Основні двигуни водного струму
Поглинання води кореневою системою відбувається завдяки роботі двох кінцевих двигунів водного струму: верхньогокінцевого двигуна, або присмоктує випаровування (транспірації), і нижнього кінцевого двигуна, або кореневого двигуна. Основною силою, що викликає надходження та пересування води в рослині, є сила транспірації, що присмоктує, в результаті якого виникає градієнт водного потенціалу. Водний потенціал – це міра енергії, що використовується водою для пересування. Водний потенціал і сила, що смокче, однакові за абсолютним значенням, але протилежні за знаком. Чим менша насиченість водою даної системи, тим менший (більш негативний) її водний потенціал. При втраті води рослиною в процесі транспірації створюється ненасиченість клітин листа водою, як наслідок, виникає сила, що смокче (водний потенціал падає). надходження води йде у бік більшої сили, що смокче, або меншого водного потенціалу.
Таким чином, верхній кінцевий двигун водного струму в рослині - це сила, що присмоктує, транспірації листя, і його робота мало пов'язана з життєдіяльністю кореневої системи. Дійсно, досліди показали, що вода може надходити в пагони та через мертву кореневу систему, причому в цьому випадку поглинання води навіть пришвидшується.
Крім верхнього кінцевого двигуна водного струму, у рослинах існує нижній кінцевий двигун. Це добре доводиться на прикладі таких явищ, як гуттація.
Листя рослин, клітини яких насичені водою, в умовах високої вологості повітря, що перешкоджає випаровуванню, виділяють краплинно-рідку воду з невеликою кількістю розчинених речовин – гуттація. Виділення рідини йде через спеціальні водні продихи – гідатори. Рідина, що виділяється - гутта. Таким чином, процес гуттації є результатом одностороннього струму води, що відбувається без транспірації, і, отже, викликається якоюсь іншою причиною.
Такого ж висновку можна дійти і при розгляді явища плачрослин. Якщо зрізати пагони рослини і до зрізаного кінця приєднати скляну трубку, то по ній підніматиметься рідина. Аналіз показує, що це вода із розчиненими речовинами – пасока. У деяких випадках, особливо навесні, плач спостерігається і при надрізі гілок рослин. Визначення показали, що обсяг рідини, що виділяється (пасоки), у багато разів перевищує обсяг кореневої системи. Таким чином, плач – це не просто витікання рідини через поріз. Все сказане призводить до висновку, що плач, як і гуттація, пов'язана з наявністю одностороннього струму води через кореневі системи, що не залежить від транспірації. Силу, що викликає односторонній струм води судинами з розчиненими речовинами, що не залежить від процесу транспірації, називають кореневим тиском. Наявність кореневого тиску дозволяє говорити про нижній кінцевий двигун водяного струму. Кореневий тиск можна виміряти, приєднавши манометр до кінця, що залишився після зрізання надземних органів рослини, або помістивши кореневу систему в серію розчинів різної концентрації і підібравши таку, при якій припиняється плач. Виявилося, що кореневий тиск дорівнює приблизно 0,1 - 0,15 МПа (Д. А. Сабінін). Визначення, проведені радянськими дослідниками Л.В.Можаєвої, В.Н.Жолкевичем, показали, що концентрація зовнішнього розчину, що зупиняє плач, значно вища за концентрацію пасоки. Це дозволило висловити думку, що плач може йти проти концентрації градієнта. Було показано також, що плач здійснюється лише за тих умов, у яких нормально протікають усі процеси життєдіяльності клітин. Не тільки умертвіння клітин кореня, а й зниження інтенсивності їхньої життєдіяльності, насамперед інтенсивність дихання, припиняє плач. За відсутності кисню, під впливом дихальних отрут, при зниженні температури плач припиняється. Усі сказане дозволило Д.А.Сабинину дати таке визначення: плач рослин– це прижиттєвий односторонній струм води та поживних речовин, що залежить від аеробної переробки асимелятів. Д.А.Сабінін запропонував схему, що пояснює механізм одностороннього струму води докорінно. Відповідно до цієї гіпотези, клітини кореня поляризовані у певному напрямку. Це в тому, що у різних відсіках однієї й тієї клітини процеси обміну речовин різні. В одній частині клітини йдуть посилені процеси розпаду, зокрема, крохмалю на цукри, внаслідок чого концентрація клітинного соку зростає. На протилежному кінці клітини переважають процеси синтезу, завдяки чому концентрація розчинених речовин у цій частині клітини зменшується. Треба враховувати, що всі ці механізми працюватимуть лише за достатньої кількості води у середовищі та не порушеному обміні речовин.
