? Saknes “velk” ūdeni uz augšu, un kapilaritātes darbība (ūdens spēja nedaudz pacelties gar caurules sieniņām) palielina spiedienu. Tomēr šis spēks nodrošina, ka sekvoja paceļ ūdeni tikai 2-3 metrus. Pamatā esošais dzinējspēks ir iztvaikošana un pievilkšanās starp ūdens molekulām. Molekulās ir pozitīvi un negatīvi lādētas daļiņas, kuru dēļ tās saķeras viena ar otru ar milzīgu spēku, kas pēc eksperimentālajiem mērījumiem ir 25-30 atmosfēras (1 atmosfēra ir vienāda ar normālu atmosfēras spiedienu jūras līmenī).
Sadales sistēma parādīta šķērsgriezumā. Pārvades caurules sastāv no šūnām un ir paredzētas vielu: ūdens un minerālvielu transportēšanai uz lapām pa dažādiem kanāliem. Viena svarīga šīs sistēmas iezīme augos ir pastāvīga ksilēma un floēma cauruļu atjaunošana.
Tas ir pietiekami, lai izspiestu cauri Otrā pasaules kara zemūdenei, kas peld 350 metru dziļumā zem ūdens. Sekvoja tas viegli uztur 14 atmosfēru spiedienu ūdens staba augšpusē. Ūdens, kas iztvaiko no lapām, rada sūkšanas spēku. No lapas iztvaiko ūdens molekula un, pateicoties molekulārās pievilkšanās spēkam, velk sev apkārt citas molekulas. Tas rada nelielu sūkšanu ūdens kolonnā un sūc ūdeni no blakus esošajām lapu šūnām. Šīs molekulas savukārt piesaista sev apkārt esošās molekulas. Kustības ķēde turpinās līdz zemei un pārvieto ūdeni no saknēm uz koka galotni, tāpat kā sūknis paceļ ūdeni no stāvcaurules uz virsmu.
Mēs to saprotam koks Tā pati nebūtu varējusi izdomāt tik sarežģītu sistēmu, iemācījusies tik gudri izmantot ūdens fiziku un Saules enerģiju. Mēs dodam visu Godu Dievam, debesu un zemes Radītājam. Milzu koki liecina par 1. Mozus grāmatas vēsturiskumu, kas mums atklāj to patieso izcelsmi: “Un Dievs sacīja: lai zeme rada zaļu zāli, zāli, kas dod sēklu, auglīgus kokus, kas nes augļus atbilstoši savai šķirnei, kurā ir tās sēkla uz zemes. Un tā kļuva". (1. Moz. 1:11-12)
Izlasi arī
Super kadrs no Kanādas zāliena!Pirms 2 gadiem — lasiet 16 minūtes Dzīvās fosilijas apstiprina radīšanuPirms gada - Lasiet 27 minūtes Kā lapas izvairās no kušanas fotosintēzes laikā?Pirms pusgada - Lasiet 5 minūtes Jūras zirgs Pirms gada - Lasiet 15 minūtes Dzīvās fosilijas: krinoīdi nav mainījušies "150 miljonu gadu" laikāPirms gada - Lasiet 3 minūtes
Augstāks augs ir sadalīts orgānos, kas veic dažādas funkcijas, bet kuriem ir daudz kopīgu īpašību, tostarp nepieciešamība pēc barības vielām, vielām un ūdens fizioloģisku procesu norisei. Tā kā ūdeni neuzsūc visi orgāni, bet galvenokārt sakņu sistēma, ir nepieciešama tā kustība visā augā. Šis process veido tā saukto augšupejošo strāvu. Jāpiebilst, ka šis nosaukums atspoguļo nevis virzienu, bet gan kustības raksturu un tās lokalizāciju augā. Tas galvenokārt iziet cauri stumbra vai kātiņa atmirušajiem audiem - traukiem vai trahejai segsēkļos un traheidām ģimnosēkļos. Tomēr šī lokalizācija nav absolūta: ūdens var pārvietoties arī caur citiem anatomiskiem elementiem, piemēram, caur floēmu sistēmu.
Ūdens ar tajā izšķīdinātām minerālvielām un vielām paceļas pa koka traukiem.
Ja ņemam vērā visu augšupejošās strāvas ceļa garumu, tad to var iedalīt divās nevienāda garuma daļās.
1. Mirušie histoloģiskie elementi asinsvadu vai traheīdu vadošā ceļa vidū. Šīs sadaļas garums ir ievērojams, taču ūdens caur to iziet salīdzinoši viegli, jo tas pasīvi pārvietojas pa mirušajiem elementiem, neizjūtot ievērojamu pretestību no tiem.
