„Czynniki regulujące szybkość pobierania i ruchu wody w roślinie - glebowe, atmosferyczne, klimatyczne, roślinne”

Woda jako najbardziej reaktywny związek chemiczny podlega najważniejszemu dla niej transportowi - osmozie. Jest z tym związane ciśnienie osmotyczne i ciśnienie wody. Dzięki osmozie jest możliwe pobieranie i transport wody w roślinie. Oprócz osmozy pobieranie i transport jest warunkowany przez czynniki zewnętrzne - glebowe, atmosferyczne i klimatyczne i czynniki wewnętrzne - roślinne.

Na czynniki glebowe składa się zawartość wody w glebie, jej temperatura, stężenie roztworu glebowego oraz przewietrzanie gleb.

Zawartość wody w glebie zależy od warunków atmosferycznych, między innymi od opadów, temperatury otoczenia oraz zależy od zagęszczenia roślinności. Opady sprawiają, że wysycenie gleby wodą wzrasta. Zwiększa się jej parcie na roślinę i przyspiesza pobieranie wody na zasadzie osmozy spowodowanej różnicą potencjału osmotycznego i ilościowej zawartości. Jednak zbyt duże opady a przy tym zwiększona ilość wody w glebie może prowadzić do niebezpiecznego zwiększenia turgoru w komórkach roślinnych, czego następstwem jest rozpad owej komórki i gnicie rośliny. Gdy opady nie występują przez dłuższy czas, gleba jest wysuszona, co jest przyczyną więdnięcia roślin. Nie wszystkie jednak opady niosą za sobą wysycenie gleby wodą. Kwaśne deszcze, ze względu na zawarte szkodliwe związki chemiczne i jony mogą spowodować zmniejszenie ilości czystej wody w glebie.

Temperatura powietrza wpływa także na ilość wody w glebie. Jej średnia, dogodna wartość powinna wynosić 20-30 °C. Niska temperatura powoduje stężanie wody w glebie, a już poniżej 0 zatrzymuje całkowicie wodę w glebie, zamrażając ją. Tylko rośliny o długim systemie korzeniowym mogą wtedy pobierać wodę z głębszych partii gleby. Wysoka temperatura powoduje stopniowe wyparowywanie wody z gleby. W takim przypadku gleba powinna być sztucznie nawadniana, gdyż wysoka temperatura powietrza oddziaływuje na glebę oraz na roślinę powodując wysuszenie.

Ilość roślin, które zaopatrują się w wodę i składniki mineralne zawarte w glebie ma duże znaczenie. Ich nadmiar może doprowadzić nawet do nieurodzaju. Powstaje zjawisko konkurencji, podczas której jedne z roślin zapewniają sobie dobry dostęp do wody kosztem innej, którą niestety czeka śmierć.

Zawartość wody jest uzależniona od kilku pomniejszych czynników ale jej ilość ma znaczenie dla roślin. Relacja pomiędzy wodą w glebie a rośliną układa się w sposób: im większa zawartość wody w glebie tym szybsze jest pobieranie wody przez roślinę. Jak wcześniej napisałam jest to związane z różnicą potencjałów osmotycznych pomiędzy rośliną a glebą. Ale nadmierna zawartość wody i związany z tym brak tlenu w glebie może spowodować gnicie rośliny, a zbyt mała zawartość jej wysuszenie.

Temperatura gleby wpływa na szybkość pobierania wody przez roślinę w taki sam sposób jak temperatura otoczenia. Dzieje się tak, gdyż temperatura powietrza jest jednym z czynników wpływających na temperaturę gleby. Poza tym temperatura wpływa na procesy mikrobiologiczne i chemiczne w glebie, które decydują o dostępności dla rośliny wody i składników mineralnych. Różnica pomiędzy obydwoma czynnikami wynika tylko z pory dnia i roku. Gleba jest trochę cieplejsza od powietrza w nocy i w zimie, a chłodniejsza o poranku i w lecie. Inne czynniki to nasłonecznienie, ekspozycja, pokrycie roślinnością, chemiczne i fizyczne właściwości gleby.

