stringtranslate.com

Транспирация

Обзор транспирации:
  1. Вода пассивно переносится в корни, а затем в ксилему .
  2. Силы сцепления и адгезии заставляют молекулы воды образовывать столб в ксилеме.
  3. Вода перемещается из ксилемы в клетки мезофилла, испаряется с их поверхности и покидает растение путем диффузии через устьица.
Транспирация воды в ксилеме
Устьица листа томата , показанная с помощью цветного сканирующего электронного микроскопа.
Облака на этом изображении тропических лесов Амазонки являются результатом эвапотранспирации .

Транспирация — это процесс движения воды через растение и ее испарение с надземных частей, таких как листья , стебли и цветы . Это пассивный процесс, не требующий от растения никаких затрат энергии. [1] Транспирация также охлаждает растения, изменяет осмотическое давление клеток и обеспечивает массовый поток минеральных питательных веществ . Когда поглощение воды корнями меньше, чем вода, теряемая в атмосферу в результате испарения, растения закрывают небольшие поры, называемые устьицами, чтобы уменьшить потерю воды, что замедляет поглощение питательных веществ и уменьшает поглощение CO 2 из атмосферы, ограничивая метаболические процессы, фотосинтез и рост. [2]

Поглощение воды и питательных веществ

Вода необходима растениям, но лишь небольшое количество воды, поглощаемой корнями, используется для роста и обмена веществ. Остальные 97–99,5% теряются в результате транспирации и гуттации . [3] Вода с любыми растворенными минеральными питательными веществами впитывается в корни в результате осмоса , который проходит через ксилему посредством адгезии и сцепления молекул воды с листвой и выходит из небольших пор, называемых устьицами (единственное число «устьица»). [4] Устьица ограничены замыкающими клетками и вспомогательными клетками устьиц (вместе известными как устьичный комплекс), которые открывают и закрывают поры. [5] Теория сцепления-напряжения объясняет, как листья вытягивают воду через ксилему. Молекулы воды слипаются или демонстрируют сцепление: когда молекула воды испаряется с поверхности листа, она притягивает соседнюю молекулу воды, создавая непрерывный поток воды через растение. [6]

На скорость потока воды из почвы к корням влияют два основных фактора: гидравлическая проводимость почвы и величина градиента давления через почву. Оба эти фактора влияют на скорость объемного потока воды, перемещающейся от корней к устьичным порам листьев через ксилему. [7] Массовый поток жидкой воды от корней к листьям частично обусловлен капиллярным действием , но в первую очередь обусловлен разницей потенциалов воды . 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 водных менисков в клеточных стенках и уменьшает их радиус и, следовательно, натяжение, оказываемое на воду в клетках. Из-за когезионных свойств воды напряжение передается через клетки листа к ксилеме листа и стебля, где создается мгновенное отрицательное давление, когда вода вытягивается вверх по ксилеме от корней. [8] У более высоких растений и деревьев сила тяжести, втягивающая воду внутрь, может быть преодолена только за счет уменьшения гидростатического давления в верхних частях растений за счет диффузии воды из устьиц в атмосферу . [3]

Этимология

Мы можем увидеть историю слова «транспирация», если разбить его на «транс», латинское существительное, означающее «поперек», и «спирация», происходящее от латинского глагола spīrāre, означающего «дышать». Суффикс движения добавляет значение «акт», поэтому мы можем видеть, что транспирация — это буквально «АКТ дыхания», что четко указывает на выделение пара из листьев растений.

