какую роль играет транспирация испарение воды листьями

Транспирация у растений. Что это такое, значение, виды, чему способствует

Естественный физиологический процесс водного обмена с окружающей средой у растений называется транспирацией. Это сложный механизм жизнедеятельности, в основу которого положена способность флористических организмов изменять агрегатное состояние поступающей жидкости.

Что такое транспирация?

Термин введен в обиход биологами для того, чтобы подчеркнуть отличие этого сложного биологического процесса от обычного испарения воды.

Транспирация обусловлена:

Расходование воды регулируется несколькими базовыми анатомо-физиологическими механизмами. Одно из важных значений этого процесса заключается в терморегулирующей функции. Транспирация у растений – это контролируемый биологический процесс движения поступающей из почвы и атмосферы влаги. Она насыщает стебли, листья и соцветия необходимыми для планомерного развития питательными веществами, а затем испаряется.

Процесс позволяет растению снизить температуру, что особенно актуально для знойного климата и летнего сезона. Транспирация предотвращает перегрев листьев и их ожог. Благодаря ей растение избавляется от излишков жидкости после сильного дождя или при произрастании в сильно увлажненном грунте.

Транспирация обеспечивает биологическую деятельность верхнего концевого двигателя водотока. В жаркий летний день температура листьев обычно на 3-8°С ниже окружающего атмосферного воздуха.

Транспирацию можно назвать своеобразной системой охлаждения, которая выполняет еще и питательную функцию. Этот жизненно важный физиологический процесс способствует доставке в клетки тканей минеральных веществ и микроэлементов, растворенных в воде.

Виды транспирации

Растения располагают 2-мя вариантами биологического механизма испарения воды – устьичным и кутикулярным. Приоритетность той или иной разновидности транспирации зависит от анатомического строения флористического организма и климатических условий. Главную роль в этом физиологическом процессе играют листья. От их строения зависит интенсивность испарения.

Анатомически листья сформированы 4-мя функциональными элементами:

Эпидермис листьев выполняет барьерную, терморегулирующую и защитную функции. Кожица оберегает внутренние ткани от механического воздействия, разнообразных повреждений, проникновения патогенных микробов и некоторых насекомых-паразитов. Эпидермис поддерживает фотосинтез и надлежащий водный баланс за счет транспирации, предотвращая пересыхание растения. Часто кожица покрыта восковым налетом (кутикулой), создающим дополнительную защиту и активно участвующем в переносе влаги.

Не менее важна роль устьичных клеток в процессе транспирационного испарения. С их помощью растение осуществляет водный и газовый обмен с окружающим пространством. Это ключевые элементы своеобразной совмещенной кровеносно-дыхательной системы.

Устьичная

При таком варианте транспирационного обмена влага испаряется с поверхности эпидермиса. В результате отдачи жидкости капиллярные мениски изгибаются вовнутрь. Поверхностное натяжение листа возрастает и дальнейшее испарение замедляется. Это дает растению возможность существенно экономить живительную жидкость. Преобразованная в пар вода сквозь щелевые отверстия устьиц отводится в окружающее атмосферное пространство.

Такой тип транспирационного процесса характеризуется высокой интенсивностью, так как эти функциональные элементы листа обладают значительными способностями к диффузии. После закрытия высокоспециализированных клеток устьиц скорость влагообмена снижается в несколько раз. Таким способом растение регулирует процесс отвода жидкости. При сопоставимой площади листа влага быстрее улетучивается через несколько мелких клеточных щелей, чем через одно большое. После закрытия устьичных отверстий наполовину скорость влагообмена снижается незначительно.

Транспирация у растений – это управляемая скорость отдачи воды в окружающее пространство. Число устьичных образований различается в зависимости от типа, анатомического строения и классификационной принадлежности организма. У одних видов такие высокоспециализированные комплексы расположены только на внутренней поверхности листьев, у других – на тыльной и наружной сторонах. Различается и расстояние между устьичными щелями.

Кутикулярная

Эта функциональная часть листа, подобно предыдущему элементу, способна реагировать на уровень насыщенности внутренних тканей жидкостью. Разбросанные по всей поверхности влагообмена чувствительные волосковые рецепторы защищают растение от воздействия атмосферного воздуха и выжигающего влагу солнечного ультрафиолета. Такой естественный биологический механизм служит целям уменьшения потерь воды, что препятствует пересыханию листьев. Кутикулярная транспирация берет на себя основную роль в обмене влаги с окружающей средой в то время, когда устьичные щели находятся в закрытом состоянии.

Интенсивность отдачи преобразованной в пар жидкости зависит от площади и толщины этого функционального элемента. Чем тоньше кутикула, тем выше скорость протекания транспирационного процесса. Важен и возраст растения. Зрелые листья имеют показатель потери влаги не более 10%. Молодая зеленая масса способна обмениваться испаренной водой с окружающим пространством в 5 раз быстрее. Активная кутикулярная транспирация иногда свойственная старым деревьям и крупным кустарникам почтенного возраста.

Это объясняется:

У таких наземных растений наблюдается интенсификация газообмена, заключающаяся в ассимиляции (поглощении) атмосферного СО₂. Чем ниже водный потенциал окружающего воздуха, тем выше скорость кутикулярной транспирации.

Роль в физиологии растений

Такой биологический процесс обеспечивает нормальное функционирование систем растительного организма. Во многом благодаря транспирации созревают плоды и завязываются побеги. Этот процесс защищает растение от негативных внешних воздействий. Вместе с водой по тканям распространяются минеральные соединения. За счет транспирации снижается корневое натяжение и организм получает необходимые питательные вещества. В культивируемой зоне благодаря этому важному биологическому процессу распространяются удобрения, которые повышают урожайность.

В оранжерейных и парниковых системах, где атмосферный воздух зачастую характеризуется высоким показателем влажности, транспирационный механизм замедляется. В таких условиях не редкость ожоги листьев при искусственном досвечивании или прямом воздействии агрессивного солнечного ультрафиолета. Транспирация связана с биологическими свойствами воды и ее ролью в жизнедеятельности растений. У некоторых культур это физиологическое явление служит цели насыщения жидкостью коллоидов протоплазмы, что обуславливает активное плодоношение и созревание.

Роль испаряемой в результате транспирации воды в биологических процессах развития растительных организмов:

Для функционального состояния и планомерного развития растительного организма важна не только общая увлажненность, зависимая от интенсивности транспирационного процесса.

Большое значение имеют физико-химические характеристики воды:

Важна роль транспирации в прохождении фотосинтеза. Он лучше всего протекает в температурном диапазоне +20…+25°С, который обеспечивается биологической системой терморегуляции.

Влияющие факторы

Транспирация в живой природе протекает под различными внешними воздействиями. На ее интенсивность и качество влияет множество факторов окружающей среды.

Среди них выделяются:

Солнечный свет способствует раскрытию щелевых отверстий устьичных образований. В культивируемых зонах, парниковых, тепличных и оранжерейных комплексах эту функцию выполняют искусственные светодиодные или галогенные источники электромагнитного излучения.

Поглощаемые растением фотоны увеличивает проницаемость протоплазмы ответственных за испарение клеточных структур для водного конденсата. Это важнейший фактор транспирации.

Солнечное изучение энергично впитывается хлорофиллом – зеленым пигментом, задействованным в химической реакции фотосинтеза. В результате такого процесса возрастает температура листьев и усиливается парообразование. Активизация транспирации охлаждает поверхность, что лежит в основе ее терморегулирующей функции. Даже рассеянное излучение низкой интенсивности усиливает парообразование примерно на 30-40% в сравнении с показателем процесса, проходящего в ночное время или при вечерних сумерках.

Научные данные гласят, что 100 см 2 кукурузных листьев в полной темноте испаряют 0,097 г жидкости за 1 ч. При мягком рассеянном освещении это показатель возрастает до 0,114 г, а под воздействием прямого солнечного излучения – до 0,785 г/ч. Не менее важный фактор влияния на естественный ход транспирации – температура атмосферного воздуха. По мере его нагревания испарительный процесс ускоряется, поскольку молекулы воды разгоняются и усиливается диффузия пара с коллоидной поверхности клеточных мембран.

Транспирация у растений – это процесс, подверженный многофакторному как естественному, так и техногенному влиянию. Промышленные загрязнения воздуха повышают его плотность, а выбросы в атмосферу углекислых соединений создают парниковый эффект. Это приводит к резкому росту температуры и ускорению транспирации. Важный естественный фактор – сила ветра, которая играет неоднозначную роль в физиологических реакциях растительных организмов. В результате интенсивного движения атмосферных потоков тяжелые влажные слои заменяются легкими сухими.

Это оказывает существенное влияние на отвод испаренной воды из межклеточного пространства листьев. Порывы ветра провоцируют преждевременное замыкание устьичных щелей, что приводит к замедлению физиологической реакции.

Описание процесса транспирации

Обобщенно такое биологическое явление, свойственное всем представителям растительного мира, представляет собой продвижение водной жидкости от корней к листьям с испарением в конечной фазе. Лишь незначительная часть влаги используется для роста, развития и метаболизма. В результате транспирации растение теряет 99% впитанной воды. Протекание базовой физиологической реакции зависит от анатомического строения устьичного комплекса и вида флористического организма.

Важная функция транспирационного процесса – раскрытие щелей для доступа содержащего в атмосфере углекислого газа, который необходим растениям для дыхания. Физиологическая реакция поддерживает нормальный уровень осмотического давления в клетках. Протекание транспирационного процесса частично обеспечивает капиллярный эффект прожилков. Но большей частью он проходит благодаря разнице давлений в корневой системе, стебле, листьях и других анатомических структурах.

В высоких деревьях гравитационное сопротивление преодолевается за счет снижения гидростатического напряжения в верхних участках, обеспечиваемого устьичными комплексами и их диффузными способностями. В жаркий сезон растительный лист испаряет объем воды, многократно превосходящий его собственную массу. Например, 1 га пшеничных посевов прогоняет в течение летних месяцев транспирационным путем 2-3 тыс. т воды. Пустынная растительность оснащена особым физиологическим механизмом испарения влаги, направленным на ее максимальную экономию.

Этой цели служат:

Некоторые пустынные представители флоры используют САМ-фотосинтез – особый метаболический способ связывания углерода. Их устьица в дневное время плотно замкнуты, а раскрываются только ночью после снижения температуры.

Транспирация на протяжении суток

Наиболее ослаблена физиологическая реакция ночью и ранним утром до восхода Солнца. Транспирация четко привязана к суточному циклу и биологическому ритму растения. С появлением светила над горизонтом и увеличением объема поглощаемого солнечного излучения биологическая реакции интенсифицируется. Этому способствуют попутные факторы – повышение температуры атмосферной смеси, уменьшение концентрации в воздухе скопивших за ночь водяных испарений, усиливающиеся под воздействием излучения порывы ветра. Чем выше светило в зените, тем интенсивнее транспирация.

К вечеру она замедляется и падает до суточного минимума в ночные часы. Это теоретическая модель транспирационного процесса, которой практически невозможно достичь в естественных условиях.

Здесь не учитываются:

Наиболее интенсивно физиологическая реакция протекает при безоблачном небе в теплое время года.

Показатели процесса

Измерение значений и особенностей транспирации имеет важное значение для биологической науки и представляет большой практический интерес для аграрного сектора. Для определения базовых показателей существует специальные методики, приборы и инструменты. Транспирация у растений – это важно для изучения, производства урожая в промышленных масштабах, эстетического и лечебного культивирования. Определение значений интенсивности и продуктивности физиологической реакции позволяет повысить плодоношение, создать эксклюзивный парковый дизайн, обустроить сад.

Регулировка водного баланса

Влагообмен растений можно условно разделить на 3 последовательные фазы – поглощение, продвижение и испарение. Они составляют единый механизм регулировки водного баланса. Каждое растение реализует его по-своему. Водный баланс – это отношение поступления жидкости из почвы и атмосферы либо путем искусственного орошения к ее расходу. В регионах с умеренной влажностью и средним количеством осадков эта величина оптимальна, что выражается в бурном развитии растительности, разнообразии и плодоношении.

В жарком климате и в знойные дни водный баланс не столь благоприятен. Относительное равновесие нарушается интенсивной транспирацией. Дефицит может достигать при достаточной увлажненности почвы 5-10%, а при ее сухости – 25%. Корневая система не успевает поставлять влагу, интенсивно расходуемую транспирационным испарением. Нормальный явлением считается полуденный дефицит жидкости, который имеет кратковременный характер и не наносит вреда растению.

Возникновению критического водного дисбаланса препятствует механизм биологического регулирования. В определенный момент растение замедляет транспирационное испарение, восстанавливая равновесие. Такой эффект достигается повышением водоудерживающих свойств тканей и плотным смыканием устьичных щелей. Транспирационная регулировка имеет собственный предел возможностей.

При постоянном сильном дефиците влаги упругость растительных тканей снижается, клеточный тургор заметно уменьшается. Это приводит к увяданию, которое бывает временным и восстанавливаемым либо продолжительным и критическим для жизнедеятельности.

Интенсивность

Ночью стандартная интенсивность транспирации составляет 1-20 г/ч в пересчете на аналогичную площадь испарения.

Продуктивность

Такой показатель отражает объем сухой полезной массы, накопленной растением в течение учетного периода транспирационного процесса, на протяжении которого испарен 1 кг жидкости. Это имеет особое значение для сельскохозяйственных культур, цветов, специально выращиваемых лечебных трав и кустарников. Продуктивность транспирации варьируется в весовом диапазоне 1-8 г. Средний показатель для типичных культурных растений составляет 3 г.

Определение уровня транспирации

В аграрной сфере оперируют понятием транспирационного коэффициента в качестве экономического показателя.

Для измерения таких значений применяют:

Испаренная в процессе транспирации влага изотопным составов существенно отличается от окружающих грунтовых вод. У всех растений это показатель разный. Коэффициент транспирации обычно составляет 200-600. Это вынуждает затрачивать на выращивание 1 кг сухой массы урожая 200-1000 л воды.

Видео о транспирации у растений

Коротко о том, что такое транспирация у растений:

Источник

Значение для растения испарения воды листьями. Листопад

Вопрос 1. Какое значение для растения имеет испарение воды листьями?
Испарение, наряду с корневым давлением, способствует передвижению воды в растении. Испарение воды создает силу, под влиянием которой вода поднимается вверх по стеблю. С токами воды передвигаются и минеральные вещества. У видов, интенсивно испаряющих воду, разница между температурой воздуха и температурой листа может достигать 15 o С. Интенсивность испарения регулируется при помощи устьиц. Освещение листа приводит к открыванию устьиц, в темноте они закрыты. Устьица закрываются также днем, в сильную жару. Происходит это следующим образом. Замыкающие клетки устьиц содержат хлоропласты. При освещении листа в них начинается фотосинтез, образуются сахара и осмотическое давление в клетках возрастает. Вследствие усиленного притока воды тургор замыкающих клеток увеличивается, их стенки растягиваются и устьичная щель раскрывается. При отсутствии фотосинтеза (в темноте) и при усиленном испарении воды в жаркий день тургор замыкающих клеток ослабевает и устьица закрываются.
Таким образом, испарение воды растением имеет огромное значение для жизнедеятельности растения. Испарение называется транспирацией. Вода испаряется через всю поверхность тела растения, но особенно интенсивно через устьица в листьях. Значение транспирации: она принимает участие в передвижении воды и растворенных веществ по телу растения; способствует углеводному питанию растений; защищает растения от перегрева.

