Транспортная система растений. Поглощение воды корнем и ее транспорт у цветковых растений. Транспирация и теория сцепления

Департамент образования администрации г. Иркутска

Муниципальное автономное учреждение

дополнительного образования города Иркутска

«Станция юных натуралистов»

__(МАУДО г Иркутска СЮН)

Сибирских Партизан ул., д. 28 «а», Иркутск, 664020

Тел./факс 32-22-09, 32-95-40;

сайт: 38yunnat.ru; адрес эл. почты: [email protected]

Исследовательская работа

Транспортная система растений

Руководитель: ПДО Сизенова Крестина Владимировна

г.Иркутск 2017г.

СОДЕРЖАНИЕ.

Теоретическая часть……………………………………………………….3

Практическая часть………………………………………………………..6

Выводы……………………………………………………………………..9

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность: знания транспортной системы позволят получать из скучных белых бутонов необычного окраса цветы.

Цель работы: изучение передвижения воды и других веществ по растениям с помощью опыта, который не только даст новые знания о растениях, но и необычного цвета растения.

Задачи:

Изучить структуру растений и их органов;

Выяснить как происходит движение веществ в растениях;

Проведение опыта, подтверждающего наличие транспортной системы.

Объект исследования: транспортная система растений

Предмет исследования: Хризантема ,

род: Хризантема (лат. Chrysanthemum )

семейство: Астровые (лат. Asteráceae ).

Методика проведения исследования:

Свое исследование я решила разделить на несколько этапов:

Изучение литературы по транспортной системе растений;

Освоение методов размножения хризантемы;

Проведение опытов, показывающее наличие транспортной системы у растений.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Передвижение минеральных и органических веществ по растению имеет очень большое значение, так как это процесс, с помощью которого осуществляется физиологическая взаимосвязь отдельных органов. Между органами, поставляющими питательные вещества, и органами, потребляющими их, создаются так называемые донорно-акцепторные связи. Донором минеральных питательных веществ служит корень, донором органических веществ - лист. В этой связи в растениях существуют два основных тока питательных веществ - восходящий и нисходящий.

Передвижение воды по коре корня идет главным образом по апопласту, где она встречает меньшее сопротивление, и лишь частично по симпласту. Из сосудов стебля вода попадает в сосуды листа. Вода движется из стебля через черешок или листовое влагалище в лист. В листовой пластинке водопроводящие сосуды расположены в жилках. Жилки, постепенно разветвляясь, становятся все более мелкими. Чем гуще сеть жилок, тем меньшее сопротивление встречает вода при передвижении к клеткам мезофилла листа.

Ряд уточнений в вопросе о путях и направлении передвижения веществ по растению внесли исследования с применением меченых атомов. В настоящее время ученые считают, что система транспорта у растений включает внутриклеточный, ближний и дальний транспорт. Ближний транспорт - передвижение веществ между клетками внутри органа по неспециализированным тканям, например, по апопласту или симпласту. Дальний транспорт - это перемещение веществ между органами по специализированным тканям - проводящим пучкам, т. е. по ксилеме и флоэме. Вместе ксилема и флоэма образуют проводящую систему, которая пронизывает все органы растения и обеспечивает непрерывную циркуляцию воды и веществ.

Перемещение вещества по проводящим тканям растений называют транслокацией. У сосудистых растений эти ткани крайне специализированы и представлены ксилемой и флоэмой. По ксилеме осуществляется транслокация в основном воды, растворенных в ней минеральных солей, а также некоторых органических соединений азота и гормонов; транспорт при этом направлен от корней к надземным органам растения. Флоэма служит для перемещения прежде всего растворов органических и неорганических веществ; по флоэме вещества движутся главным образом от листьев и запасающих органов к прочим частям растения, как правило, к запасающим органам (корнеплоды, корневища, клубни, луковицы). Транспорт по флоэме может происходить одновременно в двух направлениях . Эта " двухнаправленность " является результатом одностороннего тока в отдельных, но смежных ситовидных трубках, соединенных с различными донорами и акцепторами.

Все потребляющие органы обеспечиваются, как правило, ближайшим к ним донором. Верхние фотосинтезирующие литься снабжают растущие почки и самые молодые листья. Нижние листья обеспечивают корни. Плоды обеспечиваются из ближайших к ним листьев.

Стебель и его функции

Стебель (у деревьев – ствол, ветви и побеги) служит связующим звеном между корнями, через которые вода и минеральные вещества поступают в растение, и листьями, в которых синтезируются питательные вещества. Проводящие ткани стебля составляют единое целое с аналогичными тканями корня и листа – это пути передвижения веществ. Клетки некоторых стеблей содержат хлорофилл, и в них происходит фотосинтез; другие клетки специализированы для запасания крахмала и иных питательных веществ. В точках роста стеблей образуются зачатки листьев и цветков.

В стебле проводящие ткани обычно расположены в виде колец: флоэма образует наружное кольцо, а ксилема – внутреннее; в корне же пучки трубок флоэмы лежат между лучами звездообразной массы ксилемы.

Стебли растений бывают травянистыми или дерявинистыми. Мягкий, зеленый, довольно тонкий травянистый стебель типичен для однолетних растений. Такие растения развиваются из семени, цветут и дают семена в течение одного вегетационного периода, отмирая до наступления зимы. Другие травянистые растения являются двулетними – их жизненный цикл длится 2 года.

Сильно отличаются от травянистых растений деревянистые многолетние растения, живущие гораздо дольше двух лет и имеющие толстый прочный стебель, или ствол, покрытый слоем пробки. Стебли этих растений в течение первого года жизни похожи по строению со стеблями травянистых. Но к концу первого вегетационного периода в сердцевинных лучах возникает дополнительный камбий, так что в последствии образует сплошное кольцо, проходящее как между сосудистыми пучками, так и внутри них. В течении каждого следующего года камбий производит добавочные слои ксилемы и флоэмы. Так образуются годичные кольца у деревьев и кустарников. Границы между ними видны на глаз, так как сосуды ксилемы, возникающие весной, шире и кажутся более светлым, чем сосуды, которые появляются осенью.

Транспирация

Листья, находясь на воздухе, теряют влагу путем испарения, за исключением тех периодов, когда воздух насыщен водяными парами. Солнечное тепло вызывает испарение воды с поверхности клеток мезофилла, и образующийся водяной пар диффундирует из листа через устьица. Такого рода потеря воды, называемая транспирацией, может иметь место во всех органах растения, выставленных на воздух, однако в основном она осуществляется листьями.

Транспирация облегчает передвижение воды вверх по стеблю, способствует концентрированию в листьях разбавленных растворов минеральных солей, поглощаемых корнями и необходимых для синтеза новых клеточных компонентов, а также вызывает охлаждение листьев подобно тому, как это происходит у животных при испарении пота.

Передвижение воды

Еще много лет назад было экспериментально показано, что в стебле вода и соли, поглощаемые корнями, поднимаются главным образом по трахеидам и сосудам ксилемы, а сахара и другие органические вещества движутся в основном по ситовидным трубкам флоэмы. Если сделать по всей окружности стебля надрез, пересекающий флоэму и камбий, но не затрагивающий ксилему, листья долго будут сохранять тургор и оставаться в хорошем состоянии; следовательно, вода поступает в них через ксилему, поскольку флоэма полностью перерезана. Применяя специальный метод, можно перерезать ксилему, сохранив флоэму относительно неповрежденной; в этом случае листья почти тотчас же завядают и отмирают, то есть и эти результаты свидетельствуют о том, что вода поступает в листья главным образом по ксилеме.

Хризантемы как предмет исследования.

Хризантемы ( лат. Chrysanthemum) - род однолетних и многолетних травянистых растений семейства Астровые (Asteraceae) , или Сложноцветные (Compositae) . Растения близки к родам Тысячелистник и Пижма, куда нередко перемещаются многие виды хризантем.

Родиной хризантемы являются страны умеренных и северных зон Земли, но наибольшее количество растений все же произрастают в Азии, Европе и Африке.

Название рода произошло от греч. «χρῡσανθής» (златоцветный), образованного из двух слов «chrysos» (золото) и «anthemis» (цветок), и объясняется тем, что растения характеризуются жёлтой окраской соцветия.

Хризантемы произрастают преимущественно в виде ветвистых полукустарников, реже – в виде травянистых растений. Высота кустов от 50 см до 1,5 м. Листья расположены в очередном порядке, простые, цельные, зазубренные, выемчатые или рассечённые, различные по величине и форме, опушённые и нет, преимущественно светло-зелёные. Цветки мелкие, собраны в корзинку, у некоторых видов крупную, состоящую, как правило, из срединных трубчатых жёлтых цветков и язычковых краевых, разнообразно окрашенных и обычно расположенных однорядно. У многих гибридных сортов они располагаются многорядно и образуют так называемое «махровое» соцветие. Побеги – голые/или опушенные. Плод – семянка.

Хризантемы размножаются семенами, черенками.

Размножение семенами. Для раннего цветения семена сеют в марте в общие емкости. По мере подрастания сеянцев, их пикируют в горшочки. Субстрат для посадки берут рыхлый, питательный.

Размножение черенкованием. Хризантемы успешно размножаются черенкованием. Черенки берут с сильных молодых побегов. Срезают черенки аккуратно, под листовым узлом, острым инструментом. Сажать можно в различные емкости, подойдут горшочки диаметром 7-9 см. Для укоренения берут торфоперегнойную смесь, которую сверху присыпают слоем песка толщиной около 2 см. Можно укоренять в чистом песке.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Для начала мне нужно было посадить хризантемы. Имея несколько срезанных цветков хризантемы из букета, поэтому было легко обзавестись ее черенками.

1 Я взяла стебли хризантемы, срезала с них все листья и прищепила верхушку. Поставила эти стебли в стакан с водой и оставила до появления молодых корней.

2 Для дальнейшего выращивания я подобрала небольшой широкий горшок, так как корни растут больше в ширину, чем в глубину. Почву взяла универсальную, с небольшим количеством удобрения. Положила на дно горшка и перемешала с землей гальку. Это поможет избежать загнивания корневой системы. Горшок поставили на солнечное место в теплице СЮН.

3 Когда на черенках появились несколько сильных корней, побеги поместила во влажную землю на глубину 3-5 см. Присыпала корни землей, но закапывать их слишком глубоко не стала. Обернула горшок полиэтиленовой пленкой на 2 недели, чтобы корни смогли лучше прижиться.

Опыт №1.

После того, как хризантемы прижились, я начала поливать их водой с растворенным красителем (рис.1). И стала ждать, когда мои хризантемы начнут цвести. Полив осуществляла после высыхания верхнего слоя почвы.

