Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
すべての生物は、自分自身を維持するために一連の基本的な機能を実行する必要があります。これらのプロセスの1つは、生物全体にわたる材料の輸送を含む。したがって、生物は環境と物質を交換する必要があり、それはタンパク質やその他の物質を互いに輸送する小さなスケールや、水が地球の表面上、上、下を絶えず移動する水循環などの大きなスケールで見ることができます。どちらの例でも、ある領域から別の領域への材料の移動は、環境変数と生物学的変数の両方によって制御される動的なプロセスです。
最小のシダからカリフォルニアの巨大なセコイアまで、維管束植物は、根から植物の先端まで伸びる維管束組織の束のシステムによって、植物全体に水と水溶性物質を輸送します。具体的には、水と栄養素は根毛に吸収され、浸透によって植物に見られる2つの大きな血管系の1つである植物の木部に移動します。その後、水は植物の最も高い点に運ばれ、光合成が行われる葉の外側に運ばれます。興味深いことに、植物が取り込む水のうち、光合成に使用されるのはわずか1%です。残りの99%の水は植物が直接使用せず、蒸発または内臓(蒸散とも呼ばれる)によって植物から失われます。蒸発とは、水が空気に移動することであり、ガットとは特に植物の細孔からの水滴の分泌を指します。両方のプロセスが組み合わさって、植物での蒸散が構成されます。
植物の葉は、植物と大気との間の物質交換を可能にする開口部である気孔を通じて、光合成の副産物を放出する上で重要な役割を果たします。気孔はガードセルに隣接しており、気孔が開閉するタイミングを調節しています。これは、蒸発によって水の大部分が失われる活動的な場所であり、ガスが大気と交換される場所でもあります。蒸発によって水を失うことは、最初は悪い戦略のように思えるかもしれませんが、ガスの投入量を最大化しながら、プラント内の材料と水の輸送を維持するためには避けられません。蒸散により水の濃度が低くなり、葉の浸透圧が低くなります。これらの水濃度の違いは、植物の葉への水の移動を促進し、また大気中に水を放出する役割を果たします。
水ポテンシャルは、根毛からの水の取り込みを促進し、葉の先端に水を運ぶ際にも駆動します。水ポテンシャルは、水の自由エネルギーの尺度であり、水分子が水ポテンシャルの高い領域から水ポテンシャルの低い領域に移動します。葉の蒸発が多いと、水の可能性が低い領域や水が少ない領域ができ、根や茎からの水が葉に運ばれます。水分子の凝集性と接着性により、この水の動きが可能になります。凝集力は水分子が互いに引き合うことであり、接着力は水分子が木部壁などの他の材料に引き付けられることです。水分子が気孔から出ると、水分子が下に引っ張られ、水はより低い水ポテンシャルに向かって移動します。
植物種は、その物理的特性だけでなく、生態系における形態や機能も大きく異なります。これらの植物種間の違い、および遠縁の植物種間の類似性は、進化を通じて、より具体的には草食動物、花粉媒介者、およびその他の気候および環境要因によって課せられた選択によって、時間の経過とともに形成されます。したがって、蒸散速度の違いは、環境と植物種自体の両方の影響を受けます。蒸散速度を駆動する主な環境要因は温度です。温度が高いと、蒸発によって水が失われるのが早くなるため、蒸散速度が増加します。暑い環境に生息する植物は、涼しい気候にある植物よりも多くの水を失う傾向があります。水の利用可能性、風、日光などの要因も、植物の蒸散速度に影響を与えるのに役立ちます。
高温で乾燥した環境に生息する植物には、水を貯蔵または節約する能力など、水の損失を制御するのに役立つ特定の適応があります。これらの環境にある植物のグループは、クラッスルラシアン酸代謝またはCAM植物とも呼ばれ、水の損失を減らすために、夜間にガス交換のために気孔を開くなどの戦略を進化させてきました1。 乾燥した環境に特有の他の植物の特徴には、葉の表面積の減少、気孔の減少、または水を節約するために葉に毛があることが含まれます。ただし、水の損失を制限し、光合成に必要な最適な蒸散速度を持つことにはトレードオフがあります。光合成の速度は、植物の成長率とエネルギー獲得速度に関係しており、これは水分の摂取量と損失の速度に関連しているため、植物がこのトレードオフのバランスをとることができることは非常に重要です。一方、熱帯雨林のように水が限定的な資源ではない環境では、植物は蒸散速度の違いを引き起こすさまざまな選択圧に直面しています。これらの環境では、自然淘汰は、競合する隣人を凌駕するために水をより迅速に輸送できる植物種や、草食動物に食べられないように十分に背が高くなる植物種を好む可能性があります。
蒸散速度は、葉の多い植物の水分摂取速度を測定するデバイスであるポトメーターを使用して間接的に評価できます。ポトメーターの測定では、蒸散によって水の摂取量が引き起こされ、その量を定量化できると想定されています。さらに、科学者は、単位面積あたりの気孔のサイズや数などの葉の構造を観察することにより、植物の相対的な蒸散速度を決定できます。
植物の蒸散率を調べることで、植物がさまざまな環境にどのように適応するかだけでなく、さまざまな環境条件で作物を最適に育てて食料生産を増やし、地球規模の気候変動と人口増加に適応するために植物の使用を調整する方法についての情報も提供できます。例えば、地球温暖化などによって蒸散速度が変化し、地球規模の水循環に影響を及ぼし、ひいては生態系や人類に影響を及ぼします2。したがって、これらの変化を理解することは、それらの悪影響を是正するための戦略を開発するために必要になります。さらに、さまざまな作物の蒸散率を研究することで、水利用効率の高い作物を特定し、水の単位あたりの食料生産量を増やし、灌漑の必要性を減らすことができます3。
植物は、砂漠から温帯林、そして海底まで、世界中のほぼすべての生態系に生息しています。自然淘汰の結果として、植物はさまざまな環境課題に対処するための適応の驚くべき多様性を進化させてきました。植物が直面する主な課題の1つは、適切な水分補給を維持することです。水は、光合成、構造的支持、栄養素やその他の重要な分子の輸送に依存している重要な資源です。植物が水収支を制御できる方法の1つは、蒸散と呼ばれるプロセス、つまり基本的に植物の地上部から水を蒸発させることです。この水分の損失は、主に気孔と呼ばれる葉の毛穴から発生します。しかし、水はどうやってここまで来るのでしょうか?
この質問に答えるために、もっと詳しく地下を見てみましょう。ここでは、浸透によって水が植物の根に入り、木部と呼ばれる血管組織を通って葉まで移動します。この水路は蒸散流として知られています。水分子は互いにくっついて木部の壁にくっつくため、気孔から蒸発すると、蒸散流の下流から水が上向きに引っ張られてその場所になり、根から上向きに流れます。では、ストーマについて詳しく見ていきましょう。各気孔は、孔を開くために拡張し、それを閉じて収縮することができる2つのガードセルによって囲まれています。植物は気孔を開き、光合成のために二酸化炭素を取り込み、酸素ガスを放出します。蒸散による水分の損失は、このプロセスの避けられない副作用です。
このトレードオフは、乾燥した環境に生息する植物にとって特別な課題となるため、彼らは水の損失を可能な限り減らすための戦略を進化させてきました。これを行う1つの方法は、表面積の小さい葉を成長させ、蒸散が発生する可能性のある小さな領域を提示することです。これが、クレオソートなどの砂漠の植物の葉が比較的小さい理由です。しかし、乾燥した環境の植物は、さらに一歩進んで、葉の単位面積あたりの気孔が少なくなるため、蒸散による水分損失を最小限に抑えることができます。
対照的に、熱帯雨林のように水が豊富な環境に生息する植物は、蒸散によって多くの水を失う余裕があります。たとえば、この里芋のような植物は、光を遮断して光合成を促進する能力を高める大きな表面積を持つ葉を発達させることがよくあります。これらの植物はまた、乾燥した生息地の植物と比較して気孔の密度が高いため、高い光合成率を維持し、大きな葉や茎を支えることができます。
このラボでは、蒸散率を測定し、さまざまな植物種における葉の気孔の頻度を調べて、さまざまな生息地の植物が蒸散調節の問題をどのように解決しているかを明らかにします。