Вопрос 2. Как влияют на испарение воды растениями условия внешней среды?
Интенсивность испарения зависит от внешних условий среды и состояния устьиц. У некоторых растений устьица открыты только днем, а на ночь закрываются. При недостатке воды устьица таких растений закрываются даже днем, и выделение водяного пара из листьев в воздух прекращается. В благоприятных условиях устьица открываются снова. При разных условиях внешней среды одно и то же растение испаряет разное количество воды. Например, в пасмурную погоду воды испаряется меньше, чем в солнечный день. При сильном сухом ветре испарение идет сильнее, чем в тихую погоду.

Вопрос 3. Каково значение устьиц?
Через устьица происходит газообмен с окружающей средой, а также испарение воды. У растений испарение регулируется открыванием и закрыванием устьиц.

Вопрос 4. Каково значение воды в жизни растений?
Вода необходима для всех жизненно важных процессов, происходящих в организме растений, в том числе для образования органических веществ в процессе фотосинтеза.

Вопрос 5. Каково значение листопада?
Листопад представляет собой адаптацию растений к сезонным изменениям климата, из-за которых происходит уменьшение испарения воды осенью и зимой. С понижением температуры всасывание воды корнями снижается, и поэтому растение может обезводиться и погибнуть. Сбрасывание листвы уменьшает общую площадь поверхности дерева, что предотвращает поломку ветвей при снегопаде. Кроме того, за счет сбрасывания листьев растения освобождаются от вредных и ненужных веществ.

Вопрос 6. Отчего изменяется окраска листьев?
Перед листопадом хлорофилл разрушается, а каротиноиды становятся видимыми. Они придают желтую, оранжевую и красную окраску листьям.

Источник

Транспирация

Транспира́ция (от лат. trans и лат. spiro — дышу, выдыхаю) — это испарение воды растением. Основным органом транспирации является лист. Вода испаряется с поверхности листьев через клеточные стенки эпидермальных клеток и покровные слои (кутикулярная транспирация) и через устьица (устьичная транспирация).

В результате потери воды в ходе транспирации в клетках листьев возрастает сосущая сила. Это приводит к усилению поглощения клетками листа воды из сосудов ксилемы и передвижению воды по ксилеме из корней в листья. Таким образом, верхний концевой двигатель, участвующий в транспорте воды вверх по растению, обусловлен транспирацией листьев.

Содержание

Верхний концевой двигатель может работать при полном отключении нижнего концевого двигателя, причем для его работы используется не только метаболическая энергия как в корне, но и энергия внешней среды — температура и движение воздуха.

Транспирация спасает растение от перегрева. Температура сильно транспирирующего листа может примерно на 7 С° быть ниже температуры нетранспирирующего завядшего листа. Кроме того, транспирация участвует в создании непрерывного тока воды с растворенными минеральными и органическими соединениями из корневой системы к надземным органам растения.

Количественные характеристики транспирации

Интенсивность транспирации — это количество воды, испаряемой растением в граммах за единицу времени в часах единицей поверхности в дм². Эта величина колеблется от 0,15 до 1,5.

Транспирационный коэффициент — это количество воды в граммах, испаряемой растением при накоплении им 1 грамма сухого вещества.

Продуктивность транспирации — это величина, обратная транспирационному коэффициенту и равна количеству сухого вещества в граммах, накопленного растением за период, когда оно испаряет 1 кг воды.

Относительная транспирация — это отношение количества воды, испаряемой листом, к количеству воды, испаряемой со свободной водной поверхности той же площади за один и тот же период времени.

Экономность транспирации — это количество испаряемой воды в мг на 1 кг воды, содержащейся в растении.

Подсчитано, что с 1 га посева пшеницы выделяется около 2 тыс. т воды, кукурузы — 3,2 тыс. т, капусты — 8 тыс. т.

Кутикулярная транспирация

Снаружи листья имеют однослойный эпидермис, внешние стенки клеток которого покрыты кутикулой и воском, образующие эффективный барьер на пути движения воды. На поверхности листьев часто развиты волоски, которые также влияют на водный режим листа, так как снижают скорость движения воздуха над его поверхностью и рассеивают свет и тем самым уменьшают потери воды за счет транспирации.

