Морозов А.Н.

Лекция 7. Как устроен "насос", который перекачивает воду из почвы в атмосферу через растение?

Для нужд своего потребления растения транспортируют влагу, всасываемую корнями по своим "водопроводным системам" к листьям - фабрикам органических веществ.

Растения нашей климатической зоны очень интересно используют для транспорта воды энергию солнца.

Если воздух, окружающий листья растения нагрет солнцем и имеет дефицит влаги, то вода начинает испаряться из листьев через специальные устьица. Это вызывает как бы вакуум (всасывание) в клетках листа и в проводящей системе сосудов плоть до корней. Плёнки воды в клетках листьев и проводящих сосудах по мере затрат воды на испарение утоньшаются. Стремясь заместить испарившуюся воду, влага от толстых, слабосвязанных с тканями растения плёнок в сосудах корней движется в растении к листьям.

Растение, одновременно снабжает себя элементами питания, поступающими с водой из почвы, и защищается, таким образом, от перегрева, так как при испарении 1 г. воды тратится энергия солнца в размере от 569 до 591,7 калорий, (в диапазоне температур от +50 до +10С ) которая иначе бы нагрела листья до недопустимой для их жизни температуры.

Вы наверное слышали, что существует метод охлаждения продуктов, напитков и даже кондиционирования воздуха с помощью испарения воды? Наверняка не раз, в жаркое время года, если недоступен холодильник, вы оборачивали бутылку с пивом мокрой тканью и выставляли её в тень на ветерок?

Древнейший способ охлаждения воды, которым многим возможно приходилось пользоваться - налить её в неглазурованный керамический кувшин и поставить на ветерок. Что происходит при этом? Вода через поры смачивает поверхность кувшина и испаряется. При испарении она отнимается тепло у стенок кувшина и температура воды находящейся в кувшине довольно быстро понижается на несколько градусов, делая её приятной для питья.
Автор своими глазами видел технологию изготовления подобных кувшинов в Каршинской степи в поселках Касьби, Касан и других местах. На рисунке 7.1 Вы можете увидеть, как выглядят такие кувшины.

Рисунок 7.1. Мастерская по изготовлению кувшинов для хранения воды.

Но как вода попадает в растение? Ведь её должны "добыть", отобрать у почвы корни. Они это делают через микроскопически малые корневые волоски. Поверхность корневых волосков представляет собой хитро устроенную полупроницаемую мембрану, которая наружу не пропускает клеточный сок, содержащий органические вещества, сахара и растворы солей, но зато пропускает внутрь чистую воду с теми солями, которые нужны растению. Этот процесс вызывает повышение давления в сосудах корневой системы, а возникающее давление называется осмотическим. Что при этом происходит, хорошо демонстрирует рисунок 7.2. Давление, которое возникает при этом в сосудах корней, обеспечивает выход воды в проводящие сосуды надземной части растения.

 

 

 

 

Рисунок 7.2. Простейший опыт, демонстрирующий возникновение осмотического давления. В банку с чистой водой помещают воронку с длиной трубкой. Снизу воронка закрыта полупроницаемой мембраной, а в неё налит подкрашеный раствор сахара (верхний рисунок). Раствор сахара не может проникнуть из воронки в банку с водой, а вода через мембрану проникает в воронку и раствор сахара начинает увеличиваться в объёме до тех пор, пока внутренне давление столба сахарного раствора не уравновесит стремление воды проникнуть внутрь воронки и разбавить концентрацию сахарного сиропа (нижний рисунок).
(Рисунок заимствован из книги Ф.Вента "В мире растений").

 

На рисунке 7.3 схематически показаны пути воды от почвы, где её всасывают корневые волоски до листьев, которые её испаряют в атмосферу.

 

 

 

 

 

Рисунок 7.3. В самом верху схематично показан лист в поперечном разрезе при очень большом увеличении. Верхний слой листа состоит из "рабочих" клеток, синтезирующих органические вещества, нижний занят клетками, в основном испаряющими влагу и поглощающими углекислый газ. Ниже показан тот же лист, но почти в натуральную величину, испаряющий влагу, которая доставляется по сосудам ствола из корней. Ещё ниже показана корневая система, удерживающая растение в почве, и снабжающая его влагой, а в самом низу показана частичка корня с корневыми волосками, которые "гоняются" за почвенной влагой и засасывают её в корни. (Рисунок заимствован из книги Ф.Вента "В мире растений").

 

 

Далее, на рисунках 7.4 и 7.5 схематически показано, под действием каких перепадов давлений работает механизм по перекачке почвенной воды.

 

 

 

Рисунок 7.4. На этом рисунке в условных единицах (атмосферах) показаны значения давления влаги в разных частях системы "атмосфера-растение-почва" от влаги удерживаемой почвой (0…-4), через корни (-1…-6), сосуды (-6…- 10) к листьям (-10…-17) и воздуха в летнюю жару (до -1000). (Единицы измерения названы условными потому, что давлений мене -1 атм. не бывает, но это рассчитанные эквивалентные значения, наглядно демонстрирующие, какие силы увлекают и поднимают влагу через растение).

 

 

А что произойдёт, когда влаги в почве станет недостаточно, чтобы удовлетворить ненасытное летнее солнце? Сначала растение всеми "силами" будет стремиться предотвратить свою гибель, для чего закроет специальные устьица на листьях, при этом оно начнёт перегреваться в жаркие часы, "опускать уши" от потери тургора , но при этом ещё несколько дней может просуществовать, сбрасывая цветы, завязи и "стараясь" быстрее завершить созревание оставшихся плодов.
На рисунке 7.5 мы условно нарисовали, как это выглядит для хлопчатника - культуры далеко не влаголюбивой и выдерживающей достаточно жёсткие условия произрастания.

 

 

 

 

Рисунок 7.5. "Предсмертное" состояние хлопчатника в дневное время. Оно наступает, когда давление влаги в почве зашкаливает за - 6…-8 атм. Растения сбрасывают плодоэлементы, всё хуже восстанавливают за ночь тургор, и, в конце концов, погибают, если не пройдёт дождь, или не произвести полив.

 

 

 

Теперь попробуем внимательно рассмотреть очень интересный и наглядный рисунок, на котором графически показано, как взаимодействует система почва - растение, что происходит за несколько суток в период от момента полной обеспеченности влагой до момента почти полной гибели растения от недостатка влаги. На рисунке 7.7 показаны три совмещённых графика, демонстрирующие как постепенно, день за днём, ночь за ночью, по мере расходования почвенной влаги на суммарное испарение падает, давление почвенной влаги (верхняя сплошная плавно падающая коричневая линия). Вторая (прерывистая оранжевая линия) показывает как в течение каждых следующих суток меняется давление в корнях растения. Оно падает днём, и восстанавливается до уровня давления почвенной влаги за ночь. Третья (сплошная зелёная линия) показывает, как день за днём листья "пытаются" создать всё больший перепад давления, чтобы обеспечить растения влагой, то есть, всосать остатки почвенной влаги, которые день ото дня, по мере иссушения почвы, всё сильнее удерживаются ей.
Финал наступает тогда, когда листья уже не в состоянии что-либо высосать через корни из почвы. (Знак на шкале - минус, так как давление имеет отрицательный знак).

 

 

Рисунок 7.7. Временной ход изменений давления в листьях, на поверхности корней и в почве.

Вертикальные полосы, окрашенные серым цветом - ночные часы. (Сделан по "мотивам" рисунка из книги Р.Слейчера "Водный режим растений").

 

 

 

 

Как связаться с нами

Вернуться на главную страницу

Вернуться к содержанию раздела