2. Saknes un lapas dzīvās šūnas, kas atrodas kustības ceļa sākumā un beigās. Šis ceļš ir telpiski īss, taču to var pārvarēt ar lielām grūtībām, jo šūnu membrānas kavē ūdens kustību.
Ūdens kustība augšupejošā straumē ir svarīga auga dzīvē. Šī strāva apgādā visus orgānus un audus ar ūdeni, nogādājot tos turgora stāvoklī. Ūdens plūsma uz augšu uztver minerālu jonus, ko absorbē sakne, transportē tos un tādējādi atvieglo izplatīšanos (bet ne uzsūkšanos!) visā augā.
Lai ūdens pārvietotos pa augu (un ne tikai kustētos, bet celtos augšup), ir nepieciešams noteikts enerģijas daudzums, kura pielietošanas punkti atrodas straumes galos, kā rezultātā tie tiek saukti. gala motori.
Apakšējā gala motors vai saknes spiediens. Tās loma galvenokārt izpaužas aktīvās uzsūkšanās – ūdens injicēšanas laikā. Piedaloties saraušanās proteīniem, tas ne tikai piegādā ūdeni sakņu sistēmai, bet arī virza to tālāk saknes traukos un augšup pa stublāju. Ūdens iesmidzināšana
Aktīvs no enerģijas atkarīgs process, kas visspilgtāk izpaužas sakņu garozā. Gala motora radītais spēks ir mazs (apmēram 0,15 MPa), tas var nodrošināt ūdens pacelšanu ne vairāk kā viena metra augstumā, t.i., pietiekoši zālaugu augiem un maziem krūmiem.
Symplast ir savstarpēji savienotu augu protoplastu sistēma. Blakus esošo šūnu protoplastus savā starpā savieno plazmodesmāti - citoplazmas pavedieni, kas iet caur porām šūnu sieniņās. Ūdens ar jebkādām tajā izšķīdušām vielām, iekļuvis vienas šūnas protoplastā, var pārvietoties tālāk pa simpplastu, nešķērsojot nevienu membrānu. Šo kustību dažkārt veicina sakārtotā citoplazmas plūsma.
Apoplasts ir blakus esošo šūnu sienu sistēma, kas veido nepārtrauktu tīklu visā augā. Līdz 50% no šāda celulozes rāmja ir sava veida “brīva telpa”, ko var aizņemt ūdens. Kad tas no mezofila šūnu virsmas iztvaiko starpšūnu telpās, nepārtrauktajā apoplastiskajā ūdens slānī rodas spriegums, un tas viss saskaņā ar tilpuma plūsmas mehānismu kohēzijas dēļ tiek ievilkts samazināšanās vietā. ūdens molekulu (“adhēzija”). Apoplasts saņem ūdeni no ksilēmas.
Augšējais motors vai transpirācijas sūkšanas spēks. Ar pastāvīgu ūdens iztvaikošanu augu lapās sūkšanas spēks (1–1,5 MPa) tiek pārtraukts, izsūcot ūdeni no tuvākajām šūnām un tiek pārnestas uz nākamajām šūnām, caur kurām ūdens pārvietojas, līdz traukiem. Tvertnēs nav citoplazmas, tāpēc nav osmotiskā spiediena, un šķidruma uzsūkšanās notiek, piedaloties visam sūkšanas spēka lielumam. Tas ļauj pacelt ūdeni vairākus metrus, darbojoties kā hidrauliskais sūknis. Šis spēks ir pietiekams, lai nodrošinātu ūdeni krūmiem un salīdzinoši maziem kokiem.
Augošs ūdens pa koka stumbru
Gala motori var pacelt ūdeni līdz 10 m augstumam.Bet daudziem koksnes augiem ir daudz garāks stumbrs, un tad abi gala motori nevar nodrošināt ūdens pacelšanu. Šādos augos palīgā nāk saķeres spēki starp ūdens molekulām, kas ir ļoti lieli un var sasniegt 30 - 35 MPa. Ar šo spēku pietiek, lai paceltu ūdeni par 1 - 2 km, kas ir ievērojami augstāks par jebkura koka augstumu.
Ūdens molekulu adhezīvie spēki darbojas tikai noteiktos apstākļos: ūdens plūsmām traukos jāplūst nepārtraukti, bez gaisa burbuļiem. Ja tajās nokļūst gaiss, kas ir iespējams, ja tie tiek ievainoti vai sagriezti, ūdens kustība tiek pārtraukta. Tas izskaidro kokaugu ar lapām un ziediem (piemēram, ceriņu) dzinumu nokalšanu, kad tos neliek ūdenī uzreiz pēc nogriešanas, bet pēc kāda laika.