Promienie słoneczne mają tym większą energię cieplną im wyżej położone jest Słońce. Ogrzewają one powierzchnię Ziemi, a tym samym zwiększają temperaturę gleby. Padanie promieni uwarunkowane jest również ekspozycją gleby czyli jej przestrzenne ułożenie wobec Słońca. Prostopadłe ułożenie warunkuje padanie promieni o silniejszej energii cieplnej. Natomiast jakiekolwiek odchylenia od powierzchni padania promieni powoduje zmniejszenie pochłanianej przez glebę energii, a tym samym mniejszą temperaturę gleby. Pochłanianie promieniowania słonecznego zależy również od stanu fizycznego gleby, a konkretnie jej koloru. Czarna ziemia pochłania szybciej energię więc szybciej się nagrzewa.

Stopień pokrycia roślinnością gleby także wpływa na jej nasłonecznienie a więc i temperaturę. Duże zagęszczenie uniemożliwia dotarcie promieni do gleby, gdyż zatrzymywane są one w partiach wyższych czyli na roślinności. W takim przypadku i temperatura gleby się zmniejsza.

Temperatura gleby jest najbardziej zróżnicowana przy jej powierzchniowej warstwie, więc i rośliny o krótszych korzeniach są uzależnione od różnorodnej zawartości wody. Temperaturę warunkują tez jej właściwości chemiczne. Jest to między innymi zawartość pierwiastków i ich reaktywność. Od właściwości chemicznych zależy również stężenie roztworu glebowego.

Stężenie roztworu glebowego jest to zawartość związków chemicznych w glebie, ich stechiometria. By roślina mogła pobierać wodę powinna istnieć różnica ciśnień osmotycznych pomiędzy sokiem komórkowym rośliny a roztworem glebowym. Aby ten potencjał mógł powstać stężenie roztworu glebowego powinno być niskie w stosunku do ilości wody w roślinie. Na roztwór glebowy składają się między innymi sole wapnia, magnezu, azotany, siarczany. Bierze się także pod uwagę pH roztworu. Za obojętny odczyn środowiska przyjmuje się wartość 7,0pH. Zbyt niskie lub zbyt wysokie pH obniża potencjał osmotyczny rośliny. Wiąże się z tym problem w pobieraniu jonów rozpuszczonych w wodzie. W kwaśnym środowisku (pH 5,0-5,5) roślina ma problem z pobieraniem jonów N, K, P, Ca, Mg, S, Mo, a w zasadowym(pH 7,5-8,0) jonów Fe, Mn, Zn, Cu.

Wysokie stężenie roztworu glebowego zależy od zasolenia gleby. Może być ona zasolona naturalnie. Takie gleby występują w krajach tropikalnych, a nawet w Polsce jako solniska. Przykładem sztucznego zasolenia gleb może być stosowanie soli do odmrażania jezdni, chodników zimą.

Przewietrzanie gleb jest niczym innym jak jej spulchnianiem. Polega na dostarczeniu tlenu do gleby na różne mechaniczne sposoby np. oranie. Dzięki dużej ilości tlenu w glebie roślina szybciej pobiera wodę.

Zbyt wysokie stężenie roztworu glebowego (wywołane np. nadmierna ilością nawozów sztucznych), a także zbyt niska temperatura gleby i słabe przewietrzanie prowadzą do powstania zjawiska „suszy fizjologicznej” rośliny. O tym zjawisku mówimy, kiedy w glebie występuje woda ale nie może ona zostać pobrana przez roślinę, gdyż zanika różnica ciśnień osmotycznych pomiędzy rośliną a glebą. Roślina zaczyna usychać chociaż gleba jest dobrze nawodniona.

Na czynniki atmosferyczne wpływające na pobieranie i transport wody przez roślinę składają się: temperatura powietrza, opady, Słońce, chmury, skład atmosfery, wysycenie powietrza parą wodną i ciśnienie atmosferyczne. Niektóre z tych czynników opisałam częściowo w powyższych akapitach.

