Что постоянно происходит у растений
Биология
План урока:
Минеральное питание растений
Все физиологические процессы не могут быть осуществлены без присутствия различных элементов. Растение своими корнями одновременно с водой вбирает из почвы и соли, то есть осуществляется процесс минерального питания. В почве содержатся различные элементы, но не все они нужны организму.
Какие же вещества необходимы для минерального питания растениям? Много времени и труда было затрачено учеными на выяснение этого вопроса. Многочисленными опытами установлено, что для минерального питания растениям необходимы следующие вещества: азот, фосфор, калий, а также некоторые другие.
Так, если растить растение в сосуде с раствором, в котором содержатся все требуемые в питании минеральные вещества, то оно нормально растет, цветет и плодоносит. Но если выращивать то же растение в растворе, в котором недостает какого-либо элемента, то оно вырастает маленьким, а затем погибает от голода.
Таким образом,не давая растению то одной, то другой соли, удалось выяснить, какие вещества необходимы для минерального питания. Из всех необходимых растительному организму элементов мы называем только три, потому что их часто недостает в почве. Познакомимся с ролью некоторых веществ в минеральном питании растений.
У высших растительных существ минеральное питание осуществляется корнями. На поверхности корня находится огромное количество волосков. Посредством их как раз и осуществляется поглощение питательных веществ из земли. Волоски корня соприкасаются с почвенными частичками, что способствует лучшему всасыванию влаги. Поступающий в корневые волоски раствор переходит по клеткам и достигает сосудов. По ним раствор движется к стеблю, а из него – к остальным органам. Этот процесс обеспечивается благодаря корневому давлению.
Проиллюстрировать корневое давление возможно, проводя опыт. У молодого растения, лучше всего комнатного, стебель обрежем чуть выше начала корня, на 4 см. Увлажним землю в горшке теплой водой. На обрезанный стебель поместим резиновую трубочку, а другой конец совместим со стеклянной трубкой. В течение определенного времени будем наблюдать подъем воды по трубке. Эксперимент доказывает наличие корневого давления.
Значение корневого давления в жизни растительного организма велико. Благодаря ему происходит поступление питательных растворов ко всем органам, которые необходимы для различных процессов.
Питательные элементы растительный организм поглощает из почвы, в которой укрепляется корнями. Что же собой представляет почва?
Почва – поверхностный слой земли, покрытый растениями, способный создавать условия для их жизни. Поверхностный слой обладает плодородием, которое зависит от наличия органических веществ.
Органический материал почвы получил название перегноя. Формирование его происходит при перегнивании остатков других организмов. Также в почве имеется песок, глина, минеральные соли, вода, воздух.
Следует учитывать, что впитывая питательные растворы, растительный организм истощает почву, то есть содержание различных элементов снижается. Для восполнения дефицита в почву добавляют минеральные и органические удобрения.
Самым распространенным органическим удобрением считается навоз, который является отходами жизнедеятельности животных. В почве он постепенно перегнивает, и от него остаются различные минеральные элементы. Внесение этого органического удобрения делает почву более рыхлой, она лучше удерживает воду, содержит больше воздуха и питательных элементов.
Жидким органическим удобрением является навозная жижа.Получают ее добавляя к навозу воду.
Особенно богат питательными элементами птичий помет. Его разбавляют водой, получившим настоем поливают землю.
Обогащают почву и считаются органическими удобрениями перегной, торф, компост. Компост специально приготавливают из разных органических отбросов в смеси с землей.
Широко применяются в сельском хозяйстве минеральные удобрения, производимые на заводах. Азотные и калийные удобрения хорошо растворяются в воде, фосфорные же малорастворимые. Все эти минеральные удобрения обыкновенно имеют вид порошков, но нередко их изготавливают в виде гранул.
Установлено, что гранулированные удобрения лучше используются растительными организмами, чем порошкообразные.
Внесение минеральных, а также органических удобрений, производят в разные периоды роста организма. Органические удобрения лучше вносить в почву до посева семян и посадки растений. Минеральные удобрения напротив важны растительному организму уже в период роста. Каждый вид удобрений определенным образом влияет на развитие организма. Так, азотные удобрения затягивают созревание, поэтому их вносят обычно в первую половину лета. Кроме того, они способствуют лучшей перезимовке растений. С этой целью, например, широко применяют осеннюю подкормку озимых культур фосфорными и калийными удобрениями.
В результате минерального питания растение поглощает питательные растворы из почвы,а формирование органических веществ осуществляется при фотосинтезе.
Фотосинтез
Из углекислого газа и воды в зеленых листьях на свету образуются органические вещества, то есть протекает процесс фотосинтеза.
Впервые процесс фотосинтеза был открыт английским химиком Джозефом Пристли в 1771 году.
В дальнейшем исследованию этого сложного явления, происходящего в листьях, посвятил свою жизнь русский ученый К.А.Тимирязев. Он изучал важнейшую роль хлорофилла, а также солнечного света при формировании органических веществ.
