В организме человека и животных кровь циркулирует по телу, подгоняемая мощным насосом, каковым является сердце. Таким образом каждая клеточка организма получает все необходимые для своей жизнедеятельности вещества. Каждая часть дерева также омывается изнутри раствором питательных компонентов в воде - соком растения. Однако ни одно дерево не обладает сердцем. Как же в таком случае сок поднимается вверх по дереву?
Наука до сих пор не может дать точный ответ на этот вопрос. Ни одна из существующих на сегодняшний день теорий не предлагает полного и окончательного объяснения этого явления. Поэтому ученые склоняются к мысли, что перемещение сока по дереву осуществляется под действием нескольких сил, действующих одновременно.
Наиболее широко распространена теория осмотического давления. Дело в том что во всех живых организмах раствор питательных веществ проникает в клетки через тонкие оболочки-мембраны. Это происходит потому, что концентрация растворенных веществ по разные стороны мембран различна, а следовательно, согласно законам физики, она стремится выровняться. Такое явление (встречающееся, кстати, не только в живой природе) называется осмосом, а разность концентраций вещества по разные стороны мембраны, являющаяся движущей силой процесса,- осмотическим давлением. Таким образом, чем больше эта разность концентраций, тем большее количество жидкости переносится через мембрану.
Необходимые растениям для поддержания жизни вода и минеральные соли находятся в почве. Поскольку их содержание там выше, чем в корнях деревьев, возникает осмотическое давление, заставляющее влагу с растворенными в ней солями проникать внутрь растения. Благодаря тому же эффекту, сок поднимается по корню в ствол и далее в остальные части дерева. Минеральные соли остаются в клетках дерева, по мере того как раствор проходит через них, а излишки воды испаряются из листьев.
Существует и иная гипотеза на этот счет. Согласно ей, перемещение сока происходит благодаря, во-первых испарению воды из листьев, а во-вторых наличию «когезии» воды. Когезией называется сила, вызывающая своего рода «прилипание» одной маленькой частички вещества к другой.
Как утверждает эта теория, при испарении влаги из листьев в их клетках возникает вакуум, и в результате они начинают притягивать воду из соседних клеток. Там происходит то же самое, и так далее, пока не доходит до корней, вбирающих влагу (а вместе с ней и питательные вещества) из почвы. Что же касается когезии, то она удерживает частички воды вместе, когда они поднимаются вверх по стволу, что позволяет сохранить этот поток непрерывным.
Вода, поступившая в клетки корня, под влиянием разности водных потенциалов, которые возникают благодаря транспирации и корневого давления, передвигается до проводящих элементов ксилемы. Согласно современным представлениям, вода в корневой системе передвигается не только по живым клеткам. Еще в 1932г. немецкий физиолог Мюнх развил представление о существовании в корневой системе двух относительно независимых друг от друга объемов, по которым передвигается вода,-- апопласта и симпласта.
Апопласт -- это свободное пространство корня, в которое входят межклетные промежутки, оболочки клеток, а также сосуды ксилемы. Симпласт -- это совокупность протопластов всех клеток, отграниченных полупроницаемой мембраной. Благодаря многочисленным плазмодесмам, соединяющим между собой протопласт отдельных клеток, симпласт представляет единую систему. Апопласт не непрерывен, а разделен на два объема. Первая часть апопласта расположена в коре корня до клеток эндодермы, вторая -- по другую сторону клеток эндодермы и включает в себя сосуды ксилемы. Клетки эндодермы благодаря пояскам. Каспари представляют как бы барьер для передвижения воды по свободному пространству (межклетникам и клеточным оболочкам). Передвижение воды по коре корня идет главным образом по апопласту, где она встречает меньшее сопротивление, и лишь частично по симпласту.
Однако, для того, чтобы попасть в сосуды ксилемы, вода должна пройти через полупроницаемую мембрану клеток эндодермы. Таким образом, мы имеем дело как бы с осмометром, у которого полупроницаемая мембрана расположена в клетках эндодермы. Вода устремляется через эту мембрану в сторону меньшего (более отрицательного) водного потенциала. Далее вода поступает в сосуды ксилемы. Как уже упоминалось, по вопросу о причинах, вызывающих секрецию воды в сосуды ксилемы, имеются различные суждения. Согласно гипотезе Крафтса, это следствие выброса солей в сосуды ксилемы, в результате чего там создается повышенная их концентрация, и водный потенциал становится более отрицательным. Предполагается, что в результате активного (с затратой энергии) поступления соли накапливаются в клетках корня. Однако интенсивность дыхания в клетках, окружающих сосуды ксилемы (перицикла), очень низкая, и они не удерживают соли, которые благодаря этому десорбируются в сосуды. Дальнейшее передвижение воды идет по сосудистой системе корня, стебля и листа. Проводящие элементы ксилемы состоят из сосудов и трахеид.
Опыты с кольцеванием показали, что восходящий ток воды по растению движется в основном по ксилеме. В проводящих элементах ксилемы вода встречает незначительное сопротивление, что, естественно, облегчает передвижение воды на большие расстояния. Правда, некоторое количество воды передвигается и вне сосудистой системы. Однако по сравнению с ксилемой сопротивление движению воды других тканей значительно больше (не менее чем на три порядка). Это приводит к тому, что вне ксилемы движется всего от 1 до 10% общего потока воды. 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. Именно поэтому густота жилкования листа считается одним из важнейших признаков ксероморфной структуры -- отличительной чертой растений, устойчивых к засухе.
Иногда мелких ответвлений жилок листа так много, что они подводят воду почти к каждой клетке. Вся вода в клетке находится в равновесном состоянии. Иначе говоря, в смысле насыщенности водой имеется равновесие между вакуолью, цитоплазмой и клеточной оболочкой, их водные потенциалы равны. В связи с этим, как только в силу процесса транспирации возникает ненасыщенность водой клеточных стенок паренхимных клеток, она сейчас же передается внутрь клетки, водный потенциал которой падает. Вода передвигается от клетки к клетке благодаря градиенту водного потенциала. По-видимому, передвижение воды от клетки к клетке в листовой паренхиме идет не по симпласту, а в основном по клеточным стенкам, где сопротивление значительно меньше.
