Книга: Вода и жизнь на Земле

Вода и растения

Вода и растения

Вода находится в вечном круговороте. Растения — самые активные участники этого великого природного процесса, благодаря которому ежегодно в движение приводится более 475 млрд. т воды.

Как известно, сухое созревшее семя при правильном хранении может годами не проявлять признаков жизни. Однако, попав во влажную среду, семя начинает набухать и выделять корешок. Этот процесс — прорастание семени — происходит в результате насыщения водой клеток зародыша. В этих условиях и при соответствующей температуре воздуха клетки зародыша начинают размножаться путем деления.

Для того чтобы хорошо представить себе значение воды для растений, важно понять, из чего состоит их тело. Установлено, что главными элементами состава растений являются углерод (45 %), водород (6,5 %), кислород (42 %), азот (1,5 %); зола, включающая различные минералы (5 %). Кислород и водород играют важную роль в формировании белков, жиров и углеводов растений. Источником кислорода и водорода для растений является вода. Углекислый газ проникает через многочисленные микроскопические отверстия (устьичные отверстия) на кожице листьев растений и попадает в межклетки. В процессе; дальнейшего усвоения углекислого газа непосредственное участие принимает также вода. Образующийся при этом кислород выделяется в окружающую атмосферу.

Для превращения углекислого газа и воды в сахар, крахмал и другие органические вещества необходима солнечная энергия. Этот процесс называется фотосинтезом (образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности растений). В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд. т органических веществ.

Высокая эффективность фотосинтеза высших зеленых растений обеспечивается совершенным синтетическим аппаратом, основа которого внутриклеточные органеллы — хлоропласты.

Оптимальная интенсивность фотосинтеза растений наблюдается при небольшом дефиците воды в листьях. Уменьшение или увеличение воды вызывает уменьшение интенсивности этого процесса. Понижение интенсивности фотосинтеза по мере увеличения количества воды в листьях объясняется затруднением доступа углекислого газа вследствие насыщенности межклеточных пространств водными парами и уменьшением проницаемости мембран протоплазмы, хлоропластов для этого газа. Падение интенсивности фотосинтеза при значительном водном дефиците связано с увеличением вязкости протоплазмы, изменением структуры хлоропластов, что затрудняет доступ (и транспорт) углекислого газа в хлоропласты. Вместе с тем этому может содействовать замедление скорости движения протоплазмы и ее структурных образований при значительном водном дефиците. Важно также учитывать, что вода оказывает непосредственное действие на процесс фотосинтеза: атомы водорода и кислорода молекулы воды служат «строительным материалом» в процессе синтеза органических соединений.

В настоящее время фотосинтез считают окислительно-восстановительным процессом, при котором углекислота восстанавливается за счет водорода воды и других субстратов. Было доказано, что уравнение 6CO₂+2H₂O ?^свет? C₆H₁₂O₆ + 6O₂ отражает лишь частный случай фотосинтеза. В более общем виде (применительно к фототрофным растениям и бактериям, фиксирующим углекислоту) итог процесса может быть выражен следующим образом: CO₂ + 2H₂A ?^свет? (CH₂O) + H₂O + 2A, где H₂A — донор водорода (электрона), а CH₂O — символ образуемых органических веществ.

Согласно гипотезе В. М. Кутюрина, механизм окисления воды при фотосинтезе сопряжен с фотоокислением хлорофиллов. Окисленная форма хлорофилла окисляет кислород воды, причем вся последовательность реакций от первичного окисления до выделения кислорода в свободном виде осуществляется путем передачи промежуточных продуктов по ламеллярной структуре хлоропластов.

Физиологические процессы растений могут протекать нормально при условии достаточного насыщения его клеток водой. Основным органом, обеспечивающим водой растения, служит корневая система. Это множество тонких нитей, пронизывающих почву во все направления в виде корешков. Корневая система состоит из трех зон: растущей, всасывающей и проводящей. Зоны эти представляют собой различные возрастные состояния. По мере удлинения корня более взрослая часть заканчивает рост в длину, внутри нее проходят сосуды, проводящие воду. На поверхности взрослого корня появляются корневые волоски, выполняющие роль всасывающего аппарата. Верхушки корневых волосков являются зоной роста. По мере роста корневые волоски превращаются в проводящую зону. Так происходит непрерывное перемещение корней в почве. Всасывающий аппарат — корневые мочки всасывают воду из почвы и направляют ее в проводящие сосуды в восходящем направлении к листьям растений. Корень снабжает растение не только водой, но и элементами минеральных солей (азота, фосфора, калия, кальция, магния, железа, серы и т. д.).

Вода строго регулируется внутри организма растений. Как правило, больше всего водой обеспечиваются те части растений, которые наиболее важны на данном этапе роста и развития. В период роста важнейшими являются листья, в период цветения — органы формирования семени.

