Транспирация у растений. Что это, процесс, значение, виды, чему способствует, что позволяет

Естественный физиологический процесс обмена воды с окружающей средой у растений называется транспирацией. Это сложный механизм жизнедеятельности, в основе которого лежит способность флористических организмов изменять агрегатное состояние поступающей жидкости.

Что такое транспирация?

Термин введен биологами, чтобы подчеркнуть отличие этого сложного биологического процесса от обычного испарения воды.

Потливость возникает из-за:

• анатомическое строение;
• физиология растений;
• химические параметры;
• климатические условия среды произрастания;
• тип почвы и другие факторы.

Что такое транспирация у растений.

Потребление воды регулируется несколькими основными анатомо-физиологическими механизмами. Одно из важных значений этого процесса заключается в терморегуляторной функции. Транспирация у растений — управляемый биологический процесс движения влаги из почвы и атмосферы. Он насыщает стебли, листья и соцветия необходимыми для планомерного развития питательными веществами, а затем испаряется.

Процесс позволяет растению понизить температуру, что особенно актуально в душную погоду и летний сезон. Транспирация предотвращает перегрев листьев и их ожоги. Благодаря ему растение избавляется от лишней жидкости после сильных дождей или при выращивании в очень влажной почве.

Транспирация обеспечивает биологическую деятельность верхнего конечного двигателя водотока. В жаркий летний день температура листьев обычно на 3-8°C ниже температуры окружающего воздуха.

Потоотделение можно назвать своеобразной системой охлаждения, выполняющей еще и питательную функцию. Этот жизненно важный физиологический процесс способствует снабжению клеток тканей минералами и микроэлементами, растворенными в воде.

Виды транспирации

У растений существует 2 варианта биологического механизма испарения воды: устьичный и кутикулярный. Приоритет того или иного вида транспирации зависит от анатомического строения флористического организма и климатических условий. Листья играют главную роль в этом физиологическом процессе. Интенсивность испарения зависит от его структуры.

Анатомически листья состоят из 4 функциональных элементов:

• Эпидермальные (кожные) слои. Они играют роль внешнего слоя, находящегося в непосредственном контакте с окружающей средой.
• Мезофилл (паренхима). Внутренняя ткань листьев участвует в процессе фотосинтеза. Паренхима располагается между верхним и нижним слоями эпидермиса.
• Венозный. Они служат своеобразными кровеносными сосудами растения. По ним в процессе транспирации движется вода с растворенными в ней питательными веществами.
• Устьица. Это особые узкоспециализированные комплексы с парой замыкающих клеток и функциональными пространствами (отверстиями) между ними, образующими воздухосодержащие полости.

Эпидермис листа выполняет барьерную, терморегулирующую и защитную функции. Кожа защищает внутренние ткани от механического воздействия, различных повреждений, проникновения болезнетворных микробов и некоторых паразитирующих насекомых. Эпидермис поддерживает фотосинтез и правильный водный баланс посредством транспирации, предотвращая высыхание растения. Часто кожа покрыта слоем воска (кутикулой), который создает дополнительную защиту и активно участвует в переносе влаги.

Не менее важна роль устьичных клеток в процессе испарения пота. С их помощью растение осуществляет водно-газообмен с окружающим пространством. Это ключевые элементы своеобразной комбинированной системы кровообращения и дыхания.

Устьичная

При этом варианте потообмена влага испаряется с поверхности эпидермиса. В результате отдачи жидкости мениски капилляров изгибаются внутрь. Поверхностное натяжение листа увеличивается, а испарение замедляется. Это дает растению возможность значительно экономить живительную жидкость. Превращенная в пар вода выбрасывается через щелевые отверстия устьиц в окружающее атмосферное пространство.

Этот тип процесса транспирации характеризуется высокой интенсивностью, так как эти функциональные элементы листа обладают важными диффузионными способностями. После закрытия узкоспециализированных клеток устьиц скорость влагообмена снижается в несколько раз. Таким образом растение регулирует процесс удаления жидкости. При сопоставимой площади листа влага быстрее испаряется через несколько мелких ячеек, чем через одну крупную. После закрытия устьичных отверстий наполовину скорость влагообмена несколько снижается.

Транспирация у растений – это контролируемая скорость, с которой вода выделяется в окружающую среду. Количество устьичных образований варьирует в зависимости от вида, анатомического строения и классификации организма. У одних видов эти узкоспециализированные комплексы располагаются только на внутренней поверхности листьев, у других — на тыльной и внешней стороне. Различно и расстояние между устьичными щелями.

Кутикулярная

Эта функциональная часть листа, как и предыдущий элемент, способна реагировать на уровень насыщения внутренних тканей жидкостью. Чувствительные волосковые рецепторы, разбросанные по всей влагообменной поверхности, защищают растение от выжигающего влагу воздействия атмосферного воздуха и солнечных ультрафиолетовых лучей. Этот естественный биологический механизм служит для уменьшения потери воды, что предотвращает высыхание листьев. Важную роль во влагообмене с окружающей средой играет кутикулярная транспирация в то время, когда устьичные отверстия находятся в закрытом состоянии.

Интенсивность отдачи жидкости, превращающейся в пар, зависит от площади и толщины этого функционального элемента. Чем тоньше кутикула, тем выше скорость транспирации. Возраст растения также имеет значение. Взрослые листья имеют скорость потери влаги не более 10%. Молодая зеленая масса способна в 5 раз быстрее обмениваться испаряемой водой с окружающим пространством. Активная кутикулярная транспирация иногда свойственна старым деревьям и крупным кустарникам почтенного возраста.

Это объясняется:

• эпидермальное повреждение;
• нарушение его защитных функций;
• сушка поверхности;
• растрескивание листьев;
• деятельности паразитов и возбудителей.

У таких наземных растений наблюдается интенсификация газообмена, заключающаяся в ассимиляции (поглощении) атмосферного СО2. Чем ниже водный потенциал окружающего воздуха, тем выше скорость кутикулярной транспирации.

Роль в физиологии растений

Такой биологический процесс обеспечивает нормальное функционирование систем растительного организма. Во многом благодаря транспирации плоды созревают, а побеги становятся пятнистыми. Этот процесс защищает растение от негативного внешнего воздействия. Вместе с водой по тканям распространяются и минеральные соединения. За счет транспирации снижается корневая нагрузка и организм получает необходимые питательные вещества. На обрабатываемой площади этот важный биологический процесс распределяет удобрения, повышающие урожайность.

В теплицах и тепличных системах, где атмосферный воздух часто характеризуется повышенной влажностью, механизм транспирации замедляется. В таких условиях нередки ожоги листьев при искусственном досвечивании или прямом воздействии агрессивного солнечного ультрафиолета. Транспирация связана с биологическими свойствами воды и ее ролью в жизни растений. У некоторых культур это физиологическое явление служит для насыщения коллоидов протоплазмы жидкостью, приводя к активному плодоношению и созреванию.

Роль испаряемой воды в результате транспирации в биологических процессах развития растительных организмов:

Свойства воды	Функциональное значение
Высокая теплоемкость и способность быстро испаряться.	Поддерживает тепловой баланс листьев, стебля, корневой системы, плодов и соцветий.
Значительное поверхностное натяжение.	Облегчает циркуляцию влаги по капиллярам вен.
Оптимальная текучесть и плотность благодаря стабильным водородным связям.	Определяются аномальные параметры питательной жидкости растений, которые становятся структурным компонентом цитоплазмы.
Хорошее взаимодействие с разлагаемыми биополимерными веществами.	Он влияет на конформационное (структурное) строение биополимерных соединений, повышает активность растительных ферментов, развивает устойчивость к неблагоприятным погодным условиям.
Диссоциация на фотоионы с высокой степенью биологической активности.	Необходим для протекания в растении ключевых химических реакций: фотосинтеза, газообмена, гидролиза.
Способность поглощать инфракрасную часть излучения, относительная прозрачность и доступность для видимого спектра.	Такие свойства воды, являющейся объектом процесса транспирации, необходимы водным растениям для поглощения фотосинтетически активных радиоизлучений (ФАР). Прозрачные клетки эпидермального слоя наземной флоры пропускают ФАР в структуру мезофилла и в определенной степени препятствуют его перегреву.
Высокие характеристики растворения.	Они имеют жизненно важное значение для питания корневой системы, транспорта кислорода и поглощения углекислого газа.

Для функционального состояния и планомерного развития растительного организма имеет значение не только общая влажность, которая зависит от интенсивности процесса транспирации.

Большое значение имеют физико-химические характеристики воды:

• концентрация;
• уровень мощности;
• расход;
• реактивность.

Важна роль транспирации на стадии фотосинтеза. Лучше всего работает в диапазоне температур +20…+25°С, что обеспечивается системой биологической терморегуляции.

Влияющие факторы

Транспирация в живой природе происходит при различных внешних воздействиях. Его интенсивность и качество зависят от многих факторов окружающей среды.

Среди них выделяются:

• суточные циклы;
• количество солнечных дней в году;
• объем и агрессивность рентгеновского и ультрафиолетового излучения;
• экологическая обстановка в районе произрастания;
• влажность и температура воздуха;
• уровень загрязнения атмосферной смеси вредными выбросами промышленного производства;
• ветровая энергия;
• деятельность вредителей.

Солнечный свет способствует раскрытию щелевых отверстий устьичных образований. На посевных площадях, теплицах, оранжереях и тепличных комплексах эту функцию выполняют искусственные светодиоды или галогенные источники электромагнитного излучения.

Фотоны, поглощаемые растением, увеличивают проницаемость протоплазмы клеточных структур, отвечающих за испарение конденсированной воды. Это самый важный фактор потоотделения.

Солнечный свет энергично поглощается хлорофиллом, зеленым пигментом, участвующим в химической реакции фотосинтеза. В результате этого процесса повышается температура листьев и увеличивается парообразование. Активация потоотделения охлаждает поверхность, что поддерживает ее терморегуляторную функцию. Даже низкоинтенсивное рассеянное излучение улучшает парообразование на 30-40% по сравнению со скоростью процесса, происходящего ночью или в вечерних сумерках.

Научные данные гласят, что 100 см2 листьев кукурузы в полной темноте испаряют 0,097 г жидкости за 1 час, при мягком, рассеянном освещении этот показатель увеличивается до 0,114 г, а под воздействием прямых солнечных лучей – до 0,785 г./ч. Не менее важным фактором, влияющим на естественный ход потоотделения, является температура атмосферного воздуха. При нагревании процесс испарения ускоряется, так как ускоряются молекулы воды и увеличивается диффузия пара с коллоидной поверхности клеточных мембран.

Транспирация в растениях — процесс, подверженный многофакторным воздействиям, как природным, так и техногенным. Промышленное загрязнение воздуха увеличивает его плотность, а выбросы в атмосферу соединений углекислого газа создают парниковый эффект. Это приводит к резкому повышению температуры и ускорению потоотделения. Важным природным фактором является сила ветра, играющая неоднозначную роль в физиологических реакциях растительных организмов. В результате интенсивного движения атмосферных потоков тяжелые влажные слои сменяются легкими сухими слоями.

Это оказывает существенное влияние на удаление испарившейся воды из межклеточного пространства листьев. Порывы ветра вызывают преждевременное закрытие устьичных щелей, что приводит к замедлению физиологической реакции.

Описание процесса транспирации

В общем, таким биологическим явлением, характерным для всех представителей растительного мира, является движение водной жидкости от корней к листьям с испарением в конечной фазе. Лишь небольшая часть влаги используется для роста, развития и обмена веществ. В результате транспирации растение теряет 99% поглощенной воды. Течение основной физиологической реакции зависит от анатомического строения устьичного комплекса и типа флористического организма.

Важная функция процесса транспирации — открытие щелей для доступа углекислого газа, содержащегося в атмосфере, необходимого растениям для дыхания. Физиологическая реакция поддерживает нормальный уровень осмотического давления в клетках. Протекание процесса потоотделения частично обеспечивает капиллярный эффект вен. Но по большей части это происходит из-за разницы давлений в корневой системе, стебле, листьях и других анатомических структурах.

У высоких деревьев гравитационное сопротивление преодолевается за счет снижения гидростатического напряжения в верхних областях, обеспечиваемого устьичными комплексами и их диффузионной способностью. В жаркое время года лист растения испаряет объем воды, во много раз превышающий его собственную массу. Например, 1 га посевов пшеницы выделяет в летние месяцы 2-3 тысячи тонн воды за счет транспирации. Растительность пустынь наделена особым физиологическим механизмом испарения влаги, направленным на ее максимальное сохранение.

Этой цели служат:

• значительно утолщенная кутикула;
• площадь листа сильно уменьшена;
• гиперчувствительные рецепторы волос;
• небольшая площадь теплообмена.

Некоторая пустынная флора использует фотосинтез CAM, особый метаболический способ секвестрации углерода. Их устьица плотно закрыты днем ​​и открываются только ночью после понижения температуры.

Транспирация на протяжении суток

Физиологическая реакция наиболее слаба ночью и ранним утром перед восходом солнца. Транспирация четко связана с суточным циклом и биологическим ритмом растения. С появлением на горизонте светильника и увеличением объема поглощаемой солнечной радиации биологическая реакция усиливается. Этому способствуют сопутствующие факторы: повышение температуры атмосферной смеси, уменьшение концентрации водяных паров, аккумулированных за ночь в воздухе, усиливающиеся под действием радиации порывы ветра. Чем выше светильник в зените, тем интенсивнее будет испарение.

Днем она замедляется, а ночью падает до дневного минимума. Это теоретическая модель процесса транспирации, которую практически невозможно осуществить в естественных условиях.

Не учитывает:

• время года;
• географическая широта;
• тип почвы;
• уровень загрязнения окружающей среды;
• характеристики региона;
• наличие рядом с местом произрастания рек и других водоемов;
• смена погоды;
• влияние циклонов, других факторов.

Наиболее интенсивная физиологическая реакция возникает при ясном небе в жаркое время года.

Показатели процесса

Измерение значений и характеристик транспирации важно для биологической науки и представляет большой практический интерес для сельскохозяйственного сектора. Для определения основных показателей существуют специальные методы, приборы и инструменты. Транспирация в растениях важна для исследований, товарного растениеводства, эстетического и лекарственного выращивания. Определение значений интенсивности и продуктивности физиологической реакции позволяет повысить плодоношение, создать эксклюзивный дизайн парка и обустроить сад.

Регулировка водного баланса

Влагообмен растений можно разделить на 3 последовательных фазы: поглощение, продвижение и испарение. Они составляют единый механизм регуляции водного баланса. Каждое растение реализует его по-своему. Водный баланс – это зависимость между поступлением жидкостей из почвы и атмосферы или за счет искусственного орошения и их потреблением. В регионах с умеренной влажностью и средним количеством осадков это значение является оптимальным, что выражается в быстром развитии растительности, разнообразии и плодоношении.

В жарком климате и в жаркие дни водный баланс не столь благоприятен. Относительное равновесие нарушается сильным потоотделением. Дефицит может достигать 5-10% при достаточном увлажнении почвы и 25% при ее сухости. Корневая система не успевает поставлять влагу, интенсивно расходуемую на испарение пота. Полуденный дефицит жидкости считается нормальным явлением, носит кратковременный характер и не вредит растению.

Механизм биологической регуляции препятствует возникновению критического водного дисбаланса. В определенный момент растение замедляет испарение пота, восстанавливая баланс. Этот эффект достигается за счет повышения влагоудерживающих свойств тканей и герметичного закрытия устьичных пространств. Регуляция транспирации имеет свои пределы.

При сильном постоянном дефиците влаги снижается эластичность тканей растений и заметно снижается тургор клеток. Это приводит к увяданию, которое может быть временным и поправимым или долгосрочным и критическим для жизни.

Интенсивность

Скорость физиологической реакции связана с площадью и временем испарения. Для каждого вида растений этот параметр разный. Объем воды, отданный в окружающее пространство за контрольный промежуток времени, называется интенсивностью транспирации. Для большинства растительных организмов умеренного климатического пояса планеты эта величина в течение суток колеблется в пределах 15-250 г/ч на м2.

Ночью нормальная скорость транспирации составляет 1-20 г/ч, исходя из аналогичной площади испарения.

Продуктивность

Этот показатель отражает объем сухой полезной массы, накопленной растением за учетный период процесса транспирации, в течение которого испаряется 1 кг жидкости. Это имеет особое значение для специально возделываемых лекарственных культур, цветов, трав и кустарников. Продуктивность транспирации колеблется в диапазоне массы от 1 до 8 г. В среднем для типичных культурных растений она составляет 3 г.

Определение уровня транспирации

В сельскохозяйственном секторе оперируют понятием коэффициента транспирации как экономического показателя.

Для измерения этих значений используйте:

• потометр – специальный прибор, показывающий скорость поглощения влаги срезанными побегами или молодыми саженцами;
• лизиметр – переносной прибор или стационарная конструкция, предназначенные для сбора и анализа почвенного раствора;
• порометр – прибор для измерения размеров устьичных щелей;
• фотосинтетические методы, изучающие особенности протекания ключевой биологической реакции для растений.

Испаряемая при транспирации влага по изотопному составу существенно отличается от окружающих грунтовых вод. У всех растений этот показатель разный. Коэффициент транспирации обычно составляет 200-600. Это обусловливает необходимость расхода 200-1000 литров воды на получение 1 кг сухой массы урожая.

Видео о транспирации у растений

Кратко о том, что такое транспирация у растений: