Исследовательский проект «испарение воды растениями»

Процессы передвижения воды

Как мы уже выяснили, транспирация – естественный физиологический процесс в растительном мире. Главный ее орган – лист. Поскольку листьев у растений много, они образуют достаточно большую площадь для испарения. В результате водный потенциал уменьшается, а это сигнал для клеток листьев к поглощению воды из ксилемных жилок. По принципу падающего домино следом провоцируется движение воды из корней по ксилеме к листьям. Образуется нечто сродни верхнему конечному двигателю. И чем активнее транспирация, тем мощнее верхний «двигатель», и тем сильнее всасывающая сила «двигателя» нижнего – корневой системы.

Из стебля вода движется в листок, проходя по жилкам через черешок. По дороге жилки «разбегаются», число проводящих элементов становится меньше. Сами жилки превращаются в отдельные трахеиды, которые образуют очень густую сеть. Задерживают влагу в листе однослойный эпидермис с кутикулой на его поверхности. Превратившаяся в пар вода выходит сквозь устьица – специальные многочисленные отверстия микронных размеров, которые растение в состоянии расширять или сужать в зависимости от внешних условий.

Процесс испарения воды растением

Как уже было обозначено, испарение воды возможно за счет наличия устьиц на листьях. Их количество у каждого организма неодинаковое и определяется ареалом обитания и характеристиками того или иного представителя флоры (уровнем воды в клетках, возрастом, осмотическим давлением клеточного сока). Интенсивность испарения влаги также зависит от наличия тени, воздушных масс и уровня воды в грунте.

Когда растение накапливает излишки воды, устьица расширяются, и их клетки образуют отверстия, откуда выходит водяной пар. В межклетниках жидкость всегда пребывает в состоянии пара, но выйти за пределы листа она может только при открытии устьиц. Обычно процесс транспирации происходит днем, когда устьица автоматически открыты. Но если растение страдает от засухи, оно меняет свой режим и минимизирует испарение воды.

Растения, которые произрастают в теплом климате, например, в тропиках, всегда имеют большие листья, чтобы с их поверхности испарялся максимальный объем воды в короткие сроки. В холодном или засушливом климате, соответственно, наоборот. Также, если растение не заинтересовано в регулярном избавлении от избытков воды, его листья в процессе эволюции покрываются восковым налетом или мелкими ворсинками. Нередки случаи, когда листья скручиваются при солнечном освещении, чтобы испарение уменьшилось.

Покрытосеменные растения испаряют воду не только с обратной, но и лицевой стороны листовых пластин. Это связано с тем, что устьица размещены по обеим сторонам, однако изнанка листа практически всегда находится в воде и испарение невозможно.

Источник

Связь дыхания и фотосинтеза

Все организмы, животные и растения должны получать энергию для поддержания основных биологических функций для выживания и размножения. Растения преобразуют энергию солнечного света в сахар в процессе, называемом фотосинтезом. Фотосинтез использует энергию света для преобразования молекул воды и углекислого газа в глюкозу (молекулу сахара) и кислород. Кислород высвобождается или «выдыхается» из листьев, в то время как энергия, содержащаяся в молекулах глюкозы, используется во всем растении для роста, формирования цветов и развития плодов.

Внутри листа есть несколько структур, которые играют важную роль в движении питательных веществ и воды по всему растению.

Листья содержат воду, которая необходима для преобразования световой энергии в глюкозу посредством фотосинтеза. Листья имеют две структуры, которые сводят к минимуму потерю воды, кутикулу и устьица. Кутикулы являются восковым покрытием на верхнюю и нижнюю часть листьев, которые предотвращают испарение воды в атмосферу.

Хотя кутикула обеспечивает важную защиту от чрезмерной потери воды, листья не могут быть непроницаемыми, поскольку они также должны пропускать углекислый газ (для использования при фотосинтезе) и кислород. Эти газы попадают в лист и выходят из него через отверстия на нижней стороне, называемые устьицами. После того, как углекислый газ попадает в лист через устьицы, он попадает в клетки мезофилла, где происходит фотосинтез и строится глюкоза.

Связь между фотосинтезом и клеточным дыханием такова, что продукты одной системы являются реагентами другой. Фотосинтез включает использование энергии солнечного света, воды и углекислого газа для производства глюкозы и кислорода. Клеточное дыхание использует глюкозу и кислород для производства углекислого газа и воды.

