Biológia a majorok számára II

A növények fenomenális hidraulikus mérnökök. Csak a fizika alaptörvényeit és a potenciális energia egyszerű manipulálását alkalmazva a növények vizet vihetnek a 116 méter magas fa tetejére (1a. Ábra). A növények hidraulika segítségével is képesek elegendő erő létrehozására a kőzetek hasításához és a járdák csatolásához (1b. Ábra). A növények ezt a vízpotenciál miatt érik el.

1. ábra 116 méteres magassággal ( ) a tengerparti vörösfák (Sequoia sempervirens) a legmagasabb fák a világon. A növényi gyökerek könnyen elegendő erőt képesek előállítani (b) a beton járdák felcsatolásához és betöréséhez, ami a lakástulajdonosok és a városfenntartási osztályok legnagyobb megdöbbenésére szolgál. (kredit: a munka módosítása: Bernt Rostad; kredit: b: a munkavégzés módosítása a vezetőket oktató gyalogosok számára a Safety, Inc.-ről)

A vízpotenciál a vízben lévő potenciális energia mértéke. A növényfiziológusokat nem egy adott vizes rendszer energiája érdekli, hanem a két rendszer közötti vízmozgás. Gyakorlati szempontból tehát a vízpotenciál az adott vízminta és a tiszta víz (légköri nyomáson és környezeti hőmérsékleten) potenciális energiájának különbsége. A vízpotenciált görög letter (psi) betűvel jelöljük, és megapascálnak (MPa) nevezett nyomásegységekben (a nyomás az energia egy formája) fejezzük ki. A tiszta víz (Ψ tiszta H2O) potenciálját a definíció kényelme miatt nulla értéknek nevezzük (bár a tiszta víz rengeteg potenciális energiát tartalmaz, ezt az energiát figyelmen kívül hagyják). A növényi gyökérben, szárban vagy levélben lévő víz vízpotenciál-értékeit ezért a Ψ tiszta H2O-hoz viszonyítva fejezzük ki.

A növényi oldatok vízpotenciálját az oldott anyag koncentrációja, nyomása, gravitációja és a mátrixnak nevezett tényezők befolyásolják. hatások. A vízpotenciál a következő egyenlet segítségével bontható fel az egyes komponenseire:

Ψsystem = Ψtotal = Ψs + Ψp + Ψg + Ψm

ahol A Ψs, Ψp, Ψg és Ψm az oldott anyag, a nyomás, a gravitáció és a mátrix potenciáljára utal. A “rendszer” utalhat a talajvíz (talaj), gyökérvíz (gyökér), szárvíz (szár), levélvíz (levél) vagy a légkörben lévő víz (légkör) vízpotenciáljára: amelyik vizes rendszert figyelembe veszik Az egyes alkatrészek változásával emelik vagy csökkentik a rendszer teljes vízpotenciálját. Amikor ez megtörténik, a víz egyensúlyba lép, és a magasabb vízpotenciállal rendelkező rendszerből vagy rekeszből a kisebb vízpotenciállal rendelkező rendszerbe vagy rekeszbe mozog. Ez a két rendszer (ΔΨ) vízpotenciáljának különbségét nullára visszaveti (Δ back = 0). Ezért ahhoz, hogy a víz a növényen keresztül a talajból a levegőbe áramoljon (ezt az eljárást transzpirációnak nevezzük), a Ψtalajnak > Ψroot > Ψstem > Ψleaf > Ψatmoszféra .

A víz csak a ΔΨ-ra reagál, nem az egyes komponensekre reagálva, hanem azért, mert az egyes komponensek befolyásolják a teljes A rendszer az egyes komponensek (különösen a Ψs) manipulálásával szabályozhatja a víz mozgását.

Oldott anyag potenciál

Az oldott potenciál (Ψs), más néven ozmotikus potenciál negatív egy növényi sejt és nulla desztillált vízben. A sejt citoplazma tipikus értéke –0,5–1,0 MPa. Az oldott anyagok csökkentik a vízpotenciált (ami negatív Ψw-t eredményez), mivel a vízben rendelkezésre álló potenciális energia egy részét felemésztik. Az oldott molekulák feloldódhatnak a vízben, mert a vízmolekulák hidrogénkötések útján kötődhetnek hozzájuk; egy olyan hidrofób molekula, mint az olaj, amely nem képes megkötődni a vízzel, nem mehet oldatba. Az oldott molekulák és a víz közötti hidrogénkötések energiája már nem áll rendelkezésre a rendszerben végzett munkához, mert meg van kötve a kötésben. Más szavakkal, a rendelkezésre álló potenciális energia mennyisége csökken, ha oldott anyagokat adunk egy vizes rendszerhez. Így az sols az oldott anyag koncentrációjának növekedésével csökken. Mivel a Ψs a rendszer négy összetevőjének vagy a Ψösszegnek egyike, a decreases csökkenése a Ψösszeg csökkenését fogja okozni. A növényi sejt belső vízpotenciálja a citoplazma magas oldott anyag tartalma miatt negatívabb, mint a tiszta víz (2. ábra). A vízpotenciál ezen különbsége miatt a víz az ozmózis folyamán a talajból a növény gyökérsejtjeibe kerül. Ezért nevezik az oldott anyag potenciálját ozmotikus potenciálnak.

A növényi sejtek anyagcserével manipulálhatják az Ψ-ket (és kiterjesztve a Ψösszeget) az oldott molekulák hozzáadásával vagy eltávolításával. Ezért a növények az Ψösszeg felett uralkodnak azáltal, hogy képesek metabolikusan uralkodni a over felett.