Jak już wcześniej napisałam temperatura ma wpływ na zawartość wody w glebie. Ale także ma wpływ na wysycenie powietrza parą wodną. Jest ściśle związana z innymi czynnikami atmosferycznymi jak nasłonecznienie i zachmurzenie. Promienie słoneczne ogrzewają powietrze, a także glebę zmniejszając ich wysycenie wodą. Zachmurzenie w takim razie zmniejsza natężenie promieni czasem je załamując lub w ogóle nie dopuszczając do biosfery. Można by powiedzieć, że funkcja zachmurzenia zapobiega utracie wody w biosferze. Jednak wysoka temperatura spełnia też ważną funkcję. Stymuluje bowiem roślinę do transpiracji, która zależy również od wysycenie powietrza parą wodną. Gdy powietrze jest mniej wysycone parą wodną niż roślina wodą następuje transpiracja w roślinie. Powstają wtedy w roślinie siły transportujące wodę i sole mineralne. Słońce natomiast stymuluje roślinę do fotosyntezy, podczas której również powstaje siła ciągnąca wodę do liści.

Zachmurzenia są również do pewnego stopnia związane z opadami. Łatwo można zauważyć, że podczas deszczu zachmurzenie jest duże. Deszcz jest dla rośliny źródłem wody, która jest zawarta w glebie.

W składzie atmosfery związkiem, który nas najbardziej interesuje jest dwutlenek węgla, pobierany i zużywany przez roślinę w procesie fotosyntezy. Jego znaczenie dla pobierania i transportu wody w roślinie jest adekwatne do działania fotonów światła.

Czynnikami klimatycznymi są czynniki atmosferyczne ale w szerszym ujęciu - czasowym i geograficznym. Z czynników atmosferycznych wylicza się średnią w celu opisania klimatu. Natomiast występuje w klimacie nowy czynnik brany pod uwagę. Jest to położenie geograficzne. A więc pobieranie i transport wody zależy również od wysokości nad poziomem morza oraz dostępu do zbiorników wodnych.

W znaczeniu wysokości nad poziomem morza na pobieranie i transport wody w roślinie ma wpływ opisane wcześniej nasłonecznienie oraz ciśnienie atmosferyczne. Ciśnienie atmosferyczne ma ogromny udział w wytranspirowaniu przez roślinę wody. Im mniejsze ciśnienie atmosferyczne tym większa transpiracja. A im większa transpiracja tym szybsze pobieranie i transport wody przez roślinę.

Położenie rośliny względem zbiorników może zwiększyć lub zmniejszyć szybkość pobierania i transportu wody przez roślinę. Ma to samo znaczenie jak zawartość wody w glebie. Gdy roślina ma dobry dostęp do wody, jej pobieranie i transport wzrasta proporcjonalnie do jej zawartości (oczywiście może to przynosić dobre skutki tylko przez pewien czas). Dobrze byłoby, gdyby miejsce takie znajdowało się na terenie o klimacie podrównikowego suchego. Temperatury tam są wysokie - powyżej 20°C , mają małe amplitudy - (5 - 10°C) oraz występuje tam średnia ilość opadów. Gdy roślina ma zły dostęp do wody, jej pobieranie i transport maleje wraz z jej zawartością. Odpowiedni klimat do takich warunków to klimat równikowy wybitnie wilgotny. Temperatury tam są powyżej 20°C, amplitudy temperatur wynoszą 5 - 10°C, a opady są bardzo częste i obfite (1000 - 3000mm). Oczywiście dobór najlepszego klimatu zależy również od rośliny. Są rośliny ciepłolubne i zimnolubne czy sukulenty i hydrofity.

Pobieranie i transport wody w roślinie można podzielić na trzy etapy: pobieranie wody i jej przewodzenie w poprzek tkanek korzenia do walca osiowego; daleki transport wody elementami ksylemu do liści; transport wody poprzez tkanki liścia, zakończony transpiracją. Te trzy etapy pobierania i ruchu wody w roślinie są przeprowadzane przez transport aktywny lub bierny. Szybkość w pobieraniu i transporcie wody jest także warunkowana przez budowę rośliny.

