Resultados de aprendizagem
- Descreva como o potencial da água influencia como a água é transportada nas plantas
As fábricas são engenheiros hidráulicos fenomenais. Usando apenas as leis básicas da física e a simples manipulação da energia potencial, as plantas podem mover a água para o topo de uma árvore de 116 metros de altura (Figura 1a). As plantas também podem usar a hidráulica para gerar força suficiente para rachar pedras e entortar calçadas (Figura 1b). As plantas conseguem isso por causa do potencial de água.
Figura 1. Com alturas de quase 116 metros, (a ) as sequoias costeiras (Sequoia sempervirens) são as árvores mais altas do mundo. As raízes das plantas podem facilmente gerar força suficiente para (b) entortar e quebrar calçadas de concreto, para desespero dos proprietários e departamentos de manutenção da cidade. (crédito a: modificação do trabalho de Bernt Rostad; crédito b: modificação do trabalho de Pedestrians Educating Drivers on Safety, Inc.)
O potencial hídrico é uma medida do potencial de energia na água. Os fisiologistas de plantas não estão interessados na energia de nenhum sistema aquoso em particular, mas estão muito interessados no movimento da água entre dois sistemas. Em termos práticos, portanto, o potencial da água é a diferença em energia potencial entre uma dada amostra de água e a água pura (à pressão atmosférica e à temperatura ambiente). O potencial da água é denotado pela letra grega ψ (psi) e é expresso em unidades de pressão (a pressão é uma forma de energia) chamadas megapascais (MPa). O potencial da água pura (ΨH2O puro) é, por conveniência de definição, designado como valor zero (embora a água pura contenha muita energia potencial, essa energia é ignorada). Os valores do potencial hídrico para a água na raiz, caule ou folha de uma planta são, portanto, expressos em relação a ΨH2O puro.
O potencial hídrico em soluções de plantas é influenciado pela concentração de soluto, pressão, gravidade e fatores chamados matriz efeitos. O potencial da água pode ser dividido em seus componentes individuais usando a seguinte equação:
Ψsystem = Ψtotal = Ψs + Ψp + Ψg + Ψm
onde Ψs, Ψp, Ψg e Ψm referem-se aos potenciais de soluto, pressão, gravidade e matricial, respectivamente. “Sistema” pode se referir ao potencial hídrico da água do solo (Ψsoil), água da raiz (Ψroot), água do tronco (Ψstem), água da folha (Ψleaf) ou da água na atmosfera (Ψatmosphere): qualquer sistema aquoso que estiver sendo considerado À medida que os componentes individuais mudam, eles aumentam ou diminuem o potencial hídrico total de um sistema.Quando isso acontece, a água se move para se equilibrar, passando do sistema ou compartimento com maior potencial hídrico para o sistema ou compartimento com menor potencial hídrico. Isso traz a diferença no potencial da água entre os dois sistemas (ΔΨ) de volta a zero (ΔΨ = 0). Portanto, para a água se mover através da planta do solo para o ar (um processo chamado transpiração), o solo deve ser > Ψroot > Ψstem > Ψleaf > Ψatmosfera .
A água só se move em resposta a ΔΨ, não em resposta aos componentes individuais. No entanto, porque os componentes individuais influenciam o total Ψsistema, ao manipular os componentes individuais (especialmente Ψs), uma planta pode controlar o movimento da água.
Potencial de soluto
O potencial de soluto (Ψs), também chamado de potencial osmótico, é negativo em um célula vegetal e zero em água destilada. Os valores típicos para o citoplasma celular são –0,5 a –1,0 MPa. Os solutos reduzem o potencial da água (resultando em um Ψw negativo) ao consumir parte da energia potencial disponível na água. As moléculas de soluto podem se dissolver na água porque as moléculas de água podem se ligar a elas por meio de ligações de hidrogênio; uma molécula hidrofóbica como o óleo, que não pode se ligar à água, não pode entrar em solução. A energia nas ligações de hidrogênio entre as moléculas de soluto e a água não está mais disponível para funcionar no sistema porque está ligada à ligação. Em outras palavras, a quantidade de energia potencial disponível é reduzida quando os solutos são adicionados a um sistema aquoso. Assim, Ψs diminui com o aumento da concentração de soluto. Como Ψs é um dos quatro componentes de Ψsistema ou Ψtotal, uma diminuição em Ψs causará uma diminuição em Ψtotal. O potencial interno de água de uma célula vegetal é mais negativo do que a água pura por causa do alto teor de soluto do citoplasma (Figura 2). Por causa dessa diferença no potencial da água, a água se moverá do solo para as células da raiz da planta por meio do processo de osmose. É por isso que o potencial de soluto às vezes é chamado de potencial osmótico.
As células vegetais podem manipular Ψs metabolicamente (e, por extensão, Ψtotal) adicionando ou removendo moléculas de soluto. Portanto, as plantas têm controle sobre Ψtotal por meio de sua capacidade de exercer controle metabólico sobre Ψs.
Figura 2 .Uma membrana semipermeável entre dois sistemas aquosos
Na Figura 2, a água se moverá de uma região de maior potencial para a menor até que o equilíbrio seja alcançado. Solutos (Ψs), pressão (Ψp) e gravidade (Ψg) influenciam o potencial total da água para cada lado do tubo (tubetotal direito ou esquerdo) e, portanto, a diferença entre Ψtotal em cada lado (ΨΨ). (Ψm, o potencial devido à interação da água com substratos sólidos, é ignorado neste exemplo porque o vidro não é especialmente hidrofílico). A água se move em resposta à diferença no potencial da água entre dois sistemas (os lados esquerdo e direito do tubo).
Pergunta prática
O potencial positivo da água é colocado no lado esquerdo do tubo aumentando Ψp de modo que o nível da água suba no lado direito. Você poderia equalizar o nível de água em cada lado do tubo adicionando soluto e, em caso afirmativo, como?
Potencial de pressão
O potencial de pressão (Ψp), também chamado de potencial de turgor, pode ser positivo ou negativo (Figura 2). Como a pressão é uma expressão de energia, quanto maior a pressão, maior a energia potencial de um sistema e vice-versa. Portanto, um Ψp (compressão) positivo aumenta Ψtotal e um Ψp (tensão) negativo diminui Ψtotal. A pressão positiva dentro das células é contida pela parede celular, produzindo pressão de turgor. Potenciais de pressão são normalmente em torno de 0,6–0,8 MPa, mas podem atingir até 1,5 MPa em uma planta bem irrigada. Um Ψp de 1,5 MPa equivale a 210 libras por polegada quadrada (1,5 MPa x 140 lb em-2 MPa-1 = 210 lb / em-2). Como comparação, a maioria dos pneus de automóveis é mantida a uma pressão de 30–34 psi. Um exemplo do efeito da pressão de turgidez é o murchamento das folhas e sua restauração após a irrigação da planta (Figura 3). A água é perdida das folhas por meio da transpiração (se aproximando de Ψp = 0 MPa no ponto de murcha) e restaurada por absorção através das raízes.
Uma planta pode manipular Ψp por meio de sua capacidade de manipular Ψs e pelo processo de osmose. Se uma célula vegetal aumentar a concentração de soluto citoplasmático, Ψs diminuirá, Ψtotal diminuirá, o ΔΨ entre a célula e o tecido circundante diminuirá, a água entrará na célula por osmose e Ψp aumentará. O Ψp também está sob controle indireto da planta por meio da abertura e fechamento dos estômatos. As aberturas estomáticas permitem que a água evapore da folha, reduzindo Ψp e Ψtotal da folha e aumentando ii entre a água na folha e o pecíolo, permitindo assim que a água flua do pecíolo para a folha.
Figura 3. Quando (a) o potencial total da água (Ψtotal) é menor fora das células do que dentro, a água sai das células e a planta murcha. Quando (b) o potencial total da água é maior fora das células da planta do que dentro, a água se move para dentro das células, resultando em pressão de turgor (Ψp) e mantendo a planta ereta. (crédito: modificação do trabalho de Victor M. Vicente Selvas)
Potencial de gravidade
O potencial de gravidade (Ψg) é sempre negativo a zero em uma planta sem altura. Ele sempre remove ou consome energia potencial do sistema. A força da gravidade puxa a água para baixo, para o solo, reduzindo a quantidade total de energia potencial na água da planta (Ψtotal). Quanto mais alta a planta, mais alta é a coluna de água e mais influente Ψg se torna. Em uma escala celular e em plantas curtas, esse efeito é desprezível e facilmente ignorado. No entanto, acima da altura de uma árvore alta como uma sequóia costeira gigante, a atração gravitacional de –0,1 MPa m-1 é equivalente a 1 MPa extra de resistência que deve ser superada para que a água alcance as folhas das árvores mais altas. As plantas são incapazes de manipular Ψg.
Potencial Matric
O potencial Matric (Ψm) é sempre negativo a zero. Em um sistema seco, pode ser tão baixo quanto –2 MPa em uma semente seca e é zero em um sistema saturado de água. A ligação da água a uma matriz sempre remove ou consome energia potencial do sistema. Ψm é semelhante ao potencial de soluto porque envolve amarrar a energia em um sistema aquoso através da formação de ligações de hidrogênio entre a água e algum outro componente. No entanto, no potencial de soluto, os outros componentes são moléculas solúveis hidrofílicas, enquanto que em Ψm, os outros componentes são moléculas insolúveis e hidrofílicas da parede celular da planta. Cada célula vegetal possui uma parede celular celulósica e a celulose nas paredes celulares é hidrofílica, produzindo uma matriz de adesão de água: daí o nome potencial matricial. Ψm é muito grande (negativo) em tecidos secos, como sementes ou solos afetados pela seca. No entanto, ele rapidamente vai para zero conforme a semente absorve água ou o solo se hidrata.Ψm não pode ser manipulado pela planta e é normalmente ignorado em raízes, caules e folhas bem regados.
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