Постоянное перемещение воды внутри растений и выделение ее в окружающую среду происходит благодаря активным механизмам — осмотического давления клеток и процесса испарения воды листьев растений. Важнейшую роль в проявлении осмоса играют внешние слои протоплазмы клеток растений. Испарение, воды с поверхности листьев происходит одновременно с проникновением углекислого газа воздуха в клетки растений. Для того чтобы углекислый газ мог проникнуть в клетки растений, необходимо периодически открывать устьичные отверстия на поверхности листьев. В это же время происходит и процесс испарения воды, находящийся в межклетниках растений. Установлено, что за период от сева до уборки одно растение кукурузы испаряет до 200 л воды. Расход влаги с 1 га кукурузного поля составит около 6 тыс. т, 1 га яровой пшеницы — 3,42 тыс, т, ячменя — 4,59 тыс. т, овса — 5,625 тыс. т, клевера — до 7430 т, капусты до 6000 т. Еще больше воды испаряют деревья: взрослая береза — около 70 л в день, липа — 38 л в день. Для создания 1 кг зерна пшеницы нужно от 0,75 до 1,2 тыс. кг воды, соответственно для овса — 1,260 тыс. кг.

С помощью осмотических понятий удалось объяснить поступление воды и растворенных веществ в растительные клетки, так называемый пассивный транспорт. Д. А. Сабинин предположил, что помимо осмотического, т. е. физического механизма, должно существовать и активное поглощение воды клетками, связанное с обменом веществ.

А. М. Алексеев установил: протоплазма, богатая высокополимерными соединениями, оказалась способной к набуханию и отбуханию, что играет положительную роль во внутриклеточном обмене. Он показал, что активная подача воды корнем намного уступает пассивному ее передвижению.

Чем меньше газов в воде, тем она лучше для растений. Вода, лишенная газов, удивительно меняет свою биологическую активность. Так, если воду подогреть до 70°, 90° или до 100 °C, герметично закрыть и охладить до 20 °C и в этой дегазированной воде замочить 1 кг семян сахарной свеклы, то это позволит получить прибавку к урожаю 42–48 %. Два стакана такой воды на килограмм зерна, — и колосья пшеницы дышат интенсивнее. Разумеется, и урожай выше.

Это явление можно объяснить следующим образом. Для роста и развития растений большое значение имеют микроэлементы — мельчайшие дозы меди, железа, марганца, цинка, молибдена, никеля и других металлов, растворенных в воде. Кислород, содержащийся в пузырьках газа, окисляет микроэлементы — и растения их почти не усваивают.

В водном режиме растений важную роль играет влажность почвы. Различные почвы удерживают разное количество воды. Наиболее влагоемки глинистые почвы, наименее — песчаные. Вода в почве находится в состоянии доступном и недоступном для растений. Наиболее доступна для корней растений вода, заполняющая промежутки между комочками почвы. Однако существует вода, входящая в состав почвенной структуры. Такая вода удерживается частицами почвы с большой силой и поэтому становится недоступной для растений. Когда почва увлажнена неравномерно, тогда корень растений старательно обходит сухие участки, предпочитая им более влажные. Если в дневное время в сухую и жаркую погоду растения теряют влаги больше, чем получают ее корневой системой, то ночью, когда процесс испарения снижается, и благодаря нагнетающей работе корней водный дефицит может выравниваться. Если приход воды систематически не покрывает ее расход, растение может засохнуть.

Первое проявление дефицита воды — появление вялости и поникание листьев и стеблей. Установлено, что дефицит воды выше 20 % ведет к снижению интенсивности фотосинтеза — основного процесса образования органических веществ. Если дефицит воды достигнет 50 %, прекращается процесс фотосинтеза. Как показывают исследования физиологов разных стран, водный дефицит является причиной нарушения всех биохимических и физиологических процессов у растений. Происходит снижение интенсивности клеточного деления и роста клеток. Резкий водный дефицит может вызвать прекращение внутриклеточных обменных процессов вплоть до разрушения белков и углеводов.

Вот как реагируют растения на резкий недостаток воды: автоматически закрываются устьичные отверстия, вместе с этим прекращается поступление углекислого газа воздуха и испарение воды из межклетников, приостанавливается процесс фотосинтеза, отсюда как последствие — уменьшается рост надземной части растений. Внутри растения происходит перемещение влаги, более молодые листья оттягивают воду от более старых. В результате недостатка влаги старые листья завядают и затем отмирают. Дальнейший дефицит влаги и повышение температуры может привести к засыханию и молодых листьев. В последнюю очередь реагируют цветочные органы. Когда степень обезвоживания достигает предела, происходит гибель всех клеток и тканей.