Рис.1

Опыт №2.

Для того, чтобы убедиться, что вода поступает в листья по ксилеме я провела следующий опыт. В воду, где растворила чернила, поставила срезанную ветку клена. Со временем древесина окрасилась, а область ближе к коре, где находится флоэма, осталась не окрашенной. Из этого опыта я убедилась, что вода поступает по ксилеме, а также увидела где находятся ксилема и флоэма.

Ждать, когда вырастут хризантемы и зацветут достаточно долгое время, поэтому я решила провести еще один опыт для которого применила срезанные хризантемы, которые появились у нас дома после праздника.

Опыт №3.

Каждый стебель хризантемы я поставила в отдельную емкость с водой, куда добавила разные красители (рис.2). В скором времени я наблюдала как белые соцветия начали постепенно обретать другую окраску, которая соответствовала цвету красителя (рис.3). Со временем цветки окрасились полностью (рис.4). Так подтвердилось то, что вода вместе со всеми растворенными в ней веществами движется вверх с определенной силой.

Рис.2

Рис.3

Рис.4

ВЫВОДЫ:

Своей цели и поставленных задач я добилась:

Изучила структуру растений и их органов;

Выяснила как происходит движение веществ в растениях;

Провела опыты, подтверждающие наличие транспортной системы у растений.

По полученным данным написала и оформила исследовательскую работу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Павлова Т. Хризантемы: сибирские гибриды. // Цветоводство. - 1996. - № 6.

http://edportal.net/referaty/biologiya/61898/

http://biofile.ru

http://bookflowers.ru/

http://fizrast.ru

http://flora.dobro-est.com/

В статьях уже говорилось, что обмен веществами между отдельными клетками и окружающей их средой может происходить пассивно, т. е. за счет процессов диффузии и осмоса, и с затратой энергии - путем активного транспорта, эндоцитоза и экзоцитоза. Внутри клетки вещества перемещаются в основном благодаря диффузии, однако и там известен энергозависимый транспорт, например с токами цитоплазмы. Эти способы переноса обеспечивают достаточную скорость и эффективность обмена на небольших расстояниях, поэтому одноклеточные организмы и даже многоклеточные с высоким отношением поверхности тела к его объему не нуждаются в особых транспортных системах. Например, у таких относительно мелких животных, как дождевые черви, обмен дыхательных газов (кислорода и диоксида углерода) осуществляется путем их диффузии между окружающим воздухом и внутренними органами через наружные покровы тела.

У более крупных и более сложно устроенных организмов многие клетки слишком удалены друг от друга и от окружающей среды, чтобы эффективный обмен веществами могли обеспечивать только названные выше процессы. Этим организмам нужны специализированные системы быстрого транспорта на дальние расстояния. Обычно вещества в таких системах движутся за счет так называемого объемного потока - в составе текучей среды, перемещающейся по градиенту давления - из области, где оно выше, в область, где оно ниже. Все компоненты в таком потоке транспортируются практически с одной и той же скоростью, как в реке, тогда как при диффузии молекулы распространяются независимо друг от друга в соответствии с их диффузионными градиентами. Некоторые системы объемного потока у растений и животных перечислены в таблице. Обратите внимание, что животные могут использовать силу мышечного сокращения, чтобы перемещать жидкости или газы из одной части тела в другую; так, сердце как насос гонит кровь по сосудам. У растений мышц нет, однако градиент давлений внутри них может создаваться с помощью испарения, активного транспорта и осмоса, о чем и пойдет речь ниже.

И у животных, и у растений имеются проводящие , или сосудистые, системы. Они состоят из трубок, заполненных газом или жидкостью, т. е. текучей средой, которая перемещается по механизму объемного потока. У животных - это кровеносная система. У подавляющего большинства растений проводящие системы образуют ксилема и флоэма (иногда их считают двумя частями одной проводящей системы). Для работы этих систем необходима энергия. В случае транспорта по ксилеме, например, энергия поступает непосредственно от Солнца. Специализированная проводящая система, обеспечивающая перемещение веществ по механизму объемного потока, должна быть связана со специализированными обменными системами, функция которых состоит в поддержании градиента концентрации между транспортной системой и обслуживаемыми ею клетками.

В таблице перечислены основные группы транспортируемых по растениям веществ ; там же приведены некоторые сведения об основных путях и механизмах поглощения, транспорта и удаления веществ.

Перемещение вещества по проводящим тканям растений называют транслокацией . У сосудистых растений эти ткани крайне специализированы и представлены ксилемой и флоэмой. По ксилеме осуществляется транслокация в основном воды, растворенных в ней минеральных солей, а также некоторых органических соединений азота и гормонов; транспорт при этом направлен от корней к надземным органам растения. Флоэма служит для перемещения прежде всего растворов органических и неорганических веществ; по флоэме вещества движутся главным образом от листьев и запасающих органов к прочим частям растения.

Изучение транслокации очень важно с хозяйственной точки зрения. Например, чтобы знать оптимальные способы применения и оценивать потенциальный эффект гербицидов, фунгицидов, регуляторов роста и удобрений, нужно понимать, как эти вещества попадают в растение и по каким «маршрутам» они распространяются внутри него. Подобная информация важна и в случае некоторых растительных патогенов, в частности бактерий, грибов и вирусов, которые также могут транслоцироваться по проводящим системам: она требуется для разработки мер по профилактике болезней и по борьбе с инфекциями. Например, в шестидесятые годы появилась новая группа фунгицидов, которые названы системными, поскольку всасываются растениями и распространяются путем транслокации по всем их органам. Это обеспечивает долговременную и более надежную, чем поверхностные обработки, защиту от грибковых заболеваний, в частности от мучнистой росы.

