Вода піднімається нагору по рослині. Чому вода піднімається вгору стеблом? Підйом води у стовбурах високих дерев

Шлях води у рослинірозпадається на три різні за фізіологією, будовою та протяжністю частини:по живих клітин кореня; по мертвим елементам ксилеми кореня, стебла, черешка та жилок; по живих клітинах листа до поверхні, що випаровує.

Більшість цього шляху посідає частку водопровідної системи, що складається з мертвих порожнистих судин у покритонасінних і трахеїд у голонасінних рослин. У трав'янистих рослин ця частина водного шляху сягає десятків сантиметрів, а в деревних - багатьох метрів.

Пересування води судинами ксілеми, довжина яких може досягати кількох десятків сантиметрів, відбувається досить легко. Шлях через трахеїди важчий: від однієї трахеїди до іншої вода проходить через облямовані пори; Зрозуміло, що рух води через них відчуває більший опір, ніж через судини. Вимірювання показують, що у листяних деревних рослинпровідність деревини у 3 - 6 разів вища, ніж у хвойних. В цілому цей шлях вода долає куди легше, ніж перший і третій через кілька міліметрів або навіть часток міліметрів живих клітин - від кореневих волосків до судин центрального циліндра і від судин, розташованих у жилках листа, до клітин мезофілу, що випаровують.

за судин та трахеїдіввода пересувається, як по порожніх трубках, підкоряючись загальним гідродинамічних законів, по живихж клітинам кореня та листа -осмотичним шляхом, за допомогою різниці смокчучих сил сусідніх клітин правильно зростаючої послідовності. Значний опір струму води при переході її від однієї живої клітини до іншої робить цей спосіб непридатним для пересування води на велику відстань. Тому виникнення трахеїд у папоротеподібних рослин з'явилося важливим етапомв еволюції рослинного світу. Ще більш досконалою стала водопровідна система з появою справжніх судин у покритонасінних рослин.

Через рослину перекачується дуже багато води. З 1 га посівів пшениці за літо випаровується близько 2 тис. т, конюшини – 7,5, капусти – 8 тис., тобто. якщо зібрати всю воду, що витрачається 1 га конюшини або капусти, то вийде водний басейн площею 1 га і глибиною 75-80 см. Ялинові молодняки південної тайги за рік витрачають 4,5 тис. т води з 1 га лісової площі, соснові - 5, 0, вільхові – до 11 тис. т.

Видно, що ліси витрачають не менше, а навіть більше ніж деякі сільськогосподарські культури. ці колосальні витрати поповнюються за рахунок діяльності кореневих систем, що з достатньою швидкістю всмоктують воду з ґрунту. На цьому ґрунтується осушуюча рольліси в умовах заболочуються лісових ґрунтів. Підтримці водного балансу служать і добре розвинена провідна вода система, що без затримки подає воду до листя, а також наявність покривних тканин, що захищають рослину від зайвої втрати води.

Які ті сили, які здійснюють безперервний струм води від коріння через стебло та листя? У трав'янистих низькорослих рослинмеханізм перетікання ксилемного соку легко зрозуміти. Кореневий тиск нагнітає воду в судини центрального циліндра кореня, а сиючі сили, що виникають у листі завдяки процесу транспірації, притягують цю воду. Тим самим створюється постійний струм води по всій рослині.

Процес підйому води від коріння до листя зветься висхідного струму,на відміну від низхідного струмуорганічних речовин від листя до коріння. Кореневий тиск, що створюється завдяки метаболізму кореневих закінчень, отримав назву нижнього кінцевого двигуна водяного струму.Притягуючі ж воду смокчучі сили листя називають верхнім кінцевим двигуном водяного струму.

Важче пояснити безперервність водного стовпа у гігантів рослинного світу - евкаліптів, секвою та деяких інших деревних рослин, висота яких сягає 140 м. Наші звичайні дереватакож мають досить великі розміри: береза ​​- до 25 м, дуб - 40 м, сосна та ялина - до 50 м. До цього слід додати і значну довжину водопровідної системи коренів.

Водний струм відчуває та долає силу земного тяжіння, силу тяжіння. Через це, наприклад, звичайні поршневі насоси не можуть підняти воду з глибини більше 10 м, бо цей 10-метровий стовп води відповідає тиску 1 атм. Крім того, рух води по ксилемі має досить значний опір, особливо у представників голонасінних деревних рослин.

Пояснення того, що водний стовп довжиною багато десятків метрів не розривається, знаходимо в теорії зчеплення (когезії) та змочування стінок судин та трахеїд водою (адгезії). Дійсно, між молекулами води, що пересувається, існують значні сили зчеплення, що змушують ці молекули слідувати один за одним. Цьому сприяє і те, що водопровідні елементи представляють єдине ціле з водним потоком, так як стінки їх повністю змочені, насичені водою. Вони немає повітря. У такому стані вони надають мінімальний опір потоку, що рухається. Крім того, сама будова судин не сприяє пересуванню бульбашок повітря з однієї судини в іншу.

Все це дуже сильно відрізняє умови, що створюються в дереві, від умов поршневих насосах. В останніх між стінками циліндра та поршня постійно з'являються бульбашки повітря, що порушують цілісність водного стовпа. Відбувається урвища цього стовпа при підйомі на висоту понад 10 м.

Для того щоб підняти воду на висоту 100 м, необхідна наявність смокчучих сил у кроні дерева близько 30 – 35 атм: на подолання сили тяжкості – 10 атм, опору фільтрації через поперечні стінки судин – 20 – 25 атм. У природній обстановці лісу такі величини часто реєструються експериментально. Тому з чисто фізичної точки зору можна пояснити підйом води на висоту 100 м і більше.

У процесі транспірації в листі дерев виникають сиючі сили, що досягають десятків атмосфер. Листя насмоктують воду зі стебла, внаслідок чого в судинах виникає негативний тиск розрідження. Такий стан можна спостерігати за допомогою нескладних приладів: у теплий літній день за інтенсивної втрати води стовбури дерев зменшуються в діаметрі. Інший спосіб полягає в тому, що при зрізанні інтенсивно транспіруючої гілки в підфарбованій воді відзначається миттєве проникнення фарби через поверхню зрізу завдяки розширенню судин.

Залежно від анатомічної будовиДеревини лінійна швидкість висхідного струму коливається від 1 - 6 м / год у хвойних і розсіяно-судинних деревних порід до 25 - 60 м / год у кільцесудинних. Така швидкість зареєстрована влітку опівдні. Швидкість пересування води по дереву протягом доби змінюється і переважно відповідає інтенсивності транспірації. Існує і світлозалежний висхідний водний потіку рослинах, що тісно не пов'язаний з транспіраційною активністю (В.Г. Реуцький).

У самому дереві найшвидше вода пересувається в стовбурі і повільніше - у наймолодших гілках. Середнє становище за цим показником займають старі гілки.

Особливостіводного струму по стовбуру дерева:

· За допомогою ізотопної техніки та введення в стовбур фарб було показано, що у більшості деревних рослин водний струм у стовбурі пересувається по спіралі.Це тісно пов'язане з макробудуванням деревного стовбура, що ускладнює відповідь на питання, яка частина кореневої системи живить водою той чи інший бік крони дерева.

· Пересування води в радіальному напрямкуздійснюється повільніше і відбувається через пори на стінках судин та трахеїд. Воно має значення у підтримці нормальної обводненості живих елементів деревини та кори.

· Нерівномірністьводяного струму. Далеко не вся деревина є місцем проведення води. У ядрових деревних рослин (сосна, дуб) при цьому служить лише заболонь. При цьому активніші у проведенні води останні річні шари деревини. Це пояснюється тим, що тільки ці шари переходять у деревину однорічних гілок, що тісно пов'язану з водопровідною системою листя. У хвойних, зокрема у ялини, хвої, що проводять пучки, повідомляються, мабуть, з кількома річніми кільцями. Старі річні кільця просто не досягають крони, вони виклинюються зі збільшенням висоти дерева. У ряду деревних порід (акація біла, фісташка, ясен) вода проводиться лише 1 - 3 останніми річними шарами заболоні. Така ж картина спостерігається і у заболонних, і у спелодревесних порід (осика, береза, липа), але у них кількість річних шарів, що проводять воду, трохи більше.

· Можна назвати і таку особливість висхідного струму в стовбурі дерева, як його ізольованість.У загальних рисахвона властива і трав'янистим рослинам. Тим не менш, у деревних рослин вона виражена переважно. Деревина, що проводить воду, стовбура відокремлена від зовнішнього середовищане тільки живими клітинами камбію та флоеми, але й товстою пробкою або кіркою, що обмежують зв'язок деревини з повітрям атмосфери.

· Така властивість висхідного струму, як зворотність,іноді спостерігається в природі у ряду деревних порід, у тому числі у деяких хвойних (ялинки, ялиці), при укоріненні нижніх гілок, що стикаються з ґрунтом, або верхівок у вивалених дерев. Струм води тут йде у зворотному напрямку - від морфологічно верхнього кінця до морфологічно нижнього кінця.

Висхідний струмзабезпечує всі живі клітини рослини водою та мінеральними елементами. Дуже важлива роль висхідного струму й у забезпеченні живих клітин коренів, стовбура та гілок киснем, бо проникність тканин кори, камбію, деревини для газів дуже низька. Цей розчинений у воді висхідного струму кисень йде здійснення процесу дихання живих елементів дерева.

Висхідний струм впливає і на обводненістьтканин, зокрема деревини стовбура. У молодому віці до утворення ядра найбільшою вологістю має деревина хвойних порід. Ця різниця, очевидно, пов'язана з відсутністю у них порівняно з листяними породами лібриформу.

Різкі зміни обводненості деревини спостерігаються протягом року.Так, у хвойних деревних рослин низька вологістьвідзначається у літні місяці, а найвища – взимку. У пізньовесняний і ранньоосінній час вологість деревини займає середнє положення. Вологість ядерної деревини практично залишається незмінною і найнижчою. У листяних деревних порід відзначено два періоди зниженою вологістю- літній та у другій половині зими та дві підвищеної – весняний під час руху соку та зимовий – у першій половині зими.

Вологість деревини молодих дерев дещо вища, а амплітуда коливань її більша, ніж у старих дерев. Вміст води в деревині змінюється і протягом літньої доби: найвищий рано вранці, а низький - опівдні.

Вода, запасена всередині стовбура, здатна пересуватися в молоді пагони, що особливо важливо за відсутності доступної для рослин води в грунті (посуха, морози). Наприклад, 100-річна сосна може переносити посушливий період за рахунок внутрішніх запасів води в стовбурі протягом місяця.

Перетікає по рослині вода відрізняється від метаболічної води,яка безпосередньо використовується у різних процесах обміну речовин. Вода постійно обмінюється у клітинах рослин. За допомогою сучасної техніки, зокрема ізотопної, вдалося показати, що найшвидший обмін внутрішньотканинної води на зовнішню воду відбувається у коренях рослин, а найповільніший – у стеблах. Проміжне положення займає листя.

Подібна інформація.

Текст роботи розміщено без зображень та формул.
Повна версіяроботи доступна у вкладці "Файли роботи" у форматі PDF

Вступ

Як часто люди живуть своїм звичним життям і не помічають дивовижних речей. Краса наших лісів є унікальною.Дерева чудові не лише своєю красою, а й різноманітністю.Чому на нашій планеті у широтній зональності виростають дерева певної висоти одного виду? Від чого залежить висота дерева? Як дерева-гіганти забезпечують собі підйом води? Ці питання мене дуже зацікавили. Закону широтної зональності підпорядковані пояси атмосферного тискуяк один з факторів впливу на живі організми. Водопровідну систему дерев можна порівняти з рухом води трубами, а рух рідини в судинах деревини - висота підняття в капілярних трубках. Проблема:чому в різних кліматичних широтах виростають дерева одного виду різної висоти, і від чого залежить водопровідна система у низькорослих дерев та дерев-гігантів. Гіпотеза:якщо є залежність діаметра судини деревини від висоти дерева, його висота залежить від атмосферного тиску як від одного з факторів впливу в різних широтах. Ціль:дослідження залежності висоти дерева від діаметра судини деревини при певному атмосферному тиску різних широтах його проростання.

Завдання проекту: 1. Вивчити джерела інформації з обраної теми. 2. Поглибити знання з теорії законів гідравліки, капілярних явищ. 3. Провести та описати експеримент, що підтверджує або спростовує висунуту гіпотезу. 4. Обробити та проаналізувати результати виконаної роботи. 5. Подати результати у вигляді лінійної діаграми. 6. Зробити висновок, що відповідає поставленій меті.

Об'єкт дослідження:закони та явища фізики у вивченні теорії гідравліки, капілярних явищ. Предмет дослідження:провідна система деревини. Актуальність теми:дослідження обумовлено просуванням знань з питань законів гідравліки та теорії капілярних явищ, у постановці проблеми дослідження із залученням уваги суспільства до питань оточення звичних нам явищ у нашому житті та побудовою діаграми залежності діаметра судини деревини від висоти.

1. Що таке гідравліка

Гідравліка – це наука, що має тисячолітню історію розвитку. Слово "гідравліка" походить від поєднання двох грецьких слів. hydor(вода) та aulos(труба) - і означає рух води трубами. В даний час термін «гідравліка» набув більш широкого значення. У сучасному сенсі гідравліка технічна наука, в якій вивчаються закони рівноваги та руху рідин, а також методи застосування цих законів в інженерній практиці. Частина гідравліки, що розглядає закони рівноваги рідин, називають гідростатикою, частина, що розглядає закони руху рідин – гідродинамікою. Два напрями вивчення гідравліки – у динамічному та статичному контекстах. Гідродинаміка торкається питань кінематики води як такої, а гідростатика більше орієнтується на закони взаємодії рідин з іншими середовищами та тілами. Причиною гігроскопічного руху є коливання вологості атмосферного повітря. У техніці різноманітних гідравлічних установок необхідний тиск створюється майже завжди за допомогою компресорів або насосів. У рослинного організму вирішення завдань, пов'язаних з виконанням різноманітних рухів, у тому числі й керуючих, не вимагає докладання таких великих зусиль. Тим не менш, і вони вирішуються за допомогою законів гідравліки, але за значно більше низький тиск 1 .

Водне середовище є головним аспектом вивчення у цьому напрямку. Вода - найпоширеніша в біосфері речовина, що відіграє винятково важливу роль у житті живої природи і зокрема рослин. Вода входить до складу клітин та тканин будь-якої тварини та рослини. Втрата великої кількості води живим організмом може призвести до її смерті. Рослини сприяють більш швидкому водному обміну ґрунту та повітря. Важко переоцінити той сприятливий вплив, який надає рослинний світ на клімат, регулюючи його.

2. Рослинний світ та закони гідравліки

Автономні рухи рослинного організму керуються за допомогою гідравліки. У техніці конструктори виробляють високий тискза рахунок стиску: якась рухлива деталь, наприклад поршень, тисне на рідину. Для рослини використання такої технології зажадало б великих витрат енергії та створення спеціальних і, до того ж, складно влаштованих пристосувань. Тому вони застосовують з конструктивної точки зору набагато простіше, а з точки зору витрачання енергії. ефективний метод- Осмос. Осмос є дифузією речовини через перегородку (мембрану), що розділяє чистий розчинник і розчин або два розчини різної концентрації. Перегородка проникна лише розчинника. Такий спосіб створення гідравлічного тискупов'язаний із природною здатністю солей притягувати воду, розчинятися в ній та зменшувати насиченість розчину. За допомогою осмосу рослини створюють досить великий тиск. Внутрішньоклітинний тиск надає жорсткості тим рослинам, тканини яких не дерев'яніють. Коли осмотичний тиск падає, наприклад, у зрізаних і поставлених у вазу квітів, рослина в'яне. Багато рослин обзавелися для цих цілей справжніми зчленуваннями, що працюють за тим же принципом, за яким діють гідравлічні зчленування в техніці. Яким чином рослина досягає раптового падіння тиску? Причина в тому, що воно може змінювати розміри пор в напівпроникній мембрані клітин. При збільшенні розміру пір розчин, що знаходиться під тиском у клітині, виходить назовні, і тиск знижується. Протягом лічені хвилини клітинна оболонка повертається в колишній стан, і процес може повторитися знову 2 .

2.1. Двигуни водного потоку

Пересування води рослиною визначається двома основними двигунами водного потоку: нижнім двигуном водного потоку або кореневим тиском, верхнім двигуном водного потоку або присмоктуючою дією атмосфери. Механізм, що забезпечує підняття води рослиною за рахунок кореневого тиску, - нижній кінцевий двигун водного струму. Вода заповнює весь шлях від ґрунту – через корінь та стебло – до клітин у листку. Сумарний потік води спрямований у бік меншого водного потенціалу. Кореневе тиск нагнітає воду в судини центрального циліндра кореня, а сиючі сили притягують цю воду. Процес підйому води від коренів до листя носить назву висхідного струму. Кореневий тиск отримав назву нижнього кінцевого двигуна водного струму. Притягуючі ж воду смокчучі сили листя називають верхнім кінцевим двигуном водного струму. Наші звичайні дерева мають досить великі розміри і значну довжину водопровідної системи коренів. Водний струм відчуває та долає силу земного тяжіння, силу тяжіння. Між молекулами пересувається води існують сили зчеплення. Водопровідні елементи являють собою єдине ціле з водним потоком, оскільки стінки їх повністю змочені, насичені водою. Все це сильно відрізняє умови, що створюються в дереві, від умов у поршневих насосах, де між стінками циліндра і поршня постійно з'являються бульбашки повітря, що порушують цілісність водного стовпа. Відбувається урвище цього стовпа при підйомі на висоту понад 10 метрів. Для того щоб підняти воду на висоту 100 метрів, необхідна наявність смокчучих сил у кроні дерева порядку до 35 атмосфер: на подолання сили тяжкості - 10 атмосфер, опору фільтрації через поперечні стінки судин - до 25 атмосфер. Тому з чисто фізичної точки зору є можливим пояснити підйом води на висоту 100 метрів і більше 3 .

3. Капілярні явища

Капілярність - явище підйому або опускання рідини в капілярах, що полягає в здатності цієї рідини змінювати рівень трубок малого діаметра, вузьких каналах довільної формита пористих тілах. Подібні явища можна спостерігати у дуже вузьких трубочках, які називаються капілярами (від лат. capillus- Волосок) 4 . Сили, що лежать в основі капілярності, - д ей-ство поверх-ност-но-го на-тя-же-ня і еф-фек-т сма-чи-ва-ня.

3.1. Поверхневий натяг

Термін "поверхневий натяг" передбачає, що речовина біля поверхні знаходиться в "натягнутому", тобто напруженому стані, яке пояснюється дією сили, званої внутрішнім тиском. Вона стягує молекули всередину рідини у напрямі, перпендикулярному її поверхні. Молекули, що у внутрішніх шарах речовини, відчувають у середньому однакове у всіх напрямах тяжіння з боку навколишніх молекул. Молекули поверхневого шару піддаються неоднаковому тяжінню з боку внутрішніх шарів речовин і з боку, що межує з поверхневим шаром середовища. На поверхні розділу рідина — повітря молекули рідини, що у поверхневому шарі, сильніше притягуються із боку сусідніх молекул внутрішніх шарів рідини, ніж із боку молекул повітря. Внутрішній тиск зумовлює втягування молекул, розташованих на поверхні рідини, всередину і тим самим прагне зменшити поверхню до мінімальної за цих умов. Сила, що діє на одиницю довжини межі розділу, що зумовлює скорочення поверхні рідини, називається силою поверхневого натягу або просто поверхневим натягом 5 .

Коефіцієнт поверхневого натягу є основною величиною, що характеризує властивості поверхні рідини, і називається коефіцієнтом поверхневого натягу. Сила поверхневого натягу - сила, обумовлена ​​взаємним тяжінням молекул рідини, спрямована по дотичній до її поверхні. Дія сил поверхневого натягу призводить до того, що рідина в рівновазі має мінімально можливу площу поверхні. При контакті рідини з іншими тілами рідина має поверхню, що відповідає мінімуму її поверхневої енергії.

3.2. Ефект змочування

Лінія, що обмежує поверхню краплі на твердому тілі, є межею поверхонь трьох тіл: рідини, твердого тіла та газу. Тому в процесі встановлення рівноваги краплі рідини на кордоні цих тіл діятимуть три сили: сила поверхневого натягу рідини на кордоні з газом, сила поверхневого натягу рідини на кордоні з твердим тілом, сила поверхневого натягу твердого тіла на кордоні з газом. Чи розтікатиметься рідина по поверхні твердого тіла, витісняючи з нього газ, або, навпаки, збереться в краплю, залежить від співвідношення величин цих сил. Необхідно відзначити, що саме швидкість зміни діаметра плями, утвореного краплею рідини, нанесеної на чисту поверхню матеріалу, використовується як основна характеристика змочування в капілярах. Її величина залежить як від поверхневих явищ, і від в'язкості рідини, її щільності, летючості. В'язкіша рідина з іншими однаковими властивостями довше розтікається по поверхні і повільніше протікає по капілярному каналу 6 .

3.3. Висота підняття рідини в капілярних трубках

Капілярні явища обумовлені двома різноспрямованими силами: сила тяжіння, що змушує рідину опускатися вниз і сила поверхневого натягу, що рухає воду вгору. Підйом-опускання жид-ко-сті по ка-пил-ля-ру зо-но-віт-ся тоді, коли сила по-верх-ност-но-го на-тя-же-ня урав-но-ве -Сит-ся силою тяжкості, дей-ству-ю-щої на стовп під-ня-тої жид-ко-сті. Ви-со-та, на яку під-ні-мет-ся сма-чи-ва-ю-юча рідина в ка-пил-ляр-ній трубці, долаючи силу тяжкості, розраховується за формулою (3.3.1 ):

(3.3.1)

де ------ - ко-еф-фі-ці-ент по-верх-ніст-но-го на-тя-же-ня,Н/м; - щільність рідкості, кг/м 3 ; - прискорення вільного падіння,9,8 м/с 2 ; h - висота стовпчика піднятої рідини,м; r - радіус капіляра, м; d - Діаметр капіляра, м 7 .

Якщо капіляр нахилений до поверхні рідини, висота підняття рідини від величини кута нахилу не залежить. Як би не розташовувалися капіляри в структурі, висота підняття рідини залежатиме від ------, , r ( d ) . З формули висоти підняття рідини у капілярах виражаємо формулу для знаходження діаметра капіляра (3.3.2)

де ------- ко-еф-фі-ці-ент по-верх-ніст-но-го на-тя-же-ня, Н/м; - щільність рідини, кг/м 3 ; - прискорення вільного падіння, 9,8 м/с 2 ; h - Висота стовпчика піднятої рідини, м; d - Діаметр капіляра, м 8 .

4. Гідростатичний тиск

На кожну частинку рідини, що у полі тяжіння Землі, діє сила тяжкості. Під дією цієї сили кожен шар рідини тисне на розташовані під ним шари. У рідинах існує тиск, зумовлений її вагою. Рідина здатна легко змінювати форму. Частини рідини можуть вільно зрушуватися, ковзаючи один щодо одного. Рідини практично стисливі. Вода в деревині може бути як у статичному (стабільному), так і в динамічному (нестабільному) стані. Якщо вода знаходиться в термодинамічній рівновазі з деревиною та довкіллям, то в ній не відбувається жодних змін у часі чи просторі. Такий стан води називають стабільним і характеризує кінцевий результат взаємодії деревини та води. Динаміка встановлює найбільш загальні закономірностівзаємодії деревини та води. Тиск, зумовлений вагою рідини, називають гідростатичним тиском. Відповідно до закону Паскаля тиск, що чиниться на рідину, передається рідиною на всі боки однаково. Це пов'язано з рухливістю молекул у рідкому стані 9 .

Тиск стовпа рідини визначається за формулою (5.1):

Р = ρgh ,Па

де ρ - Щільність рідини, кг/м 3 ; g - прискорення вільного падіння, 9,8 м/с 2 ;
h - Висота стовпа рідини або глибина, на якій вимірюється тиск, м 10.Гідростатичний тиск дорівнює вазі стовпа рідини з одиничною основою та висотою, що дорівнює глибині занурення крапки під вільною поверхнею рідини.Тиск на дно судини визначається лише заввишки стовпа рідини. Незалежно від форми судини та її розмірів.

5. Пояси атмосферного тиску

Повітря, що оточує Землю, має масу і тиск на всі об'єкти, що знаходяться на земній поверхні. Сила, з якою повітря тисне на земну поверхню, називається атмосферним тиском.За нормальний атмосферний тиск умовно прийнято тиск повітря 760 міліметрів ртутного стовпана рівні моря на широті 45° та при температурі 0°С. Тиск повітря на планеті може змінюватися в широких межах. Розподіл атмосферного тиску по земній поверхні має яскраво виражений зональний характер.

На планеті сформувалося кілька поясів атмосферного тиску:

низький тиск на екваторі;

високий тиск у тропіках;

низький тиск над помірними широтами;

високий тиск над полюсами

Це відбувається через постійно високих температурповітря на екваторі. Нагріте повітря піднімається і йде убік тропіків. На полюсах поверхня землі завжди холодна, а атмосферний тиск підвищений. Його обумовлює повітря, яке надходить з помірних широт. У помірних широтах через відплив повітря формується зона зниженого тиску 11 .

Таким чином, на Землі є два пояси атмосферного тиску — знижений і підвищений. Знижений на екваторі та у двох помірних широтах. Підвищений на двох тропічних та двох полярних. Вони можуть трохи зміщуватися залежно від пори року. Цілий рікобласті зниженого тиску зберігаються поблизу Екватора та у південній півкулі в помірних широтах.

5.1. Вплив атмосферного тиску на рослини

Існують лабораторні вакуумні установкирізних розмірів та потужністю. Із застосуванням такої установки, заснованої на використанні дуже низького атмосферного тиску, можна реалізувати мистецтво Бонсай - вирощування точної копії справжнього дерева в мініатюрі - прямо пропорційна залежність висоти росту рослин від атмосферного тиску. У разі збільшення/зниження атмосферного тиску пропорційно збільшується/знижується абсолютне зростання. Це може служити експериментальним доказом того, чому дерева після катастрофи мільйони років тому на Землі або повністю вимерли, або зменшилися 12 . Сьогодні залишки загиблої біосфери - дерева-гіганти, що досягають висоти до 150 метрів, які ще зовсім недавно були широко поширені по всій планеті. Щільне повітря більш теплопровідне, тому субтропічний клімат поширювався від екватора до полюсів, де не було крижаного панцира. Завдяки високому атмосферному тиску теплопровідність повітря була високою. Ця обставина вела до того, що температура на планеті розподілялася рівномірно, і по всій планеті клімат був субтропічний. Внаслідок високої теплопровідності повітря при високому атмосферному тиску на полях теж росли тропічні і субтропічні рослини.

Останнім часом ми спостерігаємо поступове зменшення тиску на планеті. За останню тисячу років тиск, якщо вважати, що воно падало по 1-2 мм ртутного стовпа на рік, упав із трьох до однієї атмосфери. Суша займає всього 1/3 поверхні планети, виходить, що Земля була покрита шаром суцільної зеленої маси. Багатоярусність лісів дозволяла розмістити на Землі у багато тисяч разів більше за масу сучасної біосфери.

6. Дерева-гіганти

Колись реліктові ліси з гігантськими рослинами покривали більшу частину суші. земної кулі. Викопні зразки свідчать, що гігантські дерева існували вже у юрський період. Так склалося в природі, що десять найвищих дерев ростуть на території США, і належать до виду Секвоя. Як унікальні деревау кожного з них є власне ім'я. Але на інших континентах і країнах ростуть не менш дивовижні і унікальні види дерев.

Секвоя — найвище дерево у світі, що росте все життя у висоту та завширшки. Вчені встановили, що секвоя зростала Землі понад сто мільйонів тому. Про це свідчать знайдені скам'янілості із залишками кори. Вчені стверджують, що багато мільйонів років тому секвої росли по всій північній півкулі Землі. Сьогодні в природному вигляді ці гіганти ростуть вузькою смугою вздовж берегів Тихого океану в Північній Америці, штат Каліфорнія, ніколи не віддаляється далеко від узбережжя. Штучно вирощують це дерево в Канаді, Мексиці, Великій Британії, Португалії, Італії, ПАР, Новій Зеландії, в Криму, на Кавказі. Але скрізь, де це дерево посаджено штучно, не досягає таких величезних розмірів, як у своїй природній батьківщині у Північній Америці. Евкаліпт - вічнозелені велетні, що ростуть в Австралії, Новій Зеландії, на Тасманії. Величезні евкаліпти можуть жити лише у вологому кліматі субтропіків. Евкаліпт - дерево, що не дає тіні, тому що листові платівки повертаються рубом до сонця. Завдяки такій здатності евкаліпт довго може зберегти увібрану в себе вологу, це справжній водяний насос. Одне таке дерево протягом доби здатне всмоктати понад 300 літрів вологи. А за рік цей випиває понад 100 тонн води. Через ці властивості, це дерево часто використовують у меліорації 13 .

6.1. Підйом води у стовбурах високих дерев

Довгий час механізм підйому води до верхівок високих дерев залишався загадкою. Вода від коріння дерева піднімається по ксилемі - судинної тканини, а рухають її вгору, проти сили тяжіння, капілярні сили. Чим вище дерево (а тим самим висота водяного стовпа), тим більше сила тяжіння ускладнює підйом. Тиск водяного стовпа в ксилемі неухильно знижується. Стовп води розривається з появою бульбашок повітря. На висотах понад 110 метрів, тобто. у вершин дерев-гігантів, тиск у ксилемі дуже близький до мінімально можливого. Однак під час посух уникнути падіння тиску нижче за допустимий рівень не вдається. верхня частинакрони, ймовірно, відмирає, але потім замінюється на нову. Майже всі високі секвої мають кілька вершин. Як і тиск у ксилемі, лінійно з висотою знижується внутрішній гідростатичний тиск у живих клітинах, необхідний для їх росту та розгортання листя 14 .

Межа висоти дерева визначається доступністю води. Висота, якої можуть досягти секвої, непостійна, вона змінюється згодом залежно від кліматичних та атмосферних змін — адже на водозабезпечення та вуглецевий баланс дерева впливає сума факторів: рівень концентрації Вуглекислий газв атмосфері, зміни температури та вологості зовнішнього середовища.

7. Експеримент

Мета експерименту:довести, що висота підняття рідини у капілярах залежить від діаметра цих капілярів.

Обладнання та матеріали:ємність для рідин, термометр, штангенциркуль, маркер, набір трубочок різних діаметрів, вода джерельна, березовий сік натуральний (Додаток А).

1. Приготувала зразки трубочок різного діаметрадля дослідження. Штангенциркулем визначила їх внутрішній діаметр і відповідно пронумерувала щодо зменшення їх діаметра, дані занесла до таблиці 10.1 (Додаток Б). 2. На відстані 1 сантиметр від одного кінця зразка відзначила маркером лінію. Взяла ємність із джерельною водою і по черзі опускала зразки трубочок у воду, щоб рівень води збігався з проведеною лінією. 3. Позначила маркером висоту підняття рідини. Такий досвід я провела з кожним зразком (Додаток В). 4. Штангенциркулем відміряла висоту підняття джерельної води у трубочках. Отримані дані аналізу занесла до таблиці 10.2 (Додаток Р). 5. Повторила досвід із натуральним березовим соком (Додаток Д). 6. Штангенциркулем відміряла висоту підняття березового соку в трубочках. Отримані дані аналізу занесла до таблиці 10.3 (Додаток Е).

Температура джерельної води у досліді становить 20 0 С; щільність = 1000 кг/м 3 ; коефіцієнт поверхневого натягу = 0,073 Н⁄м. Температура натурального березового соку – 20 0 С; щільність = 1000 кг/м 3 ; коефіцієнт поверхневого натягу = 0,062 Н⁄м 15. Відповідно до формули знаходження висоти підняття рідини в капілярах (3.3.1) ця висота залежатиме від ------, , d .

Висновок:з таблиць 10.2 та 10.3 слід, що висота піднятих рідин пропорційна діаметру трубочок, результати експерименту з джерельною водою підтверджують цю пропорційність результатами експерименту з натуральним соком березовим. Натуральний березовий сік як в'язкіша рідина повільніше протікає по капілярному каналу.

p align="justify"> Одним з основних прийомів розробки загальних теоретичних положень є узагальнення - засіб переходу від пізнання приватних явищ до пізнання загальних. Воно полягає у дослідженні таких властивостей та явищ матеріального світу, які характеризують не поодиноке явище, а цілий клас однорідних у цьому відношенні явищ.

Теорія подібності – вчення про методи наукового узагальнення експерименту. Вона відповідає на запитання, як потрібно поставити досвід та опрацювати отримані дані, щоб їх можна було поширити на подібні явища. Будь-яке явище природи є системою матеріальних тіл, яка за рахунок протікання в ній різних процесівзазнає певної зміни стану. Подібними явищами називають системи тіл, геометрично подібні один до одного, в яких протікають процеси однакової фізичної природи і в яких однойменні величини, що характеризують явища, відносяться між собою як постійні числа.

Метод подібності застосовується у завданнях прикладного характеру, у яких рішення потрібно враховувати велику кількість фізичних величині дозволяє виділити безрозмірні параметри, які незалежно впливають досліджуваний процес. Такий підхід дозволяє спростити якісне дослідження та чисельне моделювання експерименту. Висота стовпа піднятої рідини подібна до висоті дерева, діаметр трубочок подібний до діаметра судин деревини. Проаналізувавши результати, на підставі отриманих даних про водопровідну систему дерев та методу подібності я побудувала криву висот: лінійну діаграму залежності діаметра посудини деревини від висоти. (Додаток Ж).

Рідина в капілярній трубці долає силу важкості. В даний момент часустан рідини буде стабільним і характеризує кінцевий результат взаємодії деревини та води. Тиск обумовлений вагою рідини у деревині.

Згідно з формулою визначення гідростатичноготиску стовпа рідини (5.1) тиск на дно судини визначається лише висотою стовпа рідини та незалежно від форми судини та її розмірів. Атмосферний тиск повітря давить на земну поверхню. Гідростатичний тиск у цій точці рідини створиться вагою рідини, що знаходиться над цією точкою, та вагою атмосфери над поверхнею рідини. Тиск біля поверхні рідини часто дорівнює атмосферному тиску.

Висновок з експерименту:змочують рідини джерельна вода і натуральний березовий сік близькі за своїм складом до природних джерел води для всього рослинного світу і руху соку в деревах піднімаються по капілярах судин деревини, долаючи силу тяжкості, на висоту дерева, що залежить від коефіцієнта поверхневого натягу цих капіляр судин деревини.

Так як розподіл атмосферного тиску по земній поверхні носить яскраво виражений зональний характер і сформувалося кілька поясів низького і високого атмосферного тиску в певних широтах, з ймовірністю можна сказати, що висота дерев буде різною при певному атмосферному тиску на різних широтах його виростання і буде зависати атмосферного тиску як від одного з факторів впливу на зростання та розвиток рослинного світу.

На висоту дерев впливають різні кліматичні чинники, зокрема й атмосферний тиск, але передусім залежить від гідравлічної системи самого дерева.

Висновок

В результаті своєї дослідницької роботия д осягла вирішення проблеми за допомогою поставленої мети та завдань:

1. Вивчила спеціальну літературу, що включає наукові та журнальні статті, підручники, словники, енциклопедії з обраної теми.

2. Поглибила свої знання за законами гідравліки, капілярними явищами, які широко поширені як у людській діяльності, так і в природі.

3. Довела експериментально залежність діаметра судини деревини від висоти.

4. Проаналізувала результати дослідницької роботи та представила результати у вигляді лінійної діаграми.

5. Підтвердила гіпотезу залежності висоти дерева від атмосферного тиску як від одного з факторів впливу на різних широтах його зростання.

6. Удосконалила у процесі своєї роботи особисті якості:

посидючість;

спостережливість;

здатність працювати з великою кількістю інформації;

прагнення саморозвитку.

Придбала:

спрямованість на результат;

системність мислення;

аналітичні здібності.

Я бачу подальшу перспективу застосування розробленого мною продукту для вдосконалення знань на уроках фізики та біології у школі.

Список використаної літератури

1. Башта Т.М. Гідравліка, гідромашини. - М: Видавничий дім Альянс, 2002. - 422 с.

2. Галдін Н.С. Основи гідравліки та гідроприводу: Навчальний посібник. - Омск.: Видавничо Сибаді, 2006. - 145 с.

3. Гомоюнов К.К. фізика. Тлумачний словник школяра та студента. – К.: Проспект, 2-ге видання, 2010. – 496 с.

4. Патурі Ф. Рослини – геніальні інженери природи. – М.: Прогрес, 2002. – 265 с.

5. Магеррамов М. А. Теплофізичні властивості натуральних та концентрованих плодоовочевих соків. – Баку.: Елм, 2006. – 274 с.

6. Сальников В.С. Механіка рідини та газу. – Ярославль.: Видавничий дім Факел, 2002. – 199 с.

7. Телеснін Р. В. Молекулярна фізика: Навчальний посібник. - СПб.: Лань, 2009. – 368 с.

8. Шемшук В. А. Як нам повернути Рай. – К.: Омега Плюс, 2009. – 336 с.

