У растений есть уникальная система, подобная кровеносной, которая обеспечивает их всем необходимым для роста. Ключевым элементом этой системы является испарение воды через листья и стебли, явление, получившее в биологии название «транспирация».
Транспирация – что это такое
Если рассмотреть это понятие более детально, то транспирация представляет собой испарение в атмосферу влаги из листьев и стеблей живых растений. Благодаря этому процессу вода, поглощаемая корнями и извлекаемая иногда из глубоких слоев почвы (в пустынных районах корни могут проникать на глубину до двадцати метров), поднимается по стеблям или стволам к листьям, цветам и плодам, обеспечивая все части растения необходимыми минералами и элементами. Новая порция воды с питательными веществами поступает благодаря транспирации: испарение влаги через мелкие поры на нижней стороне листьев создает необходимое пространство. Скорость передвижения воды определяется внешними условиями, такими как время суток, температура и влажность воздуха. Иными словами, транспирация происходит, когда влажность внутри растения превышает влажность окружающей среды. Установлено, что десять процентов всей влаги, испаряющейся на поверхности Земли, приходится на растительный мир нашей планеты.
Биологическое значение транспирации
Если использовать известную фразу в новом контексте, то можно утверждать: любое существующее явление имеет свою цель. Это утверждение также относится к транспирации. Для растений она играет ключевую роль, и ошибочно рассматривать ее как вредную для растительного мира.
- Благодаря процессу транспирации происходит непрерывное перемещение воды от корней к листьям, проходя через стебель.
- Благодаря этому удается контролировать температурный и водный баланс. В пик летней жары температура листьев, как правило, на три-восемь градусов ниже, чем температура окружающей среды.
- Растение освобождается от лишней влаги и получает возможность поглотить новую порцию воды, насыщенной питательными веществами, благодаря процессу испарения.
- Испарение влаги из листьев помогает им избежать перегрева и повреждений, вызванных воздействием высоких температур или прямых солнечных лучей.
Если испарение влаги превышает способность растения поглощать ее посредством корневой системы, оно подвергается риску:
- дефицит влаги;
- приостановка роста;
- уменьшение интенсивности фотосинтеза;
- нарушение обмена веществ внутри растительного организма.
Последствия могут быть весьма серьезными, вплоть до гибели растения. Однако при неблагоприятных, но не экстремальных условиях, оно способно саморегулировать процесс испарения. Если количество воды, поступающей к поверхности, с которой происходит испарение, ограничено, то транспирация снижается.
Процессы передвижения воды
Уже было установлено, что транспирация – это нормальный физиологический процесс, свойственный растениям. Основным элементом, обеспечивающим функционирование растения, является лист. Множественное количество листьев создает значительную площадь поверхности для испарения влаги. Это приводит к снижению водного потенциала, что является стимулом для клеток листьев поглощать воду из ксилемы. По аналогии с цепной реакцией, это вызывает перемещение воды из корней по ксилеме к листьям. Формируется структура, напоминающую верхний приводной механизм. Интенсивность транспирации определяет мощность этого верхнего «двигателя» и усилие, с которым корневая система всасывает воду.
Вода поднимается по стеблю и достигает листа, перемещаясь по жилкам через черешок. По мере продвижения жилки разветвляются, и количество проводящих элементов уменьшается. Жилки трансформируются в отдельные трахеиды, формирующие плотную сеть. Однослойный эпидермис с кутикулой на поверхности листа удерживает влагу. Вода, преобразованная в пар, выходит через устьица – многочисленные отверстия микронных размеров, которые растение способно расширять или сужать, реагируя на изменения внешних условий.
Механизм и интенсивность транспирации
Растения используют лишь небольшую долю воды, извлеченной из почвы – всего 0,2 процента, в редких случаях немного больше. Остальное испаряется в атмосферу. Принцип работы верхнего конечного двигателя довольно прост. Он базируется на том, что в атмосфере, как правило, содержится недостаточно водяного пара, и, следовательно, ее водный потенциал можно определить как отрицательный. К примеру, при относительной влажности воздуха в 90 процентов атмосферное давление составляет 140 баров. В то же время давление внутри листа у большей части растений колеблется в пределах от 1 до 30 баров. Именно такая значительная разница и обуславливает транспирацию. Нехватка воды, перемещаясь по клеткам от листьев к стеблям, неизбежно достигает корней. Это активирует нижний двигатель, который начинает всасывать воду из грунта. А испарение с поверхности листьев поднимает ее, вместе с растворенными минеральными солями, обратно вверх.
