معلومة

17.1.1: إمكانيات المياه - علم الأحياء

17.1.1: إمكانيات المياه - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

  • حدد إمكانات الماء واشرح كيف تتأثر بالمذابات والضغط والجاذبية وإمكانات الماتريك.
  • اشرح أي مكونات نباتات المياه المحتملة يمكنها التلاعب ووصف كيف.

المصانع مهندسين هيدروليكيين استثنائيين. باستخدام القوانين الأساسية للفيزياء والتلاعب البسيط في الطاقة الكامنة ، يمكن للنباتات نقل المياه إلى قمة شجرة تقترب من 116 مترًا (381 قدمًا تقريبًا ، انظر مربع أطول الأشجار). يمكن للنباتات أيضًا استخدام المكونات الهيدروليكية لتوليد القوة الكافية لتقسيم الصخور وإبزيم الأرصفة (الشكل ( PageIndex {1} )). تحقق النباتات هذا بسبب إمكانات المياه.

إمكانات المياه هو مقياس للطاقة الكامنة في الماء. لا يهتم علماء فسيولوجيا النبات بالطاقة في أي نظام مائي معين ، لكنهم مهتمون جدًا بحركة الماء بين نظامين. من الناحية العملية ، فإن جهد الماء هو الفرق في الطاقة الكامنة بين عينة ماء معينة والمياه النقية (عند الضغط الجوي ودرجة الحرارة المحيطة). يُشار إلى إمكانات المياه بالحرف اليوناني ψ (رطل) ويتم التعبير عنها بوحدات الضغط (الضغط هو شكل من أشكال الطاقة) يسمى ميجاباسكالس (MPa). إمكانات الماء النقي (Ψثنقي H2O) هو ، حسب التعريف المريح ، قيمة صفرية (على الرغم من أن الماء النقي يحتوي على الكثير من الطاقة الكامنة ، يتم تجاهل هذه الطاقة). يتم التعبير عن القيم المحتملة للمياه في جذر النبات أو الساق أو الورقة بالنسبة إلى Ψثنقي H2O.

تتأثر إمكانات الماء في المحاليل النباتية بتركيز الذائبة والضغط والجاذبية وعوامل تسمى تأثيرات المصفوفة. يمكن تقسيم جهد الماء إلى مكوناته الفردية باستخدام المعادلة التالية:

[ psi_ text {system} = psi_ text {total} = psi_s + psi_p + psi_g + psi_m ]

أين Ψس، Ψص، Ψزو Ψم الرجوع إلى المذاب ، والضغط ، والجاذبية ، وإمكانات الماتريك ، على التوالي. يمكن أن يشير "النظام" إلى الإمكانات المائية لمياه التربة (Ψتربة) ، ماء الجذر (Ψجذر) ، ماء الساق (Ψإيقاف) ، أوراق الماء (Ψورقة الشجر) أو الماء في الغلاف الجوي (Ψالغلاف الجوي): أيًا كان النظام المائي قيد الدراسة. مع تغير المكونات الفردية ، فإنها ترفع أو تخفض من إجمالي إمكانات المياه للنظام. عندما يحدث هذا ، يتحرك الماء ليوازن ، متحركًا من النظام أو المقصورة التي بها إمكانات مائية أعلى إلى النظام أو المقصورة ذات الإمكانات المائية المنخفضة. هذا يعيد الفرق في جهد الماء بين النظامين (ΔΨ) إلى الصفر (ΔΨ = 0). لذلك ، لكي ينتقل الماء عبر النبات من التربة إلى الهواء (وهي عملية تسمى النتح) ، Ψتربة يجب أن يكون> ​​Ψجذر > Ψإيقاف > Ψورقة الشجر > Ψالغلاف الجوي.

يتحرك الماء فقط استجابة لـ ΔΨ ، وليس استجابةً للمكونات الفردية. ومع ذلك ، لأن المكونات الفردية تؤثر على المجموع Ψالنظام، من خلال معالجة المكونات الفردية (خاصة Ψس) ، يمكن أن يتحكم المصنع في حركة المياه. المذابات والضغط والجاذبية وإمكانات الماتريك كلها مهمة لنقل الماء في النباتات. ينتقل الماء من منطقة ذات إمكانات مائية أعلى إلى منطقة ذات إمكانات مائية أقل.

