Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Wszystkie żywe organizmy muszą wykonywać zestaw podstawowych funkcji, aby się utrzymać. Jeden z tych procesów polega na transporcie materiałów w całym organizmie. Dlatego organizmy muszą wymieniać się materiałami ze środowiskiem, co można zaobserwować w małej skali komórek transportujących między sobą białka i inne materiały lub na większą skalę, taką jak obieg wody, gdzie woda stale porusza się na, nad i pod powierzchnią Ziemi. W obu przykładach przemieszczanie się materiałów z jednego obszaru do drugiego jest procesem dynamicznym regulowanym zarówno przez zmienne środowiskowe, jak i biologiczne.
Rośliny naczyniowe, od najmniejszych paproci po gigantyczne sekwoje Kalifornii, transportują wodę i materiały rozpuszczalne w wodzie w całej roślinie za pomocą systemu wiązek tkanek naczyniowych, które biegną od korzeni do końcówek rośliny. W szczególności woda i składniki odżywcze są wchłaniane przez włośniki i przenoszone przez osmozę do ksylemu rośliny, jednego z dwóch dużych systemów naczyniowych występujących w roślinach. Woda jest następnie transportowana do najwyższego punktu rośliny i na zewnątrz do liści, gdzie zachodzi fotosynteza. Co ciekawe, tylko 1% wody pobieranej przez rośliny jest wykorzystywane do fotosyntezy. Pozostałe 99% wody nie jest bezpośrednio wykorzystywane przez roślinę i jest tracone z rośliny w wyniku parowania lub gutacji, znanej również jako transpiracja. Parowanie to ruch wody do powietrza, przy czym gutacja odnosi się w szczególności do wydzielania kropelek wody z porów roślin. Oba procesy w połączeniu składają się na transpirację w roślinach.
Liście roślin odgrywają ważną rolę w uwalnianiu produktów ubocznych fotosyntezy przez aparaty szparkowe, które są otworami umożliwiającymi wymianę materiałów między rośliną a atmosferą. Aparaty szparkowe są otoczone komórkami ochronnymi, które regulują, kiedy aparaty szparkowe otwierają się i zamykają. Jest to miejsce aktywne, w którym większość wody jest tracona w wyniku parowania, a także miejsce, w którym gazy są wymieniane z atmosferą. Chociaż na pierwszy rzut oka może się wydawać, że utrata wody w wyniku parowania przez zakład jest złą strategią, jest to nieuniknione, aby utrzymać transport materiałów i wody w zakładzie, jednocześnie maksymalizując dopływ gazu. Transpiracja powoduje mniejsze stężenie wody, a tym samym niższy potencjał osmotyczny w liściu. Te różnice w stężeniu wody są odpowiedzialne za napędzanie przepływu wody do liści rośliny, a także za uwalnianie wody do atmosfery.
Potencjał wodny napędza pobieranie wody z włośników, a także transport wody do końcówek liści. Potencjał wodny jest miarą swobodnej energii wody, w której cząsteczki wody przemieszczają się z obszarów o wyższym potencjale wodnym do obszarów o niższym potencjale wodnym. Gdy parowanie liści jest wysokie, tworzy to obszary o niższym potencjale wodnym lub obszary o mniejszym potencjale wodnym, więc woda z korzeni i łodygi jest kierowana do liści. Właściwości kohezyjne i adhezyjne cząsteczek wody umożliwiają ten ruch wody. Kohezja to przyciąganie cząsteczek wody do siebie, a adhezja to przyciąganie cząsteczek wody do innych materiałów, takich jak ścianki ksylemu. Kiedy cząsteczki wody wydostają się przez aparaty szparkowe, wciągają cząsteczki wody pod spód, powodując ruch wody w kierunku niższego potencjału wodnego.
Gatunki roślin różnią się znacznie pod względem cech fizycznych, a także morfologii i funkcji w ekosystemie. Te różnice między gatunkami roślin, a także podobieństwa między daleko spokrewnionymi gatunkami roślin, kształtują się z czasem w drodze ewolucji, a dokładniej przez selekcję narzuconą przez roślinożerców, zapylacze i inne czynniki klimatyczne i środowiskowe. Dlatego na różnice w szybkości transpiracji wpływa zarówno środowisko, jak i sam gatunek rośliny. Głównymi czynnikami środowiskowymi, które wpływają na szybkość transpiracji, jest temperatura. Wyższe temperatury zwiększają szybkość transpiracji, ponieważ woda jest szybciej tracona w wyniku parowania. Rośliny żyjące w gorącym środowisku są podatne na utratę większej ilości wody niż rośliny znajdujące się w chłodniejszym klimacie. Czynniki takie jak dostępność wody, wiatr, światło słoneczne i inne również wpływają na szybkość transpiracji roślin.
Rośliny żyjące w gorącym i suchym środowisku mają specyficzne adaptacje, które pomagają im kontrolować utratę wody, takie jak zdolność do magazynowania lub oszczędzania wody. Grupa roślin w tych środowiskach, znana również jako metabolizm kwasu gruboszowego lub rośliny CAM, wyewoluowała strategie, takie jak otwieranie aparatów szparkowych do wymiany gazowej tylko w nocy, aby zmniejszyć utratę wody1. Niektóre inne cechy roślin charakterystyczne dla suchych środowisk to zmniejszona powierzchnia liści, mniej aparatów szparkowych lub włoski na liściach w celu oszczędzania wody. Istnieje jednak kompromis między ograniczeniem utraty wody a optymalnym tempem transpiracji potrzebnym do fotosyntezy. Szybkość fotosyntezy odnosi się do tempa wzrostu rośliny i pozyskiwania energii, co jest związane z szybkością pobierania i utraty wody, dlatego niezwykle ważne jest, aby rośliny były w stanie zrównoważyć ten kompromis. Z drugiej strony, w środowiskach, w których woda nie jest zasobem ograniczającym, takich jak tropikalne lasy deszczowe, rośliny stoją w obliczu różnych presji selekcyjnych, które powodują różnice w tempie transpiracji. W tych środowiskach dobór naturalny może zamiast tego faworyzować gatunki roślin, które mogą szybciej transportować wodę, aby wyrosnąć z konkurencyjnych sąsiadów lub urosnąć wystarczająco wysoko, aby uniknąć zjedzenia przez roślinożerców.