Фотосинтез очень сложный и многоступенчатый процесс, который происходит в зеленых частях растений. Зеленый цвет придает хлорофилл, в котором и осуществляется протекание фотосинтеза.
Можно выделить две фазы фотосинтеза:
Для нормального протекания процесса фотосинтеза необходимы определенные условия.
Из опыта видно, что все реакции фотосинтеза протекают при наличии одного из основных условий – света.
После проведения опыта становится, очевидно, что без углекислого газа в клетках зеленых листьев крахмал не образуется даже на свету, значит, фотосинтез не протекает.
Подведя итог можно сказать, что основными условиями процесса фотосинтеза являются наличие зеленых листьев, света и углекислого газа. Только в этом случае растительный организм будет формировать органические вещества, необходимые для построения его тела, на образование клеток. Большая часть таких веществ еще и откладывается в запас, к примеру, в семенах, плодах и других органах.
К слову сказать, фотосинтез считается управляемым процессом. Его интенсивность повышается при улучшении освещенности растений, достаточном снабжении их водой и минеральными элементами, поддерживание в теплицах и парниках нужной температуры, а также достаточной концентрации углекислого газа в воздухе.
Дыхание растений
Как и для всех живых существ, для растений характерно дыхание. Каких-то особых органов дыхания у растений нет. Их организм дышит всеми органами непрерывно, и днем, и ночью. В процессе дыхания растения поглощают кислород и выделяют углекислый газ.
Рассмотрим опыт, доказывающий дыхание органов растения.
В три сосуда помещаем влажные семена, корнеплоды и срезанные ветки растений. Плотно прикрываем эти сосуды и помещаем в темный шкаф на двое суток.
После этого достаем сосуды и проверяем состав воздуха. Для этого опускаем горящую свечу, и она гаснет. Соответственно, если бы в сосуде был кислород, то горение свечи продолжилось, так как он способствует этому процессу. В сосуде кислорода нет, значит,при дыхании клетки растений его поглотили.Однако, там высокое содержание углекислого газа, так как происходит потухание свечи, а, как известно, этот газ не поддерживает горение.
Причем на данном опыте мы можем убедиться, что дыхание происходит не только в листьях, но и во всех других органах растений, к примеру, в семенах и корнеплодах.
В любом организме все процессы жизнедеятельности связаны между собой. Питание из воздуха, то есть фотосинтез, осуществляется лишь теми органами, в которых содержится хлорофилл, главным образом листьями. К клеточному дыханию способны все органы растения – корни, стебли, листья, цветки. При питании из воздуха поглощается углекислый газ и выделяется кислород, а при дыхании наоборот. Получается, что фотосинтез и дыхание растений, прямо противоположные процессы.
Различие фотосинтеза и дыхания можно представить в таблице.
Какова же может быть взаимосвязь между такими разными процессами как дыхание и фотосинтез?
При фотосинтезе растительный организм увеличивает количество органических веществ, происходит их накопление, образование новых клеток и рост тела. Для всего этого растение использует энергию солнечного света и накапливает ее в виде органических веществ. В процессе дыхания организм расходует накопленные вещества и освобождается энергия, необходимая для других процессов. В этом и проявляется взаимосвязь процессов фотосинтеза и дыхания, которую можно отразить в виде схемы.
Оба эти процессы необходимы для жизни растения. При всем этом, они необходимы и для других организмов. Взаимосвязь фотосинтеза и дыхания проявляется также в поддержании постоянства состава воздуха. Питание растений происходит только днем, дыхание – непрерывно, в течение всего времени. Но так как при питании растение выделяет раз в 20 больше кислорода, чем поглощает его при дыхании, то днем, на свету, происходит обогащение воздуха кислородом. Ночью же, в темноте, зеленые растения только дышат, и поэтому в воздухе становится больше углекислого газа.
В науке признано, что кислород, который содержится в атмосфере, выделен зелеными растениями в процессе питания из воздуха. Этим кислородом дышит все живое на планете.
Жизнедеятельность растений: основные жизненные процессы в организме растений и связь органов в организме растения
Какие жизненные процессы протекают в растительном организме? Рассмотрим основные.
Жизненные процессы в организме растений
Под жизнью понимают биологический и качественно особенный вид движения материи. Поскольку растение является живым организмом, то и ему характерны все основные признаки живого.
К основным жизненным процессам, протекающим в организме растения и не зависящим от строения растения, относятся:
Обмен веществ и энергии
Основной признак проявления жизни — осуществление обмена веществами и энергией. Самым сложным процессом, связанным с образованием веществ или ассимиляцией, является фотосинтез. В случае распада веществ или диссимиляции — это дыхание.
Обмен веществ и энергии — непростой комплекс процессов поступления в организм веществ и энергии из вне, с последующим их преобразованием, усвоением, а также распадом с выделением энергии и выведением из организма.
Постоянный обмен и превращение веществ и энергии обеспечивают размножение, рост и реакции растений на меняющиеся условия. Организм постоянно принимает вещества, которые проходят в нем определенные превращения, и выводит конечные продукты обмена.
Обмен веществ — это два взаимосвязанных процесса:
К примеру, солнечная энергия позволяет зеленым водорослям осуществлять процесс фотосинтеза, в ходе которого сложные органические соединения продуцируются из простых неорганических веществ.
Питание растения
Под питанием понимают постоянное поступление в организм растения необходимых веществ и энергии.
Чтобы процесс фотосинтеза произошел, одной солнечной энергии мало. Также необходимы вода и углекислый газ. Последний поступает к основной хлорофиллоносной ткани сквозь щели устьиц эпидермиса листка. Кислород, полученный в ходе фотосинтеза, выводится наружу.
Есть еще воздушное питание. Оно происходит за счет того, что солнечная энергия превращается в энергию химических связей.
Результатом процесса фотосинтеза является образование глюкозы из углекислого газа. Позже она преобразуется в крахмал — основное запасное вещество растений. В ходе этого процесса выделяется свободный кислород.
В процессе дыхания кислород поглощается, а углекислый газ — высвобождается.
Фотосинтез и дыхание — два противоположных, но тесно связанных друг с другом процесса. В процессе фотосинтеза происходит поглощение энергии Солнца, а в процессе дыхания она высвобождается — то есть, покрывает потребности организма. Во время фотосинтеза высвобождается намного больше кислорода, чем используется растением в ходе дыхания.
По этой причине зеленые растения считаются главным источником атмосферного кислорода.
Питание — поступление в организм и усвоение питательных веществ, которые поддерживают процессы жизнедеятельности.
Питание — составляющая процесса обмена веществ, без которой невозможна жизнедеятельность растения: для нормального функционирования ему нужна энергия. Рост и развитие растения осуществляется за счет поступления из почвы через корневую систему минеральных веществ.
Химические элементы по-разному влияют на процессе развития в организме растения. Нитроген (азот) способствует ускорению роста вегетативной массы — листьев и стебля. Фосфор и Калий положительно сказываются на формировании плодов и цветов.
Прочие элементы также оказывают воздействие на определенные процессы, хотя и нужны растениям в меньшей степени.
Есть два основных типа питания: автотрофный и гетеротрофный.
Автотрофный тип питания основан на синтезе органических веществ из неорганических при помощи энергии Солнца. Благодаря такому синтезу организм растения вырабатывает кислород. Часть его идет на поддержание процесса дыхания, а остальная часть — поступает в атмосферу.
Важное условие фотосинтеза — наличие воды, света и углекислого газа. Вода поступает в растение в основном из почвы (минеральное питание), углекислый газ — из атмосферы (воздушное питание).
Образование молекул всех органических веществ невозможно углерода углекислого газа. Когда происходит фотосинтез, то в хлоропластах зеленых растений в результате влияния света происходит разложение молекул воды и выделение кислорода.
Внешние факторы определяют скорость фотосинтеза. К таким факторам относятся освещенность, температура воздуха, наличие воды, количество углекислого газа (этот показатель в атмосфере составляет 0,03%).
Наилучшее условие для протекания фотосинтеза — температура на уровне +20 — +25 градусов Цельсия и достаточно влажная почва.
Гетеротрофный способ основан на питании органическими веществами. Среди гетеротрофов встречаются паразиты и сапротрофы.
Паразиты — организмы, которые питаются органическими веществами живых организмов.
Сапротрофы — организмы, использующие в качестве источника питания вещества отмерших организмов.
Дыхание растения и транспирация
В листьях растения происходят еще два важных процесса: дыхание и транспирация (испарение воды).
Дыхание — сложный процесс, в ходе которого организм растения усваивает кислород из атмосферы и выделяет углекислый газ.
Благодаря дыханию, обеспечивается беспрерывная связь организмов с окружающей средой. В процессе дыхания органические вещества окисляются, и энергия, связанная в них, высвобождается. В последующем растения используют эту энергию для обеспечения жизнедеятельности. Дыхание основано на поглощении кислорода и выделении углекислого газа.
Климатические факторы окружающей среды влияют на дыхание растений.
Интенсивность дыхания в разных частях растения разная. Она измеряется количеством вдыхаемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа.
Наибольшая интенсивность дыхания — у молодых быстро растущих органов. В местах, где наблюдается интенсивный рост, клетки быстро делятся и растут. По этой причине им необходимы питательные вещества и энергия, высвобождаемая в растениях при помощи кислорода, поступившего с дыханием.
Генеративные органы дышат очень интенсивно, листья — чуть менее интенсивно, а корень и стебель — слабо. Примечательно, что сухие семена практически не дышат, но когда набухают и прорастают, то их дыхание становится довольно сильным. По окончании активного роста дыхание органов растения становится слабее.
Транспирация или испарение воды — процесс выделения водяного пара через устьица, чечевички и т. д.
Воду могут испарять все части растения, но больше других — листья. Устьица регулируют скорость испарения. Водяные пары попадают в щели устьиц через систему межклеточников. Через эти щели они и выводятся наружу. С поверхности листа вода также испаряется, хотя и не так интенсивно.
Транспирация обеспечивает снижение температуры организма растения и исключает тем самым перегревание. Кроме того, испарение воды гарантирует непрерывный поток водных растворов минеральных солей от корня, к органам, находящимся над землей.
Наличие воды — важное условие для протекания всех жизненных процессов растения. Большая часть поглощаемой растениями воды испаряется, а остальная используется для образования органических соединений.
Скорость транспирации зависит от ветра, температуры и влажности воздуха. При высокой влажности воздуха транспирация достаточно медленная или вообще отсутствует. При сильном ветре и высокой температуре скорость испарения увеличивается.
Рост растения
Рост — количественное увеличение размера, объема, массы и поверхности целого организма или отдельных его частей, которое происходит благодаря поступлению питательных веществ.
Растения растут постоянно и на протяжении всей жизни. Рост органов растения так же заметен.
К примеру, деревья растут и в высоту, и в толщины, и в некоторых случаях могут достигать впечатляющих размеров. При этом молодые деревья растут активнее старых. Рост основан на делении и росте клеток. На кончике корня и верхушечной части побегов клетки делятся и растут намного быстрее.
Рост корней стеблей растений осуществляется верхушечкой, а рост в толщину возможен благодаря делению клеток камбия.
Растение меняется постоянно и все изменения, которые с ним происходят, заметны. Семя, прорастая, дает росток, который вначале питается за счет накопленных питательных веществ, которые содержит семя. Потом росток сам поглощает питательные вещества из вне. Потребности в питательных веществах увеличиваются в процессе роста. Это объясняется тем, что все больше питательных веществ нужно растению для того, чтобы сформировать вегетативные органы и органы размножения.
Развитие и движение растения
Развитие — качественные изменения, происходящие в отдельных органах растения и в организме в целом.
Наблюдается взаимосвязь количественных и качественных изменений: роста и образования разных специальных образовательных тканей, за которым закреплены определенные функции организма, то есть, дифференциация.
Чтобы растение нормально росло и развивалось, ему нужны свет, влага, питательные вещества и активное дыхание.
Растения могут двигаться, хотя иногда их движения не особо заметны. К примеру, если поставить комнатное растение на подоконник, то оно повернется в сторону света. Даже при перестановке оно будет искать источник света и тянуться к нему.
Подсолнух поворачивает соцветие по ходу движения солнца.
Цветы душистого табака закрываются в утреннее и дневное время, а в вечернее — раскрываются.
Цветы почти всех растений раскрываются в определенное время. Цветы цикория раскрываются в 7 утра, а соцветия одуванчика — в 5-6 утра. Вечером или после дождя соцветия одуванчика закрываются.
Размножение и раздражительность растений
Размножаться могут все без исключения растения. Есть два основных способа размножения растений: семенной и вегетативный.
В случае вегетативного способа размножение происходит с помощью частей стеблей, корней и листьев.
Семенное размножение более сложное, так как прохождения фаз цветения, опыления, оплодотворения, формирования семян и плодов с последующим их распространением.
Раздражительность — способность организма изменять особенности своей жизнедеятельности в результате влияния окружающей среды (внешних факторов или раздражителей).
Раздражение свойственно и животным, и растениям. У растений раздражительность служит как приспособление к меняющимся условиям существования.
У мимозы стыдливой сложные листья, которые состоят из множества пластинок. В обычном состоянии они выпрямлены, но при приближении к ним или касании листочки складываются и прижимаются к черешку листа.
Физиология растений — отрасль биологии, которая изучает процессы функционирования организмов растений.
Как связаны органы в организме растения
Каждая отдельная часть растения тесно связана с другими, дополняет их и обеспечивает функционирование организма как единого целого. При нарушении функции или строения какого-либо органа, другие части организма растения тоже страдают и испытывают на себе определенные последствия таких нарушений.
Питание растений осуществляется из почвы и воздуха. Почвенное питание играет особую роль, так как при нем корневая система всасывает из грунта растворы минеральных солей.
Если корень повреждается или отмирает, то это приводит к нарушению закрепления растения в грунте поглощения им из почвы раствора минеральных солей.
Лист растения — главное место образования органических веществ из неорганических. Без органических веществ клетки, ткани и органы растений — как и весь организм в целом — не могут нормально расти и развиваться.
Строение листка растения идеально подходит для образования органических веществ из неорганических — фотосинтеза. Хлоренхимы — клетки основной ткани листка — содержат в хлоропластах зеленые пигменты хлорофиллы: именно благодаря им и происходит фотосинтез.
Фотосинтез — главная функция листа.
Листьям и стеблям необходимы также минеральные вещества: они поступают из корня в виде водного раствора.
Проводящая ткань — флоэма и ксилема — обеспечивает связь между различными частями растения. В частности, между надземными и подземными органами.
Органические вещества в организме растения могут свободно перемещаться и превращаться во всех клетках и органах. Поэтому растение и растет, а в плодах, семенах, корневой системе, подземных и надземных органах накапливаются органические вещества.
Процессы жизнедеятельности в организме растения не прекращаются. Как и все организмы, растение дышит при помощи кислорода. Так как специальных органов, отвечающих за дыхание, у растения нет, то дышит оно через поверхность различных органов: вегетативных и генеративных. Поэтому дыхание у растения осуществляется всеми органами и клетками.
Согласованность работы всех органов — заслуга специальных веществ, вырабатываемых растениями: фитогормонов. Они формируются в специальных клетках, а затем за счет работы элементов проводящих тканей попадают в другие клетки, где и проявляют свое действие.
Благодаря одним фитогормонам деление и рост клеток ускоряется, а благодаря другим — замедляется. Также фитогормоны отвечают за регуляцию прорастания семян, рост почек, формирование цветов и плодов и др.
Суточный периодизм жизнедеятельности растений
Некоторые вопросы физиологии растений. Суточный периодизм жизнедеятельности растений.
Физиология растений – это наука о процессах, которые происходят в растительных организмах. К основным процессам жизнедеятельности растений относят фотосинтез и дыхание. Они носят сложный характер и происходят при участии веществ, называемых ферментами. Кроме того, растения постоянно испаряют влагу, этот процесс называется транспирацией.
Процессы фотосинтеза и дыхания в течение суток происходят с разной интенсивностью или даже вовсе прекращаются при определенных условиях. Так днем в растении осуществляются реакции фотосинтеза, дыхания и транспирации. Ночью происходит дыхание и транспирация с прекращением реакции фотосинтеза. Физиологи растений считают, что постоянно, как днем, так и ночью, растения извлекают из почвы воду, органические и минеральные вещества (так же углекислоту почвы).
И только совокупное использование продуктов почвенного и светового питания (продуктов фотосинтеза) позволяет растениям образовывать новые молекулы, размножать клетки, строить новые ткани и органы. В этом и состоит процесс роста и развития растения, когда увеличиваются его размеры и формируются дифференцированные органы.
Интенсивность и эффективность перечисленных процессов, проходящих в растении, впрямую зависит как от внешних (экзогенных) факторов, так и от внутренних (эндогенных) и поддаются регулировке. Поэтому для того, чтобы говорить о том, как с помощью освещенности, температуры, влажности и режимов питания и полива влиять на скорость роста и развития растений, следует подробней остановиться на сущности основных физиологических процессов растения.
Под фотосинтезом понимается тип питания углеродом, при котором синтез органических соединений происходит с использованием энергии солнечного света из простых неорганических веществ: углекислого газа (С02) и воды (Н20).
Углекислый газ из атмосферы поступает в листья через устьица и проникает в любую часть листа по межклеточным пространствам.
Интенсивность фотосинтеза в значительной мере зависит от большого числа внешних факторов, среди которых наиболее важными являются: свет (интенсивность и спектральный состав), температура, концентрация СО2 и О2, водный режим, минеральное питание, а также внутренних особенностей растения: его возраста, содержания хлорофилла и ферментов, количества воды в листе, структуры листа, степени открытости устьиц.
Увеличение концентрации СО2 в воздухе активирует интенсивность фотосинтеза и ингибирует дыхание растений. Под влиянием СО2 растягивается период дегидратации (обезвоживания) тканей растения, так как снижается интенсивность потери воды. Рост концентрации СО2 увеличивает возможности адаптации растений к повышению температуры, особенно у слабоустойчивых сортов.
Механизм усвоения углекислого газа, являющегося основным у фотосинтезирующих организмов, описан М. Кальвином ( M. Calvin), получившим за эту работу Нобелевскую премию в 1961 г. Описанная им последовательность всех ферментативных реакций, приводящих к образованию сахаров из углекислого газа с помощью энергии солнечного света, носит название цикл Кальвина. Типов фотосинтеза растений обнаружено несколько, но общим для всех типов является способность превращать энергию света в доступные клетке формы энергии, которая потребляется затем во всех энергозависимых процессах, в том числе и для биосинтезов.
В целом, химический баланс фотосинтеза может быть представлен в виде простого уравнения:
Нужно заметить, что количество воды, потребляемой для образования углеводов при фотосинтезе, представляет незначительную часть по сравнению с общим содержанием воды, необходимым для поддержания клетки в тургорном состоянии. И заметное снижение интенсивности фотосинтеза отмечается только при увеличении водного дефицита свыше 15—20%.
В то же время в литературе встречается парадоксальное, на первый взгляд, утверждение, что и полное насыщение листьев водой приводит к снижению фотосинтетических реакций. Объясняют это явление сдавленностью устьиц, их неспособностью открываться полностью при полном насыщении водой тканей листа. Однако этот эффект носит кратковременный характер, так как вследствие транспирации насыщение листьев водой снижается.
Недостаток воды прежде всего приводит к закрытию устьиц. Если устьица закрыты, поглощение СО2 листьями резко снижается, что снижает фотосинтез. Кроме того, закрытые устьица снижают транспирацию, что приводит к повышению температуры листьев и перегреву растения. При сильном обезвоживании клеток наступают структурные изменения фотосинтетического аппарата: повреждается структура тилакоидов (полостей внутри хлоропластов, в которых происходят светозависимые реакции), снижается активность ферментов. Длительное обезвоживание может привести к тому, что растение не восстанавливается даже после насыщения влагой, так как в структуре его клеток произошли необратимые изменения, а устьица утратили способность открываться и закрываться.
Клеточное дыхание растений протекает в митохондриях – клеточных органоидах и является процессом окисления органических веществ кислородом воздуха с выделением энергии.
Функции дыхания одинаковы у растений и животных: во-первых, это обеспечение клетки энергией (энергия, высвобождающаяся при окислении углеводов, преобразуется в клеточную энергию АТФ), во-вторых, обеспечение клеток метаболитами (промежуточными продуктами распада), которые образуются при окислении глюкозы и используются растениями в синтезе разнообразных необходимых растениям веществ. В-третьих, функция дыхания – термогенез, то есть рассеивание энергии в виде тепла.
Необходимо отметить так же, что процесс дыхания невозможен без участия окислительно-восстановительных ферментов.
У растений хлоропласты в ночное время прекращают синтез молекул АТФ, в это время суток эти высокоэнергетические молекулы синтезируются в митохондриях.
Суммарное уравнение может быть записано в следующем виде:
За эту работу Х. Кребс (совместно с Ф. Липманом) в 1953 г. был удостоен Нобелевской премии.
Интенсивность дыхания определяют по количеству выделенного растением углекислого газа, по количеству поглощенного кислорода или по убыли сухой массы (эти показатели рассчитываются на единицу массы в единицу времени).
Как всякая ферментативная реакция, дыхание усиливается при повышении температуры. Однако в интервале 30С – 40С дыхание растений ослабляется. Физиологи объясняют это явление тем, что с началом подъема температуры усиливаются ферментативные процессы, но затем наступает нехватка кислорода (его поглощение с температурой не усиливается) и это не дает возможности усиливаться процессу дыхания дальше.
В процессе эволюции растения приспосабливаются к определенным температурным условиям. На характер реагирования влияет происхождение растений, то, к каким температурным условиям они приспособлены генетически. Так хойи безболезненно переносят подъем температуры до 35С и даже 40С.
Для протекания дыхания необходим кислород. Увеличение содержания кислорода до 5—8% сопровождается повышением интенсивности дыхания. Дальнейшее возрастание концентрации 02 обычно уже не сказывается на интенсивности дыхания. Большое значение в снабжении кислородом отдельных органов и тканей имеет система межклетников, способствующая циркуляции воздуха. Воздух, проникая через устьица листа, достигает по межклетному пространству других органов, что и позволяет им осуществлять аэробное дыхание. Необходимо помнить так же, что растения, хойи в частности, нуждаются еще и в доступе кислорода непосредственно к корням, поэтому почва, в которой они растут, должна быть хорошо аэрируемой, рыхлой.
Углекислый газ является конечным продуктом дыхания. При концентрациях выше 40% процесс дыхания тормозится: инактивируются некоторые дыхательные ферменты, так же закрываются устьица, что приводит к недостаточному поступлению кислорода.
Интенсивность дыхания сильно зависит от снабжения растения элементами минерального питания. Такие элементы, как фосфор, сера, железо, медь, марганец, принимают непосредственное участие в процессе дыхания, входя в промежуточные продукты (фосфор) или являясь составной частью дыхательных ферментов.
Содержание воды в растении достигает 95% от его массы и она прямо или косвенно участвует во всех жизненных процессах растения. Вода входит в состав мембран и клеточных стенок, является основной частью цитоплазмы (благодаря воде ее коллоиды и белки поддерживают свою структуру, а все содержимое находится в подвижном состоянии). Поскольку вода является растворителем, она обеспечивает передвижение и циркуляцию по растению питательных веществ, которые в ней растворены. Кроме того, вода сама принимает непосредственное участие во многих важнейших реакциях: гидролиза, окислительно-восстановительных при фотосинтезе и дыхании. Вода защищает ткани растений от резких колебаний температуры и обеспечивает упругость растения.
В растении вода находится как в свободном, так и связанном состоянии, с физиологической точки зрения значение свободной и связанной воды различно. Большинство физиологов считает, что основные физиологические процессы, в том числе и темпы роста, в первую очередь зависит от количества в растении свободной воды. А вот устойчивость растения к неблагоприятным условиям впрямую зависит от содержания в нем связанной воды.
Для нормального существования растение должно содержать много воды. Но, развив большую листовую поверхность для поглощения углекислого газа (его в атмосфере мало, всего 0,03%) растение вынуждено много воды терять в процессе транспирации. И, чтобы восполнять эту потерю от испарения, растение должно постоянно получать воду. Два непрерывно идущих процесса – испарение и поступление воды, называют водным балансом растения. Растения в процессе естественного отбора выработали приспособления как для поглощения воды (развитая корневая система), так и для ее передвижения (специальная проводящая система). Для сокращения испарения воды у растений существует система покровных тканей и система автоматически закрывающихся устьичных отверстий. И все-таки очень часто поступление воды в растение и ее расход не уравновешиваются, наступает водный дефицит.
Процесс транспирации усиливается тем сильнее, чем ниже влажность воздуха и выше его температура. Сильное влияние на транспирацию оказывает свет. На свету повышается температура листа, и это вызывает усиление процесса транспирации. Свет влияет на транспирацию тем сильнее, чем выше в листьях содержание хлорофилла. У зеленых растений даже рассеянный свет повышает транспирацию на 30—40%.
На интенсивность процесса транспирации оказывает влияние влажность почвы. С уменьшением влажности почвы транспирация уменьшается, так как чем меньше воды в почве, тем меньше ее в растении. А уменьшение содержания воды в растении включает процессы устьичной и внеустьичной регулировки, транспирация снижается.
Транспирация зависит и от внутренних факторов, прежде всего от содержания воды в листьях. Всякое уменьшение содержания воды уменьшает интенсивность транспирации. Транспирация изменяется в зависимости от величины листовой поверхности, а также при изменении соотношения корни/побеги. Чем больше развита листовая поверхность и больше побеги, тем значительнее общая потеря воды.
Интенсивность транспирации зависит и от фазы развития. С увеличением возраста растений транспирация, как правило, падает. Высокая интенсивность испарения у молодых листьев может происходить за счет высокой кутикулярной транспирации, так как кутикула у молодых растений еще слабо развита.
Транспирация изменяется в течение суток: ночью она резко сокращается. Это связано как с изменением внешних факторов (повышается влажность воздуха, снижается температура, отсутствует свет), так и с внутренними особенностями (закрываются устьица). Измерения показывают, что ночная транспирация составляет всего 3—5% от дневной. Днем транспирации обычно изменяется в зависимости от метеорологических условий: освещенности, температуры, влажности воздуха. Наиболее интенсивно транспирация происходит в 12—13 ч.
Основным органом поглощения воды являются корни. Дальнейшее передвижение воды в растении идет по сосудистой системе корня, стебля и листа. Транспорт воды в корне зависит от интенсивности процесса дыхания.
Наземные растения в основном поглощают воду из почвы. Однако некоторое количество воды может поступать из атмосферы. Есть растения, для которых атмосферная влага является основным источником. К таким растениям относятся, прежде всего, эпифиты, живущие на поверхности других растений, но не являющиеся паразитами. Эпифиты принадлежат к различным семействам, особенно много их в тропической флоре. Они обладают воздушными корнями, в которых имеется многослойная ткань, состоящая из полых клеток с тонкими стенками. Такое строение позволяет им поглощать как пары воды, так и воду осадков, подобно губке. У некоторых эпифитов дождевая вода собирается листьями и затем поглощается с помощью волосков.
Поступление воды через корневую систему зависит от температуры. С понижением температуры скорость поступления воды резко сокращается. Это может оказать заметное влияние на растение, особенно в осенний период, когда испарение идет еще достаточно интенсивно, а поступление воды задерживается из-за пониженной температуры почвы. В результате растение завядает и даже может погибнуть от обезвоживания. Причин, по которым понижение температуры вызывает уменьшение поступления воды, по-видимому, несколько: это и уменьшение подвижности воды (увеличивается ее вязкость) с уменьшением проницаемости цитоплазмы, и уменьшение скорости всех метаболических процессов, и торможение роста корней.
Снижение аэрации почвы также тормозит поступление воды. Это можно наблюдать, когда после сильного дождя все промежутки почвы заполнены водой и вместе с тем на солнце при сильном испарении растения увядают.
Характерной чертой ростовых процессов растений является то, что они локализуются в определенных точках – меристемах. Апикальные (верхушечные) меристемы располагаются в верхушках стебля или корня, интеркалярные (вставочные) меристемы обеспечивают рост междоузлий. Рост стебля в толщину (камбий, феллоген) обеспечивают латеральные меристемы.
Необходимо заметить при этом, что на интенсивность роста растений влияют не только внешние (экзогенные) факторы: температура, наличие влаги, свет, но и такие внутренние (эндогенные) факторы, как интенсивность нуклеинового и белкового синтеза, темпы образования, накопления и активность ферментов, фитогормонов и других продуктов метаболизма. Темпы роста растения впрямую связаны с питанием растения и его водным балансом.
Наиболее сильно внутренние факторы сказываются на росте тех растений, которые выращиваются в регулируемых условиях.
Процесс роста растения требует больших затрат энергии, источником которой являются процессы дыхания. Дыхательные процессы обеспечивает кислород. При его снижении ниже 5% рост растения тормозится.
Для нормального протекания ростовых процессов необходимо достаточное снабжение растения всеми необходимыми минеральными элементами. Особенно специфична роль снабжения растений азотом. Это связано не только с тем, что азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот, но и с образованием двух основных групп гормонов, регулирующих ростовые процессы (ауксинов и цитоконинов).