Капиллярное действие

Капиллярное действие — это процесс течения жидкости в узких пространствах без помощи или даже вопреки внешним силам, таким как гравитация . Эффект можно увидеть при втягивании жидкостей между волосками кисти, в тонкую трубку, в пористые материалы, такие как бумага и гипс, в некоторые непористые материалы, такие как песок и сжиженное углеродное волокно , или в биологическая клетка . Это происходит из-за межмолекулярных сил между жидкостью и окружающими твердыми поверхностями. Если диаметр трубки достаточно мал, то сочетание поверхностного натяжения (которое вызывается сцеплением внутри жидкости) и сил сцепления между жидкостью и стенками контейнера приводит в движение жидкость. [ нужна цитата ]

Регулирование

Растения регулируют скорость транспирации, контролируя размер устьичных отверстий. На скорость транспирации также влияют потребности в испарении атмосферы, окружающей лист, такие как проводимость пограничного слоя, влажность , температура , ветер и падающий солнечный свет. Наряду с надземными факторами, температура и влажность почвы могут влиять на открытие устьиц [9] и, следовательно, на скорость транспирации. Количество воды, теряемой растением, зависит также от его размера и количества воды, поглощаемой корнями. К факторам, влияющим на поглощение воды корнями, относятся: влажность почвы, чрезмерное плодородие почвы или содержание солей, плохо развитая корневая система, а также воздействие патогенных бактерий и грибов, таких как питий или ризоктония .

Некоторые ксерофиты уменьшают поверхность своих листьев при недостатке воды (слева). Если температура достаточно прохладная и уровень воды достаточный, листья снова расширяются (справа).

За вегетационный период лист испаряет 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 испускать 40 000 галлонов (151 000 литров) в год. Коэффициент транспирации представляет собой отношение массы транспирированной воды к массе образовавшегося сухого вещества; коэффициент транспирации сельскохозяйственных культур имеет тенденцию падать между 200 и 1000 ( т.е. сельскохозяйственные растения испаряют от 200 до 1000 кг воды на каждый кг произведенного сухого вещества ). [10]

Скорость транспирации растений можно измерить с помощью ряда методов, включая потометры , лизиметры , порометры, системы фотосинтеза и термометрические датчики потока сока. Изотопные измерения показывают, что транспирация является более крупным компонентом эвапотранспирации . [11] Недавние данные глобального исследования [12] стабильных изотопов воды показывают, что транспирированная вода изотопно отличается от подземных вод и ручьев. Это говорит о том, что почвенная вода не так хорошо перемешана, как принято считать. [13]

Растения пустыни имеют специально адаптированную структуру, такую ​​как толстая кутикула , уменьшенная площадь листьев, затонувшие устьица и волоски , что позволяет уменьшить транспирацию и сохранить воду. Многие кактусы проводят фотосинтез в сочных стеблях, а не в листьях, поэтому площадь поверхности побега очень мала. Многие пустынные растения обладают особым типом фотосинтеза, называемым метаболизмом крассуловой кислоты или фотосинтезом САМ, при котором устьица закрыты днем ​​и открываются ночью, когда транспирация снижается. [14]

Кавитация

Чтобы поддерживать градиент давления, необходимый для того, чтобы растение оставалось здоровым, оно должно постоянно поглощать воду корнями. Они должны быть в состоянии удовлетворить потребности в воде, теряемой в результате транспирации. Если растение неспособно поглощать достаточно воды, чтобы оставаться в равновесии с транспирацией, происходит явление, известное как кавитация . [15] Кавитация – это когда растение не может обеспечить свою ксилему достаточным количеством воды, поэтому вместо того, чтобы наполняться водой, ксилема начинает заполняться водяным паром. Эти частицы водяного пара собираются вместе и образуют засоры в ксилеме растения. Это лишает растение возможности транспортировать воду по всей его сосудистой системе. [16] Не существует очевидной закономерности возникновения кавитации в ксилеме растения. Если не принять меры, кавитация может привести к тому, что растение достигнет точки постоянного увядания и погибнет. Следовательно, у растения должен быть метод, с помощью которого можно устранить эту кавитационную закупорку, или оно должно создать новое соединение сосудистой ткани по всему растению. [17] Растение делает это, закрывая на ночь устьица, что останавливает поток транспирации. Это позволяет корням создавать давление более 0,05 мПа, что способно разрушить закупорку и наполнить ксилему водой, воссоединив сосудистую систему. Если растение не может создать достаточное давление для устранения закупорки, оно должно предотвратить распространение закупорки с помощью косточек, а затем создать новую ксилему, которая сможет повторно соединить сосудистую систему растения. [18]

Ученые начали использовать магнитно-резонансную томографию (МРТ) для неинвазивного мониторинга 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, находясь в ксилеме, что позволяет визуализировать явления кавитации. Ученым удалось увидеть, что в течение 20 часов солнечного света более 10 сосудов ксилемы начали заполняться частицами газа и образовывать кавитации. Технология МРТ также позволила увидеть процесс восстановления этих структур ксилемы на растении. Через три часа в темноте было видно, что сосудистая ткань пополнилась жидкой водой. Это стало возможным потому, что в темноте устьица растения закрываются и транспирация больше не происходит. Когда транспирация прекращается, кавитационные пузырьки разрушаются под давлением корней. Эти наблюдения позволяют предположить, что МРТ способна отслеживать функциональное состояние ксилемы и позволяет ученым впервые наблюдать явления кавитации. [17]

Влияние на окружающую среду

Охлаждение

Транспирация служит для испарительного охлаждения растений, поскольку испаряющаяся вода уносит тепловую энергию из-за большой скрытой теплоты парообразования, составляющей 2260 кДж на литр.

Транспирационное охлаждение — это охлаждение, обеспечиваемое растениями при испарении воды. Избыточное тепло, выделяемое солнечной радиацией, повреждает клетки растений, а термические повреждения возникают во время засухи или при быстрой транспирации, вызывающей увядание. [19] Зеленая растительность способствует смягчению климата, поскольку она прохладнее, чем прилегающие голые земли или застроенные территории. Когда листья растений испаряются, они используют энергию для испарения воды, собирая в глобальном масштабе огромные объемы каждый день.

Отдельное дерево, испускающее 100 литров воды, эквивалентно охлаждающей мощности [ необходимы пояснения ] 70 кВтч. [20] [21] Эффекты городского острова тепла можно объяснить заменой растительности построенными поверхностями. На обезлесенных участках температура выше, чем на прилегающих нетронутых лесах. Леса и другие природные экосистемы способствуют стабилизации климата.

Энергетический бюджет Земли открывает пути смягчения последствий изменения климата , используя наши знания об эффективности охлаждения растений и смягчения западных подходов с помощью проверенных местных и традиционных источников знаний.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Редди, С.М. (2007). Университетская ботаника-III: (Таксономия растений, эмбриология растений, физиология растений). Нью Эйдж Интернэшнл. ISBN 978-81-224-1547-6.
  2. Ранкл, Эрик (сентябрь 2023 г.). «Важность транспирации». Новости о продуктах GPN Green House . 33 (9): 12–13.
  3. ^ Аб Синха, Раджив Кумар (2004). Современная физиология растений. ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8493-1714-9.
  4. ^ Бхаттачарья, А. (25 февраля 2022 г.). Физиологические процессы в растениях при низкотемпературном стрессе. Спрингер Природа. ISBN 978-981-16-9037-2.
  5. ^ Камминс, Бенджамин (2007). Биологические науки (3-е изд.). Фриман, Скотт. п. 215.
  6. ^ Грэм, Линда Э. (2006). Биология растений . Река Аппер-Сэддл, Нью-Джерси, США: Pearson Education, Inc., стр. 200–202. ISBN 0-13-146906-1.
  7. ^ Таиз, Линкольн (2015). Физиология и развитие растений . Сандерленд, Массачусетс, США: Sinauer Associates, Inc., с. 101. ИСБН 978-1-60535-255-8.
  8. ^ Фриман, Скотт; Куиллин, Ким; Эллисон, Лизабет (2014). Биологические науки: клетка, генетика и развитие . Бостон, Массачусетс, США: Пирсон. стр. 765–766. ISBN 978-0-321-74367-1.
  9. ^ Мелландер, Пер-Эрик; Бишоп, Кевин; Лундмарк, Томас (28 июня 2004 г.). «Влияние температуры почвы на транспирацию: манипуляции с масштабом участка в молодом насаждении сосны обыкновенной». Лесная экология и управление . 195 (1): 15–28. doi :10.1016/j.foreco.2004.02.051. ISSN  0378-1127.
  10. ^ Мартин, Дж.; Леонард, В.; Стэмп, Д. (1976), Принципы выращивания полевых культур (3-е изд.), Нью-Йорк: Macmillan Publishing Co., ISBN 978-0-02-376720-3
  11. ^ Ясечко, Скотт; Шарп, Закари Д.; Гибсон, Джон Дж.; Биркс, С. Джин; Йи, Йи; Фосетт, Питер Дж. (3 апреля 2013 г.). «В потоках наземных вод преобладает транспирация». Природа . 496 (7445): 347–50. Бибкод : 2013Natur.496..347J. дои : 10.1038/nature11983. PMID  23552893. S2CID  4371468.
  12. ^ Эваристо, Хайвиме; Ясечко, Скотт; Макдоннелл, Джеффри Дж. (3 сентября 2015 г.). «Глобальное отделение транспирации растений от грунтовых вод и речного стока». Природа . 525 (7567): 91–94. Бибкод : 2015Natur.525...91E. дои : 10.1038/nature14983. ISSN  0028-0836. PMID  26333467. S2CID  4467297.
  13. ^ Боуэн, Габриэль (3 сентября 2015 г.). «Гидрология: диверсифицированная экономика почвенных вод». Природа . 525 (7567): 43–44. Бибкод : 2015Natur.525...43B. дои : 10.1038/525043а. ISSN  0028-0836. PMID  26333464. S2CID  205086035.
  14. ^ Ингрэм, Дэвид С.; Винс-Прю, Дафна; Грегори, Питер Дж. (15 апреля 2008 г.). Наука и сад: научная основа садоводческой практики. Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-470-99533-4.
  15. ^ Чжан, Юн-Цзян (декабрь 2016 г.). «Обратимый коллапс ксилемы листа: потенциальный «прерыватель цепи» против кавитации». Физиология растений . 172 (4): 2261–2274. дои : 10.1104/стр.16.01191. ПМК 5129713 . ПМИД  27733514. 
  16. ^ Хохберг, Ури (июнь 2017 г.). «Закрытие устьиц, эмболия базальных листьев и осыпание защищают гидравлическую целостность стеблей винограда». Физиология растений . 174 (2): 764–775. дои : 10.1104/стр.16.01816. ПМК 5462014 . ПМИД  28351909. 
  17. ^ Аб Холбрук, Мишель (май 2001 г.). «Наблюдение in vivo за восстановлением кавитации и эмболии с использованием магнитно-резонансной томографии». Физиология растений . 126 (1): 27–31. дои : 10.1104/стр.126.1.27. ПМК 1540104 . ПМИД  11351066. 
  18. ^ Тиаз, Линкольн (2015). Физиология и развитие растений . Массачусетс: Sinauer Associates, Inc., с. 63. ИСБН 978-1605352558.
  19. ^ Форбс, Джеймс С.; Уотсон, Дреннан (20 августа 1992 г.). Растения в сельском хозяйстве. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-42791-3.
  20. ^ Эллисон, Дэвид; Моррис, Синди Э.; Локателли, Бруно; Шейл, Дуглас; Коэн, Джейн; Мурдиярсо, Дэниел; Гутьеррес, Виктория; Нордвейк, Майне фургон; Крид, Ирена Ф.; Покорный, Ян; Гаво, Дэвид; Спраклен, Доминик В.; Тобелла, Аида Баргес; Ильстедт, Ульрик; Теулинг, Адриан Дж. (01 марта 2017 г.). «Деревья, леса и вода: интересные идеи для жаркого мира». Глобальное изменение окружающей среды . 43 : 51–61. дои : 10.1016/j.gloenvcha.2017.01.002 . ISSN  0959-3780.
  21. ^ Покорный, Январь (01 января 2019 г.), «Эвапотранспирация ☆», в Фат, Брайан (редактор), Энциклопедия экологии (второе издание) , Оксфорд: Elsevier, стр. 292–303, ISBN 978-0-444-64130-4, получено 21 ноября 2022 г.

Внешние ссылки