ВОДНИЙ РЕЖИМ РОСЛИН

1. Роль води в життєдіяльності рослин

2. Властивості води

3. Надходження та пересування води по рослині

4. Транспірація

5. Фізіологічні основи стійкості рослин до посухи

РОЛЬ ВОДИ В ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ РОСЛИН

Вода є основною складовою частиною рослинних організмів. Її склад доходить до 95% від маси організму, вона бере участь у всіх процесах життєдіяльності. Вода – це внутрішнє середовище в якому протікає обмін речовин. Вона пов’язує органи, координує їх діяльність в цілому рослинному організмі. Вода входить до складу мембран та клітинних стінок, складає основну частину цитоплазми, підтримує її структуру, зумовлює визначену конформацію молекул білка. Велика кількість води надає складовому клітини, а саме цитоплазми рухомий характер. Вона добрий розчинник, тому зумовлює рух по рослинні речовині циркуляцію розчинів. Вода учасник багатьох хімічних реакцій – гідролізу, окисно-відновні (фотосинтез, дихання). Вода захищає тканини рослин від різких перепадів температури. Також забезпечує тургор.

Вода — первинна ніша життя, лише в процесі еволюції суша та атмосфера стали вторинною екологічною нішею. Серед хімічних сполук живих організмів вода в кількісному відношенні їй має домінуюче положення, її вміст в листках мезофітів — до 85%, а в корені — до 99% си­рої маси. Активний прояв життєдіяльності без води взагалі неможливий. Що ж до стану сухого насіння, спор, де вміст води 3 -15%, то вони знаходяться в стані анабіозу, коли інтенсивність метаболізму зведено до мінімуму.

Висока оводненість характерна не лише рослинам, а й взагалі всім живим організмам, причому не лише наземним, а і водним. Зроблено спробу визначити те порогове (тобто мінімальне) значення вмісту води в клітинах, нижче якого рослинний організм гине. Ця вода мала назву гомеостатична. Як виявилось, вміст такої води для різних представників неоднаковий, але завжди досить значний. Так, для гігрофітів він становить 65-70%, мезофітів —-60%, ксерофітів — 25-27%.

Виникає закономірне запитання, чому вода потрібна організмам в таких значних кількостях? Можливо вона потрібна для перебігу біохімічних реакцій? Зовсім не так, адже в біохімічні перетворення включається не більше 1% тієї кількості води, яка проходить крізь рослину в про­сі водообміну. В чому ж тоді полягає значення основної маси води в рослині? Значення її насамперед у тому, що саме вода через свої унікальні фізико-хімічні властивості становить те внутрішнє середовище, де відбуваються всі життєві процеси, за образним визначенням Сен-Дьєрді вода — "матриця життя". Тільки у водному середовищі можливе виникнення специфічних для біологічних систем протоплазматичних структурних формувань (подібних структур - немає в неживій природі), тільки у воді можливе функціонування їх, причому сама вода є від'ємною частиною таких структур. Характерно, що всі взаємодії з водою носять не біохімічний характер, а біофізичний, а можливо, навіть і фізико-хімічний, саме тому вода при цьому як така не зникає.

А.Л. Курсанов проводить паралель між структурою живої клітини та залізобетонною конструкцією, в якій макромолекули виконують роль арматури, тоді як вода виконує функцію бетон-маси Зрозуміло, така аналогія досить віддалена у зв'язку з тим, що структура клітини динамічна, а не статична. Однак в такій аналогії досить глибокий зміст: без води ніякої функціонуючої біологічної структури бути не може.

Підкреслюючи структурну роль води в рослині, доречно нагадати, що саме за рахунок створюється тургор ний тиск, від якого залежить характерна форма рослинних тканин, органів. Вода — терморегулюючий фактор, адже вона захищає рослину від різких коливань температур зовнішнього середовища завдяки своїй високій теплоємності. Безперервно циркулюючи по організму, вода постачає клітинам субстрати та метаболіти, а одночасно виносить продукти життєдіяльності їх, в тому числі й токсичні відходи. Все це забезпечує гомеостаз та функціонування організму як єдиного цілого.

Отже, вода — це специфічне середовище, в якому лише і відбувається життєдіяльність рос­линних організмів,

— зв'язуюча транспортна ланка між різними клітинами, тканинами, органами, яка забезпе­чує гомеостаз та функціонування організму як єдиного цілого;

— невід'ємний компонент протоплазматичних структур;

— обов'язковий компонент, учасник цілого ряду біохімічних процесів;

— фактор, який забезпечує тургор, а значить, і форму тканин, органів, цілісних рослин;

— фактор, який стабілізує температуру тіла, стає перепоною до перегрівання. І, як підкреслював Антуан де Сент-Екзюпері, не можна сказати, що вода необхідна для жит­тя, адже вона саме життя, саме більше багатство в світі.

Молекулярна структура та фізичні властивості води

Вода відіграє важливу роль в життєдіяльності організмів завдяки своїм фізичним та хімічним властивостям.

