Cesta vody dovnitř zařízení se dělí na tři různé ve fyziologii, struktuře a rozsahu díly: na živých kořenových buňkách; mrtvými xylémovými prvky kořene, stonku, řapíku a žilek; podél živých listových buněk k odpařovacímu povrchu.
Většinu této cesty připadá na vodu vodivý systém, sestávající z mrtvých dutých cév u krytosemenných rostlin a průdušnic u nahosemenných. U bylinných rostlin dosahuje tato část vodní cesty desítek centimetrů, u dřevin mnoha metrů.
Pohyb vody xylémovými cévami, jejichž délka může dosahovat několika desítek centimetrů, probíhá poměrně snadno. Cesta tracheidami je obtížnější: z jedné tracheidy do druhé prochází voda ohraničenými póry; Je zřejmé, že pohyb vody přes ně klade větší odpor než přes nádoby. Měření ukazuje, že vodivost dřeva u listnatých dřevin je 3 až 6krát vyšší než u jehličnatých rostlin. Voda obecně překonává tuto cestu mnohem snadněji než první a třetí přes několik milimetrů nebo dokonce zlomků milimetrů živých buněk – od kořenových vlásků po cévy centrálního válce a od cév umístěných v žilách listů až po odpařovací mezofylové buňky.
Na cévy a tracheidy voda se pohybuje jakoby dutými trubicemi a řídí se obecnými hydrodynamickými zákony, pro živé же kořenové a listové buňky osmotickým způsobem, pomocí rozdílu sacích sil sousedních buněk ve správně rostoucí sekvenci. Značný odpor proudění vody při přechodu z jedné živé buňky do druhé činí tuto metodu zcela nevhodnou pro přesun vody na velké vzdálenosti. Proto byl výskyt tracheid v kapradinových rostlinách důležitou etapou ve vývoji rostlinného světa. Vodovodný systém se stal ještě dokonalejším s výskytem skutečných cév v krytosemenných rostlinách.
Zařízením se čerpá obrovské množství vody. Z 1 hektaru plodin pšenice se přes léto odpaří asi 2 tisíce tun, jetel – 7,5, zelí – 8 tisíc, tzn. pokud nasbíráte veškerou vodu spotřebovanou 1 hektarem jetele nebo zelí, získáte vodní bazén o ploše 1 hektar a hloubce 75-80 cm. Mladé smrkové lesy jižní tajgy utratí 4,5 tisíce tun voda ročně z 1 hektaru lesní plochy, borovice – 5,0, olše – až 11 tisíc tun.
Je vidět, že lesy spotřebují o nic méně, ba dokonce více než některé zemědělské plodiny. tyto kolosální výdaje jsou doplňovány činností kořenových systémů, které dostatečně rychle absorbují vodu z půdy. Na základě toho odvodněníshaya role role lesy v podmínkách podmáčených lesních půd. K udržení vodní rovnováhy přispívá i dobře vyvinutý systém vedení vody, který bez prodlení dodává vodu do listů, a také přítomnost krycích pletiv, které rostlinu chrání před nadměrnou ztrátou vody.
Jaké jsou síly, které způsobují nepřetržitý tok vody z kořenů přes stonek a listy? U bylinné nízko rostoucí rostliny Mechanismus toku xylémové mízy je snadno pochopitelný. Kořenový tlak tlačí vodu do cév centrálního válce kořene a sací síly vznikající v listech v důsledku procesu transpirace tuto vodu přitahují. To vytváří konstantní proudění vody v celé rostlině.
Proces stoupání vody od kořenů k listům se nazývá vzestupně aktuální, na rozdíl od sestupný proud organická hmota od listů po kořeny. Kořenový tlak vzniklý v důsledku metabolismu kořenových zakončení se nazývá spodní koncový motor vodního proudu. Sací síly listů, které přitahují vodu, se nazývají horní koncový motor vodního proudu.
Obtížnější je vysvětlit spojitost vodního sloupce u velikánů rostlinného světa – eukalyptů, sekvojí a některých dalších dřevin, jejichž výška dosahuje 140 m. Dost velké velikosti mají i naše běžné stromy: bříza – až 25 m, dub – 40 m, borovice a smrk – do 50 m. K tomu je třeba připočítat značnou délku vodovodného kořenového systému.
