Biology for Majors II (Română)

Plantele sunt ingineri hidraulici fenomenali. Folosind doar legile de bază ale fizicii și simpla manipulare a energiei potențiale, plantele pot muta apa în vârful unui copac înalt de 116 metri (Figura 1a). Plantele pot utiliza, de asemenea, sistemul hidraulic pentru a genera suficientă forță pentru a împărți pietrele și trotuarele cu cataramă (Figura 1b). Plantele realizează acest lucru datorită potențialului de apă.

Figura 1. Cu înălțimi de aproape 116 metri, (o ) sequoia de coastă (Sequoia sempervirens) sunt cei mai înalți copaci din lume. Rădăcinile plantelor pot genera cu ușurință suficientă forță pentru a (b) închide și rupe trotuarele din beton, spre disperarea proprietarilor de case și a departamentelor de întreținere ale orașelor. (credit a: modificare a lucrării de către Bernt Rostad; credit b: modificare a lucrării de către pietoni care educă șoferii în materie de siguranță, Inc.)

Potențialul apei este o măsură a energiei potențiale din apă. Fiziologii plantelor nu sunt interesați de energia unui sistem apos, ci sunt foarte interesați de mișcarea apei între două sisteme. În termeni practici, prin urmare, potențialul de apă este diferența de energie potențială între o probă de apă dată și apa pură (la presiunea atmosferică și temperatura ambiantă). Potențialul apei este notat cu litera greacă ψ (psi) și este exprimat în unități de presiune (presiunea este o formă de energie) numite megapascali (MPa). Potențialul apei pure (pwpure H2O) este, prin comoditate a definiției, desemnat o valoare zero (chiar dacă apa pură conține o mulțime de energie potențială, acea energie este ignorată). Valorile potențialului de apă pentru apa dintr-o rădăcină, tulpină sau frunză de plantă sunt, prin urmare, exprimate în raport cu ppura H2O.

Potențialul de apă din soluțiile vegetale este influențat de concentrația solutului, presiunea, gravitația și factorii numiți matrice efecte. Potențialul apei poate fi împărțit în componentele sale individuale utilizând următoarea ecuație:

Ψsystem = Ψtotal = Ψs + Ψp + Ψg + Ψm

unde Ψs, Ψp, Ψg și Ψm se referă la potențialul solut, presiune, gravitație și respectiv matricale. „Sistem” se poate referi la potențialul de apă al apei din sol (Ψpământ), apei din rădăcini (Ψ rădăcină), apei stem (Ψ trunchiului), apei din frunze (Ψ frunze) sau apei din atmosferă (Ψatmosferă): oricare dintre sistemele apoase care sunt luate în considerare Pe măsură ce componentele individuale se schimbă, ele cresc sau scad potențialul total de apă al unui sistem. Când se întâmplă acest lucru, apa se deplasează pentru a se echilibra, trecând din sistem sau compartiment cu un potențial de apă mai mare în sistem sau compartiment cu un potențial de apă mai scăzut. Acest lucru aduce diferența de potențial de apă între cele două sisteme (ΔΨ) la zero (ΔΨ = 0). Prin urmare, pentru ca apa să se deplaseze prin plantă de la sol la aer (un proces numit transpirație), Ψpământul trebuie să fie > Ψroot > Ψstem > Ψleaf > Ψatmosphere .

Apa se mișcă doar ca răspuns la ΔΨ, nu ca răspuns la componentele individuale. Totuși, deoarece componentele individuale influențează totalul Ψsistemul, prin manipularea componentelor individuale (în special Ψs), o plantă poate controla mișcarea apei.

Potențial solut

Potențial solut (Ψs), numit și potențial osmotic, este negativ într-un celula vegetală și zero în apă distilată. Valorile tipice pentru citoplasma celulară sunt –0,5 până la –1,0 MPa. Solutele reduc potențialul de apă (rezultând un Ψw negativ) consumând o parte din energia potențială disponibilă în apă. Moleculele dizolvate se pot dizolva în apă deoarece moleculele de apă se pot lega de ele prin legături de hidrogen; o moleculă hidrofobă precum uleiul, care nu se poate lega de apă, nu poate intra în soluție. Energia din legăturile de hidrogen dintre moleculele de solut și apă nu mai este disponibilă pentru a funcționa în sistem, deoarece este legată în legătură. Cu alte cuvinte, cantitatea de energie potențială disponibilă este redusă atunci când substanțele dizolvate sunt adăugate la un sistem apos. Astfel, Ψs scade odată cu creșterea concentrației solutului. Deoarece Ψs este una dintre cele patru componente ale Ψsistemului sau Ψtotal, o scădere a Ψs va determina o scădere a Ψtotalului. Potențialul de apă intern al unei celule vegetale este mai negativ decât apa pură din cauza conținutului ridicat de solut al citoplasmei (Figura 2). Datorită acestei diferențe în potențialul de apă, apa se va deplasa din sol în celulele rădăcinii unei plante prin procesul de osmoză. Acesta este motivul pentru care potențialul de solut este uneori numit potențial osmotic.

Celulele vegetale pot manipula metabolic Ψs (și prin extensie, Ψtotal) prin adăugarea sau eliminarea moleculelor de solut. Prin urmare, plantele au control asupra Ψtotalului prin capacitatea lor de a exercita control metabolic asupra Ψs.

