О проекте
Контакты


Поиск по сайту


Метаболизм воды в растительном организме. Функции воды

Для процессов жизнедеятельности растений главными экологическими факторами являются:

1) Энергия солнечного света;

2) Наличие в атмосфере углекислого газа;

3) Наличие в атмосфере кислорода;

4) Наличие в окружающей среде растворимых минеральных веществ;

5) Наличие в окружающей среде воды.

Размножение и существование в океане организмов ограничивалось главным образом наличием в окружающей среде необходимых минеральных веществ. В связи с этим автотрофные организмы в процессе эволюции более интенсивно начали развитие у берега. В прибрежной зоне было ряд преимуществ, которые способствовали эволюционному развитию автотрофных организмов:

- вода обогащена  минеральными солями, которые приносятся  с суши;

- действует гораздо больше экологических факторов, под влиянием которых организмы эволюционируют в сторону усложнения структуры и увеличения разнообразия.

Ограничивающим фактором распространения  растений на суши являлась вода. В связи с этим эволюционная  стратегия растений заключалась в следующем:

1) Развитие  корневой системы   – специального  органа, который обеспечивал поглощение воды, минеральных веществ и закрепление в грунте;

2) Развитие стебля – опоры для листьев и обеспечения непрерывного потока воды и минеральных солей от корня к  листьям;

3) Покрытие всех  надземных органов кутикулой, снижающей потерю воды.

4) Развитие специальных отверстий устиц, обеспечивающих газообмен между окружающей средой и растением, перемещение воды вверх по растению и поддержание нужного соотношения между расходованием и потреблением воды;

5) Формирование в организме специальных тканей, сохраняющих эмбриональное состояние (меристем), которые обеспечивают рост растения в течение всей жизни, что позволяет отыскивать источники воды и минеральных веществ и постоянный приток квантов света;

6) Развитие специальных репродуктивных органов, обеспечивающих размножение растений в условиях суши.

Функции воды в метаболизме растений

В среднем вода составляет 80-90% массы растения. Однако ее содержание меняется  и в значительной степени зависит от видовых особенностей, ткани и органа, возраста, функциональной активности, факторов внешней среды.


Содержание воды в разных органах растения:

Растение или орган растения

Содержание воды, %

Водоросли

до 98

Высшие растения

От 70 до 80

Листья деревьев

От 50 до 97

Клубни картофеля

75

Сочные плоды

до 95

Одревесневшие части растения

От 40 до 80

Сухие семена

От 5 до 15


Основные функции воды в растениях:

1) Объединяет все части организма, образуя непрерывную водную фазу;

2) Образует раствор и среду для реакций метаболизма;

3) Принимает участие в различных процессах как вещество реакции

6СО2 + 6Н2О→С6Н12О6 + 6О2

4) Обеспечивает передвижение веществ по сосудам растения, по симпласту и апопласту;

5) Защищает ткани растений от резких колебаний температуры (благодаря высокой теплоемкости и большой удельной теплоте парообразования);

6) Обеспечивает упругость тканей и органов, выполняет роль амортизатора при механических воздействиях;

7) Поддерживает структуру органических молекул, мембран, цитоплазмы, клеточной стенки и других компартментов клетки.


Функции воды обусловлены особыми физико-химическими свойствами и строением молекулы. Молекула воды полярная и представляет из себя диполь ( Нδ+ - Оδ-). Геометрия молекулы отвечает дважды незавершенному тетраэдру. Такая геометрическая форма вызывает разделение в пространстве «центров тяжести» отрицательного и положительного зарядов и образования диполя молекулы воды.

Проекция на плоскости                         Условное изображение молекулы воды

Диполи воды могут взаимодействовать друг с другом за счет образования водородных связей. Благодаря способности молекул воды связываться друг с другом вода обладает рядом свойств, имеющих важное значение для жизни:



Вода способна слипаться сама с собой (когезия). Когезия обусловливает

поверхностное натяжение вод , из-за которого вода как бы покрыта кожицей.

Благодаря когезии вода заполняет тонкие проводящие пучки.


Полярные молекулы воды притягиваются любой поверхностью, несущей электрический заряд (адгезия). Адгезия обусловливает капиллярные свойства воды – способность подниматься по мелким порам клеточной стенки, сосудов, почвы. Молекулы воды прилипают к поверхности поры и благодаря сцеплению с нижележащими молекулами втягивают их в пору.


