Войти
Обзор транспирации: 
Транспирация воды в Xylem 
Stoma на листе томата, показанном с помощью раскрашенного растрового электронного микроскопа 
облака на этом изображении тропических лесов Амазонки являются результатом эвапотранспирации.Транспирации - это процесс движения воды через растение и ее испарения с надземных частей, например листья, стебли и цветы. Вода необходима растениям, но лишь небольшое количество воды, потребляемой корнями, используется для роста и обмена веществ. Остальные 97–99,5% теряются при транспирации и гуттации. Поверхность листьев усеяна порами, называемыми устьицами (единственное «устьица»), и у большинства растений их больше на нижней стороне листвы. Устьица граничат с замыкающими клетками и их устьичными добавочными клетками (вместе известными как устьичный комплекс), которые открывают и закрывают поры. Транспирация происходит через устьичные отверстия, и ее можно рассматривать как необходимые «затраты», связанные с открытием устьиц, чтобы обеспечить диффузию углекислого газа газа из воздуха для фотосинтеза. Транспирация также охлаждает растения, изменяет осмотическое давление клеток и обеспечивает массовый поток минеральных питательных веществ и воды от корней к побегам. На скорость потока воды от почвы к корням влияют два основных фактора: гидравлическая проводимость почвы и величина градиента давления в почве. Оба эти фактора влияют на скорость объемного потока воды, движущегося от корней к устьичным порам листьев через ксилему.
Массовый поток жидкой воды от корней к листьям частично обусловлен капиллярное действие, но в первую очередь обусловлено разницей водного потенциала. Если водный потенциал в окружающем воздухе ниже, чем водный потенциал в воздушном пространстве листа устьичной поры, водяной пар будет перемещаться вниз по градиенту и перемещаться из воздушного пространства листа в атмосферу. Это движение снижает водный потенциал в воздушном пространстве листа и вызывает испарение жидкой воды со стенок клеток мезофилла. Это испарение увеличивает натяжение воды мениски в стенках ячеек и уменьшает их радиус и, таким образом, напряжение, оказываемое на воду в ячейках. Из-за когезионных свойств воды, напряжение проходит через клетки листа к ксилеме листа и стебля, где создается кратковременное отрицательное давление, когда вода вытягивается вверх по ксилеме от корней. Поскольку испарение происходит на поверхности листа, свойства адгезии и сцепления работают в тандеме, вытягивая молекулы воды из корней через ткань ксилемы и из растения через устьица. У более высоких растений и деревьев силу тяжести можно преодолеть только за счет уменьшения гидростатического (водного) давления в верхних частях растений из-за диффузии воды из устьиц в атмосфера. Вода поглощается корнями за счет осмоса, и любые растворенные минеральные питательные вещества перемещаются вместе с ними через ксилему.
теория сцепления-напряжения объясняет, как листья вытягивают воду через ксилема. Молекулы воды слипаются или проявляют сцепление. Когда молекула воды испаряется с поверхности листа, она притягивает соседнюю молекулу воды, создавая непрерывный поток воды через растение.
Растения регулируют скорость транспирации, контролируя размер устьичных отверстий. На скорость транспирации также влияет потребность в испарении атмосферы, окружающей лист, например, проводимость пограничного слоя, влажность, температура, ветер и падающий солнечный свет. Наряду с наземными факторами температура и влажность почвы могут влиять на раскрытие устьиц и, следовательно, на скорость транспирации. Количество воды, теряемой растением, также зависит от его размера и количества воды, поглощаемой корнями. На транспирацию приходится большая часть потери воды растением листьями и молодыми стеблями. Транспирация служит для испарительного охлаждения растений, так как испаряющаяся вода уносит тепловую энергию из-за ее большой скрытой теплоты парообразования, составляющей 2260 кДж на литр.
| Характеристика | Влияние на транспирацию |
|---|---|
| Количество листьев | Больше листьев (или колючек, или других фотосинтезирующих органов) означает большую площадь поверхности и больше устьиц для газообмена. Это приведет к большей потере воды. |
| Количество устьиц | Чем больше устьиц, тем больше пор для транспирации. |
| Размер листа | Лист с большей площадью поверхности распускается быстрее, чем лист с меньшей площадью поверхности. |
| Наличие кутикулы растения | Восковая кутикула относительно непроницаема для воды и водяного пара и снижает испарение с поверхности растения, за исключением устьиц. Светоотражающая кутикула уменьшит нагревание от солнечного света и повышение температуры листа, что поможет снизить скорость испарения. Крошечные волосовидные структуры, называемые трихомами, на поверхности листьев также могут препятствовать потере воды, создавая среду с высокой влажностью на поверхности листьев. Это некоторые примеры приспособлений растений к сохранению воды, которые можно найти на многих ксерофитах. |
| Источник света | Скорость транспирации контролируется устьичной апертурой, и эти маленькие поры особенно открываются. для фотосинтеза. Хотя есть исключения из этого правила (например, ночной фотосинтез CAM ), в целом источник света будет способствовать открытию устьиц. |
| Температура | Температура влияет на скорость двумя способами: 1) Повышенная скорость испарения из-за повышения температуры ускоряет потерю воды.. 2) Пониженная относительная влажность за пределами листа будет увеличивать водный градиент потенциала. |
| Относительная влажность | Более сухая среда дает более крутой градиент водного потенциала и, таким образом, увеличивает скорость транспирации. |
| Ветер | В неподвижном воздухе вода, теряемая из-за транспирации, может накапливаться в виде пара вблизи поверхности листа. Это снизит скорость потери воды, поскольку градиент водного потенциала изнутри наружу листа будет немного меньше. Ветер уносит большую часть этого водяного пара около поверхности листа, делая градиент потенциала более крутым и ускоряя диффузию молекул воды в окружающий воздух. Однако даже при ветре может наблюдаться некоторое скопление водяного пара в тонком пограничном слое медленно движущегося воздуха рядом с поверхностью листа. Чем сильнее ветер, тем тоньше будет этот слой и тем круче будет градиент водного потенциала. |
| Водоснабжение | Водный стресс, вызванный ограничением поступления воды из почвы, может привести к закрытию устьиц и снижению скорости транспирации. |
Влияние температуры на скорость транспирации растений.
Влияние скорости ветра на скорость транспирации растений.
Влияние влажности на скорость транспирации растений.
Некоторые ксерофиты уменьшают поверхность своих листьев при недостатке воды (слева). Если температура достаточно низкая и уровень воды соответствующий, листья снова расширяются (справа). В течение вегетационного периода лист будет выделять во много раз больше воды, чем его собственный вес. Акр кукурузы выделяет около 3 000–4 000 галлонов (11 400–15 100 литров) воды каждый день, а большой дуб может пропускать 40 000 галлонов (151 000 литров) в год. Коэффициент транспирации - это отношение массы испаряемой воды к массе произведенного сухого вещества; коэффициент транспирации сельскохозяйственных культур имеет тенденцию падать между 200 и 1000 (т. е. культурные растения пропускают от 200 до 1000 кг воды на каждый кг произведенного сухого вещества ).
Скорость транспирации растений можно измерить с помощью ряда методов, включая потометры, лизиметры, порометры, системы фотосинтеза и термометрические датчики сокопотока. Измерения изотопов показывают, что транспирация является большей частью эвапотранспирации. Недавние данные глобального исследования стабильных изотопов воды показывают, что проникающая вода изотопно отличается от грунтовых вод и ручьев. Это говорит о том, что почвенная вода не так хорошо перемешана, как принято считать.
Пустынные растения имеют специально адаптированные структуры, такие как толстая кутикула, уменьшенная площадь листьев, впадавшие устьица и волоски для уменьшения испарения и экономии воды. Многие кактусы проводят фотосинтез в суккулентных стеблях, а не в листьях, поэтому площадь поверхности побега очень мала. Многие пустынные растения обладают особым типом фотосинтеза, называемым метаболизмом крассулейной кислоты или фотосинтезом CAM, при котором устьица закрыты днем и открываются ночью, когда транспирация будет ниже.
Чтобы поддерживать градиент давления, необходимый для того, чтобы растение оставалось здоровым, оно должно постоянно поглощать воду своими корнями. Они должны быть в состоянии удовлетворить потребности в воде, потерянной из-за испарения. Если растение не может принести достаточно воды, чтобы оставаться в равновесии с транспирацией, происходит событие, известное как кавитация. Кавитация - это когда растение не может обеспечить свою ксилему достаточным количеством воды, поэтому вместо того, чтобы заполняться водой, ксилема начинает заполняться водяным паром. Эти частицы водяного пара собираются вместе и образуют засоры в ксилеме растения. Это не позволяет растению транспортировать воду по своей сосудистой системе. Нет очевидной картины того, где кавитация возникает по всей ксилеме растения. Если не принять эффективных мер по уходу, кавитация может привести к тому, что растение достигнет точки постоянного увядания и погибнет. Следовательно, у растения должен быть метод, с помощью которого можно удалить эту кавитационную закупорку, или он должен создать новое соединение сосудистой ткани по всему растению. Растение делает это, закрывая устьица на ночь, что останавливает поток транспирации. Это затем позволяет корням создавать давление более 0,05 МПа, и это способно разрушить закупорку и наполнять ксилему водой, повторно соединяя сосудистую систему. Если растение не способно создать достаточное давление, чтобы устранить засорение, оно должно предотвратить распространение засора с помощью груши, а затем создать новую ксилему, которая может повторно соединить сосудистую систему растения.
Ученые начали использовать магнитно-резонансную томографию (МРТ) для неинвазивного контроля внутреннего состояния ксилемы во время транспирации. Этот метод визуализации позволяет ученым визуализировать движение воды по всему растению. Он также способен видеть, в какой фазе находится вода в ксилеме, что позволяет визуализировать события кавитации. Ученые смогли увидеть, что в течение 20 часов солнечного света более 10 сосудов ксилемы начали заполняться частицами газа, становящимися кавитацией. Технология МРТ также позволила увидеть процесс восстановления этих ксилемных структур на заводе. После трех часов нахождения в темноте было замечено, что сосудистая ткань пополнилась жидкой водой. Это стало возможным, потому что в темноте устьица растения закрыты и транспирация больше не происходит. Когда транспирация прекращается, кавитационные пузыри разрушаются давлением, создаваемым корнями. Эти наблюдения позволяют предположить, что МРТ способны контролировать функциональное состояние ксилемы и позволяют ученым впервые увидеть явления кавитации.
 | Викиисточник содержит текст статьи 1905 Новой международной энциклопедии «Транспирация ". |