Najbardziej opłacalny i wydajny dla rośliny jest transport bierny wody. Nie wymaga dopływu energii i umiejscowiony jest w liściu, gdyż zachodzi tam transpiracja. Transport bierny działa na zasadzie wytworzonej różnicy potencjału osmotycznego w układzie gleba -> roślina -> atmosfera. Osmoza polega na swobodnym przechodzeniu cząsteczek wody z komórki do komórki, co jest wynikiem różnicy ciśnień pomiędzy tymi komórkami. Z tego wynika, że transport wody jest zgodny z malejącym potencjałem osmotycznym: gleba > roślina > powietrze. Siłą sprawczą transportu biernego jest siła ssąca liścia wywołana transpiracją. Podczas parowania wody z powierzchni liścia obniża się ciśnienie turgorowe w komórkach mezofilu i wzrasta potencjał osmotyczny, co prowadzi do wzrostu siły ssącej komórek i powoduje przenikanie do nich wody z sąsiednich, otrzymujących z kolei wodę z cewek i naczyń ksylemu. Ubytek wody w naczyniach wywołuje w nich podciśnienie hydrostatyczne, sięgające przez łodygę aż do korzeni. Dzięki sile ssącej liścia, która tworzy się w wyniku różnicy ciśnień osmotycznych, korzeń może pobierać wodę z gleby, a właściwie to woda sama może wpływać do korzenia.

Szybkość pobierania wody z gleby zależy od wielkości systemu korzeniowego, czyli ilości i wielkości włośników w korzeniu, gdyż przez nie wnika woda. Transportowana jest w sposób bierny przez korę pierwotną do walca osiowego trzema różnymi sposobami: kanałem apoplastycznym, czyli transport kapilarnymi przestrzeniami ścian komórkowych z pominięciem cytoplazmy i wakuoli; kanałem symplastycznym, czyli przez cytoplazmy komórek, z pominięciem wakuoli; na drodze osmozy - od wakuoli do wakuoli.

Przewodzenie wody w martwych elementach wiązek przewodzących może zachodzić dzięki działaniu dwóch sił: siły ssącej liścia, powodującej podciąganie słupów wody w elementach ksylemu oraz kohezji, czyli sił spójności cząsteczek wody zapobiegających rozerwaniu się słupów wody w kapilarach.

Szybkość transportu wody w łodydze zależy od budowy wiązek przewodzących. Przede wszystkim muszą być one duże i drożne, dlatego też cewki i naczynia nie posiadają protoplastów. Transport zawsze przebiega szybciej przez elementy o mocnej i stałej budowie, a ksylem składa się głównie z komórek zdrewniałych. Cewki w swoich ścianach posiadają jamki, przez które woda może swobodnie przechodzić do kolejnych komórek. Naczynia początkowo również zawierają jamki, natomiast różnicując się, pierwotne poprzeczne ściany komórkowe pomiędzy poszczególnymi członami naczyń zanikają, tworząc ciągłą rurę naczyniową. To pozwala na szybszy transport wody.

Transport wody w liściu zachodzi głównie kanałem apoplastycznym. Szybkość migracji wody w tej części rośliny można zawdzięczyć silnym rozgałęzieniom elementów przewodzących, dzięki czemu każda komórka mezofilu ma łatwy dostęp do wody. Głównym jednak powodem szybkiego transportu wody w liściu jest fakt, że właśnie tutaj zachodzi transpiracja.

Na 100% pobranej wody przez roślinę aż 99% wytranspirowuje do atmosfery. To może świadczyć tylko o sile mechanizmu biernego. Transpiracja w liściu może zachodzić przez kutykulę lub aparaty szparkowe. Transpiracja kutykularna może przyjmować wartość 5-20% wyparowującej wody z powierzchni liścia. Zachodzi przez skórkę, głównie dzięki hydrofilowej właściwości celulozy, która wchodzi w jej skład. Szybkość transpiracji, a co za tym idzie, pobierania wody przez korzeń zależy w tej sytuacji przede wszystkim od grubości kutykuli. Im jest grubsza tym słabsza jest transpiracja.

Około 80% transpiracji ogólnej to transpiracja szparkowa. Zależy między innymi od budowy aparatów szparkowych u traw i niektórych jednoliściennych oraz u roślin dwuliściennych i jednoliściennych nie należących do rodziny traw.

Przez aparaty szparkowe zachodzi transpiracja, dzięki której występuje pobieranie i ruch wody. Ale żeby transpiracja mogła zachodzić musi istnieć mechanizm otwierania aparatów szparkowych (istnieje też mechanizm zamykania ale nie będzie miał tutaj znaczenia). W komórkach aparatu szparkowego znajdują się chloroplasty, dzięki którym zachodzi proces fotosyntezy. Otóż w momencie, gdy fotony światła zostaną wychwycone przez chlorofil rozpoczyna się proces fotosyntezy, podczas którego zmniejsza się stężenie CO2. To powoduje wzrost pH w komórkach aparatu szparkowego. W tym środowisku następuje przemiana skrobii na glukozę. Wysokie stężenie glukozy w aparatach szparkowych powoduje napływ wody, a więc wzrost turgoru, który jest przyczyną otwarcia się szparek. Następuje transpiracja. Otwieranie aparatów szparkowych wspomagają mikrofibrylle i komórki przyszparkowe u traw. Transpiracja, a więc i pobieranie wody zależy od rozmieszczenia aparatów szparkowych. Im więcej szparek tym szybszy transport wody. U dwuliściennych aparaty szparkowe mogą występować na dolnej stronie blaszki liściowej - liście hypostomatyczne, a u roślin wodnych na górnej stronie blaszki liściowej - liście epistomatyczne. Natomiast rośliny jednoliścienne posiadają aparaty szparkowe po obu stronach blaszki liściowej - liście amfistomatyczne. Ilość aparatów szparkowych także się liczy. Lepiej, kiedy jest więcej szparek mniejszych niż jedna większa o powierzchni równej łącznej powierzchni otworków małych. Transpiracja jest wtedy usprawniona.

Chociaż transport bierny nie wymaga nakładów energii to jest uzależniony od transpiracji. Niestety w nocy oraz wiosną, kiedy jeszcze nie ma liści transpiracja jest bardzo mała albo nie ma jej w ogóle. Musi więc istnieć mechanizm, który będzie odpowiedzialny za transport wody w roślinie. Jest to transport aktywny, który wytwarza korzeń tzw. parcie korzeniowe. Pobieranie wody z gleby przez korzeń wymaga nakładu energii z przemian metabolicznych zachodzących w korzeniu. Głównym zadaniem tego mechanizmu jest wytworzenie ciśnienia korzeniowego, czego widocznym przykładem jest gutacja i płacz roślin. Założono dwie hipotezy ruchu wody za pomocą transportu aktywnego. Pierwszą jest hipoteza osmotyczna: komórki miękiszu walca osiowego aktywnie wydzielają do naczyń elektrolity lub inne związki, powodując wystąpienie różnicy stężeń pomiędzy mniej stężonym roztworem glebowym a bardziej stężonym roztworem w naczyniach korzenia. Dzięki temu tworzy się potencjał osmotyczny, który umożliwia przenikanie wody z solami mineralnymi. Hipoteza nieosmotyczna zakłada, że komórki miękiszu walca osiowego wydzielają wodę do naczyń czynnie poprzez bezpośrednie wykorzystanie energii uwalnianej w procesie oddychania. Jednak ciśnienie wytworzone w wyniku działania transportu aktywnego nie jest tak silne jak przy udziale transportu aktywnego.

Oba mechanizmy transportu wody istnieją na przemian i się uzupełniają. Działanie mechanizmu biernego w dogodnych warunkach czyli przy udziale transpiracji obniża działanie parcia korzeniowego. Natomiast podczas, gdy są niekorzystne warunki mechanizm aktywny obniża siłę ssącą liścia.

Wszystkie opisane wyżej czynniki wpływają na szybkość transportu i pobierania wody przez roślinę ale wpływają też na siebie wzajemnie. Trzeba pamiętać, że środowisko i rośliny w nim żyjące tworzą pewien układ, który oddziaływuje na siebie wzajemnie. Szybkość ruchu wody w tym układzie jest zależna od każdej cząstki tego układu, każdego czynnika. Niekiedy nie wszystkie można opisać i nie wszystkie jeszcze zostały zbadane.

Źródła informacji:

1. „Biologia dla klas III Liceum Ogólnokształcącego o profilu biologiczno - chemicznym” Henryk Wiśniewski

2. „Tematy i zagadnienia maturalne z biologii” Iwona Żelazny

3. http://www.biolog.pl/article7.html

4. http://prace.sciaga.pl/29213.html

5. http://prace.sciaga.pl/26862.html

6. http://pl.wikipedia.org/wiki/Klimat

7. http://portalwiedzy.onet.pl/26854,,,,Glebowe_czynniki,haslo.html

8. http://www.ho.haslo.pl/article.php?id=2136

9. http://www.jaqub.pl/biologia/html/0050.php

10. http://www.gridw.pl/globe/pdf/earth/earth2.pdf

6

---