Vodní provoz Vodní provoz rostlin rostlin Rostliny se liší od ostatních organismů: Fotoautotrofie – voda je základní komponent výstavby spolu se světlem a CO2 Schopnost získávat vodu a minerální látky Vnitrobuněčný hydrostatický tlak (turgor) Rozpouštědlo anorganických a organických látek, prostředí pro pohyb molekul a iontů Metabolická surovina: ve fotosyntéze, hydrolýza, hydratace Stavební materiál buňky – vakuola Transportní prostředek – hromadný tok látek Snižování teploty
Vodní provoz rostlin. Rostliny se liší od ostatních organismů: Fotoautotrofie – voda je základní komponent výstavby spolu se světlem a CO2 Schopnost získávat vodu a minerální látky Vnitrobuněčný hydrostatický tlak (turgor) - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Vodní provoz rostlinVodní provoz rostlin
Rostliny se liší od ostatních organismů:
Fotoautotrofie – voda je základní komponent výstavby spolu se světlem a CO2Schopnost získávat vodu a minerální látkyVnitrobuněčný hydrostatický tlak (turgor) Rozpouštědlo anorganických a organických látek, prostředí pro pohyb molekul a iontůMetabolická surovina: ve fotosyntéze, hydrolýza, hydrataceStavební materiál buňky – vakuolaTransportní prostředek – hromadný tok látekSnižování teploty
Závislost výnosu na dostupnosti vody
Rostlina a voda
Rostliny jsou homoiohydrické organismy – vysoký obsah vody v orgánech – 60-90%, kořeny 80-90%, dřevo 50%.
Orgánově závislé: semena , zrna – nízký obsah vody, Sleziník routička (Asplenium) jsou poikilohydrické – mohou vyschnout, nemají vakuolu
Obsah vody v rostlině velmi jemně regulován – transpirace a gutace versus fotosyntéza
Struktura a vlastnosti vody
Polarita vody a parciální rozložení náboje způsobuje tvorbu vodíkových můstků• Vodíky vázány pod úhlem 105o
• Kyslík je více elektronegativní - atrahuje elektrony kovalentní vazby• Separace parciálních nábojů + tvar a velikost molekuly vody z ní dělá nejlepší
polární rozpouštědlo• Polarita vody dává vzniku vodíkových vazeb
Polarita vody z ní dělá vynikající rozpouštědlo • Snižuje elektrostatické interakce a zvyšuje tak rozpustnost• tvoří hydratační povrchy makromolekul
Tvorba vodíkových můstků
Termální vlastnosti vody
TTermální vlastnosti vodyermální vlastnosti vody jsou rovněž způsobeny vodíkovými můstky
• Neobvyklé termální vlastnosti – vysoká měrná tepelná kapacita a vysoké skupenské teplo výparu – molekuly se musí napřed rozpojit a poté teprve zrychlení pohybu molekul a jejich zahřátí
• Vysoká měrná tepelná kapacita vody – velký přísun energie pro zvýšení teploty – 1 cal/g/oC
• Vysoké skupenské teplo výparu – energie potřebná k separaci molekul z kapalné fáze (transpirace), 25oC = 44 kJ/mol – nejvyšší známe množství u kapalin
• Vysoké latentní teplo výparu – ochlazování rostlin, odběr E z okolí
Povrchové napětí vody
• Molekuly vody na rozhraní voda-vzduch jsou více atrahovány k sobě, povrch voda vzduch má tendenci minimalizovat povrch s nejmenší E koule
• E. potřebná ke zvětšení povrchu – povrchové napětí, vytváří rovněž napětí v kapalině (J.m-2 =N.m-1)
Kohezní a adhezní vlastnosti vody
• Kohezní a adhezní vlastnosti vody jsou závislé na existenci vodíkových můstků• koheze drží molekuly vody pohromadě při transportu • adhezí lnou k povrchu – smáčivé povrchy mají kontaktní úhel < 90o - H2O na skleněné desce
nebo bun. stěně – kontaktní úhel blízko 0, nesmáčivé > 90o
• koheze + adheze + povrchové napětí = kapilarita (vzlínavost) v kapiláře – v případě smáčivých povrchů vystoupá až do výšky, kdy se hydrostatický tlak = kapilárnímu tlaku vodního sloupce výšky h
• pod tímto dutým povrchem je vnitřní tlak menší o kapilární tlak Pk ve srovnání s vodorovným povrchem v širší nádobě
• Kapilární tlak Pk = 2T/r (T = povrchové napětí vody, r = poloměr menisků)• Hydrostatický tlak na dně kapiláry – Ph = hg • Pk = Ph → 2T/r = hg → 2T = hgr →h = 2T/gr →
h = 4T/gd • T při 20oC = 0,07275 N/m, H2O = 998,2 kg.m-3
• g = 9,80665 m.s-2, dcév= 25 – 100 m → • h = 30-60 cm
Vlastnosti vody – pevnost v tahu
Voda má vysokou pevnost v tahu
• pevnost v tahu (stříkačka jako příklad)
• positivní a negativní hydrostatický tlak (MPa) 1MPa = 9.9 Atm
• voda vydrží v malých kapilárách až -30 MPa
• kavitace
Transport vody v buňce- Difúze a objemové proudění- Difúze je spontánní pohyb molekul z oblasti
vyšší koncentrace (vyššího chemického potenciálu) do oblasti nižší koncentrace. Je projevem jejich translační kinetické energie – náhodné tepelné kmitání.
