Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Все живые организмы должны выполнять набор основных функций для того, чтобы поддерживать себя. Один из таких процессов включает в себя транспортировку материалов по организму. Таким образом, организмы должны обмениваться материалами с окружающей средой, что можно наблюдать в небольших масштабах клеток, переносящих белок и другие материалы друг другу, или в более крупных масштабах, таких как круговорот воды, где вода непрерывно движется вверх, над и под поверхностью Земли. В обоих примерах перемещение материалов из одной области в другую является динамическим процессом, регулируемым как экологическими, так и биологическими переменными.
Сосудистые растения, от самых маленьких папоротников до гигантских секвой в Калифорнии, переносят воду и водорастворимые материалы по всему растению с помощью системы пучков сосудистых тканей, которые идут от корней к кончикам растения. В частности, вода и питательные вещества поглощаются корневыми волосками и переносятся путем осмоса в ксилему растения, одну из двух крупных сосудистых систем, обнаруженных в растениях. Затем вода транспортируется в самую высокую точку растения и выходит наружу в листья, где происходит фотосинтез. Интересно, что только 1% воды, поглощаемой растениями, используется для фотосинтеза. Остальные 99% воды не используются растением напрямую и теряется из растения из-за испарения или гуттации, также известной как транспирация. Испарение – это перемещение воды в воздух, где гуттация конкретно относится к выделению капель воды из пор растений. Оба процесса в совокупности составляют транспирацию в растениях.
Листья растений играют важную роль в высвобождении побочных продуктов фотосинтеза через устьица, которые представляют собой отверстия, позволяющие обмениваться материалами между растением и атмосферой. Устьица окаймлены защитными клетками, которые регулируют, когда устьица открываются и закрываются. Это активный участок, где большая часть воды теряется из-за испарения, а также участок, где происходит обмен газов с атмосферой. Хотя на первый взгляд может показаться, что потеря воды из-за испарения является плохой стратегией, это неизбежно, чтобы поддерживать транспортировку материалов и воды на предприятии при максимальном поступлении газа. Транспирация создает меньшую концентрацию воды, что приводит к снижению осмотического потенциала в листьях. Эти различия в концентрации воды отвечают за движение воды в листья растения, а также за выброс воды в атмосферу.
Водный потенциал стимулирует поглощение воды из корневых волосков, а также транспортировку воды к кончикам листьев. Водный потенциал — это мера свободной энергии воды, при которой молекулы воды перемещаются из областей с более высоким водным потенциалом в области с более низким водным потенциалом. Когда испарение в листьях велико, это создает участки с меньшим водным потенциалом или участки с меньшим количеством воды, поэтому вода от корней и стебля направляется к листьям. Когезионные и адгезионные свойства молекул воды обеспечивают такое движение воды. Когезия — это притяжение молекул воды друг к другу, а адгезия — это притяжение молекул воды к другим материалам, таким как стенки ксилемы. Когда молекулы воды выходят через устьица, они притягивают молекулы воды под собой, заставляя воду двигаться в сторону более низкого водного потенциала.
Виды растений сильно различаются по своим физическим характеристикам, а также по морфологии и функциям в экосистеме. Эти различия между видами растений, а также сходства между отдаленно родственными видами растений формируются с течением времени в ходе эволюции и, в частности, под действием отбора, налагаемого травоядными, опылителями и другими климатическими и экологическими факторами. Таким образом, различия в скоростях транспирации зависят как от окружающей среды, так и от самого вида растения. Основными факторами окружающей среды, определяющими скорость транспирации, является температура. Более высокие температуры увеличивают скорость транспирации, потому что вода теряется в результате испарения быстрее. Растения, живущие в жарких условиях, склонны терять больше воды, чем растения, расположенные в более холодном климате. Такие факторы, как доступность воды, ветер, солнечный свет и другие, также помогают влиять на скорость транспирации в растениях.
Растения, живущие в жарких и засушливых условиях, обладают особыми приспособлениями, которые помогают им контролировать потерю воды, такими как способность накапливать или сохранять воду. Группа растений в этих средах, также известная как метаболизм толстянковой кислоты или растения CAM, развила стратегии, такие как открытие устьиц для газообмена только в ночное время, чтобыуменьшить потерю воды. Некоторые другие особенности растений, характерные для засушливых условий, включают уменьшенную площадь поверхности листьев, меньшее количество устьиц или наличие волосков на листьях для экономии воды. Тем не менее, существует компромисс между ограничением потерь воды и достижением оптимальной скорости транспирации, необходимой для фотосинтеза. Скорость фотосинтеза связана со скоростью роста растения и получением энергии, которая связана со скоростью поглощения и потери воды, поэтому для растений чрезвычайно важно иметь возможность сбалансировать этот компромисс. С другой стороны, в средах, где вода не является ограничивающим ресурсом, например, во влажных тропических лесах, растения сталкиваются с различными селективными давлениями, которые приводят к различиям в скоростях транспирации. В этих условиях естественный отбор может отдавать предпочтение видам растений, которые могут быстрее переносить воду, чтобы перерасти своих конкурирующих соседей или вырасти достаточно высокими, чтобы не быть съеденными травоядными.