В тех случаях, когда вода вновь поступит в растение раньше, чем оно погибнет, то полного восстановления его тканей может не произойти. Такие растения становятся низкорослыми и дают низкий урожай.

У большинства растений существует чувствительный период к недостатку влаги, так называемый критический период, Для зерновых злаков наибольшая чувствительность к недостатку влаги наступает в период трубкования — колошения. Дефицит воды в критический период очень опасен, так как это может привести к снижению урожайности зерновых и других культурных растений.

Установить природу засухоустойчивости во многом помогли работы К. А. Тимирязева, который изложил новую для того времени точку зрения на испарение воды листьями. Он показал, что этот процесс неизбежен. Растения должны периодически открывать микроскопические отверстия в листьях, чтобы давать возможность углекислому газу проникать в клетки, а чтобы водный баланс сильно не нарушался, у растений имеются специальные приспособления для защиты от чрезмерного испарения и перегрева. Растения, обладающие высокой степенью засухоустойчивости, могут переносить значительный дефицит воды. Клетки таких растении не теряют способность проявлять многие важные жизненные процессы, в том числе и образование органических веществ.

Вода может быть поглощена растением в виде пара из атмосферного воздуха. Однако этот путь не имеет существенного значения в обеспечении растений водой, так как это не может спасти их от гибели в условиях почвенной засухи.

Растениям доступна гравитационная и капиллярная вода, и недоступна пленочная (гидроскопическая). Последняя, связанная с коллоидами почвы, может быть использована корнем лишь во время почвенной засухи, в том случае, если корневой волосок приходит с ней в непосредственный контакт. Гравитационная вода заполняет широкие промежутки между частицами почвы и под влиянием силы тяжести постепенно перемещается в ее нижние горизонты нисходящим током. Корни растений легко поглощают ее, пока она находится в зоне их распространения. Капиллярная вода заполняет тончайшие капилляры между частицами почвы, она не перемещается в нижние слои почвы под действием силы тяжести, являясь основным источником воды для растений. Источники воды в почве — атмосферные осадки, грунтовая вода, поливная вода.

Растения усваивают влагу из росы, которая впитывается через устьицы листьев внутрь растений. Таким способом растения дополняют недостаток воды, возникший в течение дня засушливого периода года. Образование росы в целом же оценивается как положительное явление в жизни растений — роса увлажняет не только растительный покров, но и почву. Часть влаги, образовавшейся от росы, всасывается и корнями растений. Случается, что роса служит единственным источником влаги. В некоторых районах земного шара, в частности в прибрежных пустынях Перу и Западной Африки, растения существуют за счет влаги туманов. Растительность в этих районах встречается в горах на высоте образования туманов (около 400 м). Следует отметить, что влага росы и туманов имеет большее значение для дикой растительности, чем для культурных растений.

В засушливых районах земного шара, особенно в пустынях, растения приспособлены к недостатку влаги. Испытывая дефицит влаги в верхних слоях, в погоню за ней устремляются и корни. Наибольшее распространение в пустыне имеют верблюжья колючка, саксаул и некоторые другие растения, у которых надземная часть во много раз меньше подземной. За счет незначительного роста надземной части растения меньше теряют воды на испарение, Корневая же система, чтобы достичь грунтовых вод, проникает на достаточно большие глубины. Длина корней верблюжьей колючки достигает 10–20 и более метров глубины. Саксаул развивает корневую систему до 20–30 м глубины, тогда как обычная высота растения составляет 2–2,5 м. На уровне водоносных слоев почвы корневая система ветвится густой сетью корешков.

Существуют еще индивидуальные особенности, благодаря которым растения по-разному реагируют на засуху. При одних и тех же условиях влажности почвы одни растения могут погибнуть, а другие спокойно существовать. Зависит это от развития корневой системы и сосущей силы клеток корня. Как правило, сосущая сила корней усиливается в сухую погоду и снижается при влажной. Растения, у которых корни имеют большую разветвленность, обладают хорошей сосущей силой. У многих дикорастущих растений корневые системы развиты значительно сильнее, чем у культурных.

Менее других подвержены засухе растения, корни которых идут в глубину по направлению водоносного слоя. Такими являются пустынные растения. Корневая система у таких растений разветвляется как в глубине — до нескольких метров, так и у поверхности — до 1 м. Поверхностная система корней поглощает влагу весной, когда почва достаточно увлажнена водой после дождей и растаявшего снега.

За счет слабого развития листьев растения в пустыне мало теряют воду путем испарения. Листья, превратившиеся в колючки есть у большинства кактусов и верблюжьей колючки, в виде шиловидных выростов они сохранились у некоторых опунций и белого саксаула и т. д. Для того чтобы меньше испарялась вода на поверхности листьев у медвежьего ушка развито густое мохнатое покрытие, а у других — камелии, фикуса, иглицы — имеется глянцевая поверхность стеблей и листьев, отражающая солнечные лучи и предохраняющая от перегрева. Для этих же целей у серебристого лоха развиты чешуйки. В пустыне некоторые растения, чтобы предохраниться от перегрева и сократить испарение воды, выделяют эфирные масла или кристаллы минеральных солей, способных преломлять солнечные лучи, покрывают поверхность листьев восковым налетом и смолистыми веществами.

Большую защитную роль играет расположение листьев. Чтобы сохранить влагу почвы, листья растений в дневное время располагаются параллельно почве, тогда как ночью поворачиваются к ней ребром. Алоэ, кактусы и многие другие растения накапливают влагу в стеблях, листьях и корнях.

Растения отдают воду во внешнюю среду через устьичный аппарат листьев. Вместе с тем многие растения в сухое время года, чтобы сохранить потери влаги, приспособились сбрасывать листья и даже целые побеги. К ним относятся саксаул, джузчун и др. Такие растения приспособлены жить в местах сухого климата. Они отличаются и по внешнему виду от тех растений, которые требуют для жизни достаточной влаги.

В целом же растения в процессе эволюционного развития приспособились к различным условиям водообеспечения. Вода для одних растений является не только необходимым продуктом, но и средой обитания. Растения влаголюбивые — гидрофиты (от греч. «гидро» — вода и «фитон» — растения) — растут полностью или частично погруженными в воду. Это водоросли и цветковые водные растения. К растениям, местом обитания которых являются умеренно увлажненные почвы, относятся большая группа мезофитов (от греч. «мезос» — средний): луговые травы типа клевера, злаки, большинство лесных трав, почти все лиственные деревья, многие полевые культуры (овес, рожь, картофель), овощные (капуста, укроп, салат), плодово-ягодные (яблоня, смородина и др.). При достаточной влаге почвы они приносят большой урожай зеленой массы и плодов. Эти растения плохо переносят как засуху, так и чрезмерное увеличение влаги.

Наиболее устойчивы к засухе растения ксерофиты (от греч. «ксерос» — сухое, приспособленные жить в местах сухого климата — степях, полупустынях и пустынях). Ксерофиты, в свою очередь, делятся на две группы. Среди них — большая группа суккуленты (в переводе с лат. — «сочный», «жирный», «толстый»). В стеблях и листьях суккулентов запасается вода. Этому способствует особое строение их клеток и тканей. Вода расходуется очень экономно. Устьиц на поверхности листьев мало и расположены они в ямках — бороздах, которые большей частью времени закрыты. Вследствие этого испарение воды происходит ограничено. Корни у суккулентов располагаются на поверхности почвы, поэтому пополнение воды идет после дождей. В тканях кактусов содержится до 95 % воды. Кактусы в Южной Америке высотой до 20 м способны накапливать до 1000 кг воды. Много кактусов в жарких сухих районах Мексики, Южной Африки и в Австралии, где периодически идут ливневые дожди.

Другая группа ксерофитов называется склерофитами (от греч. «склерос» — твердый, жесткий). Эта саксаул, верблюжья колючка, полыни и др. Содержание воды в тканях этих растений очень мало, они могут выдерживать потери воды до 25 % и более. Корневая система развита хорошо и достигает до водоносного слоя почвы. Надземная часть меньше, чем корневая система.

Растения оказывают большое влияние на поддержание влаги в почве и в воздухе. Особенно это проявляется в лесу и близрасположенной к нему территории. Во время дождя большое количествое воды тратится на смачивание кроны деревьев, много воды в виде капелек удерживается па листьях. Наибольшее количество дождевой воды и снега удерживают еловые деревья, слабее — лиственные. Деревья создают такие условия, которые способствуют уменьшению испарения воды из почвы. Кроме того, сами деревья выделяют большое количество воды в воздух.

Подсчитано, что в течение вегетационного периода лес испаряет в воздух такое количество влаги, которое почти равно годовой сумме выпадающих осадков. Все это является важным фактором сохранения и регулирования водных ресурсов и создания благоприятного климата в лесу и близлежащих территориях. Поэтому в настоящее время придается большое значение лесонасаждению, которое широко проводится в нашей стране для снегозадержания, уменьшения вредного влияния на сельскохозяйственные поля ветров и т. д.

Таким образом, вода — необходимое условие для жизни растений. При участии воды совершаются практически все физиологические процессы. Образуя внутреннюю среду, вода оказывает активное влияние на протекание жизненных процессов. Кроме того, вода создает условия единства и взаимосвязи почвы, растений и атмосферы.