Поднятие воды по стволу древесного растения. Движение воды по растению. Почему вода непрерывно поднимается по стеблю

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Как часто люди живут своей привычной жизнью и не замечают удивительных вещей. Красота наших лесов уникальна. Деревья замечательны не только своей красотой, но и разнообразием. Почему на нашей планете в широтной зональности произрастают деревья определённой высоты одного вида? От чего зависит высота деревьев? Как деревья-гиганты обеспечивают себе подъём воды? Эти вопросы меня очень заинтересовали. Закону широтной зональности подчинены пояса атмосферного давления, как один из факторов воздействия на живые организмы. Водопроводящую систему деревьев можно сравнить с движением воды по трубам, а движение жидкости в сосудах древесины - высота поднятия в капиллярных трубках. Проблема: почему в разных климатических широтах произрастают деревья одного вида разной высоты, и от чего зависит водопроводящая система у низкорослых деревьев и деревьев-гигантов. Гипотеза: если есть зависимость диаметра сосуда древесины от высоты дерева, то его высота зависит от атмосферного давления как от одного из факторов влияния в различных широтах. Цель: исследование зависимости высоты дерева от диаметра сосуда древесины при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания.

Задачи проекта: 1. Изучить источники информации по выбранной теме. 2. Углубить знания по теории законов гидравлики, капиллярным явлениям. 3. Провести и описать эксперимент, подтверждающий или опровергающий выдвинутую гипотезу. 4. Обработать и проанализировать результаты проделанной работы. 5. Представить результаты в виде линейной диаграммы. 6. Сделать вывод, отвечающий поставленной цели.

Объект исследования: законы и явления физики в изучении теории гидравлики, капиллярных явлений. Предмет исследования: проводящая система древесины. Актуальность темы: исследование обусловлено продвижением знаний по вопросам законов гидравлики и теории капиллярных явлений, в постановке проблемы исследования с привлечением внимания общества к вопросам окружения привычных нам явлений в нашей жизни и построением диаграммы зависимости диаметра сосуда древесины от высоты.

1. Что такое гидравлика

Гидравлика - это наука, имеющая тысячелетнюю историю развития. Слово "гидравлика" происходит от сочетания двух греческих слов — hydor (вода) и aulos (труба) — и означает движение воды по трубам. В настоящее время термин «гидравлика» получил более широкое значение. В современном смысле гидравлика — техническая наука, в которой изучаются законы равновесия и движения жидкостей, а также методы применения этих законов в инженерной практике. Часть гидравлики, рассматривающую законы равновесия жидкостей, называют гидростатикой, часть, рассматривающую законы движения жидкостей - гидродинамикой. Два направления изучения гидравлики — в динамическом и статичном контекстах. Гидродинамика затрагивает вопросы кинематики воды как таковой, а гидростатика больше ориентируется на законы взаимодействия жидкостей с другими средами и телами. Причиной гигроскопического движения являются колебания влажности атмосферного воздуха. В технике различного рода гидравлических установках необходимое давление создается почти всегда с помощью компрессоров или насосов. У растительного организма решение задач, связанных с выполнением различного рода движений, в том числе и управляющих, не требует приложения столь больших усилий. Тем не менее, и они решаются при помощи законов гидравлики, но при значительно более низких давлениях 1 .

Водная среда является главным аспектом изучения в этом направлении. Вода — самое распространенное в биосфере вещество, играющее исключительно важную роль в жизни живой природы и в частности растений. Вода входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Потеря большого количества воды живым организмом может привести к его смерти. Растения способствуют более быстрому водному обмену почвы и воздуха. Трудно переоценить то благотворное воздействие, какое оказывает растительный мир на климат, регулируя его.

2. Растительный мир и законы гидравлики

Автономные движения растительного организма управляются с помощью гидравлики. В технике конструкторы создают высокое давление за счет сжатия: какая-либо подвижная деталь, например поршень, давит на жидкость. Для растения использование такой технологии потребовало бы больших затрат энергии и создания специальных и к тому же сложно устроенных приспособлений. Поэтому они применяют с конструктивной точки зрения намного более простой, а с точки зрения расходования энергии более эффективный метод — осмос. Осмос представляет собой диффузию вещества через перегородку (мембрану), разделяющую чистый растворитель и раствор или два раствора разной концентрации. Перегородка проницаема только для растворителя. Такой способ создания гидравлического давления связан с естественной способностью солей притягивать воду, растворяться в ней и уменьшать насыщенность раствора. С помощью осмоса растения создают довольно большие давления. Внутриклеточное давление придает жесткость тем растениям, ткани которых не одревеснеют. Когда осмотическое давление падает, например у срезанных и поставленных в вазу цветов, растение увядает. Многие растения обзавелись для этих целей самыми настоящими сочленениями, работающими по тому же принципу, по которому действуют гидравлические сочленения в технике. Каким же образом растение добивается внезапного падения давления? Причина в том, что оно в состоянии менять размеры пор в полупроницаемой мембране клеток. При увеличении размера пор раствор, находящийся под давлением в клетке, выходит наружу, и давление понижается. В течение считанных минут клеточная оболочка возвращается в прежнее состояние, и процесс может повториться вновь 2 .

2.1. Двигатели водного потока

Передвижение воды по растению определяется двумя основными двигателями водного потока: нижним двигателем водного потока или корневым давлением, верхним двигателем водного потока или присасывающим действием атмосферы. Механизм, обеспечивающий поднятие воды по растению за счет корневого давления, — нижний концевой двигатель водного тока. Вода заполняет весь путь от почвы — через корень и стебель — до клеток в листе. Суммарный поток воды направлен в сторону меньшего водного потенциала. Корневое давление наг-нетает воду в сосуды центрального цилиндра корня, а сосущие силы притягивают эту воду. Процесс подъема воды от корней до листьев носит название восходящего тока. Кор-невое давление получило название нижнего концевого двигателя водного тока. Притягивающие же воду сосущие силы листьев называют верхним конце-вым двигателем водного тока. Наши обычные деревья имеют довольно большие размеры и значительную протяженность водопроводя-щей системы корней. Водный ток испытывает и преодолевает силу зем-ного притяжения, силу тяжести. Меж-ду молекулами передвигающейся воды существуют силы сцепления. Водопроводящие элементы представляют единое целое с водным потоком, так как стенки их полностью смочены, насыщены водой. Все это сильно отличает условия, создаю-щиеся в дереве, от условий в поршневых насосах, где между стенками цилиндра и поршня посто-янно появляются пузырьки воздуха, нарушающие це-лостность водного столба. Происходит обрыв этого столба при подъеме на высоту более 10 метров. Для того чтобы поднять воду на высоту 100 метров, необхо-димо наличие сосущих сил в кроне дерева порядка до 35 атмосфер: на преодоление силы тяжести — 10 атмосфер, сопро-тивления фильтрации через поперечные стенки сосу-дов — до 25 атмосфер. Поэтому с чисто физической точки зрения представля-ется возможным объяснить подъем воды на высоту 100 метров и более 3 .

3. Капиллярные явления

Капиллярность — явление подъёма или опускания жидкости в капиллярах, заключающееся в способности этой жидкости изменять уровень в трубках малого диаметра, узких каналах произвольной формы и пористых телах. Подобные явления можно также наблюдать в очень узких трубочках, которые называются капиллярами (от лат. capillus — волосок) 4 . Силы, лежащие в основе капиллярности, — дей-ствие по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния и эф-фек-т сма-чи-ва-ния.

3.1. Поверхностное натяжение

Термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул. Молекулы поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. На поверхности раздела жидкость — воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением 5 .

Коэффициент поверхностного натяжения является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения — сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии.

3.2. Эффект смачивания

Линия, ограничивающая поверхность капли на твёрдом теле является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин этих сил. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести. Более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и медленнее протекает по капиллярному каналу 6 .

3.3. Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести, заставляющая жидкость опускаться вниз и сила поверхностного натяжения, двигающая воду вверх. Подъ-ем/опускание жид-ко-сти по ка-пил-ля-ру оста-но-вит-ся тогда, когда сила по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния урав-но-ве-сит-ся силой тяже-сти, дей-ству-ю-щей на столб под-ня-той жид-ко-сти. Вы-со-та, на которую под-ни-мет-ся сма-чи-ва-ю-щая жид-кость в ка-пил-ляр-ной труб-ке, преодолевая силу тяжести, рассчитывается по формуле (3.3.1):

(3.3.1)

где ------ - ко-эф-фи-ци-ент по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния, Н/м ; - плот-ность жид-ко-сти, кг/м 3 ; - уско-ре-ние сво-бод-но-го па-де-ния, 9,8 м/с 2 ; h - высота столбика поднятой жидкости, м ; r - радиус капилляра, м ; d - диаметр капилляра, м 7 .

Если капилляр наклонён к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит. Как бы не располагались капилляры в структуре, высота поднятия жидкости будет зависеть от ------, , r ( d ) . Из формулы высоты поднятия жидкости в капиллярах выражаем формулу для нахождения диаметра капилляра (3.3.2)

где ------- ко-эф-фи-ци-ент по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния, Н/м ; - плот-ность жид-ко-сти, кг/м 3 ; - уско-ре-ние сво-бод-но-го па-де-ния, 9,8 м/с 2 ; h - высота столбика поднятой жидкости, м ; d - диаметр капилляра, м 8 .

4. Гидростатическое давление

На каждую частицу жидкости, находящейся в поле тяготения Земли, действует сила тяжести. Под действием этой силы каждый слой жидкости давит на расположенные под ним слои. В жидкостях существует давление, обусловленное ее весом. Жидкость способна легко изменять свою форму. Части жидкости могут свободно сдвигаться, скользя друг относительно друга. Жидкости практически несжимаемы. Вода в древесине может быть как в статическом (стабильном) и в динамическом (нестабильном) состоянии. Если вода находится в термодинамическом равновесии с древесиной и окружающей средой, то в ней не происходит никаких изменений во времени или в пространстве. Такое состояние воды называют стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Динамика устанавливает наиболее общие закономерности взаимодействия древесины и воды. Давление, обусловленное весом жидкости, называют гидростатическим давлением. Согласно закону Паскаля давление, производимое на жидкость, передается жидкостью во все стороны одинаково. Это связано с подвижностью молекул в жидком состоянии 9 .

Давление столба жидкости определяется по формуле (5.1):

Р = ρgh ,Па

где ρ - плотность жидкости, кг/м 3 ; g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2 ;
h - высота столба жидкости или глубина, на которой измеряется давление, м 10 .Гидростатическое давление равно весу столба жидкости с единичным основанием и высотой, равной глубине погружения точки под свободной поверхностью жидкости. Давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости. Независимо от формы сосуда и его размеров.

5. Пояса атмосферного давления

Воздух, окружающий Землю, имеет массу и оказывает давление на все объекты, находящиеся на земной поверхности. Сила, с которой воздух давит на земную поверхность, называется атмосферным давлением. За нормальное атмосферное давление условно принято давление воздуха 760 миллиметров ртутного столба на уровне моря на широте 45° и при температуре 0 °С. Давление воздуха на нашей планете может изменяться в широких пределах. Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер.

На планете сформировалось несколько поясов атмосферного давления:

низкое давление на экваторе;

высокое давление в тропиках;

низкое давление над умеренными широтами;

высокое давление над полюсами.

Это происходит из-за постоянно высоких температур воздуха на экваторе. Нагретый воздух поднимается и уходит в сторону тропиков. На полюсах поверхность земли всегда холодная, а атмосферное давление повышено. Его обуславливает воздух, который приходит из умеренных широт. В умеренных широтах из-за оттока воздуха формируется зона пониженного давления 11 .

Таким образом, на Земле существуют два пояса атмосферного давления — пониженный и повышенный. Пониженный на экваторе и в двух умеренных широтах. Повышенный на двух тропических и двух полярных. Они могут немного смещаться в зависимости от времени года. Круглый год области пониженного давления сохраняются близ Экватора и в южном полушарии в умеренных широтах.

5.1. Влияние атмосферного давления на растения

Существуют лабораторные вакуумные установки различных размеров и мощностью. С применением такой установки основанной на использовании очень низкого атмосферного давления можно реализовать искусство Бонсай — выращивания точной копии настоящего дерева в миниатюре - прямо пропорциональная зависимость высоты роста растений от атмосферного давления. При увеличении/снижении атмосферного давления пропорционально увеличивается/снижается абсолютный рост. Это может служить экспериментальным до-казательством того, по-чему деревья после ката-строфы миллионы лет назад на Земле или полностью вымерли, или уменьшились 12 . Сегодня остатки погибшей биосферы — деревья-гиганты, достигающие высоты до 150 метров, которые ещё совсем недавно были ши-роко распространены по всей планете. Плотный воздух более теплопроводен, поэтому субтро-пический климат распространялся от экватора до полюсов, где не было ледяного панциря. Благодаря высокому атмосферному давлению теп-лопроводность воздуха была высокой. Это обстоятельство вело к тому, что температура на планете распределялась рав-номерно, и на всей планете климат был субтропический. Вследствие вы-сокой теплопроводности воздуха при высоком атмосферном давлении на полю-сах тоже росли тропические и субтропические растения.

За последнее время мы наблюдаем постепенное умень-шение давления на планете. За последнюю тысячу лет давление, если считать, что оно падало по 1-2 мм ртутного столба в год, упало с трёх до одной атмосферы. Суша занимает всего 1/3 поверх-ности планеты, получается, что Земля была покрыта сло-ем сплошной зелёной массы. Многоярусность лесов позволяла разместить на Земле во много тысяч раз больше массы современной биосферы.