Vodní proud zažívá a překonává gravitační sílu, gravitační sílu. Kvůli tomu například běžná pístová čerpadla nemohou čerpat vodu z hloubky větší než 10 m, protože tento 10metrový sloupec vody odpovídá tlaku 1 atm. Pohyb vody xylémem navíc klade poměrně značný odpor, zejména u zástupců nahosemenných dřevin.
Vysvětlení toho, že se mnoho desítek metrů dlouhý vodní sloupec neporuší, najdeme v teorii adheze (koheze) a smáčení stěn cév a průdušnic vodou (adheze). Mezi molekulami pohybující se vody skutečně existují významné adhezní síly, které nutí tyto molekuly, aby se navzájem následovaly. To je také usnadněno skutečností, že prvky vedoucí vodu jsou jakoby jeden celek s proudem vody, protože jejich stěny jsou zcela smáčené a nasycené vodou. Není v nich vzduch. V tomto stavu kladou pohybujícímu se proudu minimální odpor. Navíc samotná struktura nádob neusnadňuje pohyb vzduchových bublin z jedné nádoby do druhé.
To vše velmi odlišuje podmínky vytvořené ve dřevě od podmínek v pístových čerpadlech. V druhém případě se mezi stěnami válce a pístu neustále objevují vzduchové bubliny, které narušují integritu vodního sloupce. Tento pilíř se láme při stoupání do výšky více než 10 m.
Pro zvednutí vody do výšky 100 m je potřeba mít v koruně stromu sací síly řádově 30 – 35 atm: k překonání gravitační síly – 10 atm, odolnost proti filtraci přes příčné stěny nádoby – 20 – 25 atm. V přirozeném prostředí lesa jsou takové hodnoty často zaznamenávány experimentálně. Proto se z čistě fyzikálního hlediska zdá být možné vysvětlit stoupání vody do výšky 100 m a více.
Během procesu transpirace vznikají v listech stromů sací síly dosahující desítek atmosfér. Listy sají vodu ze stonku, což má za následek podtlak v cévách. Tento stav lze pozorovat pomocí jednoduchých nástrojů: v teplém letním dni, s intenzivní ztrátou vody, se kmeny stromů zmenšují. Jinou metodou je, že při řezání intenzivně transpirující větve v tónované vodě je zaznamenáno okamžité pronikání barvy přes řezaný povrch v důsledku rozšíření krevních cév.
V závislosti na anatomické stavbě dřeva se lineární rychlost vzestupného proudu pohybuje od 1 – 6 m/h u jehličnatých a roztroušeně cévnatých dřevin do 25 – 60 m/h u prstencovitých dřevin. Tato rychlost byla zaznamenána v létě v poledne. Rychlost pohybu vody stromem se během dne mění a odpovídá především intenzitě transpirace. Existuje také vzestupný proud vody závislý na světle v rostlinách, ne úzce související s transpirační aktivitou (V.G. Reutsky).
V samotném stromě se voda pohybuje nejrychleji v kmeni a nejpomaleji v nejmladších větvích. Střední pozici v tomto ukazateli zaujímají staré větve.
Vlastnosti proud vody podél kmene stromu:
Pomocí izotopové technologie a zavádění barev do kmene se ukázalo, že u většiny dřevin se proud vody v kmeni pohybuje ve spirále. S tím úzce souvisí makrostruktura kmene stromu, která ztěžuje odpověď na otázku, která část kořenového systému dodává vodu na kterou stranu koruny stromu.
Pohyb vody dovnitř radiální směr probíhá pomaleji a probíhá přes póry na stěnách cév a průdušnic. Je důležitý pro udržení normálního obsahu vody v živých prvcích dřeva a kůry.
Nestejnoměrnost vodní proud. Ne všechno dřevo slouží jako vodič vody. U jádrových stromů (borovice, dub) se k tomuto účelu používá pouze běl. Poslední roční vrstvy dřeva jsou přitom aktivnější ve vedení vody. To se vysvětluje tím, že pouze tyto vrstvy se přeměňují na dřevo jednoletých větví, které je úzce spojeno s vodivým systémem listů. U jehličnanů, zejména u smrku, cévní svazky jehličí zřejmě komunikují s několika letokruhy. Staré letokruhy jednoduše nedosáhnou do koruny, s rostoucí výškou stromu se zaklíní. U řady dřevin (akát bílý, pistácie, jasan) je voda odváděna pouze posledními 1–3 ročními vrstvami bělového dřeva. Stejný obraz je pozorován u bělových i vzrostlých dřevin (osika, bříza, lípa), ale mají o něco větší počet ročních vrstev, které vedou vodu.
Takový rys vzestupného proudu v kmeni stromu lze také nazvat jeho izolace. Obecně je také charakteristický pro bylinné rostliny. U dřevin je však výraznější. Vodovodné dřevo kmene je od vnějšího prostředí odděleno nejen živými buňkami kambia a floému, ale také silnou zátkou či kůrou, která omezuje spojení dřeva s atmosférickým vzduchem.
Taková vlastnost vzestupného proudu jako reverzibilita, někdy pozorován v přírodě u řady dřevin, včetně některých jehličnanů (smrk, jedle), při zakořeňování spodních větví v kontaktu s půdou, nebo vrcholků padlých stromů. Vodní tok zde jde opačným směrem – od morfologicky horního konce k morfologicky dolnímu.
Stoupající proud zásobuje všechny živé rostlinné buňky vodou a minerálními prvky. Úloha vzestupného proudu je také velmi důležitá při zásobování živých buněk kořenů, kmene a větví kyslíkem, protože propustnost pletiv kůry, kambia a dřeva pro plyny je velmi nízká. Tento kyslík rozpuštěný ve vodě vzestupného proudu se používá k provádění procesu dýchání živých prvků stromu.
Stoupající proud také ovlivňuje obsah vody tkáně, zejména kmenové dřevo. V mladém věku, před tvorbou jádra, má dřevo jehličnanů nejvyšší vlhkost. Tento rozdíl je zjevně způsoben jejich nedostatkem libriformy ve srovnání s tvrdými dřevy.
Obsah vody ve dřevě se u většiny dřevin zvyšuje z vnitřní strany kmene ven a od báze kmene k jeho vrcholu. V koruně stromu se množství vody ve dřevě zvyšuje od vrcholu k patě.
Jsou pozorovány prudké změny obsahu vody ve dřevě v průběhu roku. Jehličnaté dřeviny tak mají v letních měsících nejnižší vlhkost, naopak nejvyšší v zimě. Koncem jara a začátkem podzimu je vlhkost dřeva uprostřed. Obsah vlhkosti jádrového dřeva zůstává prakticky nezměněn a je nejnižší. U listnatých dřevin byla zaznamenána dvě období nízké vlhkosti – v létě a v druhé polovině zimy a dvě období zvýšené vlhkosti – na jaře při proudění mízy a v zimě – v první polovině zimy.
Vlhkost dřeva mladých stromů je o něco vyšší a amplituda jeho kolísání je větší než u starých stromů. Obsah vody ve dřevě se také mění během letního dne: nejvyšší je brzy ráno a nejnižší v poledne.
Voda uložená uprostřed kmene se dokáže přesunout do mladých výhonků, což je důležité zejména při nedostatku vody dostupné rostlinám v půdě (sucho, mráz). Například stoletá borovice vydrží období sucha díky vnitřním zásobám vody v kmeni celý měsíc.
Voda protékající rostlinou liší se od metabolické vody, který se přímo využívá při různých metabolických procesech. Voda se v rostlinných buňkách neustále vyměňuje. Pomocí moderní technologie, zejména izotopové, bylo možné prokázat, že nejrychlejší výměna intersticiální vody za vnější vodu probíhá v kořenech rostlin a nejpomalejší – ve stoncích. Listy zaujímají střední polohu.
Vodící systém rostlin zahrnuje takové pojmy jako zásobování, pohyb vody v rostlinách a její vypařování.
Rostliny potřebují vodu
Vodící systém rostlin
Voda se pohybuje rostlinnými buňkami kortikální parenchym do centrálního válce kořene, pak podél převodního systému do listový parenchym a nakonec přes buňky listového parenchymu. V první části dráhy se voda pohybuje osmoticky v důsledku zvýšení sací síly kořenových buněk.
Pohyb vody z kořenového vlasu směrem k centrálním cévám
Tento úsek cesty je velmi malý (zlomky milimetru), ale pohyb vody po tomto úseku je velmi obtížný, protože voda musí překonávat odpor vrstev živých věcí. protoplazma. Tento odpor je přibližně roven 1 atm na 1 mm dráhy, takže pohyb vody živými buňkami na delší vzdálenosti by nevyhovoval vodním potřebám rostliny.
