Передвижение веществ по стеблю. Транспорт минеральных веществ в растении Транспорт минеральных и органических веществ в растении
Ионы поступают в растение в результате их диффузии из почвенного раствора в клеточные стенки корневых волосков и других эпидермальных клеток. Затем, прежде чем переместиться в другие части растения, они транспортируются в симпласт или апопласт. Если ион поступает в симпласт, пройдя через плазмалемму наружной клетки корня, то его последующее передвижение от клетки к клетке будет происходить по плазмодесмам. Кроме того, он может двигаться по апопласту, пока не достигнет пояска Каспари (см. рис. 7.14). Так как ни вода, ни растворенные ионы не могут диффундировать через суберинизированные клеточные стенки, образующие поясок Каспари, все ионы, перед тем как двигаться дальше, должны пройти через цитоплазму клеток эндодермы. Одни ионы могут проникать через мембранные барьеры легче, чем другие. Поэтому свойства плазмалеммы клеток корня важны для контролирования обмена минеральными веществами между почвой и надземными частями растения. Наряду с избирательной проницаемостью мембран большую роль играет также активный транспорт многих ионов. Отрицательно заряженные ионы обычно активно транспортируются в клетку, так как их перемещение в клетку путем диффузии тормозится внутренним отрицательным потенциалом. Избыточное поступление некоторых катионов, например Na + , благодаря диффузии нейтрализуется активным выделением этих ионов из клетки, т. е. они активно выбрасываются растением.
Проникнув в цитоплазму клетки эндодермы, ионы могут продолжить движение по симпластному пути через плазмодесмы к какой-либо клетке перициклического слоя или, покинув симпласт, они могут достичь посредством диффузии или активного транспорта ксилемы или апопластной зоны стелы. Если ионы продолжают транспортироваться по стеле через симпласт, то в конечном счете они должны будут оставить протопласт и пересечь клеточную мембрану, прежде чем попадут в полость какого-либо мертвого элемента ксилемного сосуда. Мы знаем, что ионы накапливаются в ксилемных трубках в те периоды, когда наблюдается слабый водный ток. Поскольку при этом ионы должны перемещаться как внутрь по меньшей мере одной клетки, так и из нее, очевидно, что две стороны некоторых мембран, вероятно, эндодермальных клеток, обращенные к поверхности и внутрь корня, должны обладать разными ионотранспортными свойствами.
Поступив в ксилему, ионы не могут перейти обратно в симпласт, так как их диффузии препятствует избирательная проницаемость клеточных мембран, в то же время их путь в почву через апопласт блокирован пояском Каспари. Накопление ионов в ксилеме увеличивает концентрацию растворенных веществ в ксилемном соке, что может привести к развитию корневого давления, рассмотренного в гл. 6. Ионы в ксилеме, переносимые восходящим транспирационным током, перед проникновением в протопласт живой клетки должны быть вновь поглощены плазмалеммой. Каков бы ни был путь ионов, растение, очевидно, сводит к минимуму число плазмалеммных барьеров, которые данный ион должен пересечь, чтобы достичь своей конечной цели.
Подвижность минеральных ионов
После поступления в ксилему корня большинство ионов транспортируется в надземные части растения, но некоторые попадают во флоэму и переносятся вместе с другими растворенными веществами к потребляющим клеткам в растущем корневом апексе и к зонам запасания питательных веществ. Вновь поглощенные ионы свободно перемещаются по растению. Однако использование этих ионов в клетке может быть связано с их включением в какую-нибудь структурную молекулу. Формирующиеся ткани требуют непрерывного снабжения всеми основными минеральными ионами. Бели все они поступают из почвы, то растение не испытывает никаких трудностей. Однако когда какого-либо минерального иона нехватает, его иногда можно получить при распаде сформировавшихся ранее молекул в старых клетках. Так, N, образующийся при расщеплении аминокислот, и Mg 2+ , возникающий при распаде хлорофилла, передвигаются из более старых частей растения в молодые растущие клетки. Такое перемещение подвижных питательных элементов осуществляется, вероятно, по флоэме. Удаление этих элементов из более старых клеток ускоряет старение и вызывает появление симптомов минеральной недостаточности в более старых частях растения.
Некоторые минеральные элементы прочно связываются в клетке и, поступив в нее однажды, не выносятся оттуда. Симптомы дефицита таких неподвижных элементов наблюдаются в самых молодых тканях. Ca 2+ и Fe 2+ (+) - два элемента, в которых часто ощущается недостаток, что и вызывает развитие заметных симптомов их дефицита в растущих тканях. В отсутствие Ca 2+ не может формироваться срединная пластинка новых клеток. Поскольку нормальная проницаемость мембраны также зависит от соответствующего обеспечения кальцием, апекс перестает расти и вскоре отмирает. Железо необходимо для синтеза хлорофилла. Оно является также компонентом ферредоксина и цитохрамов. При недостатке железа растения часто обнаруживают полную этиоляцию самых молодых листьев. Независимо от того, подвижны или неподвижны дефицитные элементы, нормальный интенсивный рост растения можно восстановить лишь после действительно полного обеспечения его всеми необходимыми элементами питания.
1. Как осуществляется транспорт веществ по растению?
Вода с минеральными веществами поступает в растение из почвы через кор-невые волоски. Затем по клеткам коры этот раствор поступает в сосуды прово-дящей ткани, которые находятся в центральном цилиндре корня. Сосуды — это длинные трубки, которые образуются из многих клеток, поперечные стенки между которыми разрушаются, а внутреннее содержимое отмирает. Таким обра-зом, сосуды — мертвые проводящие элементы. По сосудам, благодаря действию ряда факторов, вода и растворённые в ней вещества передвигаются по стеблю к листьям. Это направление движения растворов получило название восходящий поток веществ.
Органические вещества транспортируются от листьев по стеблю в направле-нии корневой системы. Передвижение этих веществ происходит сначала по ситовидным трубкам листа, а потом стебля. Ситовидные трубки — это живые клетки, поперечные стенки которых имеют много отверстий и похожи на сито. Отсюда и название этих проводящих элементов. Поток органических веществ по ситовидным трубкам от листа ко всем органам называют нисходящим.
Таким образом, восходящий поток обеспечивает транспорт неорганических веществ по сосудам, а нисходящий поток — транспорт органических веществ по ситовидным трубкам.
2. Где и для чего запасаются вещества в растении?
Растения запасают как неорганические, так и органические вещества. Напри-мер, растения засушливых местообитаний, такие, как очитки, молодило, кактусы, алоэ, молочаи, — имеют мясистые сочные стебли или листья, в которых накапли-вается много воды; благодаря этому растения могут переносить продолжительные периоды засухи. Органические вещества растение запасает также в специальных тканях стебля, корня или листа. Чаще всего растения запасают углеводы, белки и жиры. Так, углевод крахмал обычно откладывается в сердцевине стебля деревьев, видоизменённых корнях — корнеплодах (например, морковь, свёкла) и корневых клубнях (георгин и т. п.), видоизменённых побегах — клубнях (картофель), корне-вищах (касатик, или ирис) и луковицах (тюльпан) и т. п. Запасные белки и жиры запасаются в основном в семенах (например, кукуруза, горох, фасоль, орех), реже в плодах (например, облепиха, маслины).
Растения запасают питательные вещества в видоизменённых вегетативных органах или в плодах и семенах. Эти ве-щества помогают им переносить неблагоприятные условия, обеспечивают появ-ление новых органов растений или их размножение.
3. Чем между собой отличаются видоизменения побегов?