Люди, животные и растения зависят от цикла клеточного дыхания и фотосинтеза для выживания. Кислород, вырабатываемый растениями во время фотосинтеза, – это то, что люди и животные вдыхают, чтобы кровь транспортировалась в клетки для дыхания. Углекислый газ, образующийся во время дыхания, выделяется из организма и поглощается растениями, чтобы помочь обеспечить энергию, необходимую для роста и развития. Это бесконечный цикл, который поддерживает жизнь на земле.

Процесс фотосинтеза используется растениями и другими фотосинтезирующими организмами для производства энергии, тогда как процесс клеточного дыхания расщепляет энергию для использования. Несмотря на различия между этими двумя процессами, есть некоторые сходства.

Например, оба процесса синтезируют и используют АТФ, универсальную энергию.

В процессе фотосинтеза АТФ производится с помощью энергии света (фотофосфорилирования) и используется для создания органических молекул
При клеточном дыхании АТФ образуется путем расщепления органических молекул (окислительное фосфорилирование)

Относительные скорости фотосинтеза, которые производят молекулы газа и дыхания, влияют на общую продуктивность растений. Там, где активность фотосинтеза превышает дыхание, рост растений протекает на высоком уровне. Там, где дыхание превышает фотосинтез, рост замедляется.

И фотосинтез, и дыхание увеличиваются с повышением температуры, но в определенный момент скорость фотосинтеза выравнивается, в то время как частота дыхания продолжает расти. Это может привести к истощению накопленной энергии. Чистая первичная продуктивность – количество биомассы, созданной зелеными растениями. Она может использоваться для остальной части пищевой цепи – представляет собой баланс фотосинтеза и дыхания, рассчитанный путем вычитания энергии, потерянной для дыхания, из общей химической энергии, производимой фотосинтезом.

Проект «Что такое транспирация у растений»

Транспирация
– это испарение воды
листьями. Она, испаряясь,
выходит через устьица (маленькие поры
на поверхности листьев). Этот процесс
важен для выживания любого растительного
организма. Его скорость зависит от
температуры воздуха и солнечного света.
Испарение воды листьями
способствует ее движению внутри
растения, а также растворению минеральных
солей, необходимых для питания и
охлаждения.

Большая часть поглощаемой влаги выделяется в процессе транспирации. Сложно разделить процессы испарения и транспирации, поэтому данное явление зачастую называется «эвапотранспирацией». Название сочетает два понятия: первое происходит от латинского слова «evaporatio» (испарение), суть второго описана выше.

Транспирация происходит у всех растений. Ее скорость также зависит от их физических особенностей и условий окружающей среды. Поскольку влага выделяется, главным образом, через листья, то процесс транспирации у растений с крупными листьями выражен ярче, чем у тех, у которых они небольшие.

Такие
факторы, как влажность воздуха и
температура, также влияют на скорость
транспирации. Почва тоже должна быть
достаточно влажной. Благодаря этому
проекту вы сможете сопоставить то, что
видите, с процессом проникновения влаги
в ткани растительных организмов и ее
выделения путём испарения.

Этот
опыт по биологии поможет
вам определить, сколько влаги способно
поглотиться и выделиться через испарение
воды листьями за определённый
промежуток времени. Две трубки для
тестирования или два продолговатых
трубчатых контейнера на три четверти
заполняются водой. В одну из них помещается
стебель. Нужно следить за уровнем воды,
делая записи. Измерять ее уровень нужно
через определённый промежуток времени.
На основе полученных результатов
подготовьте таблицы и графики. Этот
проект поможет подтвердить или
опровергнуть идею о том, что
растения выделяют влагу во время процесса
под названием «транспирация», вследствие
которого происходит испарение.

Что нам понадобится:

2 тестовые трубки;
пустая металлическая банка;
пластиковый пакет;
вода;
ручка;
линейка;
изолента;
секундомер или часы;
свежая ветка или небольшие веточки с листьями (не меньше 5 на каждой из них).

За
исключение ветки и тестовых трубок, все
материалы для данного проекта можно
приобрести в магазинах или по интернету.
2 тестовые трубки можно взять на время
в лаборатории школы или приобрести в
магазине. Большинство детских наборов
юного химика включает инструменты,
которые пригодны для этого проекта.

Ход эксперимента:

Заполните две трубки водой приблизительно на три четверти. Поставьте их в пустую металлическую банку.
Для того чтобы контролировать испарение, накройте одну тестовую трубку чистым целлофаном. Закрепите его при помощи изоленты.
Проткните стеблем целлофан. Он должен находиться в прямом положении. Отверстие запечатайте при помощи изоленты.
Линейкой измерьте количество воды в каждой трубке. Убедитесь, что верно измерили ее уровень. Держите ее прямо и проведите измерение от верхней границы до дна. Запишите полученные данные в таблицу.

Время	Тест с веткой (A)	Тест без ветки (B)
Начало
Через 15 мин.
Через 30 мин.
Через 45 мин.
Через 60 мин.

Подождите 15 минут. Измерьте уровень воды в каждой трубке ещё раз. Запишите полученные данные в таблицу.
Повторите шаг 4 ещё три раза. Каждый раз записывайте полученные результаты.
Подождите 24 часа. Измерьте уровень воды в каждой трубке. Запишите результаты.
Используя полученные данные, составьте гистограмму (в виде столбцов) или линейную диаграмму. На оси X обозначьте скорость транспирации (в минутах), а на оси Y – уровень воды (высота в мм).
Подсчитайте скорость, выполняя следующие операции:

Тест с веткой:

Начальный уровень – Уровень через 24
часа = Разница уровня (A)

Тест без ветки:

Начальный уровень – Уровень через 24
часа = Разница (B)

Разница уровня воды благодаря транспирации:

Разница A — Разница B = Потеря воды через транспирацию

	Начальное значение	Значение через 24 часа	Количество потерянной воды
Тест с веткой
Тест без ветки

Чтобы подсчитать скорость транспирации и испарения в час, используйте следующие формулы: Количество потерянной воды ÷ 24 часа = ________ испарения воды/час.

Вывод:

Вследствие чего уровень воды в трубке со стеблем уменьшается? Происходит ли то же самое в трубке, заполненной водой, но без растения? Какова скорость транспирации по вашим подсчётам? Используя графики, сравните ее скорость со скоростью испарения. Что служило контрольной точкой для данного исследования?

Лист как орган транспирации

Благодаря большой площади испарения, главными диффундирующими участками растения являются листья. Процесс испарения влаги начинается с нижней части листа через раскрытые устья, через которые и осуществляется обмен кислородом и углекислым газом между растением и окружающим воздухом.

Механизм раскрытия устьиц заключается в следующем:

По окружности устий расположены замыкающие клетки.
При увеличении объема они растягивают отверстия в эпидермисе, увеличивая раскрытие устьиц.

Обратный процесс происходит при уменьшении объема замыкающих клеток, стенки которых перестают воздействовать на устьичные щели.

Какую роль выполняет транспирация в физиологии растений

Процесс транспирации играет огромную роль в жизни растений.

Прежде всего, следует понимать, что именно транспирация обеспечивает растениям защиту от перегрева. Если в яркий солнечный день мы измерим у одного и того же растения температуру здорового и увядшего листа, разница может составлять до семи градусов, причем если увядший лист на солнце может оказаться горячее, чем окружающий воздух, то температура транспирирующего листа обычно бывает на несколько градусов ниже! Это говорит о том, что проходящие в здоровом листе процессы транспирации позволяют ему самостоятельно охлаждать себя, в противном случае лист перегревается и погибает.

Важно! Транспирация является гарантом важнейшего процесса в жизнедеятельности растения – фотосинтеза, который лучше всего происходит при температуре от 20 до 25 градусов тепла. При сильном повышении температуры, в связи с разрушением хлоропластов в клетках растения, фотосинтез сильно затрудняется, поэтому не допускать подобного перегрева для растения жизненно важно. Значение транспирации состоит и в том, что у растений основные питательные вещества могут проникнуть в ткани именно с водой, поэтому чем выше продуктивность транспирации, тем быстрее надземные части растений получают растворенные в воде минеральные и органические соединения

Значение транспирации состоит и в том, что у растений основные питательные вещества могут проникнуть в ткани именно с водой, поэтому чем выше продуктивность транспирации, тем быстрее надземные части растений получают растворенные в воде минеральные и органические соединения.

Наконец, транспирация является той удивительной силой, которая может заставить воду подняться внутри растения по всей его высоте, что имеет огромное значение, например, для высокорослых деревьев, верхние листочки которых благодаря рассматриваемому процессу могут получать необходимое количество влаги и питательных веществ.

Что такое транспирация?

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

Транспирация обусловлена:

анатомическим строением;
физиологией растительного организма;
химическими параметрами;
климатическими условиями среды произрастания;
типом почвы и другими факторами.

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.

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.

Функции транспирации

Вода поглощается растением из почвы, откуда распределяется по всему организму благодаря наличию проводниковой ткани (ксилемы). Выводится вода через специальные устьицы, при выведении жидкости через органы транспирации растений происходит открытие устьиц, в результате чего в растительный организм может поступать углекислый газ.

Другая особенность трнаспирационных явлений заключается в том, что при протекании данного физиологического процесса происходит охлаждение растительного организма, улучшение тока питательных веществ к функциональным частям растительного организма, также изменяется осмотическое давление в растительные клетках, что в значительной мере определяет тургор. Помимо прочего благодаря протеканию транспирационных явлений реализуются процессы (обязательным условием протекание которых является наличие H20): фотосинтез, рост, развитие и метаболизм растительных клеток. Подытожим функции транспирации:

участвует в обеспечении фотосинтетических процессов водой;
участвует в испарении воды с листьев и стебля;
охлаждает растительного макроорганизма;
улучшает ток питательных веществ и воды к растительным клеткам;
изменяет осмотическое давление в растительные клетках;
влияет на тургор;
открывает устьицы, что позволяет растению активно поглощаться углекислый газ.

Биологическое значение транспирации

Перефразируя известное выражение, можно сказать: если какое-то явление существует, значит, оно для чего-то нужно. Справедливо это и по отношению к транспирации

Для растений она имеет жизненно важное значение, и считать ее губительной для мира флоры неверно

Процесс транспирации обеспечивает постоянное движение воды «от пят до макушки» — через корни, стебли, листья.
Таким образом удается регулировать температурный и водный режимы. В самое жаркое время летнего дня листья обычно прохладнее окружающей атмосферы на три — восемь градусов.
Испарение помогает разгрузить растение от излишка влаги внутри и дать место новой партии воды, полной питательными микроэлементами.
Транспирация предотвращает перегревание и ожоги листьев при высокой температуре или попадании прямых лучей солнца.

Механизм и интенсивность транспирации

Растения поглощают лишь незначительную часть всего объема воды, который добывают из грунта – 0,2 процента, иногда немного больше. Все остальное испаряется в воздух. Механизм работы верхнего конечного двигателя достаточно прост. Основан он на том, что обычно в атмосфере маловато водяных паров, а значит, ее водный потенциал можно охарактеризовать как негативный. Например, при относительной влажности воздуха в 90 процентов атмосферное давление равняется 140 барам. А у подавляющего большинства представителей царства флоры давление внутри листа варьируется между 1 и 30 барами. Такой большой разрыв и обеспечивает транспирацию. Водный дефицит, спускаясь по клеткам от листьев по стеблям, неминуемо достигает корней. Это вынуждает нижний двигатель «запускаться», всасывая воду из грунта. А испарение с поверхности листьев поднимает ее, вместе со всеми минеральными солями, обратно наверх.

Есть несколько факторов, влияющих на интенсивность транспирации.

«Наполненность» растения водой. Когда она достигает критического уровня, устьица сужаются.
Насыщенность воздуха углекислым газом. Большинство растений на чрезмерную его концентрацию отвечают закрытием устьиц.
Освещение. Обычно когда светло, устьица открыты. Темнеет – закрываются.
Температура воздуха. Переваливая за 35-40°С, она провоцирует закрытие устьиц.
Температура поверхности самого листа. Нагреваясь на каждые 10°С, лист отдает вдвое больше влаги.
Влажность воздуха и скорость ветра. Чем суше атмосфера, тем выше транспирация.

Какую роль выполняет транспирация в физиологии растений

Процесс транспирации играет огромную роль в жизни растений.