Figura 2 .O membrană semipermeabilă între două sisteme apoase

În Figura 2, apa se va deplasa dintr-o regiune cu potențial de apă mai mare la cel mai mic până când se atinge echilibrul. Solutele (Ψs), presiunea (Ψp) și gravitația (Ψg) influențează potențialul total al apei pentru fiecare parte a tubului (Ψtotal dreapta sau stânga) și, prin urmare, diferența dintre Ψtotal pe fiecare parte (ΔΨ). (Ψm, potențialul datorat interacțiunii apei cu substraturile solide, este ignorat în acest exemplu, deoarece sticla nu este deosebit de hidrofilă). Apa se mișcă ca răspuns la diferența de potențial de apă între două sisteme (partea stângă și dreapta a tubului).

Potențial de presiune

Potențialul de presiune (Ψp), numit și potențial turgent, poate fi pozitiv sau negativ (Figura 2). Deoarece presiunea este o expresie a energiei, cu cât este mai mare presiunea, cu atât mai multă energie potențială într-un sistem și invers. Prin urmare, un Ψp (compresie) pozitiv crește Ψtotal, iar un Ψp (tensiune) negativ scade ottotal. Presiunea pozitivă din interiorul celulelor este conținută de peretele celular, producând presiune turgentă. Potențialele de presiune sunt de obicei în jur de 0,6-0,8 MPa, dar pot ajunge până la 1,5 MPa într-o plantă bine udată. Un Ψp de 1,5 MPa echivalează cu 210 lire pe inch pătrat (1,5 MPa x 140 lb în-2 MPa-1 = 210 lb / in-2). Ca o comparație, majoritatea anvelopelor auto sunt menținute la o presiune de 30-34 psi. Un exemplu al efectului presiunii turgorului este ofilirea frunzelor și refacerea lor după ce planta a fost udată (Figura 3). Apa se pierde din frunze prin transpirație (apropiindu-se de Ψp = 0 MPa în punctul de ofilire) și restaurată prin absorbție prin rădăcini.

O plantă poate manipula Ψp prin capacitatea sa de a manipula Ψs și prin procesul de osmoză. Dacă o celulă vegetală crește concentrația de solut citoplasmatic, Ψs va scădea, Ψtotal va scădea, ΔΨ dintre celulă și țesutul înconjurător va scădea, apa se va deplasa în celulă prin osmoză și Ψp va crește. Ψp este, de asemenea, sub control indirect al plantelor prin deschiderea și închiderea stomatelor. Deschiderile stomatale permit evaporarea apei din frunză, reducând Ψp și Ψtotalul frunzei și crescând ii între apa din frunză și pețiol, permițând astfel curgerea apei din pețiol în frunză.

Figura 3. Când (a) potențialul total al apei (Ψtotal) este mai mic în afara celulelor decât în interior, apa se deplasează în afara celulelor iar planta se marchează. Când (b) potențialul total al apei este mai mare în afara celulelor plantei decât în interior, apa se deplasează în celule, rezultând o presiune turgentă (Ψp) și menținând planta erectă. (credit: modificare a lucrării de Victor M. Vicente Selvas)

Potențial de gravitate

Potențialul de gravitate (Ψg) este întotdeauna negativ la zero într-o plantă fără înălțime. Întotdeauna elimină sau consumă energie potențială din sistem. Forța gravitațională trage apa în jos în sol, reducând cantitatea totală de energie potențială din apa din plantă (Ψtotal). Cu cât planta este mai înaltă, cu atât coloana de apă este mai înaltă și becomesg devine mai influent. La scară celulară și la plantele scurte, acest efect este neglijabil și ușor de ignorat. Cu toate acestea, peste înălțimea unui copac înalt, ca o secoasă de coastă gigantică, atracția gravitațională de –0,1 MPa m-1 este echivalentă cu o rezistență suplimentară de 1 MPa care trebuie depășită pentru ca apa să ajungă la frunzele celor mai înalți copaci. Plantele nu pot manipula Ψg.

Potențialul matric

Potențialul matric (Ψm) este întotdeauna negativ la zero. Într-un sistem uscat, poate fi de până la –2 MPa într-o sămânță uscată și este zero într-un sistem saturat cu apă. Legarea apei de o matrice elimină întotdeauna sau consumă energie potențială din sistem. Ψm este similar cu potențialul de solut, deoarece implică legarea energiei într-un sistem apos prin formarea de legături de hidrogen între apă și o altă componentă. Cu toate acestea, în potențialul solut, celelalte componente sunt molecule solubile hidrofile solubile, în timp ce în Ψm, celelalte componente sunt molecule hidrofile insolubile ale peretelui celular al plantei. Fiecare celulă vegetală are un perete celular celulosic, iar celuloza din pereții celulari este hidrofilă, producând o matrice pentru aderența apei: de aici și denumirea de potențial matric. Ψm este foarte mare (negativ) în țesuturile uscate, cum ar fi semințele sau solurile afectate de secetă. Cu toate acestea, devine rapid la zero pe măsură ce sămânța preia apă sau solul se hidratează.Ψm nu poate fi manipulat de către plantă și este de obicei ignorat în rădăcini, tulpini și frunze bine udate.

Contribuie!

Îmbunătățiți această paginăAflați mai multe