Почти вся вода, поглощаемая растением, поступает в него через корневые волоски (выросты эпидермальных клеток кончиков корней) под действием осмотических сил, а также за счет активных механизмов, протекающих с затратами энергии дыхания. Пройдя в радиальном направлении через апопласт (совокупность клеточных стенок и межклетников) или симпласт (совокупность протопластов клеток, соединенных цитоплазматическими мостиками - плазмодесмами) и эндодерму, вода поступает в ксилемные проводящие пучки (состоящие из сосудов и трахеид), расположенные по всей длине корня и стебля. Далее по сосудам черешков вода в жидкой фазе поступает в листья. В листьях ксилемные и флоэмные жилки образуют такую густую сеть, что любая клетка оказывается очень близко от поступающей воды. Из ксилемы вода диффундирует в стенки клеток мезофилла (основной ткани) листа. Из межклетников листа через устьица молекулы воды выходят в атмосферу (транспирация). У огурца, мезофитного растения, устьиц много - 300-650 шт. на 1 мм 2 на нижней поверхности листа, и 200-350 шт. на 1 мм 2 на верхней поверхности листа.

При участии воды происходят все жизненные процессы. В процессе фотосинтеза из диоксида углерода и воды образуются органические вещества и высвобождается молекулярный кислород. Вода в растениях находится в свободном и связанном состоянии. В процессе транспирации расходуется прежде всего свободная вода.

Из почвы растворенные в воде вещества растения поглощают избирательно (активный транспорт ионов). Минеральные вещества в виде ионов вместе с водой также поглощаются растением через корневые волоски и другие эпидермальные клетки кончика корня и далее по апопласту и симпласту поступают в ксилемные сосуды. В симпласте происходит метаболизация поступаемых элементов - включение их в процессы обмена веществ.

По ксилеме ионный поток направляется в растущие органы растений и включается в процессы метаболизма.

Продукты фотосинтеза из листьев в различные органы растения проходят по другой транспортной сосудистой системе, называемой флоэмой, состоящей из ситовидных трубок и клеток-спутниц. В отличие от мертвых клеток ксилемных сосудов ситовидные клетки являются живыми.

Ксилема и флоэма - две зоны единых проводящих пучков растений. Система проводящих пучков пронизывает все органы растения снизу доверху и представляет собой сложно сплетенную сеть внутри растения, т.к. пучки образуют между собой массу перемычек. Проводящая система стебля огурца представлена девятью открытыми биколлатеральными пучками, расположенными в два круга.

Значение транспирации для растения

Транспирация - испарение воды надземными частями растений. У огурца транспирация происходит через устьица листьев. Биологическое значение транспирации:

Обеспечение работы верхнего концевого двигателя тока воды, благодаря которому происходит поступление в растение питательных веществ;

Поддержание и регулирование насыщенности клеток водой, создавая таким образом оптимальные условия для процессов жизнедеятельности;

Терморегуляция растения.

В солнечные дни температура листа может быть на 10°С выше температуры воздуха. Из-за такой разности температур транспирация усиливается. Усиливается она также и в результате турбулентности воздуха (движение воздуха в теплице, когда форточки открыты). В таких условиях вода из растения может испаряться быстрее, чем корневая система может ее подавать. В растении возникает водный дефицит. (У растений выработаны защитные механизмы экономного расходования воды: так, в жаркие полуденные часы происходит снижение транспирации за счет закрывания устьиц и возрастания водоудерживающей способности тканей). Когда потеря воды листьями в течение определенного времени превышает ее поступление через корни, растения начинают привядать. Первыми начинают привядать нижние листья. Ближе к вечеру транспирация ослабевает, и за счет поглощения воды корнями водный баланс растений восстанавливается. Клетки растений восстанавливают свой тургор - признаки увядания исчезают. В жаркий период такое дневное обратимое увядание может происходить каждый день, даже несмотря на то, что в почве содержится оптимальное количество воды. Такое явление можно наблюдать на тяжелых плотных тепличных грунтах в период интенсивного плодообразования, или при сильном перегреве воздуха в теплице. Если наступает пасмурная погода, признаки увядания исчезают.

Первые признаки увядания - симптом того, что сильно нарушена агротехника, или растения заражены патогенами, поражающими корни, прикорневую часть стебля, или вызывающими закупоривание ксилемных сосудов.

В случае ослабленного роста корней или их поражения и отмирания под действием внезапного сильного стресса или патогенов интенсивность ежедневного увядания листьев будет усиливаться, т.к. надземная часть (в начале угнетения корней) еще продолжает расти, а деятельность корневой системы ослаблена. В дальнейшем и рост стеблей и листьев приостанавливается, урожайность резко снижается. Через некоторое время может произойти необратимое полное увядание - растение погибает.

Поглощение воды корнем и ее транспорт у цветковых растений

Спецкурс «Физиология растений» предназначен для учащихся, изучающих биологию углубленно (11-й класс, 34 ч). Программа спецкурса предусматривает изучение раздела «Передвижение веществ по растению» на четырех уроках по темам «Поглощение воды корнем и ее транспорт у цветкового растения», «Транспирация и ее физиологическая роль», «Поглощение минеральных веществ корнем и транспорт ионов у цветковых растений», «Транспорт органических веществ у цветковых растений».