Ve skutečnosti rostliny, které se nevyvinuly vodivý systém, například mechy, (podrobněji: Jak vzniká bažina) jsou malé velikosti a přizpůsobené životu pouze ve vlhkých podmínkách. V procesu evoluce si suchozemské rostliny vyvinuly vodivou tkáň, která vytváří komunikaci mezi kořeny, které absorbují vodu, a listy, které odpařují vodu.
Vodovodná tkanina
Vodovodná tkanina sestává z nádob, popř průdušniceA tracheidy; začíná v centrálním válci kořene, prochází celým kořenem a stonkem a končí v podobě nejjemnějších větví – žilek, prostupujících celým listovým parenchymem.
Cévy jsou mrtvé trubice vytvořené z živých buněk. V nádobách jsou zachovány příčné přepážky v různých vzdálenostech (od několika milimetrů po metr v závislosti na druhu rostliny) od sebe. Zmizení přepážek i na krátkou vzdálenost tisíckrát zrychlí pohyb vody. Tracheidy jsou dlouhé mrtvé buňky se špičatými konci.
Při tvorbě cév a tracheid jejich membrány ztlušťují a lignifikují, v důsledku čehož nejsou stlačovány tlakem živých buněk parenchymu, které je obklopují.
Pohyb vody v dřevinách
Lignifikace však není nikdy souvislá: na stěnách cév zůstávají tenká místa – póry, kterými se voda může pohybovat nejen po cévách nahoru, ale i radiálním směrem.
Zvedání vody přes nádoby
Zvedání vody přes nádoby lze dokázat následujícím experimentem. Pokud odstraníte prstenec kůry z větve, kterou uříznete a vložíte do vody nad vodní hladinu, její listy neuschnou, protože cévy jsou umístěny ve dřevě. Pohyb vody nádobami směřuje nejčastěji zdola nahoru a je proto tzv stoupající proud.
Poslední úsek cesty toku vody listovým parenchymem pokračuje naživu buňky. Voda se osmoticky pohybuje mezofylovými buňkami listu k posledním buňkám hraničícím s mezibuněčný. Tento úsek cesty, stejně jako první, je velmi krátký.
Pokud je uříznutá větev rostliny hermeticky uzavřena ve skleněné trubici naplněné vodou a její spodní konec je spuštěn do nádoby se rtutí, pak když se voda z větve odpaří, rtuť v trubici stoupá. Z této zkušenosti je zřejmé, že pohyb vody rostlinou je určován především pocení, (více: Transpirace u rostlin), a nejen tlak kořenů.
Když se voda odpaří z povrchu listů, buňky se vyvinou sací síla. Jeho hodnota je tím větší, čím méně vody zůstává v buňkách listů. Tato výsledná sací síla udržuje stálý pohyb vody v rostlině.
Pohyb látek v rostlinách
Síly, které uvádějí vodu do pohybu
To znamená, že síly, které pohybují vodou, jsou umístěny na koncích vodivého systému: kořen čerpající vodu, jehož práce se nazývá motor na spodním koncia síla sání vody listy – motor na horním konci. Oba motory působí stejným směrem a mohou se vzájemně nahrazovat a doplňovat.
Při silném slunečním záření v létě a za sucha je zásobování rostliny vodou způsobeno sacím efektem transpirace.
Kořenový tlak
Když je půda bohatá na vodu a vzduch je bohatý na vodní páru, je vzlínání vody zajištěno silou kořenový tlak, (další podrobnosti: Kořeny poskytují rostlině vodu). V důsledku toho, v závislosti na podmínkách prostředí, hlavní role náleží jednomu nebo druhému koncovému motoru. Vodní vlákna se vlivem své gravitace nelámou, přestože jsou při silné transpiraci ve stavu tahu.
To je vysvětleno adhezní silou molekul vody, dosahující 300-350 atm, a protože v nádobách není žádný vzduch, nedochází k přerušení integrity vodního toku.
Rychlost vodního proudu
Rychlost vodního proudu závisí na struktuře prvků vedoucích vodu. Voda se pohybuje rychleji nádobami a její rychlost závisí na průměru nádob: čím je menší, tím pomaleji se bude voda pohybovat. K pohybu vody v rostlinách dochází díky práci dvou koncových motorů, horního a spodního, a adhezních sil, které zajišťují celistvost vodních závitů.
