До какой высоты может подняться древесный сок по стволу дерева?

 

По этой ссылке вы сможете найти много готовых рефератов по физике:

 

Много готовых рефератов по физике

 

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

 

Как измеряют кровяное давление?

Почему Земля вращается вокруг своей оси?

Почему если приложить ухо к раковине, слышен шум моря?

Зачем планетам кольца?

Введение:

Простейшие растительные организмы, состоящие из одной клетки или небольшой группы клеток, не имеют транспортной системы. Обеспечение каждой ячейки необходимыми исходными материалами обеспечивается простой диффузией, в некоторых случаях дополненной механизмами облегченной диффузии или активного переноса. Крупные и более сложно организованные сосудистые растения имеют транспортные системы, но они проще, чем у животных, и принцип их строения совершенно другой. Как мы уже видели, большинство клеток высших растений обмениваются газами с внешней средой прямым путем через межклеточные пространства. Однако высшие растения должны были разработать систему доставки воды из корней в почву, где происходит фотосинтез, а также систему доставки органических веществ, синтезированных в листьях, в стволовые и корневые клетки, которые нуждаются в этих веществах для процессов метаболизма и роста.

В отличие от сложной транспортной системы высших животных, которая состоит из сердца и сосудов, у высших растений эта система проще и состоит из ксилемы и флоэмы. Некоторые растения также имеют третью подсистему, содержащую латекс молочный сок, богатый углеводами, жирами и белками, из которого получают ряд ценных продуктов, в частности каучук. Через проводящие элементы ксилемы вода и минералы перемещаются вверх по стеблю от корней к листьям, а вдоль трубок флоэмы питательные вещества, синтезированные в листьях, движутся вниз по стеблю и используются или хранятся в самом стебле и в корнях. Тем не менее, питательные вещества могут также перемещаться вдоль флоэмы снизу вверх (до верхушек побегов и яичников и плодов, расположенных выше). Весной, когда листьев еще нет, основная часть органического вещества, необходимого для роста и развития почек, доставляется ксилемой из запасов корней, стволов и стеблей. Движение воды вдоль ксилемы и питательных веществ вдоль флоэмы называется транслокацией. Физико-химическая основа этих двух процессов несколько различна: вода и растворенные в ней вещества поднимаются через сосуды и трахеиды ксилемы, которые не содержат живой протоплазмы, в результате совместного действия транспирации и корневого давления, а питательные вещества транспортируется живыми клетками флоэмы с удивительной скоростью, используя механизмы, которые еще не до конца ясны. 

Растворы, движущиеся вдоль ксилемы и флоэмы, представляют собой сложные смеси многих веществ, органических и минеральных, состав которых может сильно различаться у разных растений, в разных частях одного растения и в разное время года. Растительный сок содержит до 98% воды, а также соли, сахара, аминокислоты, ферменты и другие белки, органические кислоты (лимонная, яблочная и др.) и гормоны (например, индолуксусная кислота). Овощные соки, в отличие от плазмы крови у животных, обычно имеют слабокислую реакцию (рН от 7 до 4,6). 

Стебель и его функции

Стебель (у деревьев, ствол, ветви и побеги) служит связующим звеном между корнями, через которые вода и минералы попадают в растение, и листьями, в которых синтезируются питательные вещества. Проводящие ткани стебля образуют единое целое с похожими тканями корня и листа это пути перемещения веществ. Некоторые стволовые клетки содержат хлорофилл и фотосинтезируют; другие клетки предназначены для хранения крахмала и других питательных веществ. Стебель и ветви поддерживают листья в таком положении, чтобы на них падали как можно больше солнечного света, а цветы и плоды находились в наиболее благоприятном для размножения положении. В точках роста стеблей образуются зачатки листьев и цветов. 

В некоторых случаях неопытному человеку трудно отличить корни от стеблей, поскольку многие растения имеют стебли, растущие под землей, а иногда корни находятся над землей. Папоротники и многие травянистые растения имеют подземные стебли, называемые корневищами. Они растут прямо под поверхностью почвы и образуют надземные листья. Растения, такие как картофель, имеют утолщенные подземные стебли клубни, приспособленные для хранения продуктов питания. Луковица это подземный стебель, окруженный плотно прилегающими чешуйчатыми листьями. Структура корней и стеблей различна: только на стеблях имеются узлы, от которых выходят листья. Кончик корня всегда покрыт  в то время как вершина стебля обнажена, если она не заканчивается апикальным зачатком.