Урок «Поглощение воды корнем и ее транспорт у цветковых растений» рассчитан на 40–45 мин. В 10-м классе учащиеся изучают спецкурс «Анатомия и морфология растений» (34 ч), поэтому в 11-м классе вопросы анатомии и морфологии растений только повторяются по ходу урока. На уроках общей биологии и химии школьники уже изучили понятия осмос , осмотическое давление , поэтому и эти вопросы в ходе данного урока лишь повторяются.

Цели урока. Актуализировать знания о строении корневых волосков, ксилемы, молекулы воды, о понятиях осмоса, осмотического давления, кагезии, адгезии и др. Рассмотреть физиологические механизмы всасывания воды корнем. Изучить механизм передвижения воды у цветковых растений. Совершенствовать навыки учащихся в работе с лабораторным оборудованием, постановке опытов. Развивать интеллектуальные способности, логическое мышление, навыки познавательной самостоятельности у учащихся.

Оборудование: живые растения, побеги растений, пробирки, лупы, растительное масло, чернила, вазелин, стеклянная и резиновая трубки, скальпель и таблицы «Строение корня», «Клеточное строение листа», «Строение стебля».

Предлагаемые нами опыты широко известны, т.к. входят в программу основной школы, но объяснение школьниками полученных результатов должно быть более научным и глубоким, соответствующим уровню учащихся 11-го класса, изучающих биологию углубленно. Учитель назначает несколько учащихся, и каждый из них закладывает свой опыт (на этом уроке демонстрируются три опыта, значит, в их постановке будут задействованы три школьника).

Опыт № 1

Взять растение, выращенное во влажных опилках, отряхнуть его корневую систему и опустить его корни в пробирку с водой. Поверх воды для защиты от испарения налить масло. Отметить уровень воды на стенке пробирки. Через день вновь отметить уровень воды и сравнить его с первоначальным. Из полученных результатов сделать вывод.

Опыт № 2

У молодого растения бальзамина срезать стебель на 3–5 см выше корневой шейки. Пенек вокруг смазать вазелином и надеть на него резиновую трубку. Свободный конец ее соединить со стеклянной трубкой (рис. 1). Почву в горшке перед демонстрацией опыта полить теплой водой. Что вы наблюдаете? О чем свидетельствуют результаты опыта?

Рис. 1. Опыт, демонстрирующий корневое давление

Опыт № 3

Побег какого-либо дерева или кустарника поместите в сосуд с водой, подкрашенной чернилами. Через день препаровальным ножом (скальпелем) срежьте нижнюю часть (примерно 1–2 см) побега. Рассмотрите с помощью лупы поперечный разрез. Какой слой стебля окрасился? Объясните результаты опыта.

ХОД УРОКА

1. Передвижение веществ у растений

Любой организм, а тем более сложно устроенный, нуждается в обмене веществ с окружающей средой, обмене веществ между клетками организма и обмене веществ внутри клеток. Это оказывается возможным лишь при наличии транспорта веществ внутри организма.
Какие процессы в живом организме обеспечивают транспорт веществ на небольшие расстояния?

Предполагаемые ответы. На небольшие расстояния транспорт веществ обеспечивают физические процессы диффузии (в том числе осмос), активный транспорт и токи цитоплазмы. (Эти процессы учащиеся изучали в 10-м классе на уроках общей биологии.)

Учитель. Действительно, у одноклеточных организмов и у тех многоклеточных, у которых достаточно велико отношение поверхности тела к его объему, эти способы транспорта работают хорошо.
Как переносятся вещества у крупных и, по сравнению с одноклеточными, более сложно устроенных организмов, ведь одной диффузии у них для этих целей явно недостаточно?

Предполагаемые ответы. У организмов, клетки которых сильно удалены друг от друга и от окружающей среды, возникают специальные системы транспорта на большие расстояния, гарантирующие быстрое перемещение нужных веществ.

Учитель. Какие транспортные системы у животных и растений вам известны?

Предполагаемые ответы. У животных – кровеносная система, а у растений – проводящая система, образованная ксилемой и флоэмой.

Учитель. Вы верно назвали так называемые циркуляционные системы животных и растений. Именно они обеспечивают надежный транспорт веществ этим организмам.
Таким образом, транспорт веществ – это доставка необходимых соединений к определенным органам и тканям с помощью специальных систем. Мы будем изучать способность растения транспортировать органические и неорганические вещества, ведь без их транспортировки было бы невозможно его нормальное функционирование. Процесс передвижения веществ по проводящим тканям растения называют транслокацией.

2. Вещества, транспортируемые растениями

Учитель. Перечислите важнейшие группы веществ, которые должны транспортироваться растением.

Предполагаемые ответы. Вода, газы, минеральные соли, органические вещества.

Учитель. Вы верно назвали основные группы веществ, транспортируемых растением. Теперь попробуем проследить путь этих веществ в растительном организме.

Предлагаю вам на основе знаний о строении растительных тканей и органов заполнить таблицу «Передвижение веществ у растений». Поможет вам в заполнении таблицы схема, находящаяся на ваших столах (рис. 3).