Как вы уже знаете, основными надземными видоизменениями побега или его частей (стебля и листьев) являются усики, колючки и усы. Усики — это удлинённые тонкие побеги, благодаря которым растения прикрепляются к опоре (например, виноград, огурцы), а колючки — это укороченные побеги, которые защищают растение от чрезмерного испарения (например, кактусы, чертопо-лох). Они располагаются в пазухах листьев или в узле напротив листа, что дока-зывает их побеговое происхождение. Удлиненные тонкие побеги земляники, клубники, лапчатки гусиной, или гусиных лапок, называют усами. С их помо-щью растения размножаются. Материал с сайта
Наиболее распространенными подземными видоизменениями побега являются корневище, клубень и луковица. Корневище похоже на корень. Но у него нет корневого чехлика и корневых волосков, зато есть зачатки листьев, имеющих вид чешуек. В пазухах этих чешуек имеются почки, из которых развиваются подзем-ные и надземные побеги (например, пырей, касатик, ландыш, валериана). Стебель корневища может быть длинным (например, ландыш, пырей) и коротким (напри-мер ирис). Ежегодно из почек корневища весной развиваются молодые надземные побеги. Клубень — это утолщенное, вздутое, мясистое видоизменение побега. Клубни могут быть надземными (например кольраби) и подземными (например, топинамбур, картофель). В картофеле клубень образуется вследствие разрастания стебля, листья совсем не развиваются и имеют вид рубцов, которые называют бровками. Почки, как им и надлежит быть, находятся в их пазухах и их называют глазками. Луковица - подземное видоизменение побега, в котором накапливаются питательные вещества (например, чеснок, тюльпан, лук, нарцисс). В луке репчатом луковица состоит из укороченного стебля (донце), внешних сухих и внутренних мясистых видоизменённых листьев-чешуй и почек.
Итак, видоизменения побега отличаются между собой строением и функциями.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском
На этой странице материал по темам:
- урок на тему транспорт веществ в растении
- органические вещества транспортируются по стебля
- как растения запасают органические вещества
- органические вещества в растении передвигаются по
- как транспортируются неорганические вещества вниз
Для осуществления процессов жизнедеятельности растениям нужна вода и растворенные в ней минеральные (неорганические) вещества. Получить их растение может в основном из увлажненной почвы. За всасывание водного раствора у растений отвечают корни. Однако не столько корни нуждаются в воде, сколько листья и другие надземные органы растения (развивающиеся почки, побеги, цветки, плоды). Поэтому у высших растениях в процессе эволюции получила развитие проводящая система, обеспечивающая транспорт веществ. Наиболее сложное строение она имеет у покрытосеменных растений.
За передвижение воды и минеральных веществ как по стеблю, так и по листьям и в корнях, отвечают сосуды . Они представляют собой мертвые клетки. Движение воды и минеральных веществ вверх обеспечивается за счет корневого давления и испарения воды листьями.
У древесных растений сосуды находятся в древесине стеблей. В этом можно убедиться, если поставить ветку в подкрашенный водный раствор. Через некоторое время на поперечном спиле можно увидеть, что окрасится только древесина. Это значит, что только по ней передвигаются вода и растворенные в ней минеральные вещества.
Передвижение по стеблю органических веществ
В зеленых листьях растений происходит фотосинтез, в процессе которого синтезируются органические вещества. Из этих веществ в дальнейшем синтезируются другие органические вещества, используемые в различных процессах жизнедеятельности и для получения энергии.
В органических веществах нуждаются не только зеленые части растения, но и другие органы и ткани. Кроме того, часть органических веществ откладывается про запас. Поэтому в растениях осуществляется передвижение не только воды и минеральных веществ, но и транспорт органических веществ. Обычно он идет в противоположную сторону от тока водного раствора.
Органические вещества у покрытосеменных растений передвигаются по ситовидным трубкам . Это живые клетки, их поперечные перегородки, которыми они соприкасаются друг с другом, похожи на сито.
У древесных растений ситовидные трубки расположены в лубе, который является часть коры, расположенной ближе к камбию (с внутренней стороны от камбия находится древесина).
Если кора стебля растения повреждается достаточно глубоко, и это препятствует оттоку органических веществ, то на стволе образуются так называемые наплывы, или наросты. В них скапливаются органические вещества. За их счет на повреждении ствола образуется раневая пробка. Далее в этом месте могут начать развиваться корни и почки.