Згідно з іншою гіпотезою, залежність плачу рослин від інтенсивності дихання є непрямою. Енергія дихання використовується для надходження іонів у клітини кори, звідки вони десорбуються до судин ксилеми. Через війну концентрація солей в судинах ксилемы підвищується, як і викликає надходження води.
Пересування води рослиною
Вода, поглинена клітинами кореня, під впливом різниці водних потенціалів, що виникають завдяки транспірації, а також силі кореневого тиску, пересувається до провідних шляхів ксилеми. Згідно з сучасними уявленнями, вода в кореневій системі пересувається не тільки живими клітинами. Ще 1932 р. німецький фізіолог Мюнх розвинув уявлення про існування у кореневої системі двох відносно незалежних друг від друга обсягів, якими пересувається вода, - апопласту і симпласту. Апопласт –це вільний простір кореня, в який входять міжклітинні проміжки, клітинні оболонки, а також судини ксилеми. Сімпласт –це сукупність протопластів всіх клітин, відмежованих напівпроникною мембраною. Завдяки численним плазмодесмам, що з'єднують між собою протопласт окремих клітин, симпласт є єдиною системою. Апопласт, мабуть, не безперервний, а розділений на два обсяги. Перша частина апопласту розташована в корі кореня до клітин ендодерми, друга - по інший бік клітин ендодерми, і включає судини ксілеми. Клітини ендодерми завдяки пояскам Каспарі представляють бар'єр для пересування води по вільному простору (міжклітинникам і клітинним оболонкам). Для того щоб потрапити в судини ксилеми, вода повинна пройти через напівпроникну мембрану і головним чином апопласту і лише частково по симпласту. Однак у клітинах ендодерми пересування води йде, мабуть, симпластом. Далі вода надходить у судини ксилеми. Потім пересування води йде судинною системою кореня, стебла і листка.
З судин стебла вода рухається через черешок або листову піхву в лист. У листовій платівці водопровідні судини розташовані в жилках. Жилки, поступово розгалужуючись, стають дрібнішими. Чим частіше мережа жилок, тим менший опір зустрічає вода при пересуванні до клітин мезофілу листа. Іноді дрібних відгалужень жилок листа так багато, що вони підводять воду майже до кожної клітини. Вся вода у клітці перебуває у рівноважному стані. Інакше кажучи, в сенсі насиченості водою є рівновага між вакуоллю, цитоплазмою і клітинною оболонкою, їх водні потенціали рівні. Вода пересувається від клітини до клітини завдяки градієнту сили, що смокче.
Вся вода у рослині представляє єдину взаємозалежну систему. Оскільки між молекулами води є сили зчеплення(когезія), вода піднімається на висоту значно більшу 10 м. сила зчеплення збільшується, так як молекули води мають велику спорідненість один до одного. Сили зчеплення мають і між водою та стінками судин.
Ступінь натягу водних ниток у судинах залежить від співвідношення процесів поглинання та випаровування води. Все це дозволяє рослинному організму підтримувати єдину водну систему і не обов'язково заповнювати кожну краплю води, що випаровується.
У тому випадку, якщо в окремі членики судин потрапляє повітря, вони, мабуть, виключаються із загального струму води. Такий шлях пересування води рослиною (рис. 1).
Мал. 1. Шлях води у рослині.
Швидкість переміщення води рослиною протягом доби змінюється. У денний час вона набагато більше. У цьому різні види рослин різняться за швидкістю пересування води. Зміни температури, введення метаболічних інгібіторів не впливають на пересування води. Водночас цей процес, як і слід було очікувати, дуже залежить від швидкості транспірації та від діаметра водопровідних судин. У ширших судинах вода зустрічає менший опір. Однак треба враховувати, що в ширші судини можуть потрапити бульбашки повітря або відбутися будь-які порушення струму води.
Відео: Рух води та органічних речовин по стеблі.
