растения выше 10 метров

zK · мая 23, 2007, 16:15:08

Вопрос возник в связи с тем, что моя дочь сейчас проходила в школе по физике насосы. Простейший насос - всасывающий по типу шприца. И дети должны понять, что не может такой насос поднять воду (при нормальном атмосферном давлении) более чем на ~10 метров - потому что вода загоняется в освободившееся место ничем иным атмосферным давлением.

И вот, пока я это дочке объясняю - вдруг понимаю, что совершенно забыл разгадку того факта, что деревья могут быть намного выше этих 10 метров. Понятно, что там работает не поршень как у шприца, а испарение на вершине. Но это все равно - тот же простейший всасывающий насос.

Буду благодарен, если кто-то из присутствующих напомнит, почему в восходящих сосудах растений (т.е. в ксилеме) выше 10 метров не образуется вакуум?
____________________________________________________

Кстати, это кажется Лысенко говорил:
"Дуб - 30 метров высотой!... Не без атомной энергии!!!"

Сергей · мая 23, 2007, 16:59:04

Цитата: "zK"деревья могут быть намного выше этих 10 метров.

http://vivovoco.rsl.ru/VV/NEWS/PRIRODA/2004/PR_11_04.HTM

''Что определяет максимальную высоту дерева

Самые высокие живые организмы на Земле - деревья: высота некоторых из них превосходит 100 м. Что же мешает таким гигантам вырасти еще выше? На этот вопрос попытались ответить Дж.Кох (Университет Северной Аризоны, США) и его коллеги из других университов США (Koch G.W. et al. // Nature. V.428. P.851-854). Они исследовали вечнозеленые секвойи Sequoia sempervirens из национального парка "Humboldt Redwoods" в штате Калифорния, выбрав экземпляры выше 110 м, включая и самое высокое дерево на планете. Чтобы добраться до крон секвой, приходилось из мощного лука выпускать стрелы с прикрепленными на концах прочными нитями, после чего через ветви протягивали веревки, помогавшие забраться наверх.

Как известно, вода от корней дерева поднимается по ксилеме - сосудистой ткани, а движут ее вверх, против силы тяжести, капиллярные силы. Чем выше дерево (а тем самым высота водяного столба), тем больше сила тяжести затрудняет подъем. Иными словами, давление водяного столба в ксилеме неуклонно падает с высотой; в итоге столб воды разрывается с появлением пузырьков воздуха (эмболия). На высотах больше 110 м, т.е. у вершин секвой-гигантов, давление в ксилеме очень близко к минимально возможному, при котором еще не возникает эмболии. Однако во время засух избежать падения давления ниже допустимого уровня не удается - верхняя часть кроны, вероятно, отмирает, но потом заменяется новой. Это согласуется с тем, что почти все высокие секвойи имеют несколько вершин. Как и давление в ксилеме, линейно с высотой снижается тургор - внутреннее гидростатическое давление в живых клетках, необходимое для их роста и развертывания листьев. При этом клетки на больших высотах мельчают, их стенки утолщаются, а листья становятся мелкими и плотными (регистрируется увеличение соотношения массы листа к его площади). Чтобы уменьшить риск возникновения эмболии и потери тургора, отверстия устьиц сокращаются. Но это имеет и негативное последствие - через устьица поступает меньше СО2. В результате эффективность фотосинтеза неумолимо снижается с высотой, что напрямую связано с установленным непосредственными измерениями падением концентрации СО2 внутри листьев и опосредованно - с вышеописанными изменениями в их структуре (в плотных мелких листьях повышена доля нефотосинтезирующей ткани, так как их клеточные стенки толще).