Органические вещества у растений часто накапливаются в различных органах и тканях (корнях, стеблях, сердцевине). Весной эти вещества используются для того, чтобы у растения появились листья и новые побеги. Для этого запасенные органические вещества должны раствориться в воде и переместиться туда, где они требуются. И получается, что в это время органические вещества двигаются не по ситовидным трубкам, а по сосудам с водой и минеральными веществами.
Транспорт ассимилятов - дальний и ближний - всегда сопряжен с затратой энергии. Вначале ассимиляты (глюкоза) из мест их образования проходят по симпласту до клеток-спутниц и окружающих ситовидные трубки паренхимных клеток . В этих клетках сначала происходит превращение глюкозы в сахарозу , которая затем в результате активного переноса "перекачивается" в ситовидные трубки. Дальний транспорт сахаров по ситовидным трубкам осуществляется в виде сахарозы . В местах потребления ассимилятов или отложения запасных веществ ассимиляты переходят из ситовидных трубок и достигают конкретного места назначения по симпластическому пути также в виде глюкозы .
Растущие органы и ткани - листья , меристемы - активно притягивают к себе ассимиляты из мест их хранения, а также из закончивших рост листьев.
Главный путь дальнего транспорта ионов - транспирационный ток по ксилеме . Для ближнего транспорта в корне используются симпласт и апопласт . Главным фильтрующим барьером на пути ионов в корне оказывается эндодерма с ее поясками Каспари . Через эндодерму ионы проникают по пропускным клеткам путем активного транспорта. Переход ионов в сосуды может быть пассивным или активным. В оси побега - стебле - ионы активно извлекаются из сосудов и транспортируются в горизонтальном направлении, в основном по сердцевинным лучам. В листе из окончаний сосудов ионы выходят пассивно вместе с транспирационным током и в течение вегетационного периода могут накапливаться в большом количестве. Часть накопленных ионов (Са и Mg) удаляется вместе с осенним листопадом, другая часть к этому времени из листьев отводится.
Основным двигателем транспирационного тока является
Клетки обмениваются различными веществами с окружающей их средой в результате диффузии. Однако перенос веществ обычной диффузией на большие расстояния неэффективен; возникает необходимость в специализированных системах транспорта. Такой перенос из одного места в другое осуществляется за счёт разности давлений в этих местах. Все переносимые вещества движутся с одинаковой скоростью в отличие от диффузии, где каждое вещество движется со своей скоростью в зависимости от градиента концентрации.
У животных можно выделить четыре основных типа транспорта: пищеварительную , дыхательную , кровеносную и лимфатическую системы. Часть из них были описаны ранее, к другим мы перейдем в следующих параграфах.
У сосудистых растений передвижение веществ осуществляется по двум системам: ксилеме (вода и минеральные соли) и флоэме (органические вещества). Передвижение веществ по ксилеме направлено от корней к надземным частям растения; по флоэме питательные вещества движутся от листьев.
Одним из важнейших механизмов транспорта веществ в растении является осмос. Осмос – это переход молекул растворителя (например, воды) из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Этот процесс похож на обычную диффузию, но протекает быстрее. Численно осмос характеризуется осмотическим давлением – давлением, которое нужно приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор.
В растениях роль таких полупроницаемых мембран играют плазматическая мембрана и тонопласт (мембрана, окружающая вакуоль). Если клетка контактирует с гипертоническим раствором (то есть раствором, в котором концентрация воды меньше, чем в самой клетке), то вода начинает выходить из клетки наружу. Этот процесс называется плазмолизом . Клетка при этом сморщивается. Плазмолиз обратим: если такую клетку поместить в гипотонический раствор (с более высоким содержанием воды), то вода начнёт поступать внутрь, и клетка снова набухнет. При этом внутренние части клетки (протопласт) оказывают давление на клеточную стенку. У растительной клетки набухание останавливается жесткой клеточной стенкой. У животных клеток жёстких стенок нет, а плазматические мембраны слишком нежны; необходим особый механизм, регулирующий осмос.
Еще раз подчеркнём, что осмотическое давление – величина скорее потенциальная, чем реальная. Она становится реальной только в отдельных случаях – например, при её измерении. Также необходимо помнить, что вода движется в направлении от более низкого осмотического давления к более высокому.
Основная масса воды поглощается молодыми зонами корней растений в области корневых волосков – трубчатых выростов эпидермиса. Благодаря им значительно увеличивается всасывающая воду поверхность. Вода поступает в корень за счёт осмоса и движется вверх к ксилеме по апопласту (по клеточным стенкам), симпласту (по цитоплазме и плазмодесмам), а также через вакуоли . Надо заметить, что в клеточных стенках имеются полоски, называемые поясками Каспари . Они состоят из водонепроницаемого суберина и препятствуют продвижению воды и растворённых в ней веществ. В этих местах вода вынуждена проходить через плазматические мембраны клеток; полагают, что таким образом растения защищаются от проникновения токсичных веществ, патогенных грибов и т. п.
Вторая важная сила, участвующая в подъёме воды, – это корневое давление . Оно составляет 1–2 атм (в исключительных случаях – до 8 атм). Этой величины, конечно, недостаточно, чтобы в одиночку обеспечить движение жидкости, но её вклад у многих растений несомненен.
Попадая по ксилеме в листья, вода и минеральные вещества распределяются через разветвлённую сеть проводящих пучков по клеткам. Движение по клеткам листа осуществляется, как и в корне, тремя способами: по апопласту, симпласту и вакуолям. На свои нужды растение использует менее 1 % поглощаемой им воды, остальное в конце концов испаряется через восковый слой на поверхности листьев и стеблей – кутикулу (около 10 % воды) – и особые поры – устьица (90 % воды). Травянистые растения теряют в день около литра воды, а у больших деревьев эта цифра может доходить до сотен литров. Испарение воды ( транспирация ) осуществляется за счёт энергии солнца. Проще всего транспирацию наблюдать, если накрыть растение в горшке колпаком; на внутренней поверхности колпака будут собираться капельки жидкости.
На скорость испарения влияют многие факторы; как внешние условия (свет, температура, влажность, наличие ветра, доступность воды в почве), так и особенности строения листьев (площадь поверхности листа, толщина кутикулы, количество устьиц). Ряд внешних факторов приводит к уменьшению диффузии воды из листьев, другие (например, отсутствие света или сильный ветер) вызывают замыкание устьиц (благодаря работе особых замыкающих клеток). Растения засушливых регионов имеют специальные приспособления для уменьшения транспирации: погруженные глубоко в листья устьица, густое опушение из волосков или чешуек, толстый восковой налёт, превращение листьев в колючки или иглы и другие. Осенний листопад в умеренных широтах также призван уменьшить испарение воды, когда наступят холода.
Некоторые минеральные вещества, выполнив свою полезную функцию, могут перемещаться дальше вверх или вниз по флоэме. Это происходит, например, перед сбрасыванием листьев, когда накопленные листьями полезные вещества сохраняются, откладываясь в других частях растения.
У многоклеточных растений есть ещё одна транспортная система, предназначенная для распределения продуктов фотосинтеза, – флоэма. В отличие от ксилемы, органические вещества могут транспортироваться по флоэме и вверх, и вниз. 90 % переносимых веществ составляет сахароза, которая практически не участвует в метаболизме растения непосредственно и поэтому является идеальным углеводом для транспорта. Скорость движения сахара обычно составляет 20–100 см/ч; за день по стволу большого дерева может пройти несколько килограммов сахара (в сухой массе).
Каким образом столь большие потоки питательных веществ могут протекать в тонких ситовидных трубках флоэмы (их диаметр не превышает 30 мкм), не совсем понятно. По-видимому, вещества по флоэме распространяются массовым током, а не диффузией. Возможными механизмами транспорта являются обычное давление или электроосмос.
При повреждении флоэмы ситовидные трубки закупориваются в результате отложения каллозы на ситовидных пластинках. Безвозвратная утечка питательных веществ обычно прекращается уже через несколько минут после повреждения.