Рис. 3. Схема циркуляции воды, неорганических ионов и ассимилятов в растении. Вода и неорганические ионы, поглощенные корнем, передвигаются по ксилеме вверх с транспирационным током. Большая их часть транспортируется к листьям. В листьях значительное количество воды и неорганических ионов перемещается во флоэму и выносится из них вместе с сахарозой в токе ассимилятов. Буквой А обозначены места, специализированные на поглощении и ассимиляции исходных материалов из внешней среды. Буквы З и Р указывают соответственно места загрузки и разгрузки, О – точки, в которых происходит обмен между ксилемой и флоэмой

Учитель (проверка заполнения таблицы ). Вы верно заполнили таблицу, назвав вещества, транспортируемые растением, и указав путь этих веществ. Теперь вам предстоит более подробно ознакомиться с механизмом транспорта воды у растений. Начинается путь воды в растении с корня.

3. Поглощение воды корнем растения

Демонстрация опыта № 1. Об опыте и его результатах рассказывает ученик, заложивший его накануне урока. Из результатов опыта вытекает вывод о всасывании воды корнем растения.

Учитель. Вспомните, какие структуры корня всасывают воду и что они представляют собой по строению (демонстрация таблицы «Строение корня» ).

Предполагаемые ответы. Структурами корня, всасывающими воду, являются корневые волоски, расположенные в зоне всасывания. Они представляют собой цитоплазматические выросты клеток корневого эпидермиса.

Учитель. Цитоплазма корневого волоска и почвенный раствор отделены друг от друга мембраной. Что заставляет воду проникать в корневые волоски через мембрану?

Предполагаемые ответы. На основе знаний об осмосе можно предположить, что молекулы воды передвигаются из той области, где их концентрация высока (из раствора с низким осмотическим давлением), туда, где их концентрация низка (в раствор с более высоким осмотическим давлением). Значит цитоплазма клеток, образующих корневые волоски, более концентрированна, чем почвенный раствор. Именно это и обеспечивает своеобразную диффузию молекул воды из почвы в клетки корня.

Учитель. Вы верно определили причину всасывания воды корнем. В наши дни физиологи, когда хотят описать тенденцию молекул воды к перемещению из одного места в другое, пользуются термином «водный потенциал». Вода перемещается из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким водным потенциалом, т.е. из почвы в корень. Процесс поглощения воды корнем отражает рис. 2., он также находится на ваших столах. Градиент водного потенциала поддерживается также и за счет передвижения воды по ксилеме, но об этом мы будем говорить чуть позже.
Таким образом, вода поглощается корневыми волосками за счет разницы водного потенциала почвенного раствора и цитоплазмы клеток, образующих корневые волоски. Затем вода проходит через кору корня в ксилему и поднимается по ней к листьям.

Рис. 2. Схема основных путей перемещения воды и неорганических ионов из почвы через эпидерму и кору в ксилему. Вода движется в основном по апопласту, пока не достигнет эндодермы, где апопластное движение перекрывается поясками Каспари. Пояски Каспари заставляют воду на пути к ксилеме пересечь плазматические мембраны и протопласты эндодермальных клеток. Пройдя сквозь плазматическую мембрану на внутренней поверхности эндодермы, вода может снова пойти по апопластному пути до полостей элементов ксилемы. Неорганические ионы активно поглощаются эпидермальными клетками и затем перемещаются по симпласту через кору в паренхимные клетки, из которых они перекачиваются в элементы ксилемы

Демонстрация опыта № 2. Об опыте и его результатах рассказывает ученик, заложивший его накануне урока. Жидкость, собравшаяся в стеклянной трубке, свидетельствует о способности корня создавать давление. Наверное, именно благодаря этому давлению и происходит снабжение водой надземных органов растения.

Учитель. Было высказано верное предположение о способности корня создавать давление, которое так и называется – корневое давление. Оно составляет 100–200 кПа. У некоторых растений корневое давление вызывает выделение капелек жидкости через гидатоды.
Что такое гидатоды и как называется процесс выделения капельно-жидкой влаги?

Предполагаемые ответы. Гидатоды – водяные устьица растений, а процесс выделения через них капелек жидкости называется гуттацией. (С этим понятием учащиеся знакомились при изучении выделительных тканей растений в 10-м классе.)

Учитель. Вы верно вспомнили название процесса выделения капелек воды через гидатоды. Верно было сказано и то, что благодаря корневому давлению вода поднимается вверх по стеблю. Но возникает проблема: ток жидкости, поднимаясь вверх, должен преодолевать большее давление, нежели способен развивать корень, то есть одного корневого давления обычно недостаточно, чтобы обеспечить передвижение воды вверх по ксилеме. Какая еще сила обеспечивает подъем воды? Сейчас нам предстоит решить эту проблему, познакомившись с механизмом подъема воды по ксилеме.

4. Подъем воды по ксилеме

Демонстрация опыта № 3. Об опыте и его результатах рассказывает третий ученик, также заложивший опыт накануне урока. На поперечном срезе стебля, рассмотренного с помощью лупы, четко видно, что окрасился слой древесины (вторичная древесина называется ксилемой). Из результатов опыта следует, что ксилема является водопроводной тканью растения, и что именно по ней вода поднимается от корня к листьям растения.

Учитель. Опыт наглядно подтверждает мысль о том, что ксилема в теле растения проводит воду. (Демонстрация таблицы «Строение стебля» .)
Вспомните, каково строение ксилемы.

Предполагаемые ответы. Ксилема цветковых растений состоит из двух типов структур, транспортирующих воду, – трахеид и трахей (сосудов). Сосуды ксилемы – мертвые трубки с узким просветом.

