Aqua-Vitae
Водообмін рослин

Переважна частина вмісту рослинної клітини — вода, яка є важливою частиною живої матерії. Роль води в рослині обумовлена її унікальними фізико-хімічними властивостями (полярність молекули).

Полярність утворюється завдяки несиметричному розташуванню в молекулі води водню і кисню, що призводить до нерівномірного розподілу позитивних і негативних зарядів.

Внаслідок цієї особливості, молекула Н2О, що є електронейтральною, має, проте, два полюси, тобто, є диполь. Завдяки цьому молекули води здатні утворювати з'єднання з іншими зарядженими частками, різного ступеня складності.

У насичених водою клітинах коріння здійснюється весь складний ланцюг процесів іонного обміну з ґрунтом. При поглинанні води білки розвивають тиск понад 1000 атм.

У клітині рослини вода може бути вільною і зв'язаною. Зв'язаною вважають воду, яка стримується колоїдами протоплазми, а також іншими осмотично активними речовинами. На вміст зв'язаної води впливає кількість розчинених речовин, що знаходяться в клітині.

У листі і корінні рівновага із зовнішнім розчином настає через 15-20 хвилин, але при цьому змінюється трохи більше половини води, що міститься в них. Вода ж стебел змінюється на 90%.

При штучному підв'яленні різних видів рослин НАУ встановлено, що найменш втрачається при в'яненні міцно зв'язана вода і рослини довго протистоять засусі і заморозкам.

Для здійснення всіх процесів життєдіяльності в клітину з довкілля повинні надходити вода і поживні речовини. У середині клітини речовини переміщуються за рахунок дифузії. Дифузія — це невимушений процес, який обумовлює переміщення будь-якої речовини з однієї ділянки в іншу, де концентрація даної речовини менша.

Реальний потік молекул завжди здійснюється від джерела, де їх концентрація вища, в ті ділянки, де концентрація нижча. Чим вища концентрація даної речовини, тим вища її активність і хімічний потенціал.

Хімічний потенціал чистої води називають водним потенціалом. Найвище значення водного потенціалу має хімічно чиста вода. Умовно цю величину прийнято за нуль, а тому водний потенціал будь-якої речовини має негативне значення.

Мембрани живих клітин здатні транспортувати лише певні молекули або іони розчинених речовин, проявляючи вибірковість, яка залежить від природи мембрани.

Дифузія води крізь мембрану — це осмос.

Оскільки у всіх біологічних системах розчинником є вода, то осмос для них це — дифузія води крізь мембрану. Чим концентрованіший розчин, тим вище осмотичний тиск. Осмотичний потенціал дорівнює різниці між хімічним потенціалом розчину і хімічним потенціалом чистої води. Він завжди негативний, а його величина свідчить про те, наскільки розчинена речовина знижує активність води.

Рух води обумовлює не природа розчиненої в ній речовини, а кількість частинок цієї речовини. Водний потенціал клітини стає більш негативним завдяки присутності органічних речовин, які зв'язують воду.

Можливе також надходження води в клітину за допомогою електроосмоса внаслідок різниці електричних потенціалів, які виникають на різних сторонах мембрани.

Як правило, через мембрану швидше проникають катіони або аніони. Чим швидше вони включаються в обмін речовин, тим інтенсивніше відбувається їх поглинання.

Тому не буває рівноваги між вмістом іонів в зовнішньому розчині і їх наявністю в клітинному соці.

Всі взаємодії рослин з водою мають не біохімічний, а біофізичний характер, можливо навіть і фізико-хімічний. Для біохімічних реакцій необхідно лише до 1% води від кількості, що проходить через рослини. Необхідно з'ясувати дуже важливий момент. Вода потрібна рослині (клітині) не лише як джерело підживлення, а ще більше, як засіб виведення з неї токсинів і інших продуктів життєдіяльності. Відомо, що існує не лише висхідний потік (по ксилемі), а і низхідний — по флоемі.

Ксилема — система, що забезпечує доставку води і поживних речовин з ґрунту до верхньої частини рослини. Діаметри провідних елементів ксилеми варіюють в діапазоні 10-500 мкм для різних видів рослин. Їх довжина може складати від декількох сот мікрометрів до двох і більше метрів. Через те, що ці провідні елементи позбавлені протопластів і клітинних оболонок, опір проходженню через них води і розчинів дуже маленький.

Вода по капіляру підніматиметься до тих пір, поки не урівноважиться тиск. Додатковий тиск в судинах ксилеми не здатний забезпечити підйом рідини в рослини вище одного метра.

На великих відстанях перенесенням води керує об'ємний потік, який здатний здолати силу тяжіння і підтримати рух води в ксилемі. Чим більший радіус капіляра, тим більша швидкість об'ємного потоку, домінуючого при перенесенні рідини на великі відстані.

Флоема — друга провідна система, що розподіляє більшість органічних речовин (в першу чергу фотоассимілянтів) на забезпечення процесів зростання різних частин рослини.

На відміну від ксилеми провідні елементи флоеми мають протоплазму. Ці дротяні елементи називають ситоподібними трубками. Вони сполучені в єдиний ланцюжок, який забезпечує транспортування органічних речовин. Продукти фотосинтезу рухаються по флоемі від листя до коріння, а цукор від коріння до верхівки рослини (з розвантаженням флоеми). Робота флоеми вивчена ще не досить добре. Існує гіпотеза, що передбачає участь електроосмоса в транспортуванні речовин по флоемі. Транспортування іонів К+ супроводжується виникненням електричних полів на кожній ситоподібній пластинці. Швидкість пересування фотоасимілянтів складає 50-100 см/год. Відтік із старіючих органів по флоемі називають — реутинізація (винесення калози).

Активність чистої води (Ав) дорівнює одиниці. Додавання розчинених речовин у воду зменшує активність води. Якщо початковий потенціал клітини менший за розчин, то вона його поглинає. Інакше вода переходитиме з клітини в розчин, поки не встановиться динамічна рівновага.

В разі повного насичення клітини листка водою фотосинтез зменшується, так само, як і при її дефіциті. Максимальний фотосинтез при дефіциті води 5-20%.