По сосудам вода движется благодаря создающемуся в силу транспирации градиенту водного потенциала, градиенту свободной энергии (от системы с большей свободой энергии к системе с меньшей). Можно привести примерное распределение водных потенциалов, которое и вызывает передвижение воды: водный потенциал почвы (-0,5 бара), корня (-2 бара), стебля (-5 бар), листьев (-15 бар), воздуха при относительной влажности 50% (-1000 бар).
Однако ни один всасывающий насос не может поднять воду на высоту больше 10м. Между тем есть деревья, у которых вода поднимается на высоту более 100м. Объяснение этому дает теория сцепления, выдвинутая русским ученым Е. Ф. Вотчалом и английским физиологом Е. Диксоном. Для лучшего понимания рассмотрим следующий опыт. В чашку с ртутью помещают заполненную водой трубку, которая заканчивается воронкой из пористого фарфора. Вся система лишена пузырьков воздуха. По мере испарения воды ртуть поднимается по трубке. При этом высота подъема ртути превышает 760мм. Это объясняется наличием сил сцепления между молекулами воды и ртути, которые в полной мере проявляются при отсутствии воздуха. Сходное положение, только еще более ярко выраженное, имеется в сосудах у растений.
Вся вода в растении представляет единую взаимосвязанную систему. Поскольку между молекулами воды имеются силы сцепления (когезия), вода поднимается на высоту, значительно большую 10м. Расчеты показали, что благодаря наличию сродства между молекулами воды силы сцепления достигают величины -- 30 бар. Это такая сила, которая позволяет поднять воду на высоту, равную 120м, без разрыва водных нитей, что примерно и составляет максимальную высоту деревьев. 120м, без разрыва водных нитей, что примерно и составляет максимальную высоту деревьев. Силы сцепления существуют и между водой и стенками сосудов (адгезия). Стенки проводящих элементов ксилемы эластичны. В силу этих двух обстоятельств даже при недостатке воды связь между молекулами воды и стенками сосудов не нарушается. Это подтверждается исследованиями по изменению толщины стебля травянистых растений. Определения показали, что в полуденные часы толщина стебля растений уменьшается. Если перерезать стебель, то сосуды сразу расширяются и воздух врывается в них. Из этого опыта видно, что при сильном испарении сосуды сужаются и это приводит к появлению отрицательного давления. Благодаря этому
Ш в.сосуда= -- Ш осм.+(- Ш давл.).
Степень натяжения водных нитей в сосудах зависит от соотношения процессов поглощения и испарения воды. Все это позволяет растительному организму поддерживать единую водную систему и не обязательно восполнять каждую каплю испаряемой воды. Таким образом, при нормальном водоснабжении создается непрерывность воды в почве, растении и атмосфере. В том случае, если в отдельные членики сосудов попадает воздух, они, по-видимому, выключаются из общего тока проведения воды. Таков путь воды по растению и его основные движущие силы. Современные методы исследования позволяют определить скорость передвижения воды по растению. Скорость передвижения воды определяется разностью водных потенциалов в начале и конце пути, а также сопротивлением, которое она встречает. Согласно полученным данным, скорость движения воды в течение суток изменяется. В дневные часы она значительно больше. При этом разные виды растений отличаются по скорости передвижения воды. Если скорость передвижения у хвойных пород обычно 0,5-1,2 м/ч, то у лиственных она значительно выше. У дуба, например, скорость передвижения составляет 27 - 40 м/ч. Скорость передвижения воды мало зависит от напряженности обмена веществ. Изменение температуры, введение метаболических ингибиторов не влияют на передвижение воды. Вместе с тем этот процесс, как и следовало ожидать, очень сильно зависит от скорости транспирации и от диаметра водопроводящих сосудов. В более широких сосудах вода встречает меньшее сопротивление. Однако надо учитывать, что в более широкие сосуды скорее могут попасть пузырьки воздуха или произойти какие-либо иные нарушения тока воды.
Без воды ни одно растение не смогло бы существовать. Как вода попадает в растение и за счет какой силы проникает в каждую клетку организма?
Наука не стоит на месте, поэтому данные о водном обмене растений постоянно дополняются новыми фактами. Л.Г. Емельянов на основании имеющихся данных разработал ключевой подход к пониманию водного обмена растений.
Он поделил все процессы на 5 этапов:
- Осмотический
- Коллоидно-химический
- Теромодинамический
- Биохимический
- Биофизический
Данный вопрос продолжается активно изучаться, поскольку водный обмен непосредственно связан с водным статусом клеток. Последнее в свою очередь является показателем нормальной жизнедеятельности растения . Некоторые растительные организмы на 95% состоят из воды. В высушенном семени и спорах содержится 10% воды, в этом случае происходит минимальный метаболизм.
Без воды в живой организме не будет протекать ни одной реакции обмена, вода необходима для связи всех частей растения и координации работы организма.
Вода находится во всех частях клетки, в частности, в клеточных стенках и мембранах, составляет большую часть цитоплазмы. Без воды не могли быть существовать коллоиды и молекулы белка. Подвижность цитоплазмы осуществляется за счет большого содержания воды. Также жидкая среда способствует растворению веществ, которые попадают в растение, и разносит их во все части организма.
Вода необходима для следующих процессов:
- Гидролиз
- Дыхание
- Фотосинтез
- Другие окислительно-восстановительные реакции
Именно вода помогает растению адаптироваться к внешней среде, сдерживает негативное воздействие перепадов температуры. Кроме того, без воды травянистые растения не могли бы поддерживать вертикальное положение.
Вода поступает в растение из почвы, ее поглощение осуществляется с помощью корневой системы. Чтобы произошел водный ток, в работу вступают нижний и верхний двигатели.
Энергия, которая тратится на передвижение воды равняется сосущей силе. Чем больше растение поглотило жидкости, тем выше по значению будет водный потенциал. Если воды недостаточно, то клетки живого организма обезвоживаются, водный потенциал уменьшается, а сосущая сила увеличивается. Когда появляется градиент водного потенциала, вода начинает циркулировать по растению. Его возникновению способствует сила верхнего двигателя.
Верхний концевой двигатель работает независимо от корневой системы. Механизм работы нижнего концевого двигателя можно можно увидеть рассмотрев процесс гуттации.
Если лист растения насыщен водой , а влажность воздуха окружающей среды повышена, то испарение происходить не будет. При этом с поверхности будет выделяться жидкость с растворенными в ней веществами, будет происходить процесс гуттации. Такое возможно, если корнями воды поглощается больше, чем успевает испаряться листьями. Гуттацию видел каждый человек, она зачастую происходит ночью или утром, при высокой влажности воздуха.
Гуттация характерна для молодых растений, корневая система которых развивается быстрей, чем надземная часть.
Капли выходят наружу через водяные устьица, чему способствует корневое давление. При гуттации растение теряет минеральные вещества. При этом оно избавляется от лишних солей или кальция.
Второе подобное явление – плач растений. Если к свежему срезу побега приложить стеклянную трубку, по ней будет двигаться жидкость с растворенными минеральными веществами. Происходит это, поскольку от корневой системы вода движется только в одну сторону, такое явление называется корневым давлением.
На первом этапе корневая система поглощает воду из почвы. Водные потенциалы действуют под разными знаками, что приводит к движению воды в определенном направлении. К разности потенциалов приводит транспирация и корневое давление.
В корнях растений есть два пространства, которые не зависят друг от друга. Называются они апопласта и симпласта.
Апопласт – свободное место в корне, которое состоит из сосудов ксилемы, оболочек клеток и межклеточного пространства. Апопласт в свою очередь разделен еще на два пространства, первое располагается до эндодермы, второе после нее и состоит из сосудов ксилемы. Эндодрема выполняет роль барьера, чтобы воды не переходила на пределы своего пространства. Симпласт – протопласты всех клеток объединенные частично проницаемой мембраной.
Вода проходит следующие этапы:
- Полупроницаемая мембрана
- Апопласт, частично сипласт
- Сосуды ксилемы
- Сосудистая система всех частей растений
- Черешки и листовые влагалища
По листу воды двигается по жилкам, они имеют ветвистую систему. Чем больше жилок имеется на листе, тем легче воды двигается по направлению к клеткам мезофилла. в данном случае количество воды в клетке уравновешено. Сосущая сила позволяет передвигаться воде от одной клетки к другой.
Растение погибнет, если ей будет недоставать жидкости и связано это не с тем, что в ней протекают биохимические реакции. Имеет значение физико-химический состав воды, в которой происходят жизненно важные процессы. Жидкость способствует появлению цитоплазматических структур, которые не могут существовать вне этой среды.
Вода образует тургор растений, поддерживает постоянную форму органов, тканей и клеток. Вода является основой внутренней среды растения и других живых организмов.
Больше информации можно узнать из видео.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Как часто люди живут своей привычной жизнью и не замечают удивительных вещей. Красота наших лесов уникальна. Деревья замечательны не только своей красотой, но и разнообразием. Почему на нашей планете в широтной зональности произрастают деревья определённой высоты одного вида? От чего зависит высота деревьев? Как деревья-гиганты обеспечивают себе подъём воды? Эти вопросы меня очень заинтересовали. Закону широтной зональности подчинены пояса атмосферного давления, как один из факторов воздействия на живые организмы. Водопроводящую систему деревьев можно сравнить с движением воды по трубам, а движение жидкости в сосудах древесины - высота поднятия в капиллярных трубках. Проблема: почему в разных климатических широтах произрастают деревья одного вида разной высоты, и от чего зависит водопроводящая система у низкорослых деревьев и деревьев-гигантов. Гипотеза: если есть зависимость диаметра сосуда древесины от высоты дерева, то его высота зависит от атмосферного давления как от одного из факторов влияния в различных широтах. Цель: исследование зависимости высоты дерева от диаметра сосуда древесины при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания.
Задачи проекта: 1. Изучить источники информации по выбранной теме. 2. Углубить знания по теории законов гидравлики, капиллярным явлениям. 3. Провести и описать эксперимент, подтверждающий или опровергающий выдвинутую гипотезу. 4. Обработать и проанализировать результаты проделанной работы. 5. Представить результаты в виде линейной диаграммы. 6. Сделать вывод, отвечающий поставленной цели.
Объект исследования: законы и явления физики в изучении теории гидравлики, капиллярных явлений. Предмет исследования: проводящая система древесины. Актуальность темы: исследование обусловлено продвижением знаний по вопросам законов гидравлики и теории капиллярных явлений, в постановке проблемы исследования с привлечением внимания общества к вопросам окружения привычных нам явлений в нашей жизни и построением диаграммы зависимости диаметра сосуда древесины от высоты.
1. Что такое гидравлика
Гидравлика - это наука, имеющая тысячелетнюю историю развития. Слово "гидравлика" происходит от сочетания двух греческих слов — hydor (вода) и aulos (труба) — и означает движение воды по трубам. В настоящее время термин «гидравлика» получил более широкое значение. В современном смысле гидравлика — техническая наука, в которой изучаются законы равновесия и движения жидкостей, а также методы применения этих законов в инженерной практике. Часть гидравлики, рассматривающую законы равновесия жидкостей, называют гидростатикой, часть, рассматривающую законы движения жидкостей - гидродинамикой. Два направления изучения гидравлики — в динамическом и статичном контекстах. Гидродинамика затрагивает вопросы кинематики воды как таковой, а гидростатика больше ориентируется на законы взаимодействия жидкостей с другими средами и телами. Причиной гигроскопического движения являются колебания влажности атмосферного воздуха. В технике различного рода гидравлических установках необходимое давление создается почти всегда с помощью компрессоров или насосов. У растительного организма решение задач, связанных с выполнением различного рода движений, в том числе и управляющих, не требует приложения столь больших усилий. Тем не менее, и они решаются при помощи законов гидравлики, но при значительно более низких давлениях 1 .