Ксилема квіткових рослин і двох типів структур, які переносять воду,- трахеїд і судин. У розд. 8.2.1 ми вже говорили про те, як виглядають відповідні клітини у світловому мікроскопі, а також на мікрофотографіях, отриманих за допомогою електронного скануючого мікроскопа (рис. 8.11). Будівлю вторинної ксілеми (деревини) ми розглянемо в розд. 21.6.6.
Ксилема разом з флоемою утворює провідну тканину вищих рослин. Ця тканина складається з так званих провідних пучківякі складаються з особливих трубчастих структур. На рис. 14.15 показано, як влаштовані провідні пучки і як вони розташовуються у первинному стеблі у дводольних та однодольних рослин.
14.19. Резюмуйте у вигляді таблиці відмінності у будові первинного стебла у дводольних та однодольних рослин.
14.20. Якою є тривимірна форма наступних тканинних компонентів: а) епідермісу; б) ксилеми; в) перициклу дводольних та г) серцевини?
Те, що вода може підніматися по ксилемі, дуже легко продемонструвати, зануривши нижній кінець зрізаного стебла в розведений розчин барвника, наприклад, еозину. Барвник піднімається по ксилемі та поширюється по всій мережі листових жилок. Якщо зробити тонкі зрізи та переглянути їх у світловому мікроскопі, барвник буде виявлений у ксилемі.
Те, що ксилема проводить воду, найкраще показують досліди з "кільцюванням". Такі досліди проводили задовго до того, як почали застосовувати радіоактивні ізотопи, що дозволяють дуже легко простежити шлях речовини в живому організмі. В одному з варіантів досвіду вирізають кільце кори з флоемою. Якщо досвід не дуже тривалий, таке "кільцювання" не впливає на підйом води по стеблі. Однак, якщо відшарувати клапоть кори і вирізати ксилему, не пошкоджуючи клаптя кори, рослина швидко зав'яне.
Будь-яка теорія, яка пояснює пересування води по ксилемі, не може не враховувати такі спостереження:
1. Судини ксилеми-мертві трубки з вузьким просвітом, діаметр якого варіює в межах від 0,01 мм у "літній" деревині приблизно до 0,2 мм у "весняній" деревині.
2. Великі кількості води переносяться відносно швидко: у високих дерев зареєстрована швидкість підйому води до 8 м/год, а в інших рослин часто становить близько 1 м/год.
3. Щоб підняти воду такими трубками до вершини високого дерева, необхідно тиск близько 4000 кПа. Найвищі дерева - каліфорнійські гігантські секвої (хвойні, які не мають судин і мають тільки трахеїди) і австралійські евкаліпти - бувають вище 100 м. Вода піднімається тонкими капілярними трубками завдяки високому поверхневому натягу під дією капілярних сил; проте тільки за рахунок цих сил навіть по найтонших судин ксилеми вода не підніметься вище 3 м.
Всі ці спостереження задовільно пояснює теорія зчеплення(когезії), або теорія натягу. Відповідно до цієї теорії, підйом води від коренів обумовлений випаровуванням води з клітин листа. Як ми вже говорили в розд. 14.3 випаровування призводить до зниження водного потенціалу клітин, що примикають до ксилеми. Тому вода входить у ці клітини з ксилемного соку, у якого вищий водний потенціал; при цьому вона проходить через вологі целюлозні клітинні стінки судин ксилеми на кінцях жилок, як показано на рис. 14.7.
Судини ксилеми заповнені водою, і в міру того, як вода виходить із судин, у стовпі води створюється натяг. Воно передається вниз по стеблі на всьому шляху від листа до кореня завдяки зчепленню(когезії) молекул води. Ці молекули прагнуть "прилипнути" одна до одної, тому що вони полярні і притягуються одна до одної електричними силами, а потім утримуються разом за рахунок водневих зв'язків (розд. 5.1.2). Крім того, вони прагнуть прилипнути до стінок судин під дією сил адгезії. Висока когезія молекул води означає, що для того, щоб розірвати стовп води, потрібно порівняно велике зусилля, що розтягує; іншими словами, стовп води має високу міцність на розрив. Натяг у судинах ксілеми досягає такої сили, що може тягнути весь стовп води нагору, створюючи масовий потік; при цьому вода надходить в основу такого стовпа в коренях із сусідніх клітин кореня. Необхідно, щоб стінки судин ксилеми теж мали високу міцність і не вдавлювалися всередину.
Таку міцність забезпечують лігнін та целюлоза. Дані про те, що вміст судин ксилеми знаходиться під впливом великої сили, що розтягує, були отримані при вимірюванні добових змін діаметра стовбура у дерев за допомогою приладу, званого дендрометром. Мінімальні значення реєструвалися в денні години, коли швидкість транспірації максимальна. Крихітне стиснення окремих судин ксилеми підсумовувалося і давало цілком вимірюване зменшення діаметра всього ствола.
Оцінки міцності на розрив для стовпа ксилемного соку варіюють приблизно від 3000 до 30 000 кПа, при цьому більш низькі значення отримані пізніше. У листі зареєстрований водний потенціал близько -4000 кПа, і міцність стовпа ксилемного соку, ймовірно, достатня, щоб витримати натяг, що створюється. Не виключено, звісно, що стовп води може іноді розриватися, особливо у судинах великого діаметра.
Критики цієї теорії вказують на те, що будь-яке порушення безперервності стовпа соку має негайно зупиняти весь потік, оскільки судина має заповнюватися повітрям та парами води (явище кавітації). Кавітацію може спричинити сильний струс, згинання стовбура або нестачу води. Добре відомо, що протягом літа вміст води у стволі дерева поступово зменшується, а деревина заповнюється повітрям. Це використовується в лісовій промисловості, тому що таке дерево має кращу плавучість. Однак розрив водного стовпа в частині судин не дуже впливає на швидкість перенесення води. Це можна пояснити тим, що вода переходить з однієї судини в іншу або обходить повітряну пробку, пересуваючись по сусідніх клітин паренхіми та їх стінок. Крім того, згідно з розрахунками, для підтримки спостережуваної швидкості потоку цілком достатньо, щоб у кожний момент часу функціонувала хоча б невелика частина судин. У деяких дерев і чагарників вода пересувається тільки наймолодшим зовнішнім шаром деревини, який називають заболонню. У дуба та ясена, наприклад, вода рухається головним чином судинами поточного року, а решта заболоні виконує функцію водного резерву. Протягом вегетаційного сезону постійно додаються нові й нові судини, але найбільше їх утворюється на початку сезону, коли швидкість потоку набагато вища.
Друга сила, яка бере участь у пересуванні води по ксилемі, - це кореневий тиск. Його можна виявити та виміряти в той момент, коли відрізають крону, а штамб з корінням продовжує виділяти сік із судин ксилеми. Цей процес ексудації пригнічується ціанідом та іншими інгібіторами дихання та припиняється при нестачі кисню або зниженні температури. Для роботи такого механізму, мабуть, потрібна активна секреція в ксилемний сік солей та інших водорозчинних речовин, що знижують водний потенціал. Потім у ксилему надходить вода за рахунок осмосу із сусідніх клітин кореня.
Одного позитивного гідростатичного тиску близько 100-200 кПа (у виняткових випадках до 800 кПа), створюваного за рахунок кореневого тиску, зазвичай недостатньо, щоб забезпечити пересування води вгору по ксилемі, але його внесок у багатьох рослин безперечний. У трав'янистих форм, що повільно транспірують, цього тиску, однак, цілком вистачає для того, щоб викликати гуттацію. Гуттація- це виведення води у вигляді крапель рідини на поверхні рослини (тоді як при транспірації вода виходить у вигляді пари). Всі умови, що зменшують транспірацію, тобто слабка освітленість, висока вологість тощо, сприяють гуттації. Вона звичайна у багатьох рослин вологих тропічних лісів і часто спостерігається на кінчиках листя молодих проростків.
14.21. Перерахуйте ті властивості ксилеми, завдяки яким вона забезпечує транспорт води та розчинених у ній речовин на великі відстані.
Ксилема квіткових рослинмістить два типи провідних воду структур - трахеїди та судини. У статті ми вже говорили про те, як виглядають ці структури у світловому мікроскопі, а також мікрофотографіях, отриманих за допомогою скануючого електронного мікроскопа. Будова вторинної ксілеми (деревини) у статті. Ксилема і флоема утворюють провідну тканину вищих, або судинних, рослин. Ця тканина складається з так званих провідних пучків, будова та розподіл яких у стеблах дводольних рослин з первинною будовою показано на малюнку.
Те, що вода піднімається саме по ксилемі, неважко продемонструвати, зануривши втечу зрізаним кінцем у розведений водний розчин барвника, наприклад еозину. Підфарбована рідина, поширившись нагору по стеблі, заповнить мережу пронизливого листя жилок. Якщо потім зробити тонкі зрізи і розглянути їх у світловому мікроскопі, виявиться, що барвник знаходиться в ксілемі.
Більш ефектний доказ підйому води по ксилемідають досліди з «кільцюванням». Такі досліди проводили задовго до того, як почали застосовувати радіоактивні ізотопи, що дозволяють дуже легко простежити шлях речовин у живому організмі. В одному з варіантів досвіду з деревини стебла знімають вузьке кільце кори разом з лубом, тобто флоемою. Досить довго після цього пагони, що знаходяться вище вирізаного кільця, продовжують рости нормально: отже, таке кільцювання не впливає на підйом води по стеблі. Однак, якщо, піднявши клапоть кори, вирізати з-під нього сегмент деревини, тобто ксилеми, рослина швидко зав'яне. Таким чином, вода рухається в пагони з ґрунту саме по цій провідній тканині.
Будь-яка теорія, яка пояснює транспорт води по ксилемі, неспроможна не враховувати такі спостереження.
1. Анатомічні елементи ксилеми- тонкі мертві трубки, діаметр яких варіює від 0,01 мм у «літній» деревині до 0,2 мм у «весняній» деревині.
2. Великі кількості води рухаються ксилемоюіз відносно високою швидкістю: у високих дерев вона становить до 8 м/год, а в інших рослин – близько 1 м/год.
3. Для підйому води по таких трубках до вершини високого дереваНеобхідний тиск близько 4000 кПа. Найвищі дерева - секвої в Каліфорнії та евкаліпти в Австралії - досягають у висоту більше 100 м. Вода здатна підніматися по тонких трубах, що змочуються, завдяки своєму високому поверхневому натягу (це явище називається капілярністю), проте тільки за рахунок цих сил навіть по найтонших судинах вода не піднімається вище за 3 м.
Задовільне пояснення цим фактам дає теорія зчеплення(Когезії), або теорія натягу. Відповідно до цієї теорії, підйом води від коренів обумовлений її випаровуванням клітинами листка. Як ми вже говорили у статті, випаровування знижує водний потенціал клітин мезофілу, що прилягають до ксілеми, і вода надходить у ці клітини з ксилемного соку, водний потенціал якого вищий; при цьому вона проходить через вологі клітинні стінки в кінці жилок, як показано на малюнку.
Ксилемні судинизаповнює суцільний стовп води; у міру того, як вода виходить із судин, у цьому стовпі створюється натяг; воно передається вниз стеблом до самого кореня завдяки зчепленню (когезії) молекул води. Ці молекули прагнуть «прилипнути» один до одного, тому що вони полярні і притягуються одна до одної електричними силами, а потім разом утримуються водневими зв'язками. Крім того, вони притягуються до стінок ксилемних судин, тобто відбувається їхня адгезія (прилипання) до них. Сильна когезія молекул води означає, що її стовп важко розірвати - у нього висока межа міцності при розтягуванні. Розтягуюча напруга в клітинах ксилеми призводить до генерування сили, здатної зрушувати весь водяний стовп вгору механізмом об'ємного потоку. Знизу вода надходить у ксилему із сусідніх клітин кореня. При цьому дуже важливо, що стінки ксилемних елементів жорсткі і не спадаються при падінні тиску всередині, як це буває, коли смокчеш коктейль через м'яку соломинку. Жорсткість стін забезпечується лігніном. Доказом того, що рідина всередині ксилемних судин сильно напружена (розтягнута), служать добові коливання діаметра стовбурів, що вимірюються інструментом під назвою дендрограф.
Мінімальний діаметр відзначений днем, коли інтенсивність транспірації найвища. Натяг стовпа води у ксилемній посудинітрохи втягує всередину його стінки (через адгезію), і поєднання цих мікроскопічних стисків дає фіксовану приладом загальну «усадку» стовбура.
Оцінки міцності на розрив стовпа ксилемного сокуваріювали від 3000 доЗО 000 до Па, причому нижчі значення отримані пізніше. У листі зареєстрований водний потенціал близько -4000 кПа, і міцність стовпа ксилемного соку, ймовірно, достатня, щоб витримати натяг, що створюється. Не виключено, звісно, що стовп води може іноді розриватися, особливо у судинах великого діаметра.
Критики викладеної теоріїпідкреслюють, що будь-яке порушення безперервності стовпа соку повинне негайно зупиняти весь потік, оскільки посудина заповниться повітрям та парою (явище кавітації). Кавітацію може спричинити сильний струс, згинання стовбура, а також дефіцит води. Добре відомо, що протягом літа вміст води у стволі дерева поступово знижується, деревина заповнюється повітрям. Цим користуються лісозаготівельники, бо такі дерева легко сплавляти. Проте розрив водного стовпа у частині судин слабко впливає загальну швидкість об'ємного потоку. Можливо, справа в тому, що вода перетікає в судини, що паралельно проходять, або ж обходить повітряну пробку, просуваючись по сусідніх паренхімних клітинах і по стінках. Крім того, згідно з розрахунками, для підтримки спостережуваної швидкості потоку цілком достатньо, щоб у кожний момент часу функціонувала хоча б невелика частка ксилемних елементів. У деяких дерев і чагарників вода переміщається лише молодшою зовнішньої деревині, званої заболонью. У дуба і ясена, наприклад, функцію, що проводить, виконують в основному судини поточного року, а решта заболоні грає роль водного резерву. Нові ксилемні судини утворюються протягом усього вегетаційного періоду, але головним чином на початку, коли швидкість водного потоку максимальна.
Друга сила, забезпечує рух води по ксилемі, - Кореневе тиск. Його можна виявити та виміряти в той момент, коли зрізають крону, а штамб з корінням деякий час продовжує виділяти сік із судин ксилеми. Цей процес пригнічується інгібіторами дихання, наприклад ціанідом, і припиняється при нестачі кисню та зниженні температури. Робота такого механізму, мабуть, обумовлена активною секрецією солей та інших водорозчинних речовин у ксилемний сік. В результаті його водний потенціал падає, і вода надходить у ксилему із сусідніх клітин кореня шляхом осмосу.
Цей механізм створює гідростатичний тиск близько 100-200 кПа (у виняткових випадках 800 кПа); одного його для підйому води по ксилемізазвичай недостатньо, проте в багатьох рослин воно, безперечно, сприяє підтримці ксилемного струму. У трав'янистих форм, що повільно транспірують, цього тиску цілком вистачає, щоб викликати у них мутацію. Так називається виділення води на поверхні рослини1 у вигляді крапель рідини, а не пари. Всі умови, що гальмують транспірацію, наприклад слабка освітленість і висока вологість, сприяють гуттації. Вона звичайна у багатьох видів тропічних дощових лісів і часто спостерігається на кінчиках листя біля сходів трав.
Секвої, що ростуть у Каліфорнії, є одними з найвищих дерев у світі. Вони досягають заввишки 110 метрів. Вік деяких дерев становить 2000-3000 років! Важко передати те незабутнє враження, яке залишає прогулянка серед цих гігантів. Істина створення тут явлена могутньо. Клітини дерева організовані так, щоб складати коріння, стовбур, кору, водяні колони, гілки та листя. Дерево нагадує величезну хімічну фабрику. Бездоганно тут відбуваються надзвичайно складні хімічні процеси.
Дивно те, що це величезне дерево виростає з маленького насіння вагою 58 грам. Тільки подумайте: вся інформація про розвиток та організацію цих гігантів закладена в їх ДНК, у крихітному, круглому насінні. Насіння виконує всі "вказівки", що знаходяться в його ДНК і перетворюється на гігантську структуру, ні з чим не можна порівняти за зовнішнім виглядом і розмірами. Приголомшливо, чи не так?
Гігантська секвоя "Генерал Шерман". Її висота дорівнює 83,8 м, а периметр ствола біля основи становить 34,9 м. Вік дерева налічує 2500 років. Це дерево вважається найбільшим живим організмом Землі. Його вага разом із кореневою системою становить 2500 т. Об'єм дерева - 17000 кубометрів, що у 10 разів більше ніж об'єм блакитного кита.
У Писанні сказано: «Бог високий могутністю Своєю, і хто такий, як Він, наставник? Пам'ятай про те, щоб звеличувати діла Його, які люди бачать. Усі можуть бачити їх; людина може вбачати їх здалеку». (Йов 36:22-25) Справді, всі люди можуть бачити Його діла.