Эти четыре физиологических фактора - трудности обеспечения вершины водой, снижение эффективности фотосинтеза, падение уровня СО2 внутри листьев и увеличение их плотности - в совокупности ограничивают максимальную высоту деревьев. Кох с коллегами оценили максимально возможный теоретически рост секвой, проанализировав, на каких высотах изменения соответствующих параметров станут критическими. Полученное значение 122-130 м превышает рост известных на сегодняшний день самых высоких деревьев. Было предложено несколько объяснений такому несовпадению. Возможно, например, что секвойи-гиганты все еще продолжают расти или же они могли быть просто вырублены. Отмечено также, что секвойи наиболее засушливых мест не отличаются столь большим ростом, но при этом значения параметров, определяющих высоту дерева (минимальное давление в ксилеме и т.д.), у них сравнимы с их значениями на вершинах секвой-гигантов.

Таким образом, предел высоты дерева определяется доступностью воды. Высота, которой могут достигнуть секвойи, непостоянна, она меняется со временем в зависимости от климатических и атмосферных перемен - ведь на водообеспечение и углеродный баланс дерева влияет сумма факторов (уровень концентрации СО2 в атмосфере, изменения температуры и влажности внешней среды).

© Липина Т.В.,
кандидат биологических наук
Москва''

zK · мая 23, 2007, 18:18:20

Цитата: "Сергей"давление водяного столба в ксилеме неуклонно падает с высотой; в итоге столб воды разрывается с появлением пузырьков воздуха (эмболия). На высотах больше 110 м, т.е. у вершин секвой-гигантов, давление в ксилеме очень близко к минимально возможному, при котором еще не возникает эмболии.

Вот я и спрашиваю:
почему порог эмболии наступает выше 110 метров, а не на 10 метрах?

DNAoidea · мая 23, 2007, 19:53:39

По-моему дело тут в капилярном эффекте и тургоре. Первое повышает этот предел не особо на много, но основная движущая сила, как видно тургор - вода испаряется с листьев, там падает водяной потенциал и потому вода и течёт. Насколько я помню, давление осмотическое даволение может достигать 50 атм. стало быть максимальная высота дерева - 500 м? :shock:

Alexy · мая 23, 2007, 20:03:02

Да. Тут играет роль осмотическое давление (разница парциального давления воды в почве и парциального давления воды в корнях) и капиллярный эффект.

Сергей · мая 23, 2007, 20:30:34

Цитата: "DNAoidea"осмотическое даволение может достигать 50 атм. стало быть максимальная высота дерева - 500 м? :shock:

Вряд ли мембраны клеток такое давление выдержат. Скорее дело в том, что под капиллярными силами подразумевают не только силы, обусловленные мениском на конце капилляра, но и силы адгезии жидкости к стенкам.

Хотя, если не ошибаюсь, в книге Перельмана была такая картинка: нижний кусок срезанного с двух сторон прутика опущен в воду, и из верхнего среза капает вода. Капиллярные и осмотические силы на такое не способны - должен быть какой-то механический насос...

zK · мая 23, 2007, 23:37:27

Ну уж адгезия к стенкам здесь точно ни при чем, т.к. подобная сила не будет "знать", где верх, а где низ, т.е. куда тянуть.

Корневое давление (т.е. нагнетательный насос снизу), как я сейчас прочитал бывает 1-3 атмосферы (100 килоПаскалей). Значит его хватает на высоту 30 метров.

Еще 10 метров объясняется втягивающим насосом сверху. Но не более!
Какая разница - подсасывает воду сверху испарение, осмос или впившиеся в листья тли?

Все равно на высоте метров в 50 столбик воды в сосудах должен был бы порваться.
Ан - не рвется.

И ведь вроде нету осмотического градиента на протяжении ксилемы - почти чистая вода.

DNAoidea · мая 24, 2007, 01:18:26

Цитата: "zK"И ведь вроде нету осмотического градиента на протяжении ксилемы - почти чистая вода.

Так ведь ксилема не изолирована от других тканей организма, где вода уже не чистая. То есть получается - вода вытекает из ксилимы скажем в мезофил, а на её место притекает другая - из почвы.

Цитата: "Сергей"Вряд ли мембраны клеток такое давление выдержат.

А мембранны и не выдерживают, у них клеточная стенка есть.

zK · мая 24, 2007, 02:16:20

Ну вот если воткнуть манометр в ксилему на высоте 50 м - какое примерно он должен показать давление?

Alexy · мая 24, 2007, 16:39:49

Цитата: "zK"Корневое давление (т.е. нагнетательный насос снизу), как я сейчас прочитал бывает 1-3 атмосферы (100 килоПаскалей). Значит его хватает на высоту 30 метров.

Еще 10 метров объясняется втягивающим насосом сверху. Но не более!
Какая разница - подсасывает воду сверху испарение, осмос или впившиеся в листья тли?

А капиллярные силы наверное тоже добавляют к высоте подъема жидкости?

zK · мая 24, 2007, 16:44:03

Цитата: "Alexy"А капиллярные силы наверное тоже добавляют к высоте подъема жидкости?

Капиллярные силы - это мениск где-то там высоко в кроне между клетками на поверхности листьев.
Но почему не разрывается столбик чистой воды в сосудах ксилемы - вдалеке от земли и вдалеке от менисков?

Alexy · мая 24, 2007, 17:25:23

Т.е. сосуды ксилемы в стволе достаточно широки, и поэтому капиллярная сила в них мала? В отличие от межклет. пространств в листьях?

sss · мая 24, 2007, 17:37:09

Помню, физиологи растений мне отвечали именно на этот вопрос. Но я забыл.

Если до понедельника-вторника ответ не появится - спрошу опять у физиологов в КГУ.

zK · мая 24, 2007, 19:31:04

Цитата: "sss"Помню, физиологи растений мне отвечали именно на этот вопрос. Но я забыл.

Вот-вот!
Именно это воспоминание меня и мучит.

Сергей · мая 24, 2007, 21:07:57

Цитата: "zK"Ну уж адгезия к стенкам здесь точно ни при чем, т.к. подобная сила не будет "знать", где верх, а где низ, т.е. куда тянуть.

Я ИДУ НА УРОК

О.В. ПЕТУНИН,
учитель биологии средней школы с углубленным изучением отдельных предметов № 32, г. Прокопьевск, Кемеровская обл.

Поглощение воды корнем и ее транспорт у цветковых растений

Текст для чтения

Теория передвижения воды известна как теория когезии (с этим понятием вы знакомились, изучая строение и свойства воды в 10-м классе на уроках общей биологии) – натяжения. Согласно этой теории, подъем воды от корней обусловлен испарением воды из клеток листа (вспомните строение листа). Испарение приводит к снижению водного потенциала клеток, примыкающих к ксилеме. Поэтому вода входит в эти клетки из ксилемного сока, у которого более высокий водный потенциал, и достигает концов жилок листа, откуда она испаряется (механизм испарения будет изучен на следующем уроке).
Сосуды ксилемы заполнены водой, и по мере того как вода выходит из сосудов, в столбе воды создается натяжение. Оно передается вниз по стеблю на всем пути от листа к корню благодаря сцеплению (когезии) молекул воды. (Подумайте, почему молекулы воды стремятся «прилипнуть» друг к другу.)
Благодаря когезии прочность на разрыв у воды достаточно высока и способна предотвратить разделение ее молекул под действием натяжения, необходимого для подъема воды по ксилеме высокого дерева, и создать массовый ток. При этом вода поступает в основание такого столба в корнях из соседних клеток корня.
Кроме того, молекулы воды стремятся прилипнуть к стенкам сосудов под действием сил адгезии (прилипания), имеющих электрическую природу.
Клеточные оболочки, вдоль которых движется вода, очень эффективно притягивают воду, что дает максимальные преимущества для адгезии воды и создает условия для проявления когезивности.

http://bio.1september.ru/articlef.php?ID=200202903