Водная среда является главным аспектом изучения в этом направлении. Вода — самое распространенное в биосфере вещество, играющее исключительно важную роль в жизни живой природы и в частности растений. Вода входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Потеря большого количества воды живым организмом может привести к его смерти. Растения способствуют более быстрому водному обмену почвы и воздуха. Трудно переоценить то благотворное воздействие, какое оказывает растительный мир на климат, регулируя его.
2. Растительный мир и законы гидравлики
Автономные движения растительного организма управляются с помощью гидравлики. В технике конструкторы создают высокое давление за счет сжатия: какая-либо подвижная деталь, например поршень, давит на жидкость. Для растения использование такой технологии потребовало бы больших затрат энергии и создания специальных и к тому же сложно устроенных приспособлений. Поэтому они применяют с конструктивной точки зрения намного более простой, а с точки зрения расходования энергии более эффективный метод — осмос. Осмос представляет собой диффузию вещества через перегородку (мембрану), разделяющую чистый растворитель и раствор или два раствора разной концентрации. Перегородка проницаема только для растворителя. Такой способ создания гидравлического давления связан с естественной способностью солей притягивать воду, растворяться в ней и уменьшать насыщенность раствора. С помощью осмоса растения создают довольно большие давления. Внутриклеточное давление придает жесткость тем растениям, ткани которых не одревеснеют. Когда осмотическое давление падает, например у срезанных и поставленных в вазу цветов, растение увядает. Многие растения обзавелись для этих целей самыми настоящими сочленениями, работающими по тому же принципу, по которому действуют гидравлические сочленения в технике. Каким же образом растение добивается внезапного падения давления? Причина в том, что оно в состоянии менять размеры пор в полупроницаемой мембране клеток. При увеличении размера пор раствор, находящийся под давлением в клетке, выходит наружу, и давление понижается. В течение считанных минут клеточная оболочка возвращается в прежнее состояние, и процесс может повториться вновь 2 .
2.1. Двигатели водного потока
Передвижение воды по растению определяется двумя основными двигателями водного потока: нижним двигателем водного потока или корневым давлением, верхним двигателем водного потока или присасывающим действием атмосферы. Механизм, обеспечивающий поднятие воды по растению за счет корневого давления, — нижний концевой двигатель водного тока. Вода заполняет весь путь от почвы — через корень и стебель — до клеток в листе. Суммарный поток воды направлен в сторону меньшего водного потенциала. Корневое давление наг-нетает воду в сосуды центрального цилиндра корня, а сосущие силы притягивают эту воду. Процесс подъема воды от корней до листьев носит название восходящего тока. Кор-невое давление получило название нижнего концевого двигателя водного тока. Притягивающие же воду сосущие силы листьев называют верхним конце-вым двигателем водного тока. Наши обычные деревья имеют довольно большие размеры и значительную протяженность водопроводя-щей системы корней. Водный ток испытывает и преодолевает силу зем-ного притяжения, силу тяжести. Меж-ду молекулами передвигающейся воды существуют силы сцепления. Водопроводящие элементы представляют единое целое с водным потоком, так как стенки их полностью смочены, насыщены водой. Все это сильно отличает условия, создаю-щиеся в дереве, от условий в поршневых насосах, где между стенками цилиндра и поршня посто-янно появляются пузырьки воздуха, нарушающие це-лостность водного столба. Происходит обрыв этого столба при подъеме на высоту более 10 метров. Для того чтобы поднять воду на высоту 100 метров, необхо-димо наличие сосущих сил в кроне дерева порядка до 35 атмосфер: на преодоление силы тяжести — 10 атмосфер, сопро-тивления фильтрации через поперечные стенки сосу-дов — до 25 атмосфер. Поэтому с чисто физической точки зрения представля-ется возможным объяснить подъем воды на высоту 100 метров и более 3 .
3. Капиллярные явления
Капиллярность — явление подъёма или опускания жидкости в капиллярах, заключающееся в способности этой жидкости изменять уровень в трубках малого диаметра, узких каналах произвольной формы и пористых телах. Подобные явления можно также наблюдать в очень узких трубочках, которые называются капиллярами (от лат. capillus — волосок) 4 . Силы, лежащие в основе капиллярности, — дей-ствие по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния и эф-фек-т сма-чи-ва-ния.
3.1. Поверхностное натяжение
Термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул. Молекулы поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. На поверхности раздела жидкость — воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением 5 .
Коэффициент поверхностного натяжения является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения — сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии.
3.2. Эффект смачивания
Линия, ограничивающая поверхность капли на твёрдом теле является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин этих сил. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести. Более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и медленнее протекает по капиллярному каналу 6 .
3.3. Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках
Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести, заставляющая жидкость опускаться вниз и сила поверхностного натяжения, двигающая воду вверх. Подъ-ем/опускание жид-ко-сти по ка-пил-ля-ру оста-но-вит-ся тогда, когда сила по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния урав-но-ве-сит-ся силой тяже-сти, дей-ству-ю-щей на столб под-ня-той жид-ко-сти. Вы-со-та, на которую под-ни-мет-ся сма-чи-ва-ю-щая жид-кость в ка-пил-ляр-ной труб-ке, преодолевая силу тяжести, рассчитывается по формуле (3.3.1):
(3.3.1)
где ------ - ко-эф-фи-ци-ент по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния, Н/м ; - плот-ность жид-ко-сти, кг/м 3 ; - уско-ре-ние сво-бод-но-го па-де-ния, 9,8 м/с 2 ; h - высота столбика поднятой жидкости, м ; r - радиус капилляра, м ; d - диаметр капилляра, м 7 .
Если капилляр наклонён к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит. Как бы не располагались капилляры в структуре, высота поднятия жидкости будет зависеть от ------, , r ( d ) . Из формулы высоты поднятия жидкости в капиллярах выражаем формулу для нахождения диаметра капилляра (3.3.2)
где ------- ко-эф-фи-ци-ент по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния, Н/м ; - плот-ность жид-ко-сти, кг/м 3 ; - уско-ре-ние сво-бод-но-го па-де-ния, 9,8 м/с 2 ; h - высота столбика поднятой жидкости, м ; d - диаметр капилляра, м 8 .
4. Гидростатическое давление
На каждую частицу жидкости, находящейся в поле тяготения Земли, действует сила тяжести. Под действием этой силы каждый слой жидкости давит на расположенные под ним слои. В жидкостях существует давление, обусловленное ее весом. Жидкость способна легко изменять свою форму. Части жидкости могут свободно сдвигаться, скользя друг относительно друга. Жидкости практически несжимаемы. Вода в древесине может быть как в статическом (стабильном) и в динамическом (нестабильном) состоянии. Если вода находится в термодинамическом равновесии с древесиной и окружающей средой, то в ней не происходит никаких изменений во времени или в пространстве. Такое состояние воды называют стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Динамика устанавливает наиболее общие закономерности взаимодействия древесины и воды. Давление, обусловленное весом жидкости, называют гидростатическим давлением. Согласно закону Паскаля давление, производимое на жидкость, передается жидкостью во все стороны одинаково. Это связано с подвижностью молекул в жидком состоянии 9 .
Давление столба жидкости определяется по формуле (5.1):
Р = ρgh ,Па
где ρ
- плотность жидкости, кг/м
3
; g
- ускорение свободного падения, 9,8 м/с
2
;
h
- высота столба жидкости или глубина, на которой измеряется давление, м 10
.Гидростатическое давление равно весу столба жидкости с единичным основанием и высотой, равной глубине погружения точки под свободной поверхностью жидкости.
Давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости. Независимо от формы сосуда и его размеров.
5. Пояса атмосферного давления
Воздух, окружающий Землю, имеет массу и оказывает давление на все объекты, находящиеся на земной поверхности. Сила, с которой воздух давит на земную поверхность, называется атмосферным давлением. За нормальное атмосферное давление условно принято давление воздуха 760 миллиметров ртутного столба на уровне моря на широте 45° и при температуре 0 °С. Давление воздуха на нашей планете может изменяться в широких пределах. Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер.
На планете сформировалось несколько поясов атмосферного давления:
низкое давление на экваторе;
высокое давление в тропиках;
низкое давление над умеренными широтами;
высокое давление над полюсами.
Это происходит из-за постоянно высоких температур воздуха на экваторе. Нагретый воздух поднимается и уходит в сторону тропиков. На полюсах поверхность земли всегда холодная, а атмосферное давление повышено. Его обуславливает воздух, который приходит из умеренных широт. В умеренных широтах из-за оттока воздуха формируется зона пониженного давления 11 .
Таким образом, на Земле существуют два пояса атмосферного давления — пониженный и повышенный. Пониженный на экваторе и в двух умеренных широтах. Повышенный на двух тропических и двух полярных. Они могут немного смещаться в зависимости от времени года. Круглый год области пониженного давления сохраняются близ Экватора и в южном полушарии в умеренных широтах.
5.1. Влияние атмосферного давления на растения
Существуют лабораторные вакуумные установки различных размеров и мощностью. С применением такой установки основанной на использовании очень низкого атмосферного давления можно реализовать искусство Бонсай — выращивания точной копии настоящего дерева в миниатюре - прямо пропорциональная зависимость высоты роста растений от атмосферного давления. При увеличении/снижении атмосферного давления пропорционально увеличивается/снижается абсолютный рост. Это может служить экспериментальным до-казательством того, по-чему деревья после ката-строфы миллионы лет назад на Земле или полностью вымерли, или уменьшились 12 . Сегодня остатки погибшей биосферы — деревья-гиганты, достигающие высоты до 150 метров, которые ещё совсем недавно были ши-роко распространены по всей планете. Плотный воздух более теплопроводен, поэтому субтро-пический климат распространялся от экватора до полюсов, где не было ледяного панциря. Благодаря высокому атмосферному давлению теп-лопроводность воздуха была высокой. Это обстоятельство вело к тому, что температура на планете распределялась рав-номерно, и на всей планете климат был субтропический. Вследствие вы-сокой теплопроводности воздуха при высоком атмосферном давлении на полю-сах тоже росли тропические и субтропические растения.
За последнее время мы наблюдаем постепенное умень-шение давления на планете. За последнюю тысячу лет давление, если считать, что оно падало по 1-2 мм ртутного столба в год, упало с трёх до одной атмосферы. Суша занимает всего 1/3 поверх-ности планеты, получается, что Земля была покрыта сло-ем сплошной зелёной массы. Многоярусность лесов позволяла разместить на Земле во много тысяч раз больше массы современной биосферы.
6. Деревья-гиганты
Когда - то реликтовые леса с гигантскими растениями покрывали большую часть суши земного шара. Ископаемые образцы говорят о том, что гигантские деревья существовали уже в юрский период. Так сложилось в природе, что десять самых высоких деревьев растут на территории США, и относятся к виду Секвойя. Как уникальные деревья у каждого из них есть имя собственное. Но на других континентах и странах произрастают не мене удивительные и по-своему уникальные виды деревьев.
Секвойя — самое высокое дерево в мире, который растёт всю жизнь в высоту и в ширину. Учёные установили, что секвойя росла на Земле более 100 миллионов лет назад. Об этом свидетельствуют найденные окаменелости с остатками коры. Учёные утверждают, что многие миллионы лет назад секвойи росли по всему северному полушарию Земли. Сегодня в естественном виде эти гиганты растут узкой полосой вдоль берегов Тихого океана в Северной Америке, штат Калифорния, никогда не удаляется далеко от побережья. Искусственно выращивают это дерево в Канаде, Мексике, Великобритании, Португалии, Италии, ЮАР, Новой Зеландии, в Крыму, на Кавказе. Но везде, где это дерево посажено искусственно, не достигает таких огромных размеров, как на своей естественной родине в Северной Америке. Эвкалипт — вечнозелёные исполины, произрастают в Австралии, Новой Зеландии, на Тасмании. Огромные эвкалипты могут жить только во влажном климате субтропиков. Эвкалипт — дерево, не дающее тени, потому что листовые пластинки поворачиваются ребром к солнцу. Благодаря такой способности эвкалипт долго может сохранить вобранную в себя влагу, это настоящий водяной насос. Одно такое дерево в течение суток способно всосать в себя более 300 литров влаги. А за год этот выпивает более 100 тонн воды. Из-за этих свойств, это дерево часто используют в мелиорации 13 .
6.1. Подъём воды в стволах высоких деревьев
Долгое время механизм подъема воды к верхушкам высоких деревьев оставался загадкой. Вода от корней дерева поднимается по ксилеме — сосудистой ткани, а движут ее вверх, против силы тяжести, капиллярные силы. Чем выше дерево (а тем самым высота водяного столба), тем больше сила тяжести затрудняет подъем. Давление водяного столба в ксилеме неуклонно падает с высотой. Столб воды разрывается с появлением пузырьков воздуха. На высотах больше 110 метров, т.е. у вершин деревьев-гигантов, давление в ксилеме очень близко к минимально возможному. Однако во время засух избежать падения давления ниже допустимого уровня не удается — верхняя часть кроны, вероятно, отмирает, но потом заменяется новой. Почти все высокие секвойи имеют несколько вершин. Как и давление в ксилеме, линейно с высотой снижается внутреннее гидростатическое давление в живых клетках, необходимое для их роста и развертывания листьев 14 .
Предел высоты дерева определяется доступностью воды. Высота, которой могут достигнуть секвойи, непостоянна, она меняется со временем в зависимости от климатических и атмосферных перемен — ведь на водообеспечение и углеродный баланс дерева влияет сумма факторов: уровень концентрации углекислого газа в атмосфере, изменения температуры и влажности внешней среды.
7. Эксперимент
Цель эксперимента: доказать, что высота поднятия жидкости в капиллярах зависит от диаметра этих капилляров.
Оборудование и материалы: ёмкость для жидкостей, термометр, штангенциркуль, маркер, набор трубочек различных диаметров, вода родниковая, сок берёзовый натуральный (Приложение А).
Ход работы: 1. Приготовила образцы трубочек различного диаметра для исследования. Штангенциркулем определила их внутренний диаметр и соответственно пронумеровала по уменьшению их диаметра, данные занесла в таблицу 10.1 (Приложение Б). 2. На расстоянии 1 сантиметра от одного конца образца отметила маркером линию. Взяла ёмкость с родниковой водой и по очереди опускала образцы трубочек в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией. 3. Отметила маркером высоту поднятия жидкости. Такой опыт я провела с каждым образцом (Приложение В). 4. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия родниковой воды в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.2 (Приложение Г). 5. Повторила опыт с натуральным берёзовым соком (Приложение Д). 6. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия берёзового сока в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.3 (Приложение Е).
Температура родниковой воды в опыте составляет 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,073 Н⁄м . Температура натурального берёзового сока - 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,062 Н⁄м 15 . Согласно формуле нахождения высоты поднятия жидкости в капиллярах (3.3.1) эта высота будет зависеть от ------, , d .
Вывод: из таблиц 10.2 и 10.3 следует, что высота поднятых жидкостей пропорциональна диаметру трубочек, результаты эксперимента с родниковой водой подтверждают эту пропорциональность результатами эксперимента с натуральным берёзовым соком. Натуральный берёзовый сок как более вязкая жидкость медленнее протекает по капиллярному каналу.
Одним из основных приемов разработки общих теоретических положений является обобщение - средство перехода от познания частных явлений к познанию общих. Оно заключается в исследовании таких свойств и явлений материального мира, которые характеризуют не единичное явление, а целый класс однородных в данном отношении явлений.
Теория подобия - учение о методах научного обобщения эксперимента. Она отвечает на вопрос, как нужно поставить опыт и обработать полученные данные, чтобы их можно было распространить на подобные явления. Всякое явление природы представляет собой систему материальных тел, которая за счет протекания в ней различных процессов претерпевает определенное изменение состояния. Подобными явлениями называют системы тел, геометрически подобные друг другу, в которых протекают процессы одинаковой физической природы и в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа.
Метод подобия применяется в задачах прикладного характера, в которых решения требуется учитывать большое число физических величин и позволяет выделить безразмерные параметры, которые независимо влияют на исследуемый процесс. Такой подход позволяет упростить качественное исследование и численное моделирование эксперимента. Высота столба поднятой жидкости подобна высоте дерева, диаметр трубочек подобен диаметру сосудов древесины. Проанализировав результаты, на основании полученных данных о водопроводящей системе деревьев и метода подобия я построила кривую высот: линейную диаграмму зависимости диаметра сосуда древесины от высоты. (Приложение Ж).
Жидкость в капиллярной трубке преодолевает силу тяжести. В данный момент времени состояние жидкости будет стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Давление обусловлено весом жидкости в древесине.
Согласно формуле определения гидростатического давления столба жидкости (5.1) давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости и независимо от формы сосуда и его размеров. Атмосферное давление воздуха давит на земную поверхность. Гидростатическое давление в данной точке жидкости создастся весом жидкости, находящейся над этой точкой, и весом атмосферы над поверхностью жидкости. Давление у поверхности жидкости часто равно атмосферному давлению.
Вывод по эксперименту: смачивающие жидкости родниковая вода и натуральный берёзовый сок близкие по своему составу к природным источникам воды для всего растительного мира и сокодвижения в деревьях поднимаются по капиллярам сосудов древесины, преодолевая силу тяжести, на высоту дерева, зависящую от коэффициента поверхностного натяжения этих жидкости, их плотности и диаметра капилляра сосудов древесины.
Так как распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер и сформировалось несколько поясов низкого и высокого атмосферного давления в определённых широтах, с большой вероятностью можно сказать, что высота деревьев будет различной при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания и будет зависеть от атмосферного давления как от одного из факторов влияния на рост и развитие растительного мира.
На высоту деревьев влияют разные климатические факторы, в том числе и атмосферное давление, но прежде всего она зависит от гидравлической системы самого дерева.
Заключение
В результате своей исследовательской работы я достигла решения проблемы с помощью поставленной цели и задач:
1. Изучила специальную литературу, включающую научные и журнальные статьи, учебники, словари, энциклопедии по выбранной теме.
2. Углубила свои знания по законам гидравлики, капиллярным явлениям, которые широко распространены как в человеческой деятельности, так и в природе.
3.рДоказала экспериментально зависимость диаметра сосуда древесины от высоты.
4. Проанализировала результаты исследовательской работы и представила результаты в виде линейной диаграммы.
5. Подтвердила гипотезу зависимости высоты дерева от атмосферного давления, как от одного из факторов влияния на различных широтах его произрастания.
6. Усовершенствовала в процессе своей работы личностные качества:
усидчивость;
наблюдательность;
способность работать с большим количеством информации;
стремление к саморазвитию.
Приобрела:
нацеленность на результат;
системность мышления;
аналитические способности.
Я вижу дальнейшую перспективу применения разработанного мной продукта для усовершенствования знаний на уроках физики и биологии в школе.
Список использованной литературы
1. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины. - М.: Издательский дом Альянс, 2002. - 422 с.
2. Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. - Омск.: Издательствово СибАДИ, 2006. - 145 с.
3. Гомоюнов К.К. Физика. Толковый словарь школьника и студента. - М.: Проспект, 2-е издание, 2010. - 496 с.
4. Патури Ф. Растения - гениальные инженеры природы. - М.: Прогресс, 2002. - 265 с.
5. Магеррамов М. А. Теплофизические свойства натуральных и концентрированных плодоовощных соков. - Баку.: Элм, 2006. - 274 с.
6. Сальников В.С. Механика жидкости и газа. - Ярославль.: Издательский дом Факел, 2002. - 199 с.
7. Телеснин Р. В. Молекулярная физика: Учебное пособие. - СПб.: Лань, 2009 . - 368 с.
8. Шемшук В. А. Как нам вернуть Рай. - М.: Омега Плюс, 2009. - 336 с.
9. Алехина Н. Д. Движение воды в целом растении (Электронный ресурс). -http://gendocs.ru
10. Бурова Л.А. Самое высокое дерево в мире (Электронный ресурс). - http://www.doklad-na-temu.ru
11. Горкин А.П. Современная иллюстрированная энциклопедия (Электронный ресурс). - https://www.litmir.me
12. Гэлстон А. Подъём воды в стволах высоких растений (Электронный ресурс). - http://www.booksshare.net
13. Михайлова Н.В. Где растет эвкалипт? (Электронный ресурс). -http://fb.ru
Приложения
Приложение А
Приложение Б
Таблица 10.1 — Номера трубочек и их внутренний диаметр
Приложение Г
Таблица 10.2 — Высота поднятия родниковой воды в трубочках
|
Номер трубочки |
Внутренний диаметр, мм |
Высота поднятия воды, мм |
Приложение Д
Приложение Е
Таблица 10.3 — Высота поднятия натурального берёзового сока в трубочках
|
Номер трубочки |
Внутренний диаметр, мм |
Высота поднятия сока, мм |
|
8 Там же. С.244 9 Сальников В.С. Механика жидкости и газа. - Ярославль.: Издательский дом Факел, 2002. С.78 10 Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. - Омск.: Издательство СибАДИ, 2006. С.17 11 Горкин А.П. Современная иллюстрированная энциклопедия.//https://www.litmir.me/ 12 Шемшук В. А. Как нам вернуть Рай.- М.: Омега Плюс, 2009. С.22 13 Михайлова Н.В. Где растет эвкалипт?// http://www.fb .ru/ 14 Гэлстон А. Подъём воды в стволах высоких растений.//http://www.booksshare.net/ 15 Магеррамов М.А. Теплофизические свойства натуральных и концентрированных плодоовощных соков. - Баку.: Элм, 2006.С.243 |
Основные двигатели водного тока
Поглощение воды корневой системой идет благодаря работе двух концевых двигателей водного тока: верхнего
концевого двигателя, или присасывающей силы испарения (транспирации), и нижнего концевого двигателя, или корневого двигателя. Основной силой, вызывающей поступление и передвижение воды в растении, является присасывающая сила транспирации, в результате которого возникает градиент водного потенциала. Водный потенциал – это мера энергии, используемой водой для передвижения. Водный потенциал и сосущая сила одинаковы по абсолютному значению, но противоположны по знаку. Чем меньше насыщенность водой данной системы, тем меньше (более отрицателен) ее водный потенциал. При потере воды растением в процессе транспирации создается ненасыщенность клеток листа водой, как следствие, возникает сосущая сила (водный потенциал падает). поступление воды идет в сторону большей сосущей силы, или меньшего водного потенциала.
Таким образом, верхний концевой двигатель водного тока в растении – это присасывающая сила транспирации листьев, и его работа мало связана с жизнедеятельностью корневой системы. Действительно, опыты показали, что вода может поступать в побеги и через мертвую корневую систему, причем в этом случае поглощение воды даже ускоряется.
Кроме верхнего концевого двигателя водного тока, в растениях существует нижний концевой двигатель. Это хорошо доказывается на примере таких явлениях, как гуттация.
Листья растений, клетки которых насыщены водой, в условиях высокой влажности воздуха, препятствующей испарению, выделяют капельно-жидкую воду с небольшим количеством растворенных веществ – гуттация. Выделение жидкости идет через специальные водные устьица – гидаторы. Выделяющаяся жидкость – гутта. Таким образом, процесс гуттации является результатом одностороннего тока воды, происходящего в отсутствие транспирации, и, следовательно, вызывается какой-то иной причиной.