Szybkość transpiracji można ocenić pośrednio za pomocą potometru, który jest urządzeniem mierzącym szybkość pobierania wody przez roślinę liściastą. Założeniem pomiaru potometrem jest to, że transpiracja spowoduje pobór wody, której ilość można określić ilościowo. Ponadto naukowcy mogą określić względne tempo transpiracji roślin, obserwując struktury liści, takie jak rozmiary i liczba aparatów szparkowych na jednostkę powierzchni.
Badanie wskaźników transpiracji roślin może nauczyć nas nie tylko, w jaki sposób rośliny przystosowują się do różnych środowisk, ale może również dostarczyć informacji o tym, jak najlepiej uprawiać rośliny w różnych warunkach środowiskowych, aby zwiększyć produkcję żywności i dostosować nasze wykorzystanie roślin do przystosowania się do globalnych zmian klimatycznych i wzrostu populacji. Na przykład tempo transpiracji jest zmieniane przez globalne ocieplenie i inne przyczyny i może wpływać na globalny obieg wody, co z kolei może wpływać na ekosystemy, a także na populacje ludzkie2. W związku z tym zrozumienie tych zmian byłoby niezbędne do opracowania strategii zaradczych w zakresie ich negatywnych skutków. Co więcej, badanie szybkości transpiracji różnych upraw może pomóc w identyfikacji upraw o wysokiej efektywności wykorzystania wody, aby zwiększyć produkcję żywności na jednostkę wody i zmniejszyć potrzebę nawadniania3.
Rośliny można znaleźć w prawie każdym ekosystemie na świecie, od pustyń po lasy strefy umiarkowanej, a nawet na dnie morza. W wyniku selekcji naturalnej rośliny wyewoluowały oszałamiającą różnorodność adaptacji, aby radzić sobie z różnymi wyzwaniami środowiskowymi. Jednym z kluczowych wyzwań stojących przed roślinami jest utrzymanie odpowiedniego nawodnienia. Woda jest krytycznym zasobem, od którego zależą w procesie fotosyntezy, wsparcia strukturalnego oraz transportu składników odżywczych i innych ważnych cząsteczek. Jednym ze sposobów, w jaki rośliny mogą kontrolować swój bilans wodny, jest regulacja procesu znanego jako transpiracja, który jest zasadniczo parowaniem wody z nadziemnych części rośliny. Ta utrata wody następuje przede wszystkim z porów na liściach zwanych aparatami szparkowymi. Ale jak woda się tu dostaje?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, przyjrzyjmy się bliżej ziemi. Tutaj woda dostaje się do korzeni roślin przez osmozę, a następnie przemieszcza się aż do liści przez tkankę naczyniową zwaną ksylemem. Ten kanał wodny jest znany jako strumień transpiracji. Ponieważ cząsteczki wody przylegają do siebie nawzajem i do ścianek ksylemu, kiedy odparowuje z aparatów szparkowych, woda z dołu strumienia transpiracji jest ciągnięta w górę, aby zająć jej miejsce... co powoduje przepływ w górę od korzeni. Przyjrzyjmy się teraz bliżej stomii. Każdy por szparkowy jest otoczony dwiema komórkami ochronnymi, które mogą się rozszerzać, aby otworzyć pory i kurczyć się, aby je zamknąć. Rośliny otwierają aparaty szparkowe, aby pobierać dwutlenek węgla do fotosyntezy i uwalniać gazowy tlen. Utrata wody w wyniku transpiracji jest nieuniknionym skutkiem ubocznym tego procesu.
Ten kompromis stanowi szczególne wyzwanie dla roślin żyjących w suchym środowisku, dlatego opracowały one strategie mające na celu maksymalne ograniczenie utraty wody. Jednym ze sposobów, w jaki mogą to zrobić, jest wyhodowanie liści o małej powierzchni, przedstawiających niewielki obszar, na którym może wystąpić transpiracja. Dlatego liście roślin pustynnych, takich jak kreozot, są stosunkowo małe. Ale idąc o krok dalej, rośliny z suchych środowisk mają również mniej aparatów szparkowych na jednostkę powierzchni na liściach, co pozwala im zminimalizować utratę wody w wyniku transpiracji.
W przeciwieństwie do tego, rośliny, które zamieszkują środowiska z dużą ilością wody, takie jak lasy deszczowe, mogą sobie pozwolić na utratę dużej ilości wody w wyniku transpiracji. Takie rośliny, jak na przykład taro, często rozwijają liście o dużej powierzchni, które zwiększają ich zdolność do przechwytywania światła w celu napędzania fotosyntezy. Rośliny te mają również dużą gęstość aparatów szparkowych w porównaniu z roślinami z suchych siedlisk, co pozwala im utrzymać wysokie tempo fotosyntezy i wspierać duże liście i łodygi.
W tym laboratorium zmierzysz tempo transpiracji i zbadasz częstotliwość występowania aparatów szparkowych liści u różnych gatunków roślin, aby ujawnić, w jaki sposób rośliny z różnych siedlisk rozwiązują problem regulacji transpiracji.