9. Альохіна Н. Д. Рух води в цілому рослині (Електронний ресурс). -http://gendocs.ru

10. Бурова Л.А. Найвище дерево у світі (Електронний ресурс). - http://www.doklad-na-temu.ru

11. Горкін А.П. Сучасна ілюстрована енциклопедія (електронний ресурс). - https://www.litmir.me

12. Гелстон А. Підйом води у стовбурах високих рослин (Електронний ресурс). - http://www.booksshare.net

13. Михайлова Н.В. Де росте евкаліпт? (Електронний ресурс). -http://fb.ru

Програми

Додаток А

Додаток Б

Таблиця 10.1 - Номери трубочок та їх внутрішній діаметр

Додаток Г

Таблиця 10.2 - Висота підняття джерельної води в трубочках

Додаток Д

Додаток Е

Таблиця 10.3 - Висота підняття натурального березового соку в трубочках

Вода надходить у рослину з ґрунту через кореневі волоски і по судинах розноситься по всій його надземній частині. У вакуолях рослинних клітин розчинено різні речовини. Частинки цих речовин тиснуть на протоплазму, яка добре пропускає воду, але перешкоджає проходженню через неї розчинених у воді частинок. Тиск розчинених речовин на протоплазму називається осмотичним тиском. Вода, поглинена розчиненими речовинами, розтягує до певної межі еластичну оболонку клітини. Як тільки розчинених речовин стає меншим у розчині, вміст води зменшується, оболонка скорочується і приймає мінімальний розмір. Осмотичний тиск постійно підтримує рослинну тканину в напруженому стані, і лише при великій втраті води, при в'яні, ця напруга - тургор - у рослині припиняється.

Коли осмотичний тиск урівноважено оболонкою, що розтягнулася, вода не може надходити в клітину. Але варто клітині втратити частину води, як оболонка скорочується, клітинний сік, що знаходиться в клітині, стає більш концентрованим, а вода починає надходити в клітину, поки оболонка знову не розтягнеться і не врівноважить осмотичний тиск. Що більше води втратила рослина, то з більшою силою вода надходить у клітини. Осмотичний тиск у рослинних клітинах досить великий, і його вимірюють, подібно до тиску в парових котлах, атмосферами. Силу, з якою рослина всмоктує воду, - сису силу - також виражають в атмосферах. Смоктна сила у рослин часто досягає 15 атмосфер і вище.

Рослина безперервно випаровує воду через устьиця, що знаходяться в листі. Продихання можуть розкриватися і закриватися, утворювати то широку, то вузьку щілину. На світлі продихи розкриваються, а в темряві і при занадто великій втраті води закриваються. Залежно від цього випаровування води йдето інтенсивно, то майже зовсім припиняється.
Якщо зрізати рослину під корінь, з пенька починає сочитися сік. Це показує, що корінь і сам нагнітає воду у стебло. Отже, надходження води до рослини залежить не тільки від випаровування води через листя, а й від кореневого тиску. Воно переганяє воду з живих клітин кореня в порожнисті трубки судин, що відмерли. Так як у клітинах цих судин немає живої протоплазми, вода безперешкодно рухається ними до листя, де випаровується через продихи.

Випаровування дуже важливе для рослини. З водою, що пересувається, розносяться по всій рослині поглинені коренем мінеральні речовини.
Випаровування знижує температуру тіла рослини і тим самим оберігає її від перегріву. Рослина засвоює лише 2-3 частини поглиненої ним із ґрунту води, решта 997 - 998 частин випаровуються в атмосферу. Щоб утворити один грам сухої речовини, рослина у нашому кліматі випаровує від 300 г до кілограма води.

Вода, що надійшла до клітин кореня, під впливом різниці водних потенціалів, що виникають завдяки транспірації та кореневого тиску, пересувається до провідних елементів ксилеми. Згідно з сучасними уявленнями, вода в кореневій системі пересувається не тільки живими клітинами. Ще 1932г. німецький фізіолог Мюнх розвинув уявлення про існування в кореневій системі двох відносно незалежних один від одного обсягів, за якими пересувається вода, - апопласту та симпласту.

Апопласт - це вільний простір кореня, до якого входять міжклітинні проміжки, клітинні оболонки, а також судини ксилеми. Симпласт – це сукупність протопластів всіх клітин, відмежованих напівпроникною мембраною. Завдяки численним плазмодесмам, що з'єднують між собою протопласт окремих клітин, симпласт є єдиною системою. Апопласт не безперервний, а розділений на два обсяги. Перша частина апопласту розташована в корі кореня до клітин ендодерми, друга - по інший бік клітин ендодерми і включає судини ксілеми. Клітини ендодерми завдяки пояскам. Каспари представляють бар'єр для переміщення води по вільному простору (міжклітинникам і клітинним оболонкам). Пересування води корею кореня йде головним чином апопласту, де вона зустрічає менший опір, і лише частково по симпласту.

Однак, для того, щоб потрапити до судин ксилеми, вода повинна пройти через напівпроникну мембрану клітин ендодерми. Таким чином, ми маємо справу з осмометром, у якого напівпроникна мембрана розташована в клітинах ендодерми. Вода спрямовується через цю мембрану у бік меншого (більше негативного) водного потенціалу. Далі вода надходить у судини ксилеми. Як уже згадувалося, з питання про причини, що викликають секрецію води в судини ксилеми, є різні міркування. Згідно з гіпотезою Крафтса, це наслідок викиду солей у судини ксилеми, внаслідок чого там створюється підвищена їх концентрація, і водний потенціал стає більш негативним. Передбачається, що в результаті активного (з витратою енергії) надходження солі накопичуються у клітинах кореня. Однак інтенсивність дихання в клітинах, що оточують судини ксилеми (перициклу), дуже низька, і вони не утримують солі, які завдяки цьому десорбуються до судин. Подальше пересування води йде судинною системою кореня, стебла і листа. Провідні елементи ксилеми складаються з судин та трахеїд.

Досліди з кільцюванням показали, що висхідний струм води рослиною рухається в основному по ксилемі. У провідних елементах ксилемы вода зустрічає незначне опір, що, природно, полегшує пересування води великі відстані. Щоправда, кілька води пересувається і поза судинної системи. Однак у порівнянні з ксилемою опір руху води інших тканин значно більший (не менше ніж на три порядки). Це призводить до того, що поза ксилемою рухається всього від 1 до 10% загального потоку води. З судин стебла вода потрапляє до судин листя. Вода рухається зі стебла через черешок або листову піхву в лист. У листовій платівці водопровідні судини розташовані в жилках. Жилки, поступово розгалужуючись, стають дедалі дрібнішими. Чим частіше мережа жилок, тим менший опір зустрічає вода при пересуванні до клітин мезофілу листа. Саме тому густота жилкування листа вважається однією з найважливіших ознак ксероморфної структури - відмінною рисою рослин, стійких до посухи.

Іноді дрібних відгалужень жилок листа так багато, що вони підводять воду майже до кожної клітини. Вся вода у клітці перебуває у рівноважному стані. Інакше висловлюючись, у сенсі насиченості водою є рівновага між вакуоллю, цитоплазмою і клітинної оболонкою, їх водні потенціали рівні. У зв'язку з цим, щойно через процес транспірації виникає ненасиченість водою клітинних стінок паренхімних клітин, вона відразу передається всередину клітини, водний потенціал якої падає. Вода пересувається від клітини клітини завдяки градієнту водного потенціалу. Очевидно, пересування води від клітини до клітини в листової паренхімі йде за симпласту, а переважно по клітинним стінкам, де опір значно менше.

По судинах вода рухається завдяки градієнту водного потенціалу, що створюється в силу транспірації, градієнту. вільної енергії(Від системи з більшою свободою енергії до системи з меншою). Можна навести приблизний розподіл водних потенціалів, який і викликає пересування води: водний потенціал грунту (0,5 бар), кореня (2 бар), стебла (5 бар), листя (15 бар), повітря при відносній вологості 50% (1000 бар ).

Однак жоден насос, що всмоктує, не може підняти воду на висоту більше 10м. Тим часом є дерева, у яких вода піднімається на висоту понад 100м. Пояснення цьому дає теорія зчеплення, висунута російським ученим Є. Ф. Вотчалом та англійським фізіологом Є. Діксоном. Для кращого розуміння розглянемо такий досвід. У чашку з ртуттю поміщають заповнену водою трубку, яка закінчується лійкою з пористої порцеляни. Вся система позбавлена ​​бульбашок повітря. У міру випаровування води ртуть піднімається трубкою. При цьому висота підйому ртуті перевищує 760мм. Це пояснюється наявністю сил зчеплення між молекулами води та ртуті, які повною мірою виявляються за відсутності повітря. Подібне положення, тільки ще яскравіше виражене, є в судинах у рослин.