В стволе проводящие ткани обычно располагаются в форме колец: флоэма образует внешнее кольцо, а ксилема внутреннее кольцо; в корне пучки труб флоэмы лежат между лучами звездообразной массы ксилемы. 

Стебли растений травянистые или древесные. Мягкий, зеленый, довольно тонкий травяной стебель типичен для однолетних растений. Такие растения образуются из семян, развиваются, цветут и дают семена в течение одного вегетационного периода, отмирают до зимы. Другие травянистые растения являются двухлетними, с жизненным циклом 2 года. В течение первого вегетационного периода питательные вещества откладываются в корне растения. Затем листья растения отмирают, а в следующем году от верхушки развиваются цветущие стебли, которые дают семена. Примерами биеннале являются морковь и свекла. Растения с мягкими и нежными стеблями, поддерживаемые в основном тургорным давлением, называются травами. 

Древесные многолетние растения, которые живут намного дольше двух лет и имеют толстый, сильный стебель или ствол, покрытый слоем пробки, очень отличаются от травянистых однолетних и двухлетних растений. Дерево это древесное многолетнее растение, которое начинает разветвляться на некотором расстоянии от поверхности почвы и поэтому имеет основной ствол или ствол. Кустарники, такие как сирень, олеандр и боярышник, являются древесными многолетниками с множеством стеблей примерно одинакового размера, начиная с поверхности почвы. 

Общепринято, что древесно-стебельные растения более примитивны, чем травянистые, поскольку, судя по имеющимся данным, первыми настоящими семенными растениями на земле были многолетние растения с древесно-стеблевыми растениями. В прошлые геологические эпохи такие растения уходили далеко на север, вплоть до Гренландии. Но в результате охлаждения, которое произошло в конце мезозоя, некоторые из них вымерли, и многие виды были отброшены к экватору. Другие растения адаптировались к холоду они разработали жизненный цикл, в котором рост и цветение завершаются за один год в течение теплого летнего периода, а морозостойкие семена выдерживают суровые условия зимы; другими словами, такие растения превратились в травы. Ткани травянистых стеблей расположены вокруг пучков ксилемы и флоэмы, но детали структуры различны у двух основных групп покрытосеменных, или цветковых растений (Angiospermae): двудольных (Dicotyledoneae) и однодольных (Monocotyledoneae). В стебле двудольных, например, подсолнечника или клевера, пучки ксилемы и флоэмы расположены по кругу таким образом, что стебель делится на  концентрические зоны внешнюю кору, сосудистые пучки и центральное ядро, состоящее из бесцветные паренхиматозные клетки, являющиеся хранилищем резервных веществ. 

В течение первого года жизни стебли древесных растений по структуре сходны со стеблями травянистых растений. Однако к концу первого вегетационного периода в пробковых лучах появляется дополнительный камбий, так что в конечном итоге он образует непрерывное кольцо, проходящее как между сосудистыми пучками, так и внутри них. В течение каждого последующего года камбий производит дополнительное ксилемное и флоэмовое молоко; эта флоэма заменяет первичную флоэму и образует тонкую непрерывную оболочку из ткани, проводящую питательные вещества непосредственно за пределами камбия, а годовые отложения ксилемы образуют годовые кольца. Границы между ними заметны для глаз, так как сосуды ксилемы, которые появляются весной, шире и кажутся светлее, чем сосуды, которые появляются осенью. Растительный сок поднимается к листьям только вдоль самых молодых внешних сосудов ксилемы, которые образуют заболонь; внутренние слои мертвых твердых ксилемных клеток и волокон, из которых состоит сердцевина дерева, увеличивают прочность ствола, чтобы он мог выдерживать тяжесть листвы, которая растет по мере роста дерева. 

Ширина годичных колец варьируется в зависимости от климатических условий, преобладающих при формировании этого кольца. Таким образом, кольца старых деревьев можно использовать для установления того, каким был климат в определенный период в прошлом несколько лет или даже несколько тысяч лет назад. 

Камбий также играет важную роль в заживлении ран у растений. Если внешние ткани стебля повреждены, камбий врастает в поврежденную область и дифференцируется в новые ксилемы, флоэму и камбий, причем каждая из этих тканей непрерывно продолжает соответствующий тип ткани в неповрежденной части растения. У большинства древесных растений некоторые клетки наружной коры становятся меристематическими и образуют вторичный, или пробковый, камбий. Эти внешние клетки пропитаны водостойкими воскоподобными веществами и в конечном итоге отмирают и отпадают, частично от ветра и дождя, а частично от давления тканей, растущих изнутри. 

В стволе однодольных, таких как кукуруза, наружный эпидермис состоит из толстостенных клеток и пронизан устьицами, подобными тем, что у листьев. Эпидермис и клетки коры непосредственно под ним становятся толстостенными, лигнифицированы и превращаются в механические ткани. Сосудистые пучки разбросаны по всему стволу  и не расположены в виде кольца, как у двудольных. В наружной части стебля пучки меньше и более многочисленны. Каждый сосудистый пучок содержит ксилему и флоэму, но не содержит камбия; обычно он заключен в оболочку склеренхимных клеток, которые выполняют поддерживающую функцию. У некоторых однодольных растений, таких как пшеница и бамбук, паренхимные клетки в центре стебля разрушаются, в результате чего образуется центральная медуллярная полость! 

Весной, после начала роста верхушечного зачатка, покрывающие чешуйки раздвигаются и опадают, оставляя кольцо шрамов . Эти шрамы, отмечающие положение конца стебля в конце периода роста, остаются видимыми в течение многих лет. Таким образом, подсчитывая количество верхушечных рубцов почки, можно определить возраст ветви. 

Общий вид дерева или куста определяется положением и распределением верхушечных и подмышечных зачатков и их сравнительной активностью. У деревьев с сильным верхушечным зачатком, таких как кедр или тополь, побеги, образованные верхушечным зачатком, намного мощнее, чем подмышечные отростки; В результате получается один прямой основной ствол. Растения с сильными подмышечными почками характеризуются горизонтальными ветвями и расширяющейся формой. На общий вид дерева также влияют направление и сила преобладающего ветра и наличие других деревьев поблизости. 

Помимо верхушечных и подмышечных почек, чечевицы и почечных рубцов, на поверхности побега можно выделить другие образования. К ним относятся шрамы листьев, оставшиеся после того, как лист упал с черешка, и шрамы плодов, возникающие после того, как плоды упали. 

Лист это орган, специально приспособленный для фотосинтеза. Детали его структуры были описаны ранее. Вдоль листьев черешка пучки ксилемы и флоэмы проходят от стебля к стенке листа, где они могут многократно разветвляться, образуя сеть вен. Сосуды и трахеиды ксилемы расположены на верхней стороне каждой вены, а ситовые трубки флоэмы на нижней. 

Транспирация

Листья при воздействии воздуха теряют влагу в результате испарения, за исключением тех периодов, когда воздух насыщается водяным паром. Солнечное тепло заставляет воду испаряться с поверхности клеток мезофилла, и полученный водяной пар диффундирует из листа через устьица. Этот тип потери воды, называемый транспирацией, может происходить во всех органах растений, находящихся на воздухе, но в основном происходит за счет листьев. Ночью транспирация очень незначительна, так как устьицы обычно закрыты, и испарение воды с поверхности клеток мезофилла замедляется из-за более низкой температуры. Устья также часто закрыты во второй половине жаркого солнечного дня.

Это значительно уменьшает транспирацию и позволяет растению сохранять воду. При достаточном количестве воды устьица остается открытой, и растения выделяют удивительное количество влаги в результате транспирации. В процессе фотосинтеза используется только небольшая часть (1-2%) воды, поглощенной корнями. Остальная влага проходит через устьица в виде водяного пара во время транспирации. Если растение получает недостаточное количество воды из корней, то защитные клетки устьиц теряют тургор, и устья закрываются, задерживая воду. 

Многочисленные небольшие отверстия устьиц служат чрезвычайно эффективным путем диффузии водяного пара, кислорода и CO₂. Хотя общая площадь этих пор составляет всего 1–3% от всей поверхности листовой пластинки, скорость диффузии через устья лишь на 25–50% ниже, чем через открытую поверхность, равную поверхности листа. На солнце растение переносит в среднем около 50 см³ воды на 1 м² поверхности листа за 1 час. Растение кукурузы потребляет в среднем более 200 литров воды в течение вегетационного периода; дерево среднего размера пропускает такое же количество воды всего за 1 день. Количество транспортируемой воды сильно варьируется от растения к растению; Подсчитано, например, что 1 га кукурузы транспортирует 3 500 000 литров воды в течение вегетационного периода, а 1 га зрелого кленового леса примерно в два раза больше, в то время как кактусы в пустыне Аризоны потребляют не более 2750 литров воды в год. 1 га на целый год. Количество воды, испаряемой листьями деревьев в лесу, также в значительной степени зависит от количества осадков, влажности и температуры в этом районе. 

Транспирация облегчает движение воды вверх по стеблю, способствует концентрации в листьях разбавленных растворов минеральных солей, поглощаемых корнями и необходимых для синтеза новых клеточных компонентов, а также вызывает охлаждение листьев, аналогично тому, что происходит в животные, когда испаряется пот. Хотя лист поглощает около 75% падающего солнечного света, только около 3% поглощенного света используется в фотосинтезе. Остальная световая энергия преобразуется в тепло и должна быть удалена, чтобы избежать гибели ткани листа. Часть этого тепла расходуется на испарение воды (540 ккал расходуется на превращение 1 литра воды в водяной пар), а часть удаляется радиацией и конвекцией. 

В результате испарения воды с поверхности клеток мейофилла концентрация веществ, растворенных в клеточном соке, увеличивается, и клетки становятся слегка гипертоническими; они начинают получать воду из соседних клеток с высоким содержанием воды, а последние, в свою очередь, получают воду из трахеид и сосудов листовых вен. Таким образом, во время транспирации вода, благодаря чисто физическому процессу осмоса, проникает из сосудов ксилемы вен через промежуточные клетки в клетки мезофилла, наиболее близкие к межклеточным пространствам листа, заполненного воздухом, где он испаряется. Следовательно, вода непрерывно течет из почвы в проводящую систему корня и поднимается вдоль стебля и черешка к венам листовой пластинки. 

Движение воды

Много лет назад было экспериментально показано, что в стебле вода и соли, поглощенные корнями, поднимаются главным образом вдоль трахеид и сосудов ксилемы, в то время как сахара и другие органические вещества движутся главным образом вдоль ситовых труб флоэмы.

Если сделать разрез по всей окружности стебля, пересекая флоэму и камбий, но не затрагивая ксилему, листья сохранят тургор в течение длительного времени и остаются в хорошем состоянии; следовательно, вода поступает в них через ксилему, так как флоэма полностью обрезается. Используя специальный метод, ксилема может быть сокращена, сохраняя флоэму относительно неповрежденной; в этом случае листья увядают и отмирают почти сразу; и эти результаты показывают, что вода попадает в листья в основном через ксилему. Хотя путь водного транспорта был известен давно, механизм этого процесса до сих пор не совсем понятен.

Любая теория, которая считается приемлемой, должна объяснять высокую скорость потока воды, достигающую 75-100 мл в минуту у некоторых растений, а также тот факт, что вода поднимается до самых верхушек деревьев, таких как пихта Дугласа и секвойя, достигая высота до 125 м.

Для поддержания такого столба воды требуется давление более 12 атм; Кроме того, требуется дополнительное давление, чтобы поднять воду от трения в узких каналах. По некоторым оценкам, давление, необходимое для поднятия воды на вершину высокого дерева, может достигать 30 атм. Он может быть либо создан у основания растения и толкать воду вверх, либо он может быть создан сверху и вытягивать род; совместное действие обеих этих сил также возможно. 

Корневое давление. Отрезав стебель хорошо поливаемого томата, вы можете увидеть, как сок будет вытекать из конопли в течение некоторого времени. Если вы прикрепите стеклянную трубку к пеньке и достаточно плотно завяжете соединение, сок может подняться в трубке на высоту 1 м или даже выше. Это говорит о том, что существует положительное давление на границе корня и стебля, которое называется корневым давлением и создается силами, действующими на корень. Из-за обилия влаги в почве и высокой влажности воздуха, сводящей к минимуму потери воды из-за испарения с листьев, вода может выходить под давлением из концов вен листьев, образуя капли по краям листа. Это явление, называемое кишечником, также указывает на то, что при определенных условиях сок ксилемы может находиться под давлением корней. 

Сок в корнях гипертоничен по отношению к почвенному раствору; возможно, что это, по крайней мере частично, связано с корневым давлением. Движение воды из почвы через эпидермис, кору, энтодерму и перицикл корня в его ксилему и далее вверх по ксилеме в стебель и листья происходит «вниз» вдоль градиента концентрации и осуществляется по крайней мере частично простой диффузией. Если корни убиты или лишены кислорода, давление корня упадет до нуля; следовательно, это давление зависит от некоторого активного процесса, требующего потребления энергии. Многие физиологи растений пришли к выводу, что клетки корневой энтодермы активно выделяют воду внутрь, по направлению к центральному цилиндру, и что это во многом связано с корневым давлением. 

