Biologie für Majors II (Deutsch)

Anlagen sind phänomenale Wasserbauingenieure. Mit nur den Grundgesetzen der Physik und der einfachen Manipulation potenzieller Energie können Pflanzen Wasser auf einen 116 Meter hohen Baum befördern (Abbildung 1a). Pflanzen können auch Hydraulik verwenden, um genügend Kraft zu erzeugen, um Steine zu spalten und Bürgersteige zu knicken (Abbildung 1b). Pflanzen erreichen dies aufgrund des Wasserpotentials.

Abbildung 1. Bei Höhen nahe 116 Metern (a ) Küstenmammutbäume (Sequoia sempervirens) sind die höchsten Bäume der Welt. Pflanzenwurzeln können leicht genug Kraft erzeugen, um (b) Beton Gehsteige zu knicken und zu brechen, sehr zum Entsetzen von Hausbesitzern und städtischen Wartungsabteilungen. (Kredit a: Änderung der Arbeit von Bernt Rostad; Kredit b: Änderung der Arbeit von Fußgängern, die Fahrer über Sicherheit informieren, Inc.)

Das Wasserpotential ist ein Maß für die potentielle Energie im Wasser. Pflanzenphysiologen interessieren sich nicht für die Energie in einem bestimmten wässrigen System, sondern sehr für die Wasserbewegung zwischen zwei Systemen. In der Praxis ist das Wasserpotential daher die Differenz der potentiellen Energie zwischen einer gegebenen Wasserprobe und reinem Wasser (bei atmosphärischem Druck und Umgebungstemperatur). Das Wasserpotential wird mit dem griechischen Buchstaben ψ (psi) bezeichnet und in Druckeinheiten (Druck ist eine Energieform) ausgedrückt, die als Megapascal (MPa) bezeichnet werden. Das Potential von reinem Wasser (pwpure H2O) wird per Definition als Wert von Null bezeichnet (obwohl reines Wasser viel potentielle Energie enthält, wird diese Energie ignoriert). Die Wasserpotentialwerte für das Wasser in einer Pflanzenwurzel, einem Stängel oder einem Blatt werden daher relativ zu reinem H2O ausgedrückt.

Das Wasserpotential in Pflanzenlösungen wird durch die Konzentration des gelösten Stoffs, den Druck, die Schwerkraft und die als Matrix bezeichneten Faktoren beeinflusst Auswirkungen. Das Wasserpotential kann unter Verwendung der folgenden Gleichung in seine einzelnen Komponenten zerlegt werden:

=system = Ψtotal = Ψs + Ψp + Ψg + Ψm

wobei Ψs, Ψp, Ψg und Ψm beziehen sich jeweils auf die Potentiale des gelösten Stoffs, des Drucks, der Schwerkraft und der Matrize. „System“ kann sich auf das Wasserpotential des Bodenwassers (Boden), des Wurzelwassers (Wurzel), des Stammwassers (Stamm), des Blattwassers (Blatt) oder des Wassers in der Atmosphäre (Atmosphäre) beziehen: je nachdem, welches wässrige System in Betracht gezogen wird Wenn sich die einzelnen Komponenten ändern, erhöhen oder senken sie das Gesamtwasserpotential eines Systems. In diesem Fall bewegt sich das Wasser zum Gleichgewicht und bewegt sich vom System oder Kompartiment mit höherem Wasserpotential zum System oder Kompartiment mit niedrigerem Wasserpotential. Dies bringt die Differenz des Wasserpotentials zwischen den beiden Systemen (ΔΨ) zurück auf Null (ΔΨ = 0). Damit Wasser durch die Pflanze vom Boden in die Luft gelangen kann (ein Prozess, der als Transpiration bezeichnet wird), muss ΨBoden > oot > tem > Ψleaf > Ψatmosphere

Wasser bewegt sich nur als Reaktion auf ΔΨ, nicht als Reaktion auf die einzelnen Komponenten. Allerdings, weil die einzelnen Komponenten die Gesamtmenge beeinflussen ΨSystem kann durch Manipulieren der einzelnen Komponenten (insbesondere der Ψs) eine Wasserbewegung steuern.