6. Деревья-гиганты

Когда - то реликтовые леса с гигантскими растениями покрывали большую часть суши земного шара. Ископаемые образцы говорят о том, что гигантские деревья существовали уже в юрский период. Так сложилось в природе, что десять самых высоких деревьев растут на территории США, и относятся к виду Секвойя. Как уникальные деревья у каждого из них есть имя собственное. Но на других континентах и странах произрастают не мене удивительные и по-своему уникальные виды деревьев.

Секвойя — самое высокое дерево в мире, который растёт всю жизнь в высоту и в ширину. Учёные установили, что секвойя росла на Земле более 100 миллионов лет назад. Об этом свидетельствуют найденные окаменелости с остатками коры. Учёные утверждают, что многие миллионы лет назад секвойи росли по всему северному полушарию Земли. Сегодня в естественном виде эти гиганты растут узкой полосой вдоль берегов Тихого океана в Северной Америке, штат Калифорния, никогда не удаляется далеко от побережья. Искусственно выращивают это дерево в Канаде, Мексике, Великобритании, Португалии, Италии, ЮАР, Новой Зеландии, в Крыму, на Кавказе. Но везде, где это дерево посажено искусственно, не достигает таких огромных размеров, как на своей естественной родине в Северной Америке. Эвкалипт — вечнозелёные исполины, произрастают в Австралии, Новой Зеландии, на Тасмании. Огромные эвкалипты могут жить только во влажном климате субтропиков. Эвкалипт — дерево, не дающее тени, потому что листовые пластинки поворачиваются ребром к солнцу. Благодаря такой способности эвкалипт долго может сохранить вобранную в себя влагу, это настоящий водяной насос. Одно такое дерево в течение суток способно всосать в себя более 300 литров влаги. А за год этот выпивает более 100 тонн воды. Из-за этих свойств, это дерево часто используют в мелиорации 13 .

6.1. Подъём воды в стволах высоких деревьев

Долгое время механизм подъема воды к верхушкам высоких деревьев оставался загадкой. Вода от корней дерева поднимается по ксилеме — сосудистой ткани, а движут ее вверх, против силы тяжести, капиллярные силы. Чем выше дерево (а тем самым высота водяного столба), тем больше сила тяжести затрудняет подъем. Давление водяного столба в ксилеме неуклонно падает с высотой. Столб воды разрывается с появлением пузырьков воздуха. На высотах больше 110 метров, т.е. у вершин деревьев-гигантов, давление в ксилеме очень близко к минимально возможному. Однако во время засух избежать падения давления ниже допустимого уровня не удается — верхняя часть кроны, вероятно, отмирает, но потом заменяется новой. Почти все высокие секвойи имеют несколько вершин. Как и давление в ксилеме, линейно с высотой снижается внутреннее гидростатическое давление в живых клетках, необходимое для их роста и развертывания листьев 14 .

Предел высоты дерева определяется доступностью воды. Высота, которой могут достигнуть секвойи, непостоянна, она меняется со временем в зависимости от климатических и атмосферных перемен — ведь на водообеспечение и углеродный баланс дерева влияет сумма факторов: уровень концентрации углекислого газа в атмосфере, изменения температуры и влажности внешней среды.

7. Эксперимент

Цель эксперимента: доказать, что высота поднятия жидкости в капиллярах зависит от диаметра этих капилляров.

Оборудование и материалы: ёмкость для жидкостей, термометр, штангенциркуль, маркер, набор трубочек различных диаметров, вода родниковая, сок берёзовый натуральный (Приложение А).

Ход работы: 1. Приготовила образцы трубочек различного диаметра для исследования. Штангенциркулем определила их внутренний диаметр и соответственно пронумеровала по уменьшению их диаметра, данные занесла в таблицу 10.1 (Приложение Б). 2. На расстоянии 1 сантиметра от одного конца образца отметила маркером линию. Взяла ёмкость с родниковой водой и по очереди опускала образцы трубочек в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией. 3. Отметила маркером высоту поднятия жидкости. Такой опыт я провела с каждым образцом (Приложение В). 4. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия родниковой воды в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.2 (Приложение Г). 5. Повторила опыт с натуральным берёзовым соком (Приложение Д). 6. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия берёзового сока в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.3 (Приложение Е).

Температура родниковой воды в опыте составляет 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,073 Н⁄м . Температура натурального берёзового сока - 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,062 Н⁄м 15 . Согласно формуле нахождения высоты поднятия жидкости в капиллярах (3.3.1) эта высота будет зависеть от ------, , d .

Вывод: из таблиц 10.2 и 10.3 следует, что высота поднятых жидкостей пропорциональна диаметру трубочек, результаты эксперимента с родниковой водой подтверждают эту пропорциональность результатами эксперимента с натуральным берёзовым соком. Натуральный берёзовый сок как более вязкая жидкость медленнее протекает по капиллярному каналу.

Одним из основных приемов разработки общих теоретических положений является обобщение - средство перехода от познания частных явлений к познанию общих. Оно заключается в исследовании таких свойств и явлений материального мира, которые характеризуют не единичное явление, а целый класс однородных в данном отношении явлений.

Теория подобия - учение о методах научного обобщения эксперимента. Она отвечает на вопрос, как нужно поставить опыт и обработать полученные данные, чтобы их можно было распространить на подобные явления. Всякое явление природы представляет собой систему материальных тел, которая за счет протекания в ней различных процессов претерпевает определенное изменение состояния. Подобными явлениями называют системы тел, геометрически подобные друг другу, в которых протекают процессы одинаковой физической природы и в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа.

Метод подобия применяется в задачах прикладного характера, в которых решения требуется учитывать большое число физических величин и позволяет выделить безразмерные параметры, которые независимо влияют на исследуемый процесс. Такой подход позволяет упростить качественное исследование и численное моделирование эксперимента. Высота столба поднятой жидкости подобна высоте дерева, диаметр трубочек подобен диаметру сосудов древесины. Проанализировав результаты, на основании полученных данных о водопроводящей системе деревьев и метода подобия я построила кривую высот: линейную диаграмму зависимости диаметра сосуда древесины от высоты. (Приложение Ж).

Жидкость в капиллярной трубке преодолевает силу тяжести. В данный момент времени состояние жидкости будет стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Давление обусловлено весом жидкости в древесине.

Согласно формуле определения гидростатического давления столба жидкости (5.1) давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости и независимо от формы сосуда и его размеров. Атмосферное давление воздуха давит на земную поверхность. Гидростатическое давление в данной точке жидкости создастся весом жидкости, находящейся над этой точкой, и весом атмосферы над поверхностью жидкости. Давление у поверхности жидкости часто равно атмосферному давлению.

Вывод по эксперименту: смачивающие жидкости родниковая вода и натуральный берёзовый сок близкие по своему составу к природным источникам воды для всего растительного мира и сокодвижения в деревьях поднимаются по капиллярам сосудов древесины, преодолевая силу тяжести, на высоту дерева, зависящую от коэффициента поверхностного натяжения этих жидкости, их плотности и диаметра капилляра сосудов древесины.

Так как распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер и сформировалось несколько поясов низкого и высокого атмосферного давления в определённых широтах, с большой вероятностью можно сказать, что высота деревьев будет различной при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания и будет зависеть от атмосферного давления как от одного из факторов влияния на рост и развитие растительного мира.

На высоту деревьев влияют разные климатические факторы, в том числе и атмосферное давление, но прежде всего она зависит от гидравлической системы самого дерева.

Заключение

В результате своей исследовательской работы я достигла решения проблемы с помощью поставленной цели и задач:

1. Изучила специальную литературу, включающую научные и журнальные статьи, учебники, словари, энциклопедии по выбранной теме.

2. Углубила свои знания по законам гидравлики, капиллярным явлениям, которые широко распространены как в человеческой деятельности, так и в природе.

3.рДоказала экспериментально зависимость диаметра сосуда древесины от высоты.

4. Проанализировала результаты исследовательской работы и представила результаты в виде линейной диаграммы.

5. Подтвердила гипотезу зависимости высоты дерева от атмосферного давления, как от одного из факторов влияния на различных широтах его произрастания.

6. Усовершенствовала в процессе своей работы личностные качества:

усидчивость;

наблюдательность;

способность работать с большим количеством информации;

стремление к саморазвитию.

Приобрела:

нацеленность на результат;

системность мышления;

аналитические способности.

Я вижу дальнейшую перспективу применения разработанного мной продукта для усовершенствования знаний на уроках физики и биологии в школе.

Список использованной литературы

1. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины. - М.: Издательский дом Альянс, 2002. - 422 с.

2. Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. - Омск.: Издательствово СибАДИ, 2006. - 145 с.

3. Гомоюнов К.К. Физика. Толковый словарь школьника и студента. - М.: Проспект, 2-е издание, 2010. - 496 с.

4. Патури Ф. Растения - гениальные инженеры природы. - М.: Прогресс, 2002. - 265 с.

5. Магеррамов М. А. Теплофизические свойства натуральных и концентрированных плодоовощных соков. - Баку.: Элм, 2006. - 274 с.

6. Сальников В.С. Механика жидкости и газа. - Ярославль.: Издательский дом Факел, 2002. - 199 с.

7. Телеснин Р. В. Молекулярная физика: Учебное пособие. - СПб.: Лань, 2009 . - 368 с.

8. Шемшук В. А. Как нам вернуть Рай. - М.: Омега Плюс, 2009. - 336 с.

9. Алехина Н. Д. Движение воды в целом растении (Электронный ресурс). -http://gendocs.ru

10. Бурова Л.А. Самое высокое дерево в мире (Электронный ресурс). - http://www.doklad-na-temu.ru

11. Горкин А.П. Современная иллюстрированная энциклопедия (Электронный ресурс). - https://www.litmir.me

12. Гэлстон А. Подъём воды в стволах высоких растений (Электронный ресурс). - http://www.booksshare.net

13. Михайлова Н.В. Где растет эвкалипт? (Электронный ресурс). -http://fb.ru

Приложения

Приложение А

Приложение Б

Таблица 10.1 — Номера трубочек и их внутренний диаметр

Приложение Г

Таблица 10.2 — Высота поднятия родниковой воды в трубочках

Приложение Д

Приложение Е

Таблица 10.3 — Высота поднятия натурального берёзового сока в трубочках

Вода, поступившая в клетки корня, под влиянием разности водных потенциалов, которые возникают благодаря транспирации и корневого давления, передвигается до проводящих элементов ксилемы. Согласно современным представлениям, вода в корневой системе передвигается не только по живым клеткам. Еще в 1932г. немецкий физиолог Мюнх развил представление о существовании в корневой системе двух относительно независимых друг от друга объемов, по которым передвигается вода,-- апопласта и симпласта.

Апопласт -- это свободное пространство корня, в которое входят межклетные промежутки, оболочки клеток, а также сосуды ксилемы. Симпласт -- это совокупность протопластов всех клеток, отграниченных полупроницаемой мембраной. Благодаря многочисленным плазмодесмам, соединяющим между собой протопласт отдельных клеток, симпласт представляет единую систему. Апопласт не непрерывен, а разделен на два объема. Первая часть апопласта расположена в коре корня до клеток эндодермы, вторая -- по другую сторону клеток эндодермы и включает в себя сосуды ксилемы. Клетки эндодермы благодаря пояскам. Каспари представляют как бы барьер для передвижения воды по свободному пространству (межклетникам и клеточным оболочкам). Передвижение воды по коре корня идет главным образом по апопласту, где она встречает меньшее сопротивление, и лишь частично по симпласту.

Однако, для того, чтобы попасть в сосуды ксилемы, вода должна пройти через полупроницаемую мембрану клеток эндодермы. Таким образом, мы имеем дело как бы с осмометром, у которого полупроницаемая мембрана расположена в клетках эндодермы. Вода устремляется через эту мембрану в сторону меньшего (более отрицательного) водного потенциала. Далее вода поступает в сосуды ксилемы. Как уже упоминалось, по вопросу о причинах, вызывающих секрецию воды в сосуды ксилемы, имеются различные суждения. Согласно гипотезе Крафтса, это следствие выброса солей в сосуды ксилемы, в результате чего там создается повышенная их концентрация, и водный потенциал становится более отрицательным. Предполагается, что в результате активного (с затратой энергии) поступления соли накапливаются в клетках корня. Однако интенсивность дыхания в клетках, окружающих сосуды ксилемы (перицикла), очень низкая, и они не удерживают соли, которые благодаря этому десорбируются в сосуды. Дальнейшее передвижение воды идет по сосудистой системе корня, стебля и листа. Проводящие элементы ксилемы состоят из сосудов и трахеид.

Опыты с кольцеванием показали, что восходящий ток воды по растению движется в основном по ксилеме. В проводящих элементах ксилемы вода встречает незначительное сопротивление, что, естественно, облегчает передвижение воды на большие расстояния. Правда, некоторое количество воды передвигается и вне сосудистой системы. Однако по сравнению с ксилемой сопротивление движению воды других тканей значительно больше (не менее чем на три порядка). Это приводит к тому, что вне ксилемы движется всего от 1 до 10% общего потока воды. Из сосудов стебля вода попадает в сосуды листа. Вода движется из стебля через черешок или листовое влагалище в лист. В листовой пластинке водопроводящие сосуды расположены в жилках. Жилки, постепенно разветвляясь, становятся все более мелкими. Чем гуще сеть жилок, тем меньшее сопротивление встречает вода при передвижении к клеткам мезофилла листа. Именно поэтому густота жилкования листа считается одним из важнейших признаков ксероморфной структуры -- отличительной чертой растений, устойчивых к засухе.

