За простой формулой, или движение воды в
растении (часть 1)
Если посмотреть на фотографию нашей планеты,
полученную из космоса, бросится в глаза обилие голубого цвета на земном
шаре. Это - вода, занимающая, как помнят многие из уроков географии,
три четверти поверхности Земли.
Вода… Все знают ее простую формулу: Н2О.
Но за этой
кажущейся простотой - свойства самого удивительного и замечательного
вещества на Земле. Вода относительно медленно нагревается и остывает, а
также медленно испаряется. Молекулы воды благодаря водородным связям
взаимно притягиваются и прочно держатся вместе, что очень важно для
перемещения воды в растении, для которого она - жизненно необходимое
вещество. Живые растительные клетки на 80-90 процентов состоят из воды.
Даже клетки сухих семян, в которых приостановлена жизнь, содержат 10
процентов воды.
Листья растений
постоянно испаряют воду, особенно днем. Это происходит
потому, что их поверхность усеяна многочисленными микроскопическими
отверстиями - устьицами. Причем на нижней поверхности листа их
значительно больше, чем на верхней. Днем устьица открыты и водяные пары
выходят из листа. Ночью же они закрываются и испарение воды практически
прекращается. Но и ночью растение медленно теряет воду. Она уходит,
минуя устьица, через тонкую кожицу листа.
Испарение воды листьями называется транспирацией. Таким путем растение
теряет очень много влаги. По сравнению с животными растения за то же
самое время испаряют воды в 100 раз больше на единицу веса, чем
млекопитающие! Например, в течение лета подсолнечник
испаряет до
200-300 литров воды, кукуруза
- до 180, а береза за один
только жаркий
день может потерять 400 литров. Интересны следующие цифры: пшеница
берет за лето из почвы 1,5-3,5 тонны воды с гектара. Однако из всего
количества поглощенной воды растение использует ничтожно малую часть -
1-3 грамма на литр, а остальная масса ее испаряется и возвращается в
атмосферу. Может показаться, что растение напрасно тратит свои силы. Но
это не так. Поступившая вода дает жизнь растительному организму. Все
химические реакции в клетке происходят только в воде. Испаряясь с
поверхности листа, она предохраняет растение от перегрева, возникающего
при избытке поглощенной солнечной радиации.
Движение воды в растении - приспособление к наземной жизни. Когда у
первых сухопутных растений появились листья, то платить за жизнь на
Земле они стали транспирацией. Именно транспирационный ток перемещает
воду в растении.
Водную проблему растение решает с помощью хорошо развитой
водопроводящей системы, которая начинается в корнях, поглощающих влагу
из почвы, продолжается в трубках, подающих ее ко всем частям растения,
и заканчивается испарением из листьев в воздух. Кажется, все просто.
Однако механизм передвижения воды на самом деле сложен и не до конца
еще изучен.
Первый вопрос, который возникает при знакомстве с водопроводящей
системой: "Как вода поступает в корень растения?". Чтобы ответить на
этот вопрос, рассмотрим сначала строение корня. Кончик его каждого
корешка покрыт защитным корневым чехликом - "наконечником", состоящим
из клеток. "Не существует образования более удивительного, чем кончик
корешка, если иметь в виду его функции",- восхищался в свое время Чарлз
Дарвин. Этот корневой чехлик защищает от повреждений точку роста. Она
состоит из активно делящихся меристематических клеток, из которых и
образуются сам чехлик и все органы корня. 3а точной роста находится
зона растяжения, клетки которой, поглощая много воды, быстро растут в
длину. Далее расположена зона корневых волосков. Каждый такой волосок
представляет собой тонкий, удлиненный боковой отросток, отходящий от
поверхности клетки корня и сильно увеличивающий поглощающую
поверхность. Был проведен опыт. Растения озимой ржи выращивали по
одному экземпляру в ящиках площадью 30 квадратных сантиметров и
глубиной 50 сантиметров. Спустя месяц осторожно отмыли всю почву и
подсчитали число корней. Длина всех корней одного растения составила
625 километров, а их поверхность - 285 квадратных метров! Общее число
корневых волосков достигало 14 миллиардов, их общая длина - 10 тысяч
километров, а площадь их поверхности - 400 квадратных метров. Подобный
феномен возможен, конечно, лишь в идеальных условиях. В поле, где
растения расположены очень густо, длина корней одного растения не
превышает обычно одного километра.
Корневые волоски проникают в самые мелкие трещины почвы и, обнаружив
хоть немного влаги, поглощают ее.
Вода попадает в клеточку корневого волоска благодаря явлению осмоса,
механизм которого раскрыл в прошлом веке французский физик Рене
Дютроше. Этот простой опыт можно поставить самим. Надо взять стеклянную
воронку, широкий конец ее обтянуть полупроницаемой перепонкой -
кусочком пергаментной бумаги или животного пузыря и наполнить сильно
концентрированным раствором сахара, лучше подкрашенным фруктовым
сиропом. На другую часть воронки надеть резиновую трубку, а в нее
вставить длинную стеклянную трубку. Широким концом ворону надо опустить
в воду. Сконструированный таким образом прибор называется осмометром.
Уже на следующий день мы увидим, что вода прошла через перегородку и
поднялась по отводной трубке воронки. Внутри нее возникло давление,
именуемое осмотическим, которое и подняло воду в трубке.
Полупроницаемость перепонки заключается в том, что она пропускает
только молекулы воды. Молекулам глюкозы и других растворенных веществ
"выход воспрещен".
Рис.1. Демонстрация осмоса.
По этому же принципу вода проникает в корневой волосок, поскольку
концентрация клеточного сока у корневого волоска, как правило, выше,
чем у почвенного раствора. Клеточная стенка свободно пропускает воду,
но прилегающая к ней плазмалемма, окружающая цитоплазму, полупроницаема
и задерживает растворенные вещества. Устанавливается односторонний ток,
при котором вода непрерывно поступает в растение. Клетки, расположенные
ближе к центру корня, в отличие от периферийных клеток содержат
концентрированные растворы глюкозы и других органических веществ.
Поэтому и осмотическая сила возрастает по мере удаления от корневых
волосков к центру корня. Вода, таким образом, постоянно передвигается
из клетки в клетку, пока не попадает в конце концов в сосуды древесины
корня, а потом и стебля.