Вся вода у рослині представляє єдину взаємозалежну систему. Оскільки між молекулами води є сили зчеплення (когезія), вода піднімається на висоту значно більшу 10м. Розрахунки показали, що завдяки наявності спорідненості між молекулами води сили зчеплення досягають величини – 30 бар. Це така сила, яка дозволяє підняти воду на висоту, рівну 120м, без розриву водних ниток, що приблизно складає максимальну висотудерев. 120м, без розриву водних ниток, що приблизно становить максимальну висоту дерев. Сили зчеплення існують і між водою та стінками судин (адгезія). Стінки провідних елементів ксилеми еластичні. Через ці дві обставини навіть за браку води зв'язок між молекулами води та стінками судин не порушується. Це підтверджується дослідженнями щодо зміни товщини стебла трав'янистих рослин. Визначення показали, що в полуденний годинник товщина стебла рослин зменшується. Якщо перерізати стебло, то судини відразу розширюються і повітря вривається до них. З цього досвіду видно, що з сильному випаровуванні судини звужуються і це призводить до негативного тиску. Завдяки цьому

Ψ в.судина = Ψ осм.+ Ψ давл.

Ступінь натягу водних ниток у судинах залежить від співвідношення процесів поглинання та випаровування води. Все це дозволяє рослинному організму підтримувати єдину водну систему і не обов'язково заповнювати кожну краплю води, що випаровується. Таким чином, при нормальному водопостачанні створюється безперервність води у ґрунті, рослині та атмосфері. У тому випадку, якщо в окремі членики судин потрапляє повітря, вони, мабуть, виключаються із загального струму води. Такий шлях води по рослині та її основні рушійні сили. Сучасні методидослідження дозволяють визначити швидкість пересування води рослиною. Швидкість пересування води визначається різницею водних потенціалів на початку та в кінці шляху, а також опором, який вона зустрічає. Згідно з отриманими даними, швидкість руху води протягом доби змінюється. У денний час вона значно більша. При цьому різні видирослин відрізняються за швидкістю пересування води. Якщо швидкість пересування у хвойних порід зазвичай 0,5-1,2 м/год, то у листяних вона значно вища. У дуба, наприклад, швидкість пересування становить 27 – 40 м/год. Швидкість пересування води залежить від напруженості обміну речовин. Зміни температури, введення метаболічних інгібіторів не впливають на пересування води. Водночас цей процес, як і слід було очікувати, дуже залежить від швидкості транспірації та від діаметра водопровідних судин. У ширших судинах вода зустрічає менший опір. Однак треба враховувати, що в ширші судини скоріше можуть потрапити бульбашки повітря або відбутися будь-які порушення струму води.

Вода, що надійшла до клітин кореня, під впливом різниці водних потенціалів, що виникають завдяки транспірації та кореневого тиску, пересувається до провідних елементів ксилеми. Згідно з сучасними уявленнями, вода в кореневій системі пересувається не тільки живими клітинами. Ще 1932г. німецький фізіолог Мюнх розвинув уявлення про існування в кореневій системі двох відносно незалежних один від одного обсягів, за якими пересувається вода, - апопласту та симпласту.

Апопласт - це вільний простір кореня, в який входять міжклітинні проміжки, клітинні оболонки, а також судини ксілеми. Симпласт - це сукупність протопластів всіх клітин, відмежованих напівпроникною мембраною. Завдяки численним плазмодесмам, що з'єднують між собою протопласт окремих клітин, симпласт є єдиною системою. Апопласт не безперервний, а розділений на два обсяги. Перша частина апопласту розташована в корі кореня до клітин ендодерми, друга - по інший бік клітин ендодерми і включає судини ксілеми. Клітини ендодерми завдяки пояскам. Каспари представляють бар'єр для переміщення води по вільному простору (міжклітинникам і клітинним оболонкам). Пересування води корею кореня йде головним чином апопласту, де вона зустрічає менший опір, і лише частково по симпласту.

Однак, для того, щоб потрапити до судин ксилеми, вода повинна пройти через напівпроникну мембрану клітин ендодерми. Таким чином, ми маємо справу з осмометром, у якого напівпроникна мембрана розташована в клітинах ендодерми. Вода спрямовується через цю мембрану у бік меншого (більше негативного) водного потенціалу. Далі вода надходить у судини ксилеми. Як уже згадувалося, з питання про причини, що викликають секрецію води в судини ксилеми, є різні міркування. Згідно з гіпотезою Крафтса, це наслідок викиду солей у судини ксилеми, внаслідок чого там створюється підвищена їх концентрація, і водний потенціал стає більш негативним. Передбачається, що в результаті активного (з витратою енергії) надходження солі накопичуються у клітинах кореня. Однак інтенсивність дихання в клітинах, що оточують судини ксилеми (перициклу), дуже низька, і вони не утримують солі, які завдяки цьому десорбуються до судин. Подальше пересування води йде судинною системою кореня, стебла і листа. Провідні елементи ксилеми складаються з судин та трахеїд.

Досліди з кільцюванням показали, що висхідний струм води рослиною рухається в основному по ксилемі. У провідних елементах ксилемы вода зустрічає незначне опір, що, природно, полегшує пересування води великі відстані. Щоправда, кілька води пересувається і поза судинної системи. Однак у порівнянні з ксилемою опір руху води інших тканин значно більший (не менше ніж на три порядки). Це призводить до того, що поза ксилемою рухається всього від 1 до 10% загального потоку води. З судин стебла вода потрапляє до судин листя. Вода рухається зі стебла через черешок або листову піхву в лист. У листовій платівці водопровідні судини розташовані в жилках. Жилки, поступово розгалужуючись, стають дедалі дрібнішими. Чим частіше мережа жилок, тим менший опір зустрічає вода при пересуванні до клітин мезофілу листа. Саме тому густота жилкування листа вважається однією з найважливіших ознак ксероморфної структури - відмінною рисоюрослин, стійких до посухи.

Іноді дрібних відгалужень жилок листа так багато, що вони підводять воду майже до кожної клітини. Вся вода у клітці перебуває у рівноважному стані. Інакше висловлюючись, у сенсі насиченості водою є рівновага між вакуоллю, цитоплазмою і клітинної оболонкою, їх водні потенціали рівні. У зв'язку з цим, щойно через процес транспірації виникає ненасиченість водою клітинних стінок паренхімних клітин, вона відразу передається всередину клітини, водний потенціал якої падає. Вода пересувається від клітини клітини завдяки градієнту водного потенціалу. Очевидно, пересування води від клітини до клітини в листової паренхімі йде за симпласту, а переважно по клітинним стінкам, де опір значно менше.

По судинах вода рухається завдяки градієнту водного потенціалу, що створюється в силу транспірації, градієнту вільної енергії (від системи з більшою свободою енергії до системи з меншою). Можна навести зразковий розподіл водних потенціалів, який і викликає пересування води: водний потенціал ґрунту (-0,5 бара), кореня (-2 бари), стебла (-5 бар), листя (-15 бар), повітря при відносній вологості 50 % (-1000 бар).

Однак жоден насос, що всмоктує, не може підняти воду на висоту більше 10м. Тим часом є дерева, у яких вода піднімається на висоту понад 100м. Пояснення цьому дає теорія зчеплення, висунута російським ученим Є. Ф. Вотчалом та англійським фізіологом Є. Діксоном. Для кращого розуміння розглянемо такий досвід. У чашку з ртуттю поміщають заповнену водою трубку, яка закінчується лійкою з пористої порцеляни. Вся система позбавлена ​​бульбашок повітря. У міру випаровування води ртуть піднімається трубкою. При цьому висота підйому ртуті перевищує 760мм. Це пояснюється наявністю сил зчеплення між молекулами води та ртуті, які повною мірою виявляються за відсутності повітря. Подібне положення, тільки ще яскравіше виражене, є в судинах у рослин.