Solute Potential

Solute Potential (Ψs), auch osmotisches Potential genannt, ist in a negativ Pflanzenzelle und Null in destilliertem Wasser. Typische Werte für das Zellzytoplasma sind –0,5 bis –1,0 MPa. Gelöste Stoffe reduzieren das Wasserpotential (was zu einem negativen Ψw führt), indem sie einen Teil der im Wasser verfügbaren potentiellen Energie verbrauchen. Gelöste Moleküle können sich in Wasser lösen, weil Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken an sie binden können. Ein hydrophobes Molekül wie Öl, das sich nicht an Wasser binden kann, kann nicht in Lösung gehen. Die Energie in den Wasserstoffbrücken zwischen gelösten Molekülen und Wasser steht für die Arbeit im System nicht mehr zur Verfügung, da sie in der Bindung gebunden ist. Mit anderen Worten wird die Menge der verfügbaren potentiellen Energie verringert, wenn gelöste Stoffe zu einem wässrigen System gegeben werden. Somit nimmt Ψs mit zunehmender Konzentration des gelösten Stoffes ab. Da Ψs eine der vier Komponenten von Ψsystem oder Ψtotal ist, führt eine Verringerung von Ψs zu einer Verringerung von Ψtotal. Das innere Wasserpotential einer Pflanzenzelle ist aufgrund des hohen Gehalts an gelöstem Stoff im Zytoplasma negativer als bei reinem Wasser (Abbildung 2). Aufgrund dieses Unterschieds im Wasserpotential gelangt Wasser über den Osmoseprozess aus dem Boden in die Wurzelzellen einer Pflanze. Aus diesem Grund wird das Potential gelöster Stoffe manchmal als osmotisches Potential bezeichnet.

Pflanzenzellen können Ψs (und damit auch metaboltotal) metabolisch manipulieren, indem sie gelöste Moleküle hinzufügen oder entfernen. Daher haben Pflanzen die Kontrolle über Ψtotal über ihre Fähigkeit, eine metabolische Kontrolle über Ψs auszuüben.

Abbildung 2 .Eine semipermeable Membran zwischen zwei wässrigen Systemen

In Abbildung 2 bewegt sich Wasser von einem Bereich mit höherem zu niedrigerem Wasserpotential, bis das Gleichgewicht erreicht ist. Gelöste Stoffe (Ψs), Druck (Ψp) und Schwerkraft (Ψg) beeinflussen das Gesamtwasserpotential für jede Seite des Rohrs (insgesamt rechts oder links) und daher die Differenz zwischen insgesamt auf jeder Seite (ΔΨ). (Ψm, das Potential aufgrund der Wechselwirkung von Wasser mit festen Substraten, wird in diesem Beispiel ignoriert, da Glas nicht besonders hydrophil ist). Wasser bewegt sich als Reaktion auf die Differenz des Wasserpotentials zwischen zwei Systemen (der linken und rechten Seite des Rohrs).

Druckpotential

Das Druckpotential (Ψp), auch Turgorpotential genannt, kann positiv oder negativ sein (Abbildung 2). Da Druck ein Ausdruck von Energie ist, ist die potentielle Energie in einem System umso höher, je höher der Druck ist und umgekehrt. Daher erhöht ein positiver Ψp (Kompression) den Gesamtwert und ein negativer Ψp (Spannung) verringert den Gesamtwert. Der Überdruck in den Zellen ist in der Zellwand enthalten und erzeugt einen Turgordruck. Die Druckpotentiale liegen typischerweise bei 0,6 bis 0,8 MPa, können jedoch in einer gut bewässerten Anlage bis zu 1,5 MPa erreichen. Ein Ψp von 1,5 MPa entspricht 210 Pfund pro Quadratzoll (1,5 MPa x 140 lb in-2 MPa-1 = 210 lb / in-2). Zum Vergleich: Die meisten Autoreifen werden auf einem Druck von 30 bis 34 psi gehalten. Ein Beispiel für die Auswirkung des Turgordrucks ist das Welken der Blätter und ihre Wiederherstellung nach dem Gießen der Pflanze (Abbildung 3). Wasser geht durch Transpiration (Annäherung an Ψp = 0 MPa am Welkepunkt) aus den Blättern verloren und wird durch Aufnahme über die Wurzeln wiederhergestellt.

Eine Pflanze kann Ψp über ihre Fähigkeit zur Manipulation von Ψs und durch den Prozess von manipulieren Osmose. Wenn eine Pflanzenzelle die Konzentration an zytoplasmatischen gelösten Stoffen erhöht, nimmt Ψs ab, Ψtotal nimmt ab, das ΔΨ zwischen der Zelle und dem umgebenden Gewebe nimmt ab, Wasser bewegt sich durch Osmose in die Zelle und Ψp nimmt zu. Ψp steht auch unter indirekter Pflanzenkontrolle über das Öffnen und Schließen von Stomata. Stomatale Öffnungen lassen Wasser aus dem Blatt verdunsten, reduzieren ,p und Ψtotal des Blattes und erhöhen ii zwischen dem Wasser im Blatt und dem Blattstiel, wodurch Wasser vom Blattstiel in das Blatt fließen kann.

Abbildung 3. Wenn (a) das Gesamtwasserpotential (Ψtotal) außerhalb der Zellen niedriger ist als innerhalb, bewegt sich Wasser aus den Zellen heraus und die Pflanze welkt. Wenn (b) das Gesamtwasserpotential außerhalb der Pflanzenzellen höher ist als innerhalb, bewegt sich Wasser in die Zellen, was zu einem Turgordruck (Ψp) führt und die Pflanze aufrecht hält. (Kredit: Änderung der Arbeit von Victor M. Vicente Selvas)

Schwerkraftpotential

Das Schwerkraftpotential (Ψg) ist in einer Anlage ohne Höhe immer negativ bis Null. Es entfernt oder verbraucht immer potentielle Energie aus dem System. Die Schwerkraft zieht Wasser nach unten in den Boden und reduziert so die gesamte potenzielle Energie im Wasser der Pflanze (insgesamt). Je höher die Pflanze, desto höher die Wassersäule und desto einflussreicher wird Ψg. Im zellulären Maßstab und bei kurzen Pflanzen ist dieser Effekt vernachlässigbar und kann leicht ignoriert werden. Über die Höhe eines hohen Baumes wie eines riesigen Küstenmammutbaums entspricht die Anziehungskraft von –0,1 MPa m-1 einem zusätzlichen Widerstand von 1 MPa, der überwunden werden muss, damit Wasser die Blätter der höchsten Bäume erreicht. Pflanzen können Ψg nicht manipulieren.

Matric Potential

Matric Potential (Matm) ist immer negativ gegen Null. In einem trockenen System kann es in einem trockenen Saatgut so niedrig wie –2 MPa sein, und in einem wassergesättigten System ist es Null. Durch die Bindung von Wasser an eine Matrix wird dem System immer potenzielle Energie entzogen oder verbraucht. Ψm ähnelt dem Potential gelöster Stoffe, da dabei die Energie in einem wässrigen System durch Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen dem Wasser und einer anderen Komponente gebunden wird. Im gelösten Potential sind die anderen Komponenten jedoch lösliche, hydrophile gelöste Moleküle, während in whereasm die anderen Komponenten unlösliche, hydrophile Moleküle der Pflanzenzellwand sind. Jede Pflanzenzelle hat eine Zellwand aus Zellulose und die Zellulose in den Zellwänden ist hydrophil, wodurch eine Matrix für die Adhäsion von Wasser entsteht: daher der Name matric Potential. Drym ist in trockenen Geweben wie Samen oder von Trockenheit betroffenen Böden sehr groß (negativ). Es geht jedoch schnell auf Null, wenn der Samen Wasser oder die Bodenhydrate aufnimmt.Ich kann nicht von der Pflanze manipuliert werden und wird normalerweise in gut bewässerten Wurzeln, Stielen und Blättern ignoriert.

Beitrag!

Verbessern Sie diese Seite. Erfahren Sie mehr