Содержание воды. В процессе своего роста растения особенно чувствительны к недостатку воды. Уменьшение содержания воды в почве приводит и к уменьшению содержания ее в растении, а это, в свою очередь, резко тормозит процессы роста. В ситуации водного дефицита снижается скорость деления клеток и особенно их рост растяжением. Для различных физиологических процессов нужна разная насыщенность водой. Наибольшая насыщенность водой требуется для процессов роста. Степень насыщенности клетки или ткани растений водой называют гидратурой, она выражается в процентах. За 100%-ную гидратуру принимается такая насыщенность, при которой данное тело находится в равновесии с атмосферой, имеющей 100%-ную относительную влажность. Рост клеток идет лишь в том случае, если гидратура не падает ниже 95%. Для того чтобы поддержать такую гидратуру, точки роста надземных органов растения защищены смыкающимися листочками с хорошо развитой кутикулой. Точки роста корня не имеют подобной защиты и поэтому требуют повышенной влажности почвы для своего роста.
Однако по подобной схеме растения растут только в самых благоприятных условиях, близ экватора, где продолжительность дня и ночи приблизительно равны, ночи всегда теплые и благоприятствуют росту. В наших условиях короткого лета, коротких и не очень теплых ночей растения вынуждены использовать для роста все теплое время суток: и ночь, и часть дня. Наблюдениями было установлено, что большое количество растений наших широт растет днем заметно быстрее, чем ночью. В то же время отмечается, что растения, растущие и у нас быстрее ночью, чем днем, представляются более жизнеспособными, более податливыми на агротехнические приемы повышения урожайности.
Для измерения и регистрации роста стебля в 70-х и 80-х гг. XIX в. был создан целый ряд приборов, названных ауксанометрами. Принцип механической регистрации роста стебля и первая простейшая модель ауксанометра были предложены Саксом в 1872 г. Прирост стебля, к верхушке которого привязывалась нить, перекинутая через вращающийся блок, отмечался по перемещению прикрепленной к блоку стрелки. В домашних условиях простейший ростомер изготавливается из миллиметровой бумаги, закрепленной рядом со стеблем, на которой делаются отметки рядом с верхушкой измеряемого стебля.
При помощи ауксанометрических измерений было подтверждено влияние внешних условий на процесс роста (положительное влияние тепла и влажности, задерживающее рост влияние света и т. д.).
При этом до сих пор список растений, суточный периодизм роста которых изучен, остается очень скудным: на одной и той же гряде могут одновременно жить виды или сорта растений, совершенно различные по своим суточным периодам и темпам роста.
Явление суточной периодичности и ритмичности роста было разработано в трудах физиолога В. С. Шевелухи – академика ВАСХНИЛ. Он и его сотрудники создали оригинальные ауксанографы, с помощью которых в течение 12 вегетационных периодов (1965—1976 гг.) проводили в условиях Белоруссии подробные исследования многих культур. Им было установлено, что по ночам растут гораздо быстрее, чем днем люпин, клевер, картофель, свекла сахарная, свекла кормовая, брюква, морковь, цикорий, помидоры.
И позже проводились интересные исследования, которые касались изучения того, в какое время, ночью или днем растения растут быстрее. Так выяснилось, что в районе Калуги практически все злаковые и бобовые культуры растут днем быстрее. Но некоторые виды растений растут быстрее ночью: груша дикая, малина, ампелопсис (виноградовик), спирея (таволга), рудбекия, фасоль и подорожник. Корнеплодные растения, картофель и томаты тоже проявляют дневное торможение роста и усиление его в вечерние и ночные часы.
В литературе сообщается, что из лесных пород к ночному росту склонна сосна. А на Крайнем Севере в июне, в условиях, когда световой день продолжается практически все сутки, растения демонстрируют невиданные темпы роста.
И, тем не менее, для основной массы растений принято считать, что с 6 часов вечера до 6 часов утра (приблизительно) скорость роста растений постепенно повышается. Затем от утра к вечеру замечается постепенное замедление роста.
Ну, а как же обстоят дела с хойями: когда, ночью или днем растут они?
Никаких сведений о том, чтобы кто-то исследовал суточный периодизм роста хой (да и комнатных растений вообще), не обнаружилось. Исходя из того, что хойи являются тропическими растениями, расти они, преимущественно, должны ночью, используя высокую ночную температуру и значительную продолжительность ночи. Но, с другой стороны, хойи настолько пластичны и легко приспосабливаются к условиям квартиры, что они могут расти и днем, так как летние ночи наших широт слишком коротки. Прояснить для себя этот вопрос легко, соорудив в домашних условиях простейший ростомер.
Но следует помнить, что успешный рост хой возможен только в том случае, если им обеспечивают все возможности для фотосинтеза и дыхания, поливом и увлажнением поддерживают их водный баланс и обеспечивают полноценным питанием.