Учитель. Верно было сказано, что сосуды ксилемы являются мертвыми трубками с узким просветом. Диаметр их варьирует от 0,01 до 0,2 мм. Большие количества воды переносятся по ксилеме относительно быстро. Например, у высоких деревьев была зафиксирована скорость подъема воды до 8 м/ч. Но все же вернемся к ранее обозначенной проблеме. Как вы думаете, какие силы обеспечивают движение тока воды вверх по стеблю?

Предполагаемые ответы. Логика подсказывает две возможности: вода выталкивается снизу (но о корневом давлении мы уже говорили и сделали вывод о том, что его одного недостаточно для обеспечения восходящего ксилемного тока) или ее тянут сверху.

Учитель. Поскольку корневое давление одно не способно поднять воду к вершине большого дерева, давайте остановимся на гипотезе, предполагающей, что вода «протягивается» через все растение, тем более что эту гипотезу подтверждают имеющиеся данные.
Для изучения механизма движения воды по ксилеме предлагаю вам прочитать текст, который находится у каждого из вас на столе. После чтения обязательно ответьте на вопросы к тексту.

Текст для чтения

Теория передвижения воды известна как теория когезии (с этим понятием вы знакомились, изучая строение и свойства воды в 10-м классе на уроках общей биологии) – натяжения. Согласно этой теории, подъем воды от корней обусловлен испарением воды из клеток листа (вспомните строение листа). Испарение приводит к снижению водного потенциала клеток, примыкающих к ксилеме. Поэтому вода входит в эти клетки из ксилемного сока, у которого более высокий водный потенциал, и достигает концов жилок листа, откуда она испаряется (механизм испарения будет изучен на следующем уроке).
Сосуды ксилемы заполнены водой, и по мере того как вода выходит из сосудов, в столбе воды создается натяжение. Оно передается вниз по стеблю на всем пути от листа к корню благодаря сцеплению (когезии) молекул воды. (Подумайте, почему молекулы воды стремятся «прилипнуть» друг к другу.)
Благодаря когезии прочность на разрыв у воды достаточно высока и способна предотвратить разделение ее молекул под действием натяжения, необходимого для подъема воды по ксилеме высокого дерева, и создать массовый ток. При этом вода поступает в основание такого столба в корнях из соседних клеток корня.
Кроме того, молекулы воды стремятся прилипнуть к стенкам сосудов под действием сил адгезии (прилипания), имеющих электрическую природу.
Клеточные оболочки, вдоль которых движется вода, очень эффективно притягивают воду, что дает максимальные преимущества для адгезии воды и создает условия для проявления когезивности.

1. Как называется теория передвижения воды по ксилеме?
2. Почему молекулы воды стремятся «прилипнуть» друг к другу?
3. Почему утверждают, что энергию для движения воды и минеральных солей по растению поставляет не растение, а непосредственно Солнце?

Предполагаемые ответы. Теорию передвижения воды по ксилеме называют теорией «адгезии-когезии».
Молекулы воды полярны и притягиваются друг к другу электрическими силами, а затем удерживаются за счет водородных связей.
Энергию для движения воды поставляет Солнце, т.к. нагревание листьев способствует отрыву молекул воды от водного потока ксилемы, а это создает натяжение в столбе воды, которое передается вниз по стеблю благодаря когезии.

Учитель. Итак, движение воды в теле растения возможно благодаря исключительной способности ее молекул к когезии и адгезии, которую растения так умело используют. Таким образом, мы ответили на вопрос о причинах движения воды вверх по стеблю.

Материал сегодняшнего урока на этом исчерпан.

Дать определение следующим понятиям: транспорт веществ, ксилема, флоэма, транслокация, осмос, осмотическое давление, водный потенциал, корневое давление, гидатоды, гуттация, когезия, адгезия.

Выучить теоретический материал. Устно ответить на следующие вопросы.

Объясните, почему вода поднимается к вершинам высоких деревьев, тогда как механическим насосом ее можно поднять на высоту не более 10 м.

Растение теряет воду вследствие отрицательного водного потенциала атмосферы. Как бы вы объяснили это утверждение?

Фермеры редко удобряют посевы во время засухи, поскольку они на опыте убедились в том, что это может принести вред. Объясните, почему это так.

Спонсор публикации статьи: старейшее риэлтерское агентство Москвы ООО «Агентство Ризолит» - Агентство недвижимости, мы на рынке с 1994 года! Воспользовавшись предложением агентства, Вы получите услуги высококвалифицированных специалистов с большим опытом успешной работы, которые помогут выгодно продать или купить квартиру в Москве. Подробнее ознакомиться с предложением и получить консультацию специалиста можно на сайте компании www.rizolit.ru

Клетки обмениваются различными веществами с окружающей их средой в результате диффузии. Однако перенос веществ обычной диффузией на большие расстояния неэффективен; возникает необходимость в специализированных системах транспорта. Такой перенос из одного места в другое осуществляется за счёт разности давлений в этих местах. Все переносимые вещества движутся с одинаковой скоростью в отличие от диффузии, где каждое вещество движется со своей скоростью в зависимости от градиента концентрации.

У животных можно выделить четыре основных типа транспорта: пищеварительную , дыхательную , кровеносную и лимфатическую системы. Часть из них были описаны ранее, к другим мы перейдем в следующих параграфах.