Вода является растворителем. Благодаря полярной природе вода обладает способностью взаимодействовать с ионами и другими полярными соединениями и смешивать их с молекулами растворителя (воды). Неполярные соединения в воде не растворяются, а образуют с водой поверхности раздела. В живых организмах на поверхностях раздела протекают многие химические реакции.



Вода обладает высокой теплопроводностью. Теплопроводность – это мера способности теплоты распространяться по данному веществу. В организме постоянно идут реакции, сопровождающиеся выделением тепла. Тепло равномерно распределяется по всей воде, содержащейся в организме, таким образом устраняется возможность повреждения тонких структур.



Вода имеет высокую температуру кипения. Для разрыва водородных связей требуется затратить много энергии. Достигнув температуры кипения, вода превращается в газ (водяной пар), в котором каждая молекула воды уже не связана ни с какой другой.



При испарении воды расходуется энергия для разрыва водородных связей, молекулы, переходящие из воды в воздух, уносят с собой значительное количество тепловой энергии. Поэтому испарение воды растением (транспирация) сопровождается охлаждением транспирирующих органов.


Воды имеет максимальную плотность при 4° С, что несколько выше ее температуры замерзания (0°С). Поэтому слои воды, имеющие температуру 4° С, опускаются ниже слоев, имеющих более высокую или более низкую температуру. При охлаждении от 4°С до 0°С вода расширяется. В кристалле льда расстояние между молекулами воды больше, чем в жидкой воде, а это значит, что кристалл льда больше объема той воды, из которой он образовался. Поэтому лед плавает на поверхности воды, создавая изолирующий слой, преграждающий доступ холодного воздуха.


Состояние воды в растениях

Вода по физическим свойствам бывает:

- твердая

- жидкая

- парообразная


Жидкая вода – согласно гипотезе Франка и Вена свободные молекулы воды за счет водородных связей объединяются в агрегаты (Н2О)n (кластеры или рои), такие участки чередуются с областями, где водородные связи отсутствуют или реализованы лишь частично. Время жизни кластеров 10-10- 10-11с, в каждый данный момент в их образовании принимает участие до 2/3 молекул воды.

По гипотезе О.Я.Самойлова жидкая вода обладает однородной (ажурной) льдоподобной структурой, в пустотах которой находятся мономерные молекулы воды, не имеющие или имеющие малое число водородных связей. Структура льдоподобного каркаса может нарушаться тепловым движением молекул и ионами, превышающими размеры пустот.


Парообразная вода – при повышении температуры происходит разрушение водородных связей между молекулами воды. При полном отсутствии водородных связей вода переходит в пар.


В клетках вода находится в двух формах:

- свободная вода

- связанная вода


Свободная вода – подвижна, она имеет практически все физико-химические свойства чистой воды, хорошо проникает через клеточные мембраны. Существуют специальные мембранные белки, образующие внутри мембраны каналы, проницаемые для воды (аквапорины). Свободная вода вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации, замерзает при низких температурах.


Связанная вода – имеет измененные физические свойства главным образом в результате взаимодействия с неводными компонентами. Условно принимают под связанной водой ту, которая не замерзает при понижении температуры до – 10°С.


Связанная вода в растениях бывает:

1) Осмотически- связанная

2) Коллоидно-связанная

3) Капиллярно-связанная


Осмотически-связанная вода – связана с ионами или низкомолекулярными веществами. Вода гидратирует растворенные вещества – ионы, молекулы. Вода электростатически связывается и образует мономолекулярный слой первичной гидратации. Вакуолярный сок содержит сахара, органические кислоты и их соли, неорганические катионы и анионы. Эти вещества удерживают воду осмотически.

Коллоидно-связанная вода – включает воду, которая находится внутри коллоидной системы и воду, которая находится на поверхности коллоидов и между ними, а также иммобилизованную воду. Иммобилизация представляет собой механический захват воды при конформационных изменениях макромолекул или их комплексов, при этом вода оказывается заключенной в замкнутом пространстве макромолекулы. Значительное количество коллоидно-связанной воды находится на поверхности фибрилл клеточной стенки, а также в биоколлоидах цитоплазмы и матриксе мембранных структур клетки.




Автор: Татьяна Самойленко ( Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript )
Опубликовано - 22 октября 2010 г.


на плоскости

 
 

Copyright © 2010-2013 "Физиология растений" Онлайн-энциклопедия fizrast.ru