Вода — єдина речовина на землі, яка одночасно і в великій кількості зустрічається в рідко­му, твердому та газоподібному станах.

Молекула води складається з атома кисню та двох атомів водню. Атом кисню відтягує електрони від водню, завдяки цьому заряди в молекулах води розподілені нерівномірно. Один полюс набуває позитивного заряду, інший – негативного. В цілому молекула води електронейтральна. Молекула води представляє собою диполь. Завдяки цьому молекули води можуть асоціювати одна з одною. Позитивний заряд однієї молекули притягує негативний заряд іншої. Це приводить до виникнення водневих зв’язків.

Кожна молекула води може бути зв'язана 4 водневими зв'язками з відповідно 4 сусідніми молекулами, в результаті виникає пентаго­нальна структура.

Згідно з сучасними уявленнями, в основі будови во­ди лежить впорядкована структура, що являє собою кри­сталічну решітку, з розмитою тепловим рухом частиною молекул води.

Так, універсальність води як розчинника зумовлена по­лярністю її молекул та здатністю утворювати водневі зв'яз­ки. Розчинення кристалів неорганічних солей відбу­вається завдяки гідратації іонів таких солей.

Добре розчиняються у воді також органічні речови­ни, з карбоксильними, гідроксильними і іншими групами в яких вода утворює водневі зв'язки.

Фізіологічна роль води визначається насамперед фізичними властивостями її.

Вода — найбільш аномальна речовина, хоча і прийня­та за еталон міри густини (щільності) та об'єму для інших рідин.

Всі речовини збільшують свій об'єм при нагріванні, зменшуючи при цьому свою густину (щільність). Однак при тиску в 1 атм. у води в проміжку від 0 до 4 °С при підвищенні температури об'єм зменшується і максимальна густина спостерігається при 4 °С (за такої температури 1 см³ води має масу 1 г, а густина дорівнює 1). Ця властивість води, в силу якої найбільшої густини вона досягає при 4 °С і в міру подальшого охолодження уже не стискується, а розширюється, має вирішальне значення для життя організмів у різних водоймах, так як в іншому випадку вся вода в них охолола б до 0 °С і перетворилась в лід. Завдяки такій аномалії води при охолодженні водойм її густина на поверхні підвищуються, так як першими охолоджу­ються поверхневі її шари. Охолоджені шари води, як більш важкі, спускаються вниз до тих пір, доки температура води на всій глибині не досягне межі густини, тобто 4 °С. При подальшому охолодженні вода стає легшою і тому не опускається на дно, тобто не перемішується з глибин­ними шарами, захищаючи їх від охолодження до більш низької температури. При 0 °С водой­ма вкривається льодом. Під час замерзання об'єм води різко зростає, а під час таненні льо­ду так же різко зменшується. Об'ємні зміни води — найважливіший фактор впливу на мате­ринські породи в процесі формування ґрунту. Вона здатна розвивати тиск до 2400 атмосфер, чим руйнує гірську породу.

Наявність водневих зв'язків приводить до підвищення температури кипіння і теплоти випарову­вання за рахунок додаткової енергії, необхідної для розриву або зміни їх.

Результатом наявності водневих зв'язків є такі аномалії води в порівнянні з іншими ріди­нами, як досить висока температура кипіння (100 °С), найбільша в порівнянні з усіма іншими рідинами, а також і твердими тілами питома теплоємність. Величина теплоємності води (тобто кількість тепла, що необхідно для підвищення температури на 1 °С) в 5-10 разів вище, ніж у інших речовин. Температура кипіння води зростає при підвищенні тиску, а температура плав­лення (замерзання, яка у води 0 °С) — падає.

Висока теплоємність води захищає рослини від різкого підвищення температури при підвищенні температури повітря, а висока теплота пароутворення (2,3 кДж на 1 г) забезпечує терморегуляцію організмів.

Вода володіє виключно високим поверхневим натягом за рахунок потужних сил зчеплення (когезії) між її молекулами; вище поверхневий натяг лише у ртуті. Для води характерна також властивість прилипання (адгезії), яка проявляється при підніманні її проти гравітаційних сил на­приклад, в тканинах дерев. Різко виражена здатність до адгезії має важливе значення при взаємодії води з іншими компонентами клітини. Вода має також високу теплопровідність (перенесення енергії від більш нагрітих ділянок тіла до менш нагрітих, внаслідок теплового руху і взаємодії мікрочастинок), що дає їй змогу випа­ровуватися навіть при 0 °С.

До розряду найважливіших властивостей належить також і відома здатність води розчиня­ти гази.

Завдяки переліченим унікальним фізико-хімічним властивостям вода і виявилась найбільш придатним внутрішнім середовищем для всіх живих організмів, в тому числі і для рослин.

Для вивчення багатьох процесів водного обміну рослин, в тому числі для досліджень по­глинання і пересування води, проникності мембран, досить широко використовують мічену (ізо­топну) воду. При цьому як індикатори використовують стабільний ізотоп водню —дейтерій (D), радіоактивний ізотоп— тритій (Т), а також воду помічену стабільним ізотопом кисню ¹⁸О.