Піднімаючи воду на висоту 30-поверхової будівлі
Через своє листя секвоявиділяє до 600 літрів води на день, тому вона постійно піднімає воду від коріння до гілок, долаючи силу гравітації. Як же це вдається дереву, яке не має механічних насосів? 100 метрів - це справді вражаюча висота, порівнянна з двома 14-поверховими будинками.Виявляється, усередині ствола секвоїє спеціальна система вузьких взаємозалежних трубочок, звана ксилемою. Ця складна внутрішня тканина дерева служить для того, щоб проводити воду від коріння до листя. Трубочки ксілеми утворюють клітини, розташовані одна над одною. Всі разом вони формують неймовірно довгу колону, що тягнеться від коренів через стовбур до листя. Щоб "качати" воду, секвояповинна формувати у цій трубі безперервну колону води.
Дерево підтримує воду протягом усього свого життя.Згадайте, як сильний вітер гне дерево та гілки. Однак завдяки тому, що трубка, що проводить, складається з мільйонів маленьких відрізків, стикованих разом, потік води постійно утримується. Одна цільна трубка не виконала б цього завдання. Оскільки вода зазвичай не тече вгору, як дереву вдається качати її на таку висоту? Коріння «підтягує» воду вгору, а дія капілярності (здатність води трохи підніматися по стінках трубки) додає тиску. Однак ця сила забезпечує секвої підняття води лише на 2-3 метри. Заснована рушійна сила - це випаровування та тяжіння між молекулами води. Молекули мають позитивно та негативно заряджені частинки, завдяки чому вони зчіплюються між собою з величезною силою, яка, згідно з експериментальними вимірами, становить 25-30 атмосфер (1 атмосфера дорівнює нормальному атмосферному тиску на рівні моря).
Система поширення, показана у поперечному перерізі. Труби передачі складаються з клітин і призначені для перенесення речовин: води та мінералів до листя через різні канали. Однією важливою рисою цієї системи в рослинах є постійне оновлення труб ксилеми та флоеми.
Цього достатньо, щоб продавити підводний човен часів Другої світової вони, що пливе на глибині 350 метрів під водою. Секвояж легко підтримує тиск 14 атмосфер нагорі водяної колонки. Вода, випаровуючись із листя, породжує силу всмоктування. Молекула води випаровується з листка і завдяки силі молекулярного тяжіння тягне у себе інші молекули навколо неї. Що створює невелике всмоктування у водяній колонці та тягне воду від сусідніх клітин листка. Ці молекули, у свою чергу, притягують навколишні молекули. Ланцюжок руху продовжується до самої землі і рухає воду від коріння до верхівки дерева подібно до того, як насос піднімає воду з колонки на поверхню.
Ми розуміємо, що деревосаме не могло вигадати таку складну систему, навчившись так мудро використовувати фізику води та енергію Сонця. Ми віддаємо всю Славу Богу, Творцеві неба та землі. Дерева-гіганти свідчать про історичність книги Буття, яка відкриває нам їхнє справжнє походження: «І сказав Бог: Нехай виросте земля зелень, траву, що сіяє насіння плодове дерево, що приносить за родом своїм плід, в якому насіння його на землі. І сталося так». (Бут. 1:11-12)
Читайте також
Суперпостріл дерна канадського!2 роки тому - Читати 16 хвилин Живі копалини підтверджують створенняРік тому - Читати 27 хвилин Як листям вдається уникнути розплавлення під час фотосинтезу?Пів року тому - Читати 5 хвилин Морський коник Рік тому - Читати 15 хвилин Живі скам'янілості: морська лілія не змінилася за «150 мільйонів років»Рік тому - Читати 3 хвилини
Вища рослина розчленована на органи, які виконують різні функції, але мають багато загальних властивостей, серед яких можна назвати необхідність поживних речовин і води для протікання фізіологічних процесів. Так як вода поглинається не всіма органами, а переважно кореневою системою, виникає необхідність її пересування по рослині. Цей процес становить так званий висхідний струм. Слід зазначити, що ця назва відображає не напрямок, а характер пересування та його локалізацію у рослині. Він проходить головним чином по мертвих тканинах стебла або черешка - судинах або трахеях у покритонасінних рослин і трахеїдів у голонасінних. Однак ця локалізація не абсолютна: вода здатна переміщатися і іншими анатомічними елементами, наприклад по флоемної системі.