2. ábra .Egy féligáteresztő membrán két vizes rendszer között

A 2. ábrán a víz a nagyobb potenciállal rendelkező régióból az alacsonyabb vízpotenciálig mozog, amíg el nem éri az egyensúlyt. Az oldott anyagok (Ψs), a nyomás (Ψp) és a gravitáció (Ψg) befolyásolják a teljes vízpotenciált a cső mindkét oldalán (rightösszesen jobbra vagy balra), és ezért az ,összeg mindkét oldalon (ΔΨ) közötti különbséget. (Ψm, a víz és a szilárd szubsztrátok kölcsönhatásából adódó potenciált ebben a példában figyelmen kívül hagyják, mert az üveg nem különösebben hidrofil). A víz két rendszer (a cső bal és jobb oldala) közötti vízpotenciál különbségére reagálva mozog.

Nyomáspotenciál

A nyomáspotenciál (Ψp), más néven turgorpotenciál, lehet pozitív vagy negatív (2. ábra). Mivel a nyomás az energia kifejeződése, minél nagyobb a nyomás, annál több potenciális energia van egy rendszerben, és fordítva. Ezért a pozitív Ψp (kompresszió) növeli az Ψösszeget, a negatív Ψp (feszültség) pedig Ψösszeget. A sejteken belüli pozitív nyomást a sejtfal tartja fenn, turgor nyomást produkálva. A nyomási potenciál jellemzően 0,6–0,8 MPa körül van, de jól öntözött üzemben elérheti az 1,5 MPa-t is. 1,5 MPa Ψp értéke 210 font / négyzet hüvelyk (1,5 MPa x 140 lb in-2 MPa-1 = 210 lb / in-2). Összehasonlításképpen: a legtöbb gumiabroncsot 30–34 psi nyomáson tartják. A turgor nyomás hatására példa a levelek hervadása és helyreállítása a növény öntözése után (3. ábra). Víz elveszik a levelekből a belégzés útján (a hervadási pontnál megközelíti a Ψp = 0 MPa-t), és a gyökereken keresztül történő felvétel útján helyreállítja. ozmózis. Ha egy növényi sejt növeli a citoplazmatikus oldott anyag koncentrációját, akkor a Ψs csökken, az Ψösszeg csökken, a sejt és a környező szövet közötti ΔΨ csökken, a víz ozmózis révén a sejtbe költözik, és a Ψp növekszik. A Ψp szintén közvetett növényi irányítás alatt áll a sztómák nyitása és bezárása révén. A sztómás nyílások lehetővé teszik a víz elpárologtatását a levélből, csökkentve a levél Ψp és Ψösszegét, és növelve az ii értéket a levélben lévő víz és a levélnyél között, ezáltal lehetővé téve a víz áramlását a levélnyélből a levélbe. “9673f7d3bc”>

3. ábra és a növény hervad. Amikor (b) a teljes vízpotenciál nagyobb a növényi sejteken kívül, mint belül, a víz elmozdul a sejtekbe, ami turgornyomást (Ψp) eredményez és a növény egyenesen marad. (beszámoló: Victor M. Vicente Selvas munkájának módosítása)

Gravitációs potenciál

A gravitációs potenciál (Ψg) mindig nulla negatív egy magasság nélküli üzemben. Mindig eltávolítja vagy elfogyasztja a potenciális energiát a rendszerből. A gravitációs erő a vizet lefelé húzza a talajig, csökkentve a növény vízében lévő potenciális energia teljes mennyiségét (Ψösszesen). Minél magasabb a növény, annál magasabb a vízoszlop, és annál nagyobb hatással lesz Ψg. Sejtszinten és rövid növényekben ez a hatás elhanyagolható és könnyen figyelmen kívül hagyható. Azonban egy magas fa magasságában, mint egy óriási parti vörösfenyő, a –0,1 MPa m-1 gravitációs húzás egyenértékű egy további 1 MPa ellenállással, amelyet le kell győzni, hogy a víz elérje a legmagasabb fák leveleit. A növények nem képesek manipulálni a Ψg-t.

Mátrixpotenciál

A mátrixpotenciál (Ψm) mindig negatív nullára. Száraz rendszerben száraz magban –2 MPa lehet, vízzel telített rendszerben pedig nulla. A víz mátrixhoz való kötése mindig eltávolítja vagy elfogyasztja a potenciális energiát a rendszerből. A Ψm hasonló az oldott anyag potenciáljához, mert magában foglalja az energia vizes rendszerben történő megkötését hidrogénkötések kialakításával a víz és más alkatrészek között. Oldott potenciálban azonban a többi komponens oldható, hidrofil oldott molekula, míg Ψm-ben a többi komponens a növény sejtfalának oldhatatlan, hidrofil molekulája. Minden növényi sejtnek van cellulózsejtfala, és a sejtfalakban lévő cellulóz hidrofil, mátrixot hoz létre a víz tapadásához: innen származik a mátrixpotenciál neve. A Ψm nagyon nagy (negatív) a száraz szövetekben, például magvakban vagy aszályos talajokban. Azonban gyorsan nullára megy, amikor a mag vizet vesz fel, vagy a talaj hidratálódik.A növény nem manipulálhatja a növényt, és általában figyelmen kívül hagyja a jól öntözött gyökerekben, szárakban és levelekben.

Hozzájárulás!

Javítsa ezt az oldaltTovábbi információ