К такому же выводу можно прийти и при рассмотрении явления плач
растений. Если срезать побеги растения и к срезанному концу присоединить стеклянную трубку, то по ней будет подниматься жидкость. Анализ показывает, что это вода с растворенными веществами – пасока. В некоторых случаях, особенно в весенний период, плач наблюдается и при надрезе веток растений. Определения показали, что объем выделяющейся жидкости (пасоки) во много раз превышает объем корневой системы. Таким образом, плач – это не просто вытекание жидкости в результате пореза. Все сказанное приводит к выводу, что плач, как и гуттация, связана с наличием одностороннего тока воды через корневые системы, не зависящего от транспирации. Силу, вызывающую односторонний ток воды по сосудам с растворенными веществами, не зависящую от процесса транспирации, называют корневым давлением. Наличие корневого давления позволяет говорить о нижнем концевом двигателе водного тока. Корневое давление можно измерить, присоединив манометр к концу, оставшемуся после срезания надземных органов растения, или поместив корневую систему в серию растворов различной концентрации и подобрав такую, при которой плач прекращается. Оказалось, что корневое давление равняется примерно 0,1 – 0,15 МПа (Д.А.Сабинин). Определения, проведенные советскими исследователями Л.В.Можаевой, В.Н.Жолкевичем, показали, что концентрация наружного раствора, останавливающего плач, значительно выше концентрации пасоки. Это позволило высказать мнение, что плач может идти против градиента концентрации. Было показано также, что плач осуществляется только в тех условиях, в которых нормально протекают все процессы жизнедеятельности клеток. Не только умерщвление клеток корня, но и снижение интенсивности их жизнедеятельности, в первую очередь интенсивность дыхания, прекращает плач. В отсутствии кислорода, под влиянием дыхательных ядов, при понижении температуры плач приостанавливается. Все сказанное позволило Д.А.Сабинину дать следующее определение: плач растений
– это прижизненный односторонний ток воды и питательных веществ, зависящий от аэробной переработки ассимелятов. Д.А.Сабинин предложил схему, объясняющую механизм одностороннего тока воды в корне. Согласно этой гипотезе, клетки корня поляризованы в определенном направлении. Это проявляется в том, что в разных отсеках одной и той же клетки процессы обмена веществ различны. В одной части клетки идут усиленные процессы распада, в частности, крахмала на сахара, вследствие чего концентрация клеточного сока возрастает. На противоположном конце клетки преобладают процессы синтеза, благодаря чему концентрация растворенных веществ в этой части клетки уменьшается. Надо учитывать, что все эти механизмы будут работать только при достаточном количестве воды в среде и не нарушенном обмене веществ.
Согласно другой гипотезе, зависимость плача растений от интенсивности дыхания является косвенной. Энергия дыхания используется для поступления ионов в клетки коры, откуда они десорбируются в сосуды ксилемы. В результате концентрация солей в сосудах ксилемы повышается, что и вызывает поступление воды.
Передвижение воды по растению
Вода, поглощенная клетками корня, под влиянием разности водных потенциалов, которые возникают благодаря транспирации, а также силе корневого давления, передвигается до проводящих путей ксилемы. Согласно современным представлениям, вода в корневой системе передвигается не только по живым клеткам. Еще в 1932 г. немецкий физиолог Мюнх развил представление о существовании в корневой системе двух относительно не зависимых друг от друга объемов, по которым передвигается вода, - апопласта и симпласта. Апопласт –
это свободное пространство корня, в которое входят межклетные промежутки, оболочки клеток, а также сосуды ксилемы. Симпласт –
это совокупность протопластов всех клеток, отграниченных полупроницаемой мембраной. Благодаря многочисленным плазмодесмам, соединяющим между собой протопласт отдельных клеток, симпласт представляет единую систему. Апопласт, по-видимому, не непрерывен, а разделен на два объема. Первая часть апопласта расположена в коре корня до клеток эндодермы, вторая – по другую сторону клеток эндодермы, и включает в себя сосуды ксилемы. Клетки эндодермы благодаря пояскам Каспари представляют как бы барьер для передвижения воды по свободному пространству (межклетникам и клеточным оболочкам). Для того чтоб попасть в сосуды ксилемы, вода должна пройти через полупроницаемую мембрану и главным образом по апопласту и лишь частично по симпласту. Однако в клетках эндодермы передвижение воды идет, по-видимому, по симпласту. Далее вода поступает в сосуды ксилемы. Затем передвижение воды идет по сосудистой системе корня, стебля и листа.
Из сосудов стебля вода движется через черешок или листовое влагалище в лист. В листовой пластинке водопроводящие сосуды расположены в жилках. Жилки, постепенно разветвляясь, становятся более мелкими. Чем гуще сеть жилок, тем меньшее сопротивление встречает вода при передвижении к клеткам мезофилла листа. Иногда мелких ответвлений жилок листа так много, что они подводят воду почти к каждой клетке. Вся вода в клетке находится в равновесном состоянии. Иначе говоря, в смысле насыщенности водой, имеется равновесие между вакуолью, цитоплазмой и клеточной оболочкой, их водные потенциалы равны. Вода передвигается от клетки к клетке благодаря градиенту сосущей силы.
Вся вода в растении представляет единую взаимосвязанную систему. Поскольку между молекулами воды имеются силы сцепления
(когезия), вода поднимается на высоту значительно большую 10 м. сила сцепления увеличивается, так как молекулы воды обладают большим сродством друг к другу. Силы сцепления обладают и между водой и стенками сосудов.
Степень натяжения водных нитей в сосудах зависит от соотношения процессов поглощения и испарения воды. Все это позволяет растительному организму поддерживать единую водную систему и не обязательно восполнять каждую каплю испаряемой воды.
В том случае, если в отдельные членики сосудов попадает воздух, они, по-видимому, выключается из общего тока проведения воды. Таков путь передвижения воды по растению (рис. 1).
Рис. 1. Путь воды в растении.
Скорость перемещения воды по растению в течение суток изменяется. В дневные часы она на много больше. При этом разные виды растений различаются по скорости передвижения воды. Изменение температуры, введение метаболических ингибиторов не влияют на передвижение воды. Вместе с тем этот процесс, как и следовало ожидать, очень сильно зависит от скорости транспирации и от диаметра водопроводящих сосудов. В более широких сосудах вода встречает меньшее сопротивление. Однако надо учитывать, что в более широкие сосуды могут попасть пузырьки воздуха или произойти какие-либо иные нарушения тока воды.
Видео: Движение воды и органических веществ по стеблю.