Интенсивность транспирации

Интенсивность транспирации – это количество влаги, испаряемой с дм2 растения за расчетную единицу времени. Данный параметр регулируется величиной раскрытия устьичных щелей, которая, в свою очередь, зависит от количества попадающего на растение света. Далее рассмотрим, как влияет свет на интенсивность транспирации.

Деформация клеток эпидермиса проходит под действием фотосинтеза, в процессе которого происходит преобразование крахмала в сахара.

При свете у растений начинается процесс фотосинтеза. Давление в замыкающих клетках увеличивается, что дает возможность вытягивать воду из соседних клеток эпидермиса. Объем клеток увеличивается, устьица раскрываются.
В вечернее и ночное время происходит преобразования сахаров в крахмал, в процессе которого клетки эпидермиса «откачивают» влагу из замыкающих клеток растения. Их объем уменьшается, устьица закрываются.

Помимо света на интенсивность транспирации оказывает влияние ветер и физические характеристики воздуха:

Чем ниже уровень влажности атмосферного воздуха, тем быстрее происходит испарение воды, а значит и скорость влагообмена.
При повышении температуры возрастает упругость водяных паров, которая приводит к снижению влажностных характеристик окружающей среды и увеличению объема испаряемой воды.
Под влиянием ветра значительно увеличивается скорость испарение влаги, тем самым ускоряется перенос влажного воздуха с поверхности листа, вызывая усиление водообмена.

Для определения данного параметра не следует забывать и об уровне влажности почвы. Если ее недостаточно, значит и наблюдается ее недостаток в растении. Снижение объема влаги в растительном организме автоматически изменяет интенсивность испарения.

Проект «Растения выделяют воду?»

Транспирация
у растений – это процесс испарения
влаги через листья. Фотосинтез – процесс,
во время которого растительные организмы
поглощают углекислый газ, влагу и свет
через хлорофиллы. Затем под воздействием
солнечного света и углекислого газа,
содержащегося в воздухе, образуются
питательные вещества. Также листья
производят воду.

На
поверхности листьев располагаются
маленькие поры, называемые устьицами.
Во время транспирации через них выделяется
влага. Ее можно собирать, чтобы в
дальнейшем употреблять для выживания.

Ход эксперимента:

Аккуратно оберните любой лист пластиковым пакетом. Закрепите при помощи ниток, но следите, чтобы он не прилегал к пакету слишком плотно.
Почва должна быть влажной. Поместите горшок на подоконник, чтобы на него время от времени попадали солнечные лучи. Подождите час.
Через час проверьте пластиковый пакет, в который был завёрнут лист. Запишите результаты.
Продолжайте проверять пластиковый пакет каждый час на протяжении 5 часов. Записывайте результаты.
По истечении 5 часов соберите воду. Сделайте заключение.

Вывод:

Действительно
ли листья выделяют воду, которую затем
можно употреблять людям? Каким образом
они ее выделяют? Как называется
явление, при котором происходит испарение
воды с поверхности листьев?

Определение уровня транспирации

Разработано много методик и приборов для определения уровня транспирации, например, лизиметры, термосинтетические сенсоры.

Практические опыты учёных показали, что вода, которую испаряют растения, по своему составу различается с впитываемой жидкостью.

Лист, за время сезона, испаряет воды несколько раз больше своего веса. Например, с одного гектара пшеницы испаряется за время выращивания до 3 000 тонн воды.

Специалисты сельского хозяйства используют в своей работе специальный термин – транспирационный коэффициент. Это отношение массы воды, которую затратили для полива к прибавлению сухой массы растения.

В стандартном выражении он равняется от 200 до 600 (в некоторых случаях 1 000) единиц. То есть для выращивания 1 кг с/х культуры нужно примерно 600 л воды.

В засушливых регионах у растений существуют специальные приспособления, которые помогают им уменьшить уровень транспирации. Например, это маленькая поверхность листвы или их видоизменение, водонепроницаемая плёнка кутикулы.

Часто растения применяют САМ – фотосинтез, когда поры листьев открыты только ночью при низкой температуре воздуха и высокой влажности.

Если объём воды, потребляемый растением, совпадает с её расходом, то водный баланс хорошо регулируется, развивается растение гармонично. Во время роста могут возникнуть различные ситуации нарушения водного баланса.

С короткими эпизодами растения справятся, но продолжительные перебои с водой способны привести к гибели.