У сосудистых растений передвижение веществ осуществляется по двум системам: ксилеме (вода и минеральные соли) и флоэме (органические вещества). Передвижение веществ по ксилеме направлено от корней к надземным частям растения; по флоэме питательные вещества движутся от листьев.

Одним из важнейших механизмов транспорта веществ в растении является осмос. Осмос – это переход молекул растворителя (например, воды) из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Этот процесс похож на обычную диффузию, но протекает быстрее. Численно осмос характеризуется осмотическим давлением – давлением, которое нужно приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор.

В растениях роль таких полупроницаемых мембран играют плазматическая мембрана и тонопласт (мембрана, окружающая вакуоль). Если клетка контактирует с гипертоническим раствором (то есть раствором, в котором концентрация воды меньше, чем в самой клетке), то вода начинает выходить из клетки наружу. Этот процесс называется плазмолизом . Клетка при этом сморщивается. Плазмолиз обратим: если такую клетку поместить в гипотонический раствор (с более высоким содержанием воды), то вода начнёт поступать внутрь, и клетка снова набухнет. При этом внутренние части клетки (протопласт) оказывают давление на клеточную стенку. У растительной клетки набухание останавливается жесткой клеточной стенкой. У животных клеток жёстких стенок нет, а плазматические мембраны слишком нежны; необходим особый механизм, регулирующий осмос.

Еще раз подчеркнём, что осмотическое давление – величина скорее потенциальная, чем реальная. Она становится реальной только в отдельных случаях – например, при её измерении. Также необходимо помнить, что вода движется в направлении от более низкого осмотического давления к более высокому.

Основная масса воды поглощается молодыми зонами корней растений в области корневых волосков – трубчатых выростов эпидермиса. Благодаря им значительно увеличивается всасывающая воду поверхность. Вода поступает в корень за счёт осмоса и движется вверх к ксилеме по апопласту (по клеточным стенкам), симпласту (по цитоплазме и плазмодесмам), а также через вакуоли . Надо заметить, что в клеточных стенках имеются полоски, называемые поясками Каспари . Они состоят из водонепроницаемого суберина и препятствуют продвижению воды и растворённых в ней веществ. В этих местах вода вынуждена проходить через плазматические мембраны клеток; полагают, что таким образом растения защищаются от проникновения токсичных веществ, патогенных грибов и т. п.

Вторая важная сила, участвующая в подъёме воды, – это корневое давление . Оно составляет 1–2 атм (в исключительных случаях – до 8 атм). Этой величины, конечно, недостаточно, чтобы в одиночку обеспечить движение жидкости, но её вклад у многих растений несомненен.

Попадая по ксилеме в листья, вода и минеральные вещества распределяются через разветвлённую сеть проводящих пучков по клеткам. Движение по клеткам листа осуществляется, как и в корне, тремя способами: по апопласту, симпласту и вакуолям. На свои нужды растение использует менее 1 % поглощаемой им воды, остальное в конце концов испаряется через восковый слой на поверхности листьев и стеблей – кутикулу (около 10 % воды) – и особые поры – устьица (90 % воды). Травянистые растения теряют в день около литра воды, а у больших деревьев эта цифра может доходить до сотен литров. Испарение воды ( транспирация ) осуществляется за счёт энергии солнца. Проще всего транспирацию наблюдать, если накрыть растение в горшке колпаком; на внутренней поверхности колпака будут собираться капельки жидкости.

На скорость испарения влияют многие факторы; как внешние условия (свет, температура, влажность, наличие ветра, доступность воды в почве), так и особенности строения листьев (площадь поверхности листа, толщина кутикулы, количество устьиц). Ряд внешних факторов приводит к уменьшению диффузии воды из листьев, другие (например, отсутствие света или сильный ветер) вызывают замыкание устьиц (благодаря работе особых замыкающих клеток). Растения засушливых регионов имеют специальные приспособления для уменьшения транспирации: погруженные глубоко в листья устьица, густое опушение из волосков или чешуек, толстый восковой налёт, превращение листьев в колючки или иглы и другие. Осенний листопад в умеренных широтах также призван уменьшить испарение воды, когда наступят холода.

Некоторые минеральные вещества, выполнив свою полезную функцию, могут перемещаться дальше вверх или вниз по флоэме. Это происходит, например, перед сбрасыванием листьев, когда накопленные листьями полезные вещества сохраняются, откладываясь в других частях растения.

У многоклеточных растений есть ещё одна транспортная система, предназначенная для распределения продуктов фотосинтеза, – флоэма. В отличие от ксилемы, органические вещества могут транспортироваться по флоэме и вверх, и вниз. 90 % переносимых веществ составляет сахароза, которая практически не участвует в метаболизме растения непосредственно и поэтому является идеальным углеводом для транспорта. Скорость движения сахара обычно составляет 20–100 см/ч; за день по стволу большого дерева может пройти несколько килограммов сахара (в сухой массе).

Каким образом столь большие потоки питательных веществ могут протекать в тонких ситовидных трубках флоэмы (их диаметр не превышает 30 мкм), не совсем понятно. По-видимому, вещества по флоэме распространяются массовым током, а не диффузией. Возможными механизмами транспорта являются обычное давление или электроосмос.

При повреждении флоэмы ситовидные трубки закупориваются в результате отложения каллозы на ситовидных пластинках. Безвозвратная утечка питательных веществ обычно прекращается уже через несколько минут после повреждения.