Интенсивность кутикулярной транспирации варьирует у разных видов растений. У молодых листьев с тонкой кутикулой она может составлять около половины всей транспирации. У зрелых листьев с более мощной кутикулой кутикулярная транспирация равна 1 /₁₀ общей транспирации. В стареющих листьях из-за повреждения кутикулы она может возрастать. Таким образом, кутикулярная транспирация регулируется главным образом толщиной и целостностью кутикулы и других защитных покровных слоев на поверхности листьев.

Устьичная транспирация

Устьица представляют собой щель в подъустьичную полость, окаймленную двумя замыкающими клетками серповидной формы. Устьица играют важную роль в газообмене между листом и атмосферой, так как являются основным путем для водяного пара, углекислого газа и кислорода. Устьица находятся на обеих сторонах листа. Есть виды растений, у которых устьица располагаются только на нижней стороне листа. В среднем число устьиц колеблется от 50 до 500 на 1 мм². Транспирация через устьица идет почти с такой же скоростью, как и с поверхности чистой воды. Это объясняется законом И. Стефана: через малые отверстия скорость диффузии газов пропорциональна не площади отверстия, а диаметру или длине окружности. Поэтому, хотя площадь устьичных отверстий мала по отношению к площади всего листа (0,5-2 %), испарение воды через устьица идет очень интенсивно.

Транспирация слагается из двух процессов:

Чем меньше относительная влажность атмосферного воздуха, тем ниже его водный потенциал. Если водный потенциал воздуха меньше водного потенциала подъустьичных полостей, то молекулы воды испаряются наружу.

В отличие от других клеток эпидермиса замыкающие клетки устьиц содержат хлоропласты. Синтез углеводов в процессе фотосинтеза в замыкающих клетках увеличивает их сосущую силу и вызывает поглощение воды, способствуя этим открыванию устьиц.

Состояние устьиц зависит от углекислого газа. Если концентрация СО₂ в подустьичной полости падает ниже 0,03 %, тургор замыкающих клеток увеличивается и устьица открываются. Повышение концентрации СО₂ в воздухе вызывает закрытие устьиц. Это происходит в межклетниках листа ночью, когда в результате отсутствия фотосинтеза и продолжающегося дыхания уровень углекислого газа в тканях повышается. Такое влияние углекислого газа объясняет, почему ночью устьица закрыты и открываются с восходом солнца. Сдвиг рН в щелочную сторону вследствие уменьшения концентрации СО₂ увеличивает активность ферментов, участвующих в распаде крахмала, тогда как при кислом рН при повышении содержания СО₂ в межклетниках повышается активность ферментов, катализирующих синтез крахмала.

На свету замыкающие клетки устьиц содержат значительно больше калия, чем в темноте. При открывании устьиц содержание калия в замыкающих клетках увеличивается в 4 раза при одновременном снижении его содержания в сопутствующих клетках. Установлено повышение содержания АТФ в замыкающих клетках устьиц в процессе их открывания. АТФ, образованная в процессе фотосинтетического фосфорилирования в замыкающих клетках, используется для усиления поступления калия. Усиленное поступление ионов калия повышает сосущую силу замыкающих клеток. В темноте ионы калия выделяются из замыкающих клеток и устьица закрываются.

Периодичность суточного хода транспирации наблюдается у многих растений, но у разных видов растений устьица функционируют неодинаково. У деревьев, теневыносливых растений, многих злаков и других гидростабильных видов с совершенной регуляцией устьичной транспирации испарение воды начинается на рассвете, достигает максимума в утренние часы. В полдень транспирация снижается и вновь увеличивается в предвечерние часы при снижении температуры воздуха. Такой ход транспирации приводит к незначительным суточным изменениям осмотического давления и содержания воды в листьях. У видов растений, способных переносить резкие изменения содержания воды в клетках в течение дня, то есть у гидролабильных видов, наблюдается одновершинный суточный ход транспирации с максимумом в полуденные часы. В обоих случаях ночью транспирация минимальна или полностью прекращается.

Источник