- 1880 Německý vědec Adolf Fick – rychlost difuzního pohybu je přímo úměrná koncentračnímu gradient (cs/x), cs – rozdíly v koncentraci látek, x - vzdálenost
• Rychlost transportu, nebo hustota toku: Js=-Ds (cs/x), Ds je difuzní koeficient – jak rychle se pohybuje látka daným médiem
• 2. Fickův zákon – lze odvodit závislost doby difúze látky na vzdálenosti tc=1/2 = x2/Ds . K – čas potřebný pro difúzi látky na určitou vzdálenost vzrůstá se čtvercem vzdálenosti.
• Difuze na malé vzdálenosti – buňka 50m, glukosa 10-9 m2 s-1 tc=1/2 = 2,5 s
• 1 m keř tc=1/2 = 109 = 32 let• Velmi pomalý na dlouhé vzdálenosti -
glukosa - 1 m = 32 let, • 50 mm = 2.5 s• Difuzní koeficient – jaké množství látky
difunduje jednotkou plochy za 1 s při koncentračním spádu 1 mol.m-2. Závisí na prostředí a velikosti molekul.
OsmózaOsmóza
Látky se pohybují po koncentračním Látky se pohybují po koncentračním gradientu.gradientu.
Difúzní Difúzní potenciálpotenciál
Tři hlavní faktory ovlivňující vodní potenciál buňky
Vodní potenciál (chemický potenciál) = koncentrace, tlak a gravidita
w=s + p + g • s - osmotický potenciál – vliv rozpuštěných látek, látky redukují
volnou energii, roste neuspořádanost, s = - RTc (R-plynová konstanta, T-absolutní teplota, c osmolalita - mol.L-1; - látky snižující vodní potenciál oproti čisté H2O)
• p - hydrostatic tlak (v buňce = turgorový tlak) (+/-), normální voda p = 0 MPa
• g= wgh, wg má hodnotu 0.01 MPa/m, 10 m = 0.1 MPa změna u w
kyselin a fulvokyselin, jílovité až písčité částiceKapalná fáze –vodný roztok min. solí
Plynná fáze – půdní vzduch, půdní O2
Polní kapacita – obsah vody v půdě po její saturaci (jíl 40%, písek 3%)
Voda v půdě
Půdní vodní potenciál= koncentrace, tlak a gravidita
• w=s + p + g + m • s - osmotický potenciál – vliv rozpuštěných látek, látky redukují
volnou energii, roste neuspořádanost, s = - RTc (R-plynová konstanta, T-teplota, c osmolalita) v půdě malý, max. - 0.2 MPa
• p - hydrostatický tlak (v půdě záporný), normální voda p = 0 MPa
• g= wgh, wg má hodnotu 0.01 MPa/m, 10 m = 0.1 MPa změna u w
• m = matricový potenciál – zmenšení Gibbsovy volné energie vody po adsorbci na povrch struktur
Pohyb vody v půdě
• Závisí na velikosti tlakového gradientu a a půdní hydraulické konduktivitě
• Půdní hydraulická konduktivita – závisí na množství vody v půdě a její kvalitě
• Pohyb vody v půdě: difuze a objemové proudění• bod trvalého vadnutí - rozmezí vlhkosti půdy (w), při němž je
voda v půdě poutána takovými silami, že ji nemohou rostliny přijímat; turgor rostlin nevratně klesá a rostlina vadne, závisím jak na půdě tak na rostlině Poiseuillenova rovnice:
- viskozita kapaliny p/x –tlakový gradient závislý na vzdálenostir – poloměr cévym3.s-1, nezávislý na koncentraci
x
rrateflowVolume p
8
4
Transport vody v půdě a vrostlině
p = -2T/r (T = 7,28 x 10-8 Mpa.m)
Transport vody do kořenů
Kořenový vztlak a gutace
Javorový sirup z mízy
Transpirační proud
Je to proud vody směřující z kořenů do listů a dalších orgánů xylémem, kde přechází v proud vodní páry.
Závisí na:• Transpiraci – zdroj tažné síly• Koheze vody – kontinuita vodního sloupce• Adheze – přilnavost přispívá ke stabilitě• Kapilární síly – v submikroskopických kapilárních prostorách –
stabilizace vodního sloupce• Hydraulická vodivost, resp. hydraulický odpor vodních drah a
difuzní odpor proudu vodní páry• Odpor vodní dráhy – je minimální 0,02MPa.m-1, 100 sekvoje –
-děje se průduchy a závisí na koncentračním gradientu vodní páry.
Tc=1/2 = x2/difúzní koeficient (10-3 m)2/2,4 x 10-5 m2 s-1 = 0,042 s - velká rychlost
• Rychlost přímo závisí na gradientu vodních par a difúzním odporem cesty:
• E = cwv(list) – cwv(vzduch) /rs + rb
E = rychlost transpirace (mol m-2 s-1)
Stomatární transpirace a průduchy
Regulace otvírání průduchů světlem
Regulace otvírání průduchů
SOUHRNSOUHRN
Vodní provoz rostlin:
• Schopnost získávat vodu a minerální látky• Vytvářet vnitrobuněčný hydrostatický tlak (turgor) • Rozpouštědlo anorganických a organických látek• Metabolická surovina: ve fotosyntéze, hydrolýze, hydrataci• Stavební materiál buňky – vakuola• Transportní prostředek – hromadný tok látek• Snižování teploty• Transport je v půdě a rostlině difúzí a hromadným tokem• Transport závisí na gradientech osmotického nebo tlakového potenciálu• Výdej vody gutací a transpirací – regulován otvíráním a zavíráním průduchů