Скорость транспирации можно оценить косвенно с помощью потометра, который представляет собой устройство, измеряющее скорость поглощения воды листовым растением. Предположение измерений с помощью потометра заключается в том, что транспирация приведет к поглощению воды, количество которой может быть определено количественно. Кроме того, ученые могут определить относительную скорость транспирации растений, наблюдая за структурой листьев, такой как размеры и количество устьиц на единицу площади.
Изучение скоростей транспирации растений может не только научить нас тому, как растения адаптируются к различным условиям окружающей среды, но и предоставить информацию о том, как лучше всего выращивать сельскохозяйственные культуры в различных условиях окружающей среды, чтобы увеличить производство продуктов питания и скорректировать использование растений для адаптации к глобальному изменению климата и росту населения. Например, скорость транспирации изменяется под воздействием глобального потепления и других причин и может влиять на глобальный круговорот воды, что, в свою очередь, может влиять на экосистемы, а также на население2. Таким образом, понимание этих изменений будет необходимо для разработки стратегий по устранению их негативных последствий. Кроме того, изучение скоростей транспирации различных культур может помочь выявить культуры с высокой эффективностью использования воды, чтобы увеличить производство продуктов питания на единицу воды и снизить потребность в орошении.
Растения встречаются почти во всех экосистемах мира, от пустынь до лесов умеренного пояса и вплоть до морского дна. В результате естественного отбора растения развили поразительное разнообразие приспособлений для решения различных экологических проблем. Одной из ключевых проблем, с которыми сталкиваются растения, является поддержание надлежащей гидратации. Вода является критически важным ресурсом, от которого зависит фотосинтез, структурная поддержка и транспортировка питательных веществ и других важных молекул. Одним из способов, с помощью которого растения могут контролировать свой водный баланс, является регулирование процесса, известного как транспирация, который, по сути, представляет собой испарение воды из надводных частей растения. Эта потеря воды происходит в основном из пор на листьях, называемых устьицами. Но как сюда попадает вода?
Чтобы ответить на этот вопрос, давайте подробнее заглянем под землю. Здесь вода поступает в корни растений путем осмоса, а затем движется вверх к листьям через сосудистую ткань, называемую ксилемой. Этот канал воды известен как транспирационный поток. Поскольку молекулы воды прилипают друг к другу и к стенкам ксилемы, когда она испаряется из устьиц, вода из нижнего потока транспирации тянется вверх, чтобы занять ее место, что приводит к восходящему потоку от корней. Теперь давайте подробнее рассмотрим стому. Каждая устьичная пора граничит с двумя защитными клетками, которые могут расширяться, открывая пору, и сжиматься, чтобы закрыть ее. Растения открывают свои устьица, чтобы впитать углекислый газ для фотосинтеза и высвободить газообразный кислород. Потеря воды в результате транспирации является неизбежным побочным эффектом этого процесса.
Этот компромисс представляет собой особую проблему для растений, живущих в засушливых условиях, и поэтому они разработали стратегии для максимального сокращения потерь воды. Одним из способов сделать это является выращивание листьев с небольшой площадью поверхности, представляющей собой небольшую площадь, на которой может происходить транспирация. Вот почему листья пустынных растений, таких как креозот, относительно малы. Но если пойти еще дальше, растения из засушливой среды также имеют меньше устьиц на единицу площади на листьях, что позволяет им свести к минимуму потерю воды за счет транспирации.
Напротив, растения, населяющие среду с большим количеством воды, такие как дождевые леса, могут позволить себе терять много воды из-за транспирации. У таких растений, как таро, например, часто развиваются листья с большой площадью поверхности, которые увеличивают их способность улавливать свет для фотосинтеза. Эти растения также имеют высокую плотность устьиц по сравнению с растениями из засушливых местообитаний, что позволяет им поддерживать высокие темпы фотосинтеза и поддерживать большие листья и стебли.
В этой лаборатории вы измерите скорость транспирации и изучите частоту появления устьиц листьев у различных видов растений, чтобы выяснить, как растения из разных мест обитания решают проблему регуляции транспирации.