Вода з розчиненим і в ній мінеральним та речовинами піднімається по судинах деревини.
Якщо взяти до уваги всю довжину шляху висхідного струму, його можна буде розбити на два не рівних по довжині ділянки.
1. Мертві гістологічні елементи в середині провідного шляху судини або трахеїди. Протяжність цієї ділянки значна, але вода проходить по ньому порівняно легко, оскільки рухається пасивно по мертвим елементам, не відчуваючи з боку значного опору.
2. Живі клітини кореня та листа, що знаходяться на початку та в кінці шляху пересування. Цей шлях просторово короткий, але долається він насилу, оскільки клітинні мембрани перешкоджають пересування води.
Пересування води у висхідному струмі має важливе значення у житті рослини. Цей струм забезпечує водою всі органи і тканини, приводячи їх у стан тургора. Висхідний струм води захоплює мінеральні іони, поглинені коренем, переносить їх і полегшує розподіл (але не поглинання!) по рослині.
Для того щоб вода рухалася рослиною (і не просто рухалася, а піднімалася вгору), необхідні витрати деякої кількості енергії, точки докладання якої розташовуються по кінцях струму, внаслідок чого вони отримали назву кінцевих двигунів.
Нижній кінцевий двигун або кореневе тиск. Його роль проявляється в основному при активному поглинанні – нагнітанні води. За участю скорочувальних білків він не тільки подає воду в кореневу систему, а й проштовхує її далі в корені і вгору по стеблі. Нагнітання води
Активний енергозалежний процес, який найсильніше виражений у корі кореня. Сила, що розвивається кінцевим двигуном, невелика (близько 0,15 МПа), вона може забезпечити підйом води на висоту не більше одного метра, тобто достатня для трав'янистих рослин та невеликих чагарників.
Симпласт – це система взаємопов'язаних протопластів рослини. Протопласти сусідніх клітин з'єднуються між собою плазмодесмами – цитоплазматичними тяжами, що проходять через пори у клітинних стінках. Вода з будь-якими розчиненими в ній речовинами, потрапивши в протопласт однієї клітини, може рухатися далі симпластом, не перетинаючи ніяких мембран. Цей рух іноді полегшується завдяки впорядкованому струму цитоплазми.
Апопласт - це система клітинних стінок, що стикаються, утворює безперервну мережу по всій рослині. До 50% такого целюлозного каркаса є як би «вільним простором», який може бути зайнятий водою. При її випаровуванні в міжклітини з поверхні клітин мезофілу в безперервному апопластному шарі води виникає натяг, і весь за механізмом об'ємного потоку підтягується до місця зменшення завдяки когезії («зчепленню») водних молекул. У апопласт вода надходить із ксилеми.
Верхній кінцевий двигун, або сила, що присмоктує, транспірації. При постійному випаровуванні води в листі рослин розбивається смокчуча сила (1 - 1,5 МПа), що відсмоктує воду від найближчих клітин і передається наступним клітинам, якими пересувається вода, до судин. У судинах немає цитоплазми, тому немає осмотичного тиску, і всмоктування рідини відбувається за участю всієї величини сисної сили. Вона дозволяє підняти воду на кілька метрів, діючи подібно до гідравлічного насоса. Цієї сили достатньо для забезпечення водою чагарників та порівняно невеликих дерев.
Підняття води по стовбуру дерева
Кінцеві двигуни можуть підняти воду на висоту до 10 м. Але багато деревних рослин мають набагато більшу довжину стовбура, і тоді обидва кінцеві двигуни не можуть забезпечити підйом води. У таких рослин на допомогу приходять сили зчеплення між молекулами води, які дуже великі та можуть досягати 30 – 35 МПа. Цієї сили достатньо для того, щоб підняти воду на 1 – 2 км, що значно перевищує висоту будь-якого дерева.
Сили зчеплення молекул води діють лише за певних умов: водні струмені в судинах повинні йти безперервно, без бульбашок повітря. Якщо в них потрапляє повітря, що можливо при їх пораненні або перерізанні, пересування води переривається. Цим пояснюється зав'ядання пагонів деревних рослин з листям і квітками (наприклад бузку), коли їх після зрізання поміщають у воду не відразу, а згодом.