Во время первых измерений корневого давления были получены низкие значения, но позже, когда были разработаны методы, позволяющие отрезать стебель и «герметично» прикрепить к нему устройство, не повреждая ткани, было показано, что корневое давление может достигать 6-10 атм и более. в томате, в опытах с которым вода поднимается в трубу менее чем на 1 метр.

Весной, когда листьев еще нет, единственной силой, заставляющей сок подниматься вверх по стеблю, является, вероятно, корневое давление. Попытки измерить корневое давление у хвойных не увенчались успехом; возможно, что у этих растений оно вообще не возникает. Если бы корневое давление было их главной силой, вызывающей рост сока, то можно было бы ожидать, что сок будет вытекать из проколотого ксилемного сосуда под давлением; однако, после прокалывания такого сосуда, наоборот, можно услышать шипение поступающего воздуха. Вполне возможно, что на некоторых растениях при определенных условиях корневое давление действительно влияет на рост сока вверх по стволу, но вряд ли его можно считать основным фактором, который действует на большинство растений большую часть времени. 

Теория переноса и адгезии. Другая сила, которая может заставить воду подниматься вверх по стволу, это «подъем» сверху, а не толчок снизу. В листьях вода расходуется в результате транспирации и в процессе фотосинтеза, что, кроме того, приводит к образованию осмотически активных веществ; Эти процессы поддерживают гипертонус содержимого клеток листьев по отношению к соку в венах. Клетки листьев постоянно вытягивают воду из верхних областей ксилемы листа и стебля, вызывая подъем столба жидкости в каждом проводящем сосуде. Присутствие этой силы всасывания можно продемонстрировать, соединив отрезанный отросток водонепроницаемым материалом с концом стеклянной трубки, другой конец которого погружен в сосуд с водой; вводя воздушный пузырь в трубу, по его движению можно судить о скорости движения воды. 

Столб воды в сосудах ксилемы, испытывающий давление всасывания сверху, находится в несколько растянутом состоянии; однако существует сильная взаимная адгезия между молекулами воды, соединенными друг с другом водородными связями, и поэтому тонкие нити воды в сосудах ксилемы обладают большей прочностью на растяжение. Таким образом, в верхней части водяного столба создается напряжение (в основном в результате транспирации), которое благодаря адгезии молекул воды передается по всей длине стебля и корней и приводит к росту весь столб воды. Идея о том, что вода поднимается в растениях под влиянием силы всасывания, возникающей в результате транспирации, была впервые высказана Стивеном Хейлзом в начале 18-го века.

Заключение

Концепция роли адгезии молекул воды в ее поднятии вдоль ксилемы была сформулирована в 1894 году Диксоном и Джоли, которые предсказали, что толща воды должна иметь высокую прочность на растяжение. В ряде экспериментов фактически были получены значения, значительно превышающие те 30 атм, которые необходимы для поднятия воды на вершину секвойи. Если вы возьмете пористую керамическую трубку, налейте в нее воду и погрузите нижний конец ртути, то в результате испарения воды ртуть может подняться до 100 см или более намного выше, чем она будет расти под воздействием атмосферного давления. Чтобы успешно продемонстрировать это явление, воду сначала нужно кипятить, чтобы удалить из нее растворенные газы, из которых могут образовываться пузырьки при растяжении водяного столба. 

Исходя из теории адгезии, следует ожидать, что в период интенсивной транспирации диаметр ствола дерева будет уменьшаться. Если столб воды в ксилеме находится под натяжением, сила, направленная внутрь, должна действовать на стенки каждого из проводящих сосудов. Совместное действие таких сил на все каналы деревянного сердечника было бы достаточным, чтобы вызвать заметное сжатие ствола при активной транспирации. Подобный эффект действительно был обнаружен: толщина ствола величественной сосны (Pinus radiata) подвержена суточным колебаниям с минимумом вскоре после полудня, когда транспирация достигает максимума. 

Гипотеза Диксона и Джоли также подтверждается экспериментами, в которых изучалось поглощение воды тропическими лозами. Некоторые из этих виноградных лоз взбираются на стволы. деревья до высоты 50 м и более. Если обрезать стебель виноградной лозы возле основания и положить его в ведро с водой, растение начинает интенсивно поглощать воду. Быстрое поглощение воды также наблюдается при замене ведра на герметически закрытый сосуд, хотя в сосуде создается вакуум. В настоящее время теория сцепления широко принята, так как позволяет объяснить рост воды у большинства растений практически при любых условиях. Вопрос о механизме начального образования толщи воды остается неясным.