Иногда мелких ответвлений жилок листа так много, что они подводят воду почти к каждой клетке. Вся вода в клетке находится в равновесном состоянии. Иначе говоря, в смысле насыщенности водой имеется равновесие между вакуолью, цитоплазмой и клеточной оболочкой, их водные потенциалы равны. В связи с этим, как только в силу процесса транспирации возникает ненасыщенность водой клеточных стенок паренхимных клеток, она сейчас же передается внутрь клетки, водный потенциал которой падает. Вода передвигается от клетки к клетке благодаря градиенту водного потенциала. По-видимому, передвижение воды от клетки к клетке в листовой паренхиме идет не по симпласту, а в основном по клеточным стенкам, где сопротивление значительно меньше.

По сосудам вода движется благодаря создающемуся в силу транспирации градиенту водного потенциала, градиенту свободной энергии (от системы с большей свободой энергии к системе с меньшей). Можно привести примерное распределение водных потенциалов, которое и вызывает передвижение воды: водный потенциал почвы (-0,5 бара), корня (-2 бара), стебля (-5 бар), листьев (-15 бар), воздуха при относительной влажности 50% (-1000 бар).

Однако ни один всасывающий насос не может поднять воду на высоту больше 10м. Между тем есть деревья, у которых вода поднимается на высоту более 100м. Объяснение этому дает теория сцепления, выдвинутая русским ученым Е. Ф. Вотчалом и английским физиологом Е. Диксоном. Для лучшего понимания рассмотрим следующий опыт. В чашку с ртутью помещают заполненную водой трубку, которая заканчивается воронкой из пористого фарфора. Вся система лишена пузырьков воздуха. По мере испарения воды ртуть поднимается по трубке. При этом высота подъема ртути превышает 760мм. Это объясняется наличием сил сцепления между молекулами воды и ртути, которые в полной мере проявляются при отсутствии воздуха. Сходное положение, только еще более ярко выраженное, имеется в сосудах у растений.

Вся вода в растении представляет единую взаимосвязанную систему. Поскольку между молекулами воды имеются силы сцепления (когезия), вода поднимается на высоту, значительно большую 10м. Расчеты показали, что благодаря наличию сродства между молекулами воды силы сцепления достигают величины -- 30 бар. Это такая сила, которая позволяет поднять воду на высоту, равную 120м, без разрыва водных нитей, что примерно и составляет максимальную высоту деревьев. 120м, без разрыва водных нитей, что примерно и составляет максимальную высоту деревьев. Силы сцепления существуют и между водой и стенками сосудов (адгезия). Стенки проводящих элементов ксилемы эластичны. В силу этих двух обстоятельств даже при недостатке воды связь между молекулами воды и стенками сосудов не нарушается. Это подтверждается исследованиями по изменению толщины стебля травянистых растений. Определения показали, что в полуденные часы толщина стебля растений уменьшается. Если перерезать стебель, то сосуды сразу расширяются и воздух врывается в них. Из этого опыта видно, что при сильном испарении сосуды сужаются и это приводит к появлению отрицательного давления. Благодаря этому

Ш в.сосуда= -- Ш осм.+(- Ш давл.).

Степень натяжения водных нитей в сосудах зависит от соотношения процессов поглощения и испарения воды. Все это позволяет растительному организму поддерживать единую водную систему и не обязательно восполнять каждую каплю испаряемой воды. Таким образом, при нормальном водоснабжении создается непрерывность воды в почве, растении и атмосфере. В том случае, если в отдельные членики сосудов попадает воздух, они, по-видимому, выключаются из общего тока проведения воды. Таков путь воды по растению и его основные движущие силы. Современные методы исследования позволяют определить скорость передвижения воды по растению. Скорость передвижения воды определяется разностью водных потенциалов в начале и конце пути, а также сопротивлением, которое она встречает. Согласно полученным данным, скорость движения воды в течение суток изменяется. В дневные часы она значительно больше. При этом разные виды растений отличаются по скорости передвижения воды. Если скорость передвижения у хвойных пород обычно 0,5-1,2 м/ч, то у лиственных она значительно выше. У дуба, например, скорость передвижения составляет 27 - 40 м/ч. Скорость передвижения воды мало зависит от напряженности обмена веществ. Изменение температуры, введение метаболических ингибиторов не влияют на передвижение воды. Вместе с тем этот процесс, как и следовало ожидать, очень сильно зависит от скорости транспирации и от диаметра водопроводящих сосудов. В более широких сосудах вода встречает меньшее сопротивление. Однако надо учитывать, что в более широкие сосуды скорее могут попасть пузырьки воздуха или произойти какие-либо иные нарушения тока воды.

Ксилема цветковых растений содержит два типа проводящих воду структур - трахеиды и сосуды. В статье мы уже говорили о том, как выглядят эти структуры в световом микроскопе, а также на микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа. Строение вторичной ксилемы (древесины) рассматривается в статье. Ксилема и флоэма образуют проводящую ткань высших, или сосудистых, растений. Эта ткань состоит из так называемых проводящих пучков, строение и распределение которых в стеблях двудольных растений с первичным строением показано на рисунке.

То, что вода поднимается именно по ксилеме , нетрудно продемонстрировать, погрузив побег срезанным концом в разбавленный водный раствор красителя, например эозина. Подкрашенная жидкость, распространившись вверх по стеблю, заполнит сеть пронизывающих листья жилок. Если затем сделать тонкие срезы и рассмотреть их в световом микроскопе, то окажется, что краситель находится в ксилеме.

Более эффектное доказательство подъема воды по ксилеме дают опыты с «кольцеванием». Такие опыты проводили задолго до того, как стали применяться радиоактивные изотопы, позволяющие очень легко проследить путь веществ в живом организме. В одном из вариантов опыта с одревесневшего стебля снимают узкое кольцо коры вместе с лубом, т. е. флоэмой. Довольно долго после этого находящиеся выше вырезанного кольца побеги продолжают расти нормально: следовательно, такое кольцевание не влияет на подъем воды по стеблю. Однако, если, приподняв лоскут коры, вырезать из-под него сегмент древесины, т. е. ксилемы, то растение быстро завянет. Таким образом, вода движется в побеги из почвы именно по этой проводящей ткани.

Любая теория, объясняющая транспорт воды по ксилеме , не может не учитывать следующие наблюдения.

1. Анатомические элементы ксилемы - тонкие мертвые трубки, диаметр которых варьирует от 0,01 мм в «летней» древесине до 0,2 мм в «весенней» древесине.
2. Большие количества воды движутся по ксилеме с относительно высокой скоростью: у высоких деревьев она составляет до 8 м/ч, а у других растений - около 1 м/ч.
3. Для подъема воды по таким трубкам к вершине высокого дерева необходимо давление порядка 4000 кПа. Самые высокие деревья - секвойи в Калифорнии и эвкалипты в Австралии - достигают в высоту более 100 м. Вода способна подниматься по тонким смачивающимся трубкам благодаря своему высокому поверхностному натяжению (это явление называется капиллярностью), однако только за счет этих сил даже по самым тончайшим сосудам ксилемы вода не поднимается выше 3 м.

Удовлетворительное объяснение этим фактам дает теория сцепления (когезии), или теория натяжения. Согласно этой теории, подъем воды от корней обусловлен ее испарением клетками листа. Как мы уже говорили в статье, испарение снижает водный потенциал клеток мезофилла, прилежащих к ксилеме, и вода поступает в эти клетки из ксилемного сока, водный потенциал которого выше; при этом она проходит через влажные клеточные стенки у концов жилок, как показано на рисунке.

Ксилемные сосуды заполняет сплошной столб воды; по мере того как вода выходит из сосудов, в этом столбе создается натяжение; оно передается вниз по стеблю до самого корня благодаря сцеплению (когезии) молекул воды. Эти молекулы стремятся «прилипнуть» друг к другу, потому что они полярны и притягиваются друг к другу электрическими силами, а затем удерживаются вместе водородными связями. Кроме того, они притягиваются к стенкам ксилемных сосудов, т. е. происходит их адгезия (прилипание) к ним. Сильная когезия молекул воды означает, что ее столб трудно разорвать - у него высокий предел прочности при растяжении. Растягивающее напряжение в клетках ксилемы приводит к генерированию силы, способной сдвигать весь водяной столб вверх по механизму объемного потока. Снизу вода поступает в ксилему из соседних клеток корня. При этом очень важно, что стенки ксилемных элементов жесткие и не спадаются при падении давления внутри, как это бывает, когда сосешь коктейль через мягкую соломинку. Жесткость стенок обеспечивается лигнином. Доказательством того, что жидкость внутри ксилемных сосудов сильно напряжена (растянута), служат суточные колебания диаметра древесных стволов, измеряемые инструментом под названием дендрограф.

Минимальный диаметр отмечен днем, когда интенсивность транспирации наивысшая. Натяжение столба воды в ксилемном сосуде немного втягивает внутрь его стенки (из-за адгезии), и сочетание этих микроскопических сжатий дает фиксируемую прибором общую «усадку» ствола.

Оценки прочности на разрыв столба ксилемного сока варьировали от 3000 доЗО 000 к Па, причем более низкие значения получены позднее. В листьях зарегистрирован водный потенциал порядка -4000 кПа, и прочность столба ксилемного сока, вероятно, достаточна, чтобы выдержать создающееся натяжение. Не исключено, конечно, что столб воды может иногда разрываться, особенно в сосудах большого диаметра.

Критики изложенной теории подчеркивают, что любое нарушение непрерывности столба сока должно немедленно останавливать весь поток, так как сосуд заполнится воздухом и паром (явление кавитации). Кавитацию может вызвать сильное сотрясение, изгибание ствола, а также дефицит воды. Хорошо известно, что на протяжении лета содержание воды в стволе дерева постепенно снижается, древесина заполняется воздухом. Этим пользуются лесозаготовители, потому что такие деревья легче сплавлять. Однако разрыв водного столба в части сосудов слабо влияет на общую скорость объемного потока. Возможно, дело в том, что вода перетекает в параллельно проходящие сосуды или же обходит воздушную пробку, продвигаясь по соседним паренхимным клеткам и по стенкам. Кроме того, согласно расчетам, для поддержания наблюдаемой скорости потока вполне достаточно, чтобы в каждый момент времени функционировала хотя бы небольшая доля ксилемных элементов. У некоторых деревьев и кустарников вода перемещается лишь по более молодой наружной древесине, называемой заболонью. У дуба и ясеня, например, проводящую функцию выполняют в основном сосуды текущего года, а остальная часть заболони играет роль водного резерва. Новые ксилемные сосуды образуются на протяжении всего вегетационного периода, но главным образом в его начале, когда скорость водного потока максимальна.

Вторая сила, обеспечивающая движение воды по ксилеме , - корневое давление. Его можно обнаружить и измерить в тот момент, когда срезают крону, а штамб с корнями некоторое время продолжает выделять сок из сосудов ксилемы. Этот процесс подавляется ингибиторами дыхания, например цианидом, и прекращается при недостатке кислорода и понижении температуры. Работа такого механизма, по-видимому, обусловлена активной секрецией солей и других водорастворимых веществ в ксилемный сок. В результате его водный потенциал падает, и вода поступает в ксилему из соседних клеток корня путем осмоса.

Этот механизм создает гидростатическое давление порядка 100-200 кПа (в исключительных случаях 800 кПа); одного его для подъема воды по ксилеме обычно недостаточно, однако у многих растений оно, несомненно, способствует поддержанию ксилемного тока. У медленно транспирирующих травянистых форм этого давления вполне хватает, чтобы вызвать у них мутацию. Так называется выделение воды на поверхности растения1 в виде капель жидкости, а не пара. Все условия, тормозящие транспира-цию, например слабая освещенность и высокая влажность, способствуют гуттации. Она обычна у многих видов дождевых тропических лесов и часто наблюдается на кончиках листьев у всходов трав.

Путь воды в растении распадается на три различ­ные по физиологии, строению и протяженности части: по живым клеткам корня; по мертвым элементам ксилемы корня, стебля, черешка и жилок; по живым клеткам листа до испаряющей поверх­ности.

Большая часть этого пути приходится на долю водопроводящей системы, состоящей из мертвых по­лых сосудов у покрытосеменных и трахеид у голосе­менных растений. У травянистых растений эта часть водного пути достигает десятков сантиметров, а у дре­весных - многих метров.

Передвижение воды по сосудам ксилемы, длина которых может достигать нескольких десятков санти­метров, происходит довольно легко. Путь через трахеи­ды более трудный: от одной трахеиды к другой вода проходит через окаймленные поры; очевидно, что дви­жение воды через них испытывает большее сопротив­ление, чем через сосуды. Измерения показывают, что у лиственных древесных растений проводимость древе­сины в 3 - 6 раз выше, чем у хвойных. В целом этот путь вода преодолевает куда легче, чем первый и третий через несколько миллиметров или даже долей милли­метров живых клеток - от корневых волосков до сосу­дов центрального цилиндра и от сосудов, расположен­ных в жилках листа, до испаряющих клеток мезофилла.

По сосудам и трахеидам вода передвигается, как по полым трубкам, подчиняясь общим гидродинамичес­ким законам, по живым же клеткам корня и листа - осмотическим путем, с помощью разности сосущих сил соседних клеток в правильно возрастающей последо­вательности. Значительное сопротивление току воды при переходе ее от одной живой клетки к другой дела­ет этот способ совершенно непригодным для передви­жения воды на большое расстояние. Поэтому возник­новение трахеид у папоротниковидных растений яви­лось важным этапом в эволюции растительного мира. Еще более совершенной стала водопроводящая систе­ма с появлением настоящих сосудов у покрытосемен­ных растений.

Через растение перекачивается огромное количество воды. С 1 га посевов пшеницы за лето испаряется около 2 тыс. т, клевера - 7,5, капусты - 8 тыс., Т.е. если собрать всю воду, расходуемую 1 га клевера или капу­сты, то получится водный бассейн площадью 1 га и глубиной 75- 80 см. Еловые молодняки южной тайги за год тратят 4,5 тыс. т воды с 1 га лесной площади, сосно­вые - 5,0, ольховые - до 11 тыс. т.

