Vodní provoz rostlinVodní provoz rostlin

Rostliny se liší od ostatních organismů:

Fotoautotrofie – voda je základní komponent výstavby spolu se světlem a CO2Schopnost získávat vodu a minerální látkyVnitrobuněčný hydrostatický tlak (turgor) Rozpouštědlo anorganických a organických látek, prostředí pro pohyb molekul a iontůMetabolická surovina: ve fotosyntéze, hydrolýza, hydrataceStavební materiál buňky – vakuolaTransportní prostředek – hromadný tok látekSnižování teploty

Závislost výnosu na dostupnosti vody

Rostlina a voda

Rostliny jsou homoiohydrické organismy – vysoký obsah vody v orgánech – 60-90%, kořeny 80-90%, dřevo 50%.

Orgánově závislé: semena , zrna – nízký obsah vody, Sleziník routička (Asplenium) jsou poikilohydrické – mohou vyschnout, nemají vakuolu

Obsah vody v rostlině velmi jemně regulován – transpirace a gutace versus fotosyntéza

Struktura a vlastnosti vody

Polarita vody a parciální rozložení náboje způsobuje tvorbu vodíkových můstků• Vodíky vázány pod úhlem 105o

• Kyslík je více elektronegativní - atrahuje elektrony kovalentní vazby• Separace parciálních nábojů + tvar a velikost molekuly vody z ní dělá nejlepší

polární rozpouštědlo• Polarita vody dává vzniku vodíkových vazeb

Polarita vody z ní dělá vynikající rozpouštědlo • Snižuje elektrostatické interakce a zvyšuje tak rozpustnost• tvoří hydratační povrchy makromolekul

Tvorba vodíkových můstků

Termální vlastnosti vody

TTermální vlastnosti vodyermální vlastnosti vody jsou rovněž způsobeny vodíkovými můstky

• Neobvyklé termální vlastnosti – vysoká měrná tepelná kapacita a vysoké skupenské teplo výparu – molekuly se musí napřed rozpojit a poté teprve zrychlení pohybu molekul a jejich zahřátí

• Vysoká měrná tepelná kapacita vody – velký přísun energie pro zvýšení teploty – 1 cal/g/oC

• Vysoké skupenské teplo výparu – energie potřebná k separaci molekul z kapalné fáze (transpirace), 25oC = 44 kJ/mol – nejvyšší známe množství u kapalin

• Vysoké latentní teplo výparu – ochlazování rostlin, odběr E z okolí

Povrchové napětí vody

• Molekuly vody na rozhraní voda-vzduch jsou více atrahovány k sobě, povrch voda vzduch má tendenci minimalizovat povrch s nejmenší E koule

• E. potřebná ke zvětšení povrchu – povrchové napětí, vytváří rovněž napětí v kapalině (J.m-2 =N.m-1)

Kohezní a adhezní vlastnosti vody

• Kohezní a adhezní vlastnosti vody jsou závislé na existenci vodíkových můstků• koheze drží molekuly vody pohromadě při transportu • adhezí lnou k povrchu – smáčivé povrchy mají kontaktní úhel < 90o - H2O na skleněné desce

nebo bun. stěně – kontaktní úhel blízko 0, nesmáčivé > 90o

• koheze + adheze + povrchové napětí = kapilarita (vzlínavost) v kapiláře – v případě smáčivých povrchů vystoupá až do výšky, kdy se hydrostatický tlak = kapilárnímu tlaku vodního sloupce výšky h

• pod tímto dutým povrchem je vnitřní tlak menší o kapilární tlak Pk ve srovnání s vodorovným povrchem v širší nádobě

• Kapilární tlak Pk = 2T/r (T = povrchové napětí vody, r = poloměr menisků)• Hydrostatický tlak na dně kapiláry – Ph = hg • Pk = Ph → 2T/r = hg → 2T = hgr →h = 2T/gr →

h = 4T/gd • T při 20oC = 0,07275 N/m, H2O = 998,2 kg.m-3

• g = 9,80665 m.s-2, dcév= 25 – 100 m → • h = 30-60 cm

Vlastnosti vody – pevnost v tahu

Voda má vysokou pevnost v tahu

• pevnost v tahu (stříkačka jako příklad)

• positivní a negativní hydrostatický tlak (MPa) 1MPa = 9.9 Atm

• voda vydrží v malých kapilárách až -30 MPa

• kavitace

Transport vody v buňce- Difúze a objemové proudění- Difúze je spontánní pohyb molekul z oblasti

vyšší koncentrace (vyššího chemického potenciálu) do oblasti nižší koncentrace. Je projevem jejich translační kinetické energie – náhodné tepelné kmitání.

- 1880 Německý vědec Adolf Fick – rychlost difuzního pohybu je přímo úměrná koncentračnímu gradient (cs/x), cs – rozdíly v koncentraci látek, x - vzdálenost

• Rychlost transportu, nebo hustota toku: Js=-Ds (cs/x), Ds je difuzní koeficient – jak rychle se pohybuje látka daným médiem

• 2. Fickův zákon – lze odvodit závislost doby difúze látky na vzdálenosti tc=1/2 = x2/Ds . K – čas potřebný pro difúzi látky na určitou vzdálenost vzrůstá se čtvercem vzdálenosti.

• Difuze na malé vzdálenosti – buňka 50m, glukosa 10-9 m2 s-1 tc=1/2 = 2,5 s

• 1 m keř tc=1/2 = 109 = 32 let• Velmi pomalý na dlouhé vzdálenosti -

glukosa - 1 m = 32 let, • 50 mm = 2.5 s• Difuzní koeficient – jaké množství látky

difunduje jednotkou plochy za 1 s při koncentračním spádu 1 mol.m-2. Závisí na prostředí a velikosti molekul.

OsmózaOsmóza

Látky se pohybují po koncentračním Látky se pohybují po koncentračním gradientu.gradientu.

Difúzní Difúzní potenciálpotenciál

Tři hlavní faktory ovlivňující vodní potenciál buňky

Vodní potenciál (chemický potenciál) = koncentrace, tlak a gravidita

w=s + p + g • s - osmotický potenciál – vliv rozpuštěných látek, látky redukují

volnou energii, roste neuspořádanost, s = - RTc (R-plynová konstanta, T-absolutní teplota, c osmolalita - mol.L-1; - látky snižující vodní potenciál oproti čisté H2O)

• p - hydrostatic tlak (v buňce = turgorový tlak) (+/-), normální voda p = 0 MPa

• g= wgh, wg má hodnotu 0.01 MPa/m, 10 m = 0.1 MPa změna u w

• zjednodušený výpočet - w=s + p

Plazmolýza a plasmoptýza u rostlinné buňky

Složení půdy a voda v půdě

Půda: bio-organo-minerální systémPevná fáze – minerální látky, humus, biomasa; humus soli huminových

kyselin a fulvokyselin, jílovité až písčité částiceKapalná fáze –vodný roztok min. solí

Plynná fáze – půdní vzduch, půdní O2

Polní kapacita – obsah vody v půdě po její saturaci (jíl 40%, písek 3%)

Voda v půdě

Půdní vodní potenciál= koncentrace, tlak a gravidita

• w=s + p + g + m • s - osmotický potenciál – vliv rozpuštěných látek, látky redukují

volnou energii, roste neuspořádanost, s = - RTc (R-plynová konstanta, T-teplota, c osmolalita) v půdě malý, max. - 0.2 MPa

• p - hydrostatický tlak (v půdě záporný), normální voda p = 0 MPa

• g= wgh, wg má hodnotu 0.01 MPa/m, 10 m = 0.1 MPa změna u w

• m = matricový potenciál – zmenšení Gibbsovy volné energie vody po adsorbci na povrch struktur

Pohyb vody v půdě

• Závisí na velikosti tlakového gradientu a a půdní hydraulické konduktivitě

• Půdní hydraulická konduktivita – závisí na množství vody v půdě a její kvalitě

• Pohyb vody v půdě: difuze a objemové proudění• bod trvalého vadnutí - rozmezí vlhkosti půdy (w), při němž je

voda v půdě poutána takovými silami, že ji nemohou rostliny přijímat; turgor rostlin nevratně klesá a rostlina vadne, závisím jak na půdě tak na rostlině Poiseuillenova rovnice:

- viskozita kapaliny p/x –tlakový gradient závislý na vzdálenostir – poloměr cévym3.s-1, nezávislý na koncentraci

x

rrateflowVolume p

8

4

Transport vody v půdě a vrostlině

p = -2T/r (T = 7,28 x 10-8 Mpa.m)

Transport vody do kořenů

Kořenový vztlak a gutace

Javorový sirup z mízy

Transpirační proud

Je to proud vody směřující z kořenů do listů a dalších orgánů xylémem, kde přechází v proud vodní páry.

Závisí na:• Transpiraci – zdroj tažné síly• Koheze vody – kontinuita vodního sloupce• Adheze – přilnavost přispívá ke stabilitě• Kapilární síly – v submikroskopických kapilárních prostorách –

stabilizace vodního sloupce• Hydraulická vodivost, resp. hydraulický odpor vodních drah a

difuzní odpor proudu vodní páry• Odpor vodní dráhy – je minimální 0,02MPa.m-1, 100 sekvoje –

2MPa; gravitace – 0,01MPa.m-1 - max. 1 MPa = 3 MPa

Vedení transpiračního proudu xylémem

Výdej vody listem - transpirace

Faktory regulující transpiraci

Transpirace je difúze vodní páry průduchy

-děje se průduchy a závisí na koncentračním gradientu vodní páry.

Tc=1/2 = x2/difúzní koeficient (10-3 m)2/2,4 x 10-5 m2 s-1 = 0,042 s - velká rychlost

• Rychlost přímo závisí na gradientu vodních par a difúzním odporem cesty:

• E = cwv(list) – cwv(vzduch) /rs + rb

E = rychlost transpirace (mol m-2 s-1)

Stomatární transpirace a průduchy

Regulace otvírání průduchů světlem

Regulace otvírání průduchů

SOUHRNSOUHRN

Vodní provoz rostlin:

• Schopnost získávat vodu a minerální látky• Vytvářet vnitrobuněčný hydrostatický tlak (turgor) • Rozpouštědlo anorganických a organických látek• Metabolická surovina: ve fotosyntéze, hydrolýze, hydrataci• Stavební materiál buňky – vakuola• Transportní prostředek – hromadný tok látek• Snižování teploty• Transport je v půdě a rostlině difúzí a hromadným tokem• Transport závisí na gradientech osmotického nebo tlakového potenciálu• Výdej vody gutací a transpirací – regulován otvíráním a zavíráním průduchů