전공을위한 생물학 II (한국어)

식물은 경이로운 유압 엔지니어입니다. 기본 물리학 법칙과 간단한 위치 에너지 조작 만 사용하면 식물은 116 미터 높이의 나무 꼭대기까지 물을 이동할 수 있습니다 (그림 1a). 공장은 또한 수력 학을 사용하여 바위를 분할하고 보도를 버클 링 할 수있는 충분한 힘을 생성 할 수 있습니다 (그림 1b). 식물은 잠재적 인 물 때문에이를 달성합니다.

그림 1. 높이가 116 미터에 가까울 때 (a ) 해안 삼나무 (Sequoia sempervirens)는 세계에서 가장 높은 나무입니다. 식물 뿌리는 (b) 콘크리트 보도를 구부리고 부수기에 충분한 힘을 쉽게 생성 할 수 있으며, 이는 주택 소유자와 도시 유지 관리 부서의 당황스러운 일입니다. (크레딧 a : Bernt Rostad에 의한 작업 수정, 크레딧 b : 안전에 대한 운전자 교육 운전자에 의한 작업 수정, Inc.)

수위는 물의 잠재적 에너지를 측정합니다. 식물 생리 학자들은 특정 수성 시스템의 에너지에 관심이 없지만 두 시스템 간의 물 이동에 매우 관심이 있습니다. 따라서 실제 용어에서 물 전위는 주어진 물 샘플과 순수한 물 (대기압 및 주변 온도에서) 사이의 위치 에너지 차이입니다. 물 잠재력은 그리스 문자 ψ (psi)로 표시되며 메가 파스칼 (MPa)이라고하는 압력 단위 (압력은 에너지의 한 형태)로 표시됩니다. 순수한 물의 잠재력 (Ψwpure H2O)은 정의상 편의상 0 값으로 지정됩니다 (순수한 물에 충분한 위치 에너지가 포함되어 있더라도 해당 에너지는 무시 됨). 따라서 식물 뿌리, 줄기 또는 잎에있는 물의 물 잠재력 값은 Ψwpure H2O를 기준으로 표현됩니다.

식물 용액의 물 잠재력은 용질 농도, 압력, 중력 및 매트릭스라고하는 요인의 영향을받습니다. 효과. 물 잠재력은 다음 방정식을 사용하여 개별 구성 요소로 나눌 수 있습니다.

Ψsystem = Ψtotal = Ψs + Ψp + Ψg + Ψm

여기서 Ψs, Ψp, Ψg 및 Ψm은 각각 용질, 압력, 중력 및 모체 전위를 나타냅니다. “시스템”은 토양 수 (Ψ 토양), 뿌리 수 (Ψ 뿌리), 줄기 수 (Ψstem), 잎수 (Ψ 잎) 또는 대기 중 물 (Ψ 대기)의 물 잠재력을 나타낼 수 있습니다. . 개별 구성 요소가 변경됨에 따라 시스템의 총 물 잠재력을 높이거나 낮 춥니 다.이 경우 물이 평형 상태로 이동하여 물 잠재력이 높은 시스템 또는 구획에서 물 잠재력이 낮은 시스템 또는 구획으로 이동합니다. 이로 인해 두 시스템 (ΔΨ) 간의 물 전위차가 다시 0 (ΔΨ = 0)으로 돌아옵니다. 따라서 물이 식물을 통해 토양에서 공기로 이동하려면 (증산이라고하는 과정), Ψ 토양은 > Ψroot > Ψstem > Ψleaf > Ψatmosphere .

물은 개별 구성 요소에 대한 응답이 아니라 ΔΨ에 대한 응답으로 만 이동합니다. 그러나 개별 구성 요소가 총계에 영향을 미치기 때문입니다. Ψ 시스템은 개별 구성 요소 (특히 Ψ)를 조작하여 식물이 물의 움직임을 제어 할 수 있습니다.

용질 전위

삼투 전위라고도하는 용질 전위 (Ψ)는 식물 세포와 증류수에서 0. 세포질의 일반적인 값은 –0.5 ~ –1.0 MPa입니다. 용질은 물에서 사용할 수있는 잠재적 인 에너지의 일부를 소비하여 물의 잠재력을 감소시킵니다 (결과적으로 음의 Ψw). 용질 분자는 물 분자가 수소 결합을 통해 결합 할 수 있기 때문에 물에 용해 될 수 있습니다. 물에 결합 할 수없는 기름과 같은 소수성 분자는 용액에 들어갈 수 없습니다. 용질 분자와 물 사이의 수소 결합 에너지는 결합에 묶여 있기 때문에 더 이상 시스템에서 작동하는 데 사용할 수 없습니다. 즉, 용질이 수성 시스템에 추가되면 사용 가능한 위치 에너지의 양이 감소합니다. 따라서 Ψs는 용질 농도가 증가함에 따라 감소합니다. Ψ는 Ψsystem 또는 Ψtotal의 네 가지 구성 요소 중 하나이므로 Ψ가 감소하면 Ψtotal이 감소합니다. 식물 세포의 내부 수분 잠재력은 세포질의 높은 용질 함량으로 인해 순수한 물보다 음수입니다 (그림 2). 물의 잠재적 인 차이 때문에 물은 삼투 과정을 통해 토양에서 식물의 뿌리 세포로 이동합니다. 이것이 용질 전위를 때때로 삼투 전위라고 부르는 이유입니다.

식물 세포는 용질 분자를 추가하거나 제거하여 Ψ를 대사 적으로 조작 할 수 있습니다. 따라서 식물은 Ψ에 대한 대사 제어를 발휘하는 능력을 통해 Ψtotal을 제어 할 수 있습니다.

그림 2 .두 수성 시스템 사이의 반투과성 막

그림 2에서 물은 평형에 도달 할 때까지 더 높은 수위 영역에서 더 낮은 수위 영역으로 이동합니다. 용질 (Ψs), 압력 (Ψp) 및 중력 (Ψg)은 튜브의 각 측면 (Ψ 전체 오른쪽 또는 왼쪽)의 총 물 잠재력에 영향을 미치므로 각 측면의 Ψtotal 간의 차이 (ΔΨ)에 영향을 미칩니다. (이 예에서는 유리가 특히 친수성이 아니기 때문에 물과 고체 기질의 상호 작용으로 인한 잠재적 인 Ψm은 무시됩니다). 물은 두 시스템 (튜브의 왼쪽과 오른쪽) 사이의 수위 차이에 따라 움직입니다.

압력 전위

터거 전위라고도하는 압력 전위 (Ψp)는 양수 또는 음수 일 수 있습니다 (그림 2). 압력은 에너지의 표현이기 때문에 압력이 높을수록 시스템의 위치 에너지가 더 많으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 양의 Ψp (압축)은 Ψtotal을 증가시키고 음의 Ψp (긴장)은 Ψtotal을 감소시킵니다. 세포 내부의 양압은 세포벽에 포함되어 터거 압력을 생성합니다. 압력 포텐셜은 일반적으로 약 0.6–0.8 MPa이지만 물이 많은 식물에서는 1.5 MPa까지 도달 할 수 있습니다. 1.5MPa의 Ψp는 평방 인치당 210 파운드 (1.5MPa x 140lb in-2 MPa-1 = 210lb / in-2)에 해당합니다. 비교해 보면, 대부분의 자동차 타이어는 30–34 psi의 압력으로 유지됩니다. 터거 압력의 영향의 예는 잎이 시들고 식물에 물을 뿌린 후 복원하는 것입니다 (그림 3). 수분은 증산을 통해 잎에서 손실되고 (시들 지점에서 Ψp = 0 MPa에 접근) 뿌리를 통한 흡수에 의해 복원됩니다.

식물은 Ψ를 조작하는 능력과 다음과 같은 과정을 통해 Ψp를 조작 할 수 있습니다. 삼투. 식물 세포가 세포질 용질 농도를 증가 시키면 Ψs는 감소하고 Ψtotal은 감소하며 세포와 주변 조직 사이의 ΔΨ는 감소하고 물은 삼투에 의해 세포로 이동하고 Ψp는 증가합니다. Ψp는 또한 기공의 개폐를 통해 간접 식물 제어를받습니다. Stomatal 개구부를 통해 잎에서 물이 증발하여 잎의 Ψp 및 Ψtotal을 줄이고 잎의 물과 잎자루 사이의 ii를 증가시켜 잎자루에서 잎으로 물이 흐르도록합니다.

그림 3. (a) 총 물 전위 (Ψtotal)가 세포 내부보다 세포 외부에서 낮을 때 물이 세포 밖으로 이동합니다. 그리고 식물은 시들다. (b) 총 물 잠재력이 식물 세포 외부에서 내부보다 높으면 물이 세포로 이동하여 터거 압력 (Ψp)이 발생하고 식물이 똑바로 유지됩니다. (출처 : Victor M. Vicente Selvas의 작업 수정)

Gravity Potential

Gravity potential (Ψg)은 높이가없는 식물에서 항상 음의 값입니다. 항상 시스템에서 잠재적 에너지를 제거하거나 소비합니다. 중력은 물을 토양으로 끌어 내려 식물의 물에있는 총 잠재 에너지 양 (Ψtotal)을 줄입니다. 식물이 클수록 물기둥이 커지고 Ψg가 더 영향력이 커집니다. 세포 규모와 짧은 식물에서이 효과는 무시할 수 있으며 쉽게 무시됩니다. 그러나 거대한 해안 삼나무와 같은 키가 큰 나무의 높이에서 –0.1 MPa m-1의 중력은 물이 가장 큰 나무의 잎에 도달하기 위해 극복해야하는 추가 1 MPa 저항에 해당합니다. 식물은 Ψg를 조작 할 수 없습니다.

Matric Potential

Matric Potential (Ψm)은 항상 0에서 음수입니다. 건조 시스템에서는 건조 종자에서 –2 MPa까지 낮을 수 있으며 물이 포화 된 시스템에서는 0입니다. 물이 매트릭스에 결합하면 항상 시스템에서 잠재적 에너지를 제거하거나 소비합니다. Ψm은 물과 다른 성분 사이에 수소 결합을 형성하여 수계 시스템에서 에너지를 묶는 것을 포함하기 때문에 용질 전위와 유사합니다. 그러나 용질 전위에서 다른 성분은 수용성 친수성 용질 분자 인 반면, Ψm에서 다른 성분은 식물 세포벽의 불용성 친수성 분자입니다. 모든 식물 세포에는 셀룰로오스 세포벽이 있고 세포벽의 셀룰로오스는 친수성이므로 물의 부착을위한 매트릭스를 생성합니다. Ψm은 씨앗이나 가뭄에 영향을받은 토양과 같은 건조한 조직에서 매우 큽니다 (음수). 그러나 씨앗이 물을 흡수하거나 토양이 수화됨에 따라 빠르게 0이됩니다.Ψm은 식물에 의해 조작 될 수 없으며 일반적으로 물을 많이받은 뿌리, 줄기 및 잎에서 무시됩니다.

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