Видно, что леса расходуют не меньше, а даже боль­ше, чем некоторые сельскохозяйственные культуры. эти колоссальные расходы восполняются за счет деятель­ности корневых систем, с достаточной быстротой вса­сывающих воду из почвы. На этом основана осушаю­щая роль леса в условиях заболачивающихся лесных почв. Поддержанию водного баланса служат и хорошо развитая проводящая воду система, без задержки пода­ющая воду к листьям, а также наличие покровных тка­ней, защищающих растение от излишней потери воды.

Каковы те силы, которые осуществляют непрерыв­ный ток воды от корней через стебель и листья? У тра­вянистых низкорослых растений механизм перетекания ксилемного сока понять легко. Корневое давление наг­нетает воду в сосуды центрального цилиндра корня, а сосущие силы, возникающие в листьях благодаря про­цессу транспирации, притягивают эту воду. Тем самым создается постоянный ток воды по всему растению.

Процесс подъема воды от корней до листьев носит название восходящего тока, в отличие от нисходящего тока органических веществ от листьев к корням. Кор­невое давление, создающееся благодаря метаболизму корневых окончаний, получило название нижнего концевого двигателя водного тока. Притягивающие же воду сосущие силы листьев называют верхним конце­вым двигателем водного тока.

Труднее объяснить непрерывность водного столба у гигантов растительного мира - эвкалиптов, секвой и некоторых других древесных растений, высота кото­рых достигает 140 м. Наши обычные деревья также имеют довольно большие размеры: береза - до 25 м, дуб - 40 м, сосна и ель - до 50 м. К этому следует добавить и значительную протяженность водопроводя­щей системы корней.

Водный ток испытывает и преодолевает силу зем­ного притяжения, силу тяжести. В силу этого, напри­мер, обычные поршневые насосы не могут поднять воду с глубины более 10 м, ибо этот 10-метровый столб воды соответствует давлению в 1 атм. Кроме того, движение воды по ксилеме испытывает довольно значительное сопротивление, особенно у представителей голосемен­ных древесных растений.

Объяснение того, что водный столб протяженно­стью многие десятки метров не разрывается, находим в теории сцепления (когезии) и смачивания стенок со­судов и трахеид водой (адгезии). Действительно, меж­ду молекулами передвигающейся воды существуют значительные силы сцепления, заставляющие эти мо­лекулы следовать друг за другом. Этому способствует и то, что водопроводящие элементы представляют как бы единое целое с водным потоком, так как стенки их полностью смочены, насыщены водой. В них нет воздуха. В таком состоянии они оказывают мини­мальное сопротивление движущемуся потоку. Кро­ме того, само строение сосудов не способствует пе­редвижению пузырьков воздуха из одного сосуда в другой.

Все это весьма сильно отличает условия, создаю­щиеся в дереве, от условий в поршневых насосах. В последних между стенками цилиндра и поршня посто­янно появляются пузырьки воздуха, нарушающие це­лостность водного столба. Происходит обрыв этого столба при подъеме на высоту более 10 м.

Для того чтобы поднять воду на высоту 100 м, необхо­димо наличие сосущих сил в кроне дерева порядка 30 - 35 атм: на преодоление силы тяжести - 10 атм, сопро­тивления фильтрации через поперечные стенки сосу­дов - 20 - 25 атм. В природной обстановке леса такие величины часто регистрируются экспериментально. Поэтому с чисто физической точки зрения представля­ется возможным объяснить подъем воды на высоту 100 м и более.

В процесс е транспирации в листьях деревьев воз­никают сосущие силы, достигающие десятков атмос­фер. Листья насасывают воду из стебля, вследствие чего в сосудах возникает отрицательное давление ­разрежение. Такое состояние можно наблюдать при помощи несложных приборов: в теплый летний день при интенсивной потере воды стволы деревьев умень­шаются в диаметре. Другой способ заключается в том, что при срезании интенсивно транспирирующей вет­ки в подкрашенной воде отмечается мгновенное про­никновение краски через поверхность среза благодаря расширению сосудов.

В зависимости от анатомического строения древе­сины линейная скорость восходящего тока колеблется от 1 - 6 м/ч у хвойных и рассеянно-сосудистых дре­весных пород до 25 - 60 м/ч у кольцесосудистых. Та­кая скорость зарегистрирована летом в полдень. Ско­рость передвижения воды по дереву в течение суток изменяется и в основном соответствует интенсивности транспирации. Существует и светозависимый восходящий водный поток в растениях, тесно не связанный с транспирационной активностью (В.Г. Реуцкий).

В самом дереве быстрее всего вода передвигается в стволе и медленнее - в наиболее молодых ветвях. Среднее положение по этому показателю занимают старые ветви.

Особенности водного тока по стволу дерева:

· С помощью изотопной техники и введения в ствол красок было показано, что у большинства древесных растений водный ток в стволе передвигается по спирали. Это тесно связано с макростроением древесного ствола, что затрудняет ответ на вопрос, какая часть корневой системы питает водой ту или иную сторону кроны дерева.

· Передвижение воды в радиальном направлении осуществляется медленнее и происходит через поры на стенках сосудов и трахеид. Оно имеет зна­чение в поддержании нормальной оводненности живых элементов древесины и коры.

· Неравномерность водного тока. Далеко не вся дре­весина служит местом проведения воды. У ядро­вых древесных растений (сосна, дуб) для этого слу­жит только заболонь. При этом более активны в проведении воды последние годичные слои древе­сины. Это объясняется тем, что только эти слои переходят в древесину однолетних ветвей, тесно связанную с водопроводящей системой листьев. У хвойных, в частности у ели, проводящие пучки хвои сообщаются, по-видимому, с несколькими годич­ными кольцами. Старые годичные кольца просто не достигают кроны, они выклиниваются по мере увеличения высоты дерева. У ряда древесных по­род (акация белая, фисташка, ясень) вода прово­дится всего лишь 1 - 3 последними годичными сло­ями заболони. Такая же картина наблюдается и у заболонных, и у спелодревесных пород (осина, бе­реза, липа), но у них число годичных слоев, прово­дящих воду, несколько больше.

· Можно назвать и такую особенность восходящего тока в стволе дерева, как его изолированность. В общих чертах она присуща и травянистым расте­ниям. Тем не менее, у древесных растений она выражена в большей степени. Проводящая воду древесина ствола отделена от внешней среды не только живыми клетками камбия и флоэмы, но и толстой пробкой или коркой, ограничивающих связь древесины с воздухом атмосферы.

· Такое свойство восходящего тока, как обратu­мость, иногда наблюдается в природе у ряда дре­весных пород, в том числе у некоторых хвойных (ели, пихты), при укоренении нижних ветвей, со­прикасающихся с почвой, или верхушек у выва­ленных деревьев. Ток воды здесь идет в обратном направлении - от морфологически верхнего кон­ца к морфологически нижнему концу.

Восходящий ток обеспечивает все живые клетки растения водой и минеральными элементами. Очень важна роль восходящего тока и в обеспечении живых клеток корней, ствола и ветвей кислородом, ибо проницаемость тканей коры, камбия, древесины для газов весьма низка. Этот растворенный в воде восходящего тока кислород идет на осуществление процесса дыха­ния живых элементов дерева.

Восходящий ток влияет и на оводненность тканей, в частности древесины ствола. В молодом возрасте до образования ядра наибольшей влажностью обладает древесина хвойных пород. Это различие, очевидно, свя­зано с отсутствием у них по сравнению с лиственны­ми породами либриформа.

Резкие изменения оводненности древесины на­блюдаются течение года. Так, у хвойных древесных растений самая низкая влажность отмечается в лет­ние месяцы, а самая высокая - зимой. В поздневе­сеннее и раннеосеннее время влажность древесины занимает среднее положение. Влажность ядровой древесины практически остается неизменной и самой низкой. У лиственных древесных пород отмечено два периода пониженной влажности - летний и во вто­рой половине зимы и два повышенной - весенний во время сокодвижения и зимний - в первой половине зимы.

Влажность древесины молодых деревьев несколь­ко выше, а амплитуда колебаний ее больше, чем у ста­рых деревьев. Содержание воды в древесине меняет­ся и в течение летних суток: наиболее высокое рано утром, а низкое - в полдень.

Вода, запасенная в середине ствола, способна пе­редвигаться в молодые побеги, что особенно важно при отсутствии доступной для растений воды в почве (за­суха, морозы). Например, 100- летняя сосна может пере­носить засушливый период за счет внутренних запа­сов воды в стволе в течение целого месяца.

Перетекающая по растению вода отличается от метаболической воды, которая непосредственно ис­пользуется в различных процессах обмена веществ. Вода постоянно обменивается в клетках растений. С по­мощью современной техники, в частности изотопной, удалось показать, что самый быстрый обмен внутри­тканевой воды на внешнюю воду происходит в корнях растений, а самый медленный - в стеблях. Промежу­точное положение занимают листья.

Похожая информация.

Высшее растение расчленено на органы, которые выполняют разные функции, но имеют много общих свойств, в числе которых можно назвать необходимость питательных, веществ и воды для протекания физиологических процессов. Так как вода поглощается не всеми органами, а в основном корневой системой, возникает необходимость ее передвижения по растению. Этот процесс составляет так называемый восходящий ток. Следует отметить, что это название отражает не направление, а характер передвижения и его локализацию в растении. Он проходит главным образом по мертвым тканям стебля или черешка - сосудам или трахеям у покрытосеменных растений и трахеидам у голосеменных. Однако эта локализация не абсолютна: вода способна перемещаться и по другим анатомическим элементам, например по флоэмной системе.

Вода с растворенным и в ней минеральным и веществами поднимается по сосудам древесины.

Если принять во внимание всю протяженность пути восходящего тока, то его можно будет разбить на два не равных по длине участка.

1. Мертвые гистологические элементы в середине проводящего пути сосуды или трахеиды. Протяженность этого участка значительна, но вода проходит по нему сравнительно легко, так как двигается пассивно по мертвым элементам, не испытывая с их стороны значительного сопротивления.

2. Живые клетки корня и листа, находящиеся в начале и в конце пути передвижения. Этот путь пространственно короток, но преодолевается он с большим трудом, так как клеточные мембраны препятствуют передвижению воды.

Передвижение воды в восходящем токе имеет важное значение в жизни растения. Этот ток снабжает водой все органы и ткани, приводя их в состояние тургора. Восходящий ток воды захватывает минеральные ионы, поглощенные корнем, переносит их и тем самым облегчает распределение (но не поглощение!) по растению.

Для того чтобы вода двигалась по растению (и не просто двигалась, а поднималась вверх), необходимы затраты некоторого количества энергии, точки приложения которой располагаются по концам тока, вследствие чего они получили название концевых двигателей.

Нижний концевой двигатель, или корневое давление. Его роль проявляется в основном при активном поглощении - нагнетании воды. При участии сократительных белков он не только подает воду в корневую систему, но и проталкивает ее дальше в сосуды корня и вверх по стеблю. Нагнетание воды

Активный энергозависимый процесс, который сильнее всего выражен в коре корня. Сила, развиваемая концевым двигателем, невелика (около 0,15 МПа), она может обеспечить подъем воды на высоту не более одного метра, т. е. достаточна для травянистых растений и небольших кустарников.

Симпласт - это система взаимосвязанных протопластов растения. Протопласты соседних клеток соединяются между собой плазмодесмами - цитоплазматическими тяжами, проходящими через поры в клеточных стенках. Вода с любыми растворенными в ней веществами, попав в протопласт одной клетки, может двигаться дальше по симпласту, не пересекая никаких мембран. Это движение иногда облегчается благодаря упорядоченному току цитоплазмы.

Апопласт - это система соприкасающихся клеточных стенок, образующая непрерывную сеть по всему растению. До 50% такого целлюлозного каркаса представляет собой как бы « свободное пространство», которое может быть занято водой. При ее испарении в межклетники с поверхности клеток мезофилла в непрерывном апопластном слое воды возникает натяжение, и весь он по механизму объемного потока подтягивается к месту убывания благодаря когезии (« сцеплению») водных молекул. В апопласт вода поступает из ксилемы.

Верхний концевой двигатель, или присасывающая сила транспирации. При постоянном испарении воды в листьях растений разбивается сосущая сила (1 - 1,5 МПа), отсасывающая воду от ближайших клеток и передающаяся последующим клеткам, по которым передвигается вода, вплоть до сосудов. В сосудах нет цитоплазмы, поэтому нет и осмотического давления, и всасывание жидкости происходит при участии всей величины сосущей силы. Она позволяет поднять воду на несколько метров, действуя подобно гидравлическому насосу. Этой силы достаточно для обеспечения водой кустарников и сравнительно небольших деревьев.

Поднятие воды по стволу дерева

Концевые двигатели могут поднять воду на высоту до 10 м. Но многие древесные растения имеют гораздо большую протяженность ствола, и тогда оба концевых двигателя не могут обеспечить подъем воды. У таких растений на помощь приходят силы сцепления между молекулами воды, которые очень велики и могут достигать 30 - 35 МПа. Этой силы достаточно для того, чтобы поднять воду на 1 - 2 км, что значительно превышает высоту любого дерева.

Силы сцепления молекул воды действуют только при определенных условиях: водные струи в сосудах должны идти непрерывно, без пузырьков воздуха. Если же в них попадает воздух, что возможно при их поранении или перерезке, передвижение воды прерывается. Этим объясняется завядание побегов древесных растений с листьями и цветками (например сирени), когда их после срезания помещают в воду не сразу, а спустя некоторое время.