Вся вода у рослині представляє єдину взаємозалежну систему. Оскільки між молекулами води є сили зчеплення (когезія), вода піднімається на висоту значно більшу 10м. Розрахунки показали, що завдяки наявності спорідненості між молекулами води сили зчеплення досягають величини - 30 бар. Це така сила, яка дозволяє підняти воду на висоту, рівну 120м, без розриву водних ниток, що приблизно становить максимальну висоту дерев. 120м, без розриву водних ниток, що приблизно становить максимальну висоту дерев. Сили зчеплення існують і між водою та стінками судин (адгезія). Стінки провідних елементів ксилеми еластичні. Через ці дві обставини навіть за браку води зв'язок між молекулами води та стінками судин не порушується. Це підтверджується дослідженнями щодо зміни товщини стебла трав'янистих рослин. Визначення показали, що в полуденний годинник товщина стебла рослин зменшується. Якщо перерізати стебло, то судини відразу розширюються і повітря вривається до них. З цього досвіду видно, що з сильному випаровуванні судини звужуються і це призводить до негативного тиску. Завдяки цьому

Ш в.судина = - Ш осм. + (- Ш давл.).

Ступінь натягу водних ниток у судинах залежить від співвідношення процесів поглинання та випаровування води. Все це дозволяє рослинному організму підтримувати єдину водну систему і не обов'язково заповнювати кожну краплю води, що випаровується. Таким чином, при нормальному водопостачанні створюється безперервність води у ґрунті, рослині та атмосфері. У тому випадку, якщо в окремі членики судин потрапляє повітря, вони, мабуть, виключаються із загального струму води. Такий шлях води по рослині та її основні рушійні сили. Сучасні методи дослідження дозволяють визначити швидкість пересування води рослиною. Швидкість пересування води визначається різницею водних потенціалів на початку та в кінці шляху, а також опором, який вона зустрічає. Згідно з отриманими даними, швидкість руху води протягом доби змінюється. У денний час вона значно більша. При цьому різні види рослин відрізняються за швидкістю пересування води. Якщо швидкість пересування у хвойних порід зазвичай 0,5-1,2 м/год, то у листяних вона значно вища. У дуба, наприклад, швидкість пересування становить 27 – 40 м/год. Швидкість пересування води залежить від напруженості обміну речовин. Зміни температури, введення метаболічних інгібіторів не впливають на пересування води. Водночас цей процес, як і слід було очікувати, дуже залежить від швидкості транспірації та від діаметра водопровідних судин. У ширших судинах вода зустрічає менший опір. Однак треба враховувати, що в ширші судини скоріше можуть потрапити бульбашки повітря або відбутися будь-які порушення струму води.

Вища рослина розчленована на органи, які виконують різні функції, але мають багато загальних властивостей, серед яких можна назвати необхідність поживних речовин і води для протікання фізіологічних процесів. Так як вода поглинається не всіма органами, а переважно кореневою системою, виникає необхідність її пересування по рослині. Цей процес становить так званий висхідний струм. Слід зазначити, що ця назва відображає не напрямок, а характер пересування та його локалізацію у рослині. Він проходить головним чином по мертвих тканинах стебла або черешка - судинах або трахеях у покритонасінних рослин і трахеїдів у голонасінних. Однак ця локалізація не абсолютна: вода здатна переміщатися і іншими анатомічними елементами, наприклад по флоемної системі.

Вода з розчиненим і в ній мінеральним та речовинами піднімається по судинах деревини.

Якщо взяти до уваги всю довжину шляху висхідного струму, його можна буде розбити на два не рівних по довжині ділянки.

1. Мертві гістологічні елементи в середині провідного шляху судини або трахеїди. Протяжність цієї ділянки значна, але вода проходить по ньому порівняно легко, оскільки рухається пасивно по мертвим елементам, не відчуваючи з боку значного опору.

2. Живі клітини кореня та листа, що знаходяться на початку та в кінці шляху пересування. Цей шлях просторово короткий, але долається він насилу, оскільки клітинні мембраниперешкоджають пересування води.

Пересування води у висхідному струмі має важливе значення у житті рослини. Цей струм забезпечує водою всі органи і тканини, приводячи їх у стан тургора. Висхідний струм води захоплює мінеральні іони, поглинені коренем, переносить їх і полегшує розподіл (але не поглинання!) по рослині.

Для того щоб вода рухалася рослиною (і не просто рухалася, а піднімалася вгору), необхідні витрати деякої кількості енергії, точки докладання якої розташовуються по кінцях струму, внаслідок чого вони отримали назву кінцевих двигунів.

Нижній кінцевий двигун або кореневе тиск. Його роль проявляється в основному при активному поглинанні – нагнітанні води. За участю скорочувальних білків він не тільки подає воду в кореневу систему, але й проштовхує її далі в корені і вгору по стеблі. Нагнітання води

Активний енергозалежний процес, який найсильніше виражений у корі кореня. Сила, що розвивається кінцевим двигуном, невелика (близько 0,15 МПа), вона може забезпечити підйом води на висоту не більше одного метра, тобто достатня для трав'янистих рослин та невеликих чагарників.

Симпласт – це система взаємопов'язаних протопластів рослини. Протопласти сусідніх клітин з'єднуються між собою плазмодесмами – цитоплазматичними тяжами, що проходять через пори у клітинних стінках. Вода з будь-якими розчиненими в ній речовинами, потрапивши в протопласт однієї клітини, може рухатися далі симпластом, не перетинаючи ніяких мембран. Цей рух іноді полегшується завдяки впорядкованому струму цитоплазми.

Апопласт - це система клітинних стінок, що стикаються, утворює безперервну мережу по всій рослині. До 50% такого целюлозного каркаса є як би «вільним простором», який може бути зайнятий водою. При її випаровуванні в міжклітини з поверхні клітин мезофілу в безперервному апопластному шарі води виникає натяг, і весь за механізмом об'ємного потоку підтягується до місця зменшення завдяки когезії («зчепленню») водних молекул. У апопласт вода надходить із ксилеми.

Верхній кінцевий двигун, або сила, що присмоктує, транспірації. При постійному випаровуванні води в листі рослин розбивається смокчуча сила (1 - 1,5 МПа), що відсмоктує воду від найближчих клітин і передається наступним клітинам, якими пересувається вода, до судин. У судинах немає цитоплазми, тому немає осмотичного тиску, і всмоктування рідини відбувається за участю всієї величини сисної сили. Вона дозволяє підняти воду на кілька метрів, діючи подібно до гідравлічного насоса. Цієї сили достатньо для забезпечення водою чагарників та порівняно невеликих дерев.

Підняття води по стовбуру дерева

Кінцеві двигуни можуть підняти воду на висоту до 10 м. Але багато деревних рослин мають набагато більшу довжину стовбура, і тоді обидва кінцеві двигуни не можуть забезпечити підйом води. У таких рослин на допомогу приходять сили зчеплення між молекулами води, які дуже великі та можуть досягати 30 – 35 МПа. Цієї сили достатньо для того, щоб підняти воду на 1 – 2 км, що значно перевищує висоту будь-якого дерева.

Сили зчеплення молекул води діють лише за певних умов: водні струмені в судинах повинні йти безперервно, без бульбашок повітря. Якщо в них потрапляє повітря, що можливо при їх пораненні або перерізанні, пересування води переривається. Цим пояснюється зав'ядання пагонів деревних рослин з листям і квітками (наприклад бузку), коли їх після зрізання поміщають у воду не відразу, а згодом.