На интенсивность транспирации влияет ряд факторов.
- «Степень увлажненности растения. При достижении критического уровня происходит сужение устьиц.
- Повышенное содержание углекислого газа в воздухе вызывает у большинства растений реакцию в виде закрытия устьиц.
- В условиях достаточной освещенности устьица, как правило, открыты. С наступлением темноты они закрываются.
- Достигая отметок выше 35-40°С, она вызывает закрытие устьиц.
- Повышение температуры поверхности листа на 10°C приводит к удвоению испаряемой влаги.
- Содержание влаги в воздухе и скорость ветра взаимосвязаны: при более сухой атмосфере интенсивность транспирации возрастает.
Транспирация: виды
Растения теряют воду посредством испарения, которое включает три этапа:
- Транспорт веществ из сосудов в верхние слои мезофилла.
- Перемещение через клеточные стенки в межклеточные пространства и полости вокруг устьиц, после чего вещество выходит за пределы клетки.
- Последний этап подразделяется на:
- транспирацию через устьица – устьютную;
- испарение в атмосферу непосредственно через клетки эпидермиса – кутикулярную транспирацию.
Устьютная
Ее можно разбить на две стадии.
- Вода, находящаяся в капельном состоянии внутри клеточных оболочек, переходит в газообразное состояние в межклеточном пространстве. В этот момент растение может контролировать интенсивность транспирации. При недостатке влаги в корневых и стеблевых сосудах возникает значительное напряжение, препятствующее поступлению воды к клеткам листьев. И испарение замедляется.
- Процесс выделения пара через устьица. По мере выхода водяного пара из межклеточных пространств, они вновь заполняются благодаря перемещению воды из клеточных мембран. Степень открытости устьиц является ключевым фактором, регулирующим транспирацию.
Кутикулярная
Интенсивность кутикулярной транспирации, как ее определили биологи, существенно варьируется в зависимости от вида растения. У некоторых видов она практически не играет роли, поскольку потери влаги за счет этого процесса минимальны. Так, у растений семейства магнолиевых и хвойных, благодаря толстому эпидермису и кутикуле, расположенной поверх него, потери жидкости с листьев незначительны. В то же время, у других видов вода, переносимая этим способом, может составлять до 50 процентов от общего объема. Наиболее выраженным этот процесс становится у молодых листьев, которые обладают тонким эпидермисом и кутикулой.
Суточный ход и показатели транспирации
Интенсивность дыхания растений меняется в течение дня.
- При благоприятной погоде, когда нет засухи, первый глубокий вдох они совершают на рассвете, в момент, когда устьица максимально раскрыты. К середине дня они начинают постепенно сужаться и закрываются с заходом солнца.
- При отсутствии осадков это явление наблюдается значительно быстрее – обычно к десяти или одиннадцатью часами утра. С наступлением вечера, когда дневная жара уменьшается, они вновь раскрываются и остаются открытыми до заката.
- При облачной погоды устьица, как правило, остаются открытыми до вечера, однако не раскрываются полностью.
Изменения в потере влаги в течение суток связаны с работой устьиц. Скорость транспирации несколько превышает поступление влаги, которое не успевает транспортироваться по клеткам растения. В результате в дневное время формируется дефицит влаги. Однако ночью, когда устьица закрыты, этот дефицит устраняется. При этом общая картина во многом определяется местоположением растения и его видом. Например, у кактусов и молочаев устьица открываются только в ночное время.
В регионах с умеренным климатом для формирования одного грамма сухой массы растениям требуется приблизительно 300 граммов воды. Этот показатель, как правило, находится в диапазоне от 125 до 1000 граммов.