جهد المذاب

إمكانية المذابس) ، وتسمى أيضًا الجهد التناضحي ، سالبة في خلية نباتية وصفر في الماء المقطر. القيم النموذجية للسيتوبلازم الخلوي هي -0.5 إلى -1.0 ميجا باسكال. تقلل المواد المذابة من إمكانات الماء (مما يؤدي إلى Ψ سلبيث) عن طريق استهلاك بعض الطاقة الكامنة المتوفرة في الماء. يمكن أن تذوب الجزيئات الذائبة في الماء لأن جزيئات الماء يمكن أن ترتبط بها عبر روابط هيدروجينية ؛ جزيء كاره للماء مثل الزيت ، الذي لا يمكن أن يرتبط بالماء ، لا يمكن أن يدخل في المحلول. الطاقة في الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات الذائبة والماء لم تعد متوفرة للقيام بعمل في النظام لأنها مرتبطة في الرابطة. بمعنى آخر ، يتم تقليل كمية الطاقة الكامنة المتاحة عند إضافة المواد المذابة إلى نظام مائي. وهكذا ، Ψس يتناقص مع زيادة تركيز المذاب.

لأن Ψس هو أحد المكونات الأربعة لـ Ψالنظام أو Ψالمجموع، انخفاض في Ψس سيؤدي إلى انخفاض في Ψالمجموع. يتحرك الماء نحو المناطق المنخفضةس (وبالتالي أقل Ψالمجموع). في الشكل ( PageIndex {2} )) ، يسمح الغشاء شبه القابل للنفاذ الذي يفصل بين جانبي الأنبوب بمرور الماء ولكن ليس المذاب. في الأنبوب الأول ، تمت إضافة المذاب إلى الجانب الأيمن. إضافة المذاب إلى الجانب الأيمن يخفض Ψس، مما يتسبب في انتقال الماء إلى الجانب الأيمن من الأنبوب. نتيجة لذلك ، يكون مستوى الماء أعلى في الجانب الأيمن.

إن إمكانات المياه الداخلية لخلية نباتية أكثر سلبية من الماء النقي بسبب المحتوى العالي للذوبان في السيتوبلازم. بسبب هذا الاختلاف في الماء ، سينتقل الماء المحتمل من التربة إلى الخلايا الجذرية للنبات عبر عملية التناضح. هذا هو السبب في أن إمكانات الذائبة تسمى أحيانًا الإمكانات التناضحية. يمكن للخلايا النباتية التلاعب الأيضي Ψس (وبالتبعية ، Ψالمجموع) عن طريق إضافة أو إزالة الجزيئات الذائبة. لذلك ، فإن النباتات تتحكم في Ψالمجموع من خلال قدرتها على ممارسة السيطرة الأيضية على Ψس.

جهد الضغط

إمكانية الضغطص) ، والتي تسمى أيضًا احتمالية التورط ، قد تكون موجبة أو سالبة (الشكل ( PageIndex {c} )). لأن الضغط هو تعبير عن الطاقة ، فكلما زاد الضغط ، زادت الطاقة الكامنة في النظام ، والعكس صحيح. لذلك ، موجب Ψص (الضغط) يزيد Ψالمجموع، وسالب Ψص (التوتر) ينخفض ​​Ψالمجموع. الأنبوب الثاني في الشكل ( PageIndex {2} )) يحتوي على ماء نقي على جانبي الغشاء. يتم تطبيق الضغط الإيجابي على الجانب الأيسر. يؤدي الضغط الإيجابي على الجانب الأيسر إلى Ψص لارتفاع. ونتيجة لذلك ، يتحرك الماء إلى اليمين بحيث يكون مستوى الماء أعلى جهة اليمين منه إلى اليسار. يحتوي الأنبوب الثالث أيضًا على ماء نقي ، ولكن هذه المرة يتم تطبيق ضغط سلبي على الجانب الأيسر. تطبيق الضغط السلبي يخفضص، مما يتسبب في انتقال الماء إلى الجانب الأيسر من الأنبوب. نتيجة لذلك ، يكون مستوى الماء أعلى جهة اليسار.

يتم احتواء الضغط الإيجابي داخل الخلايا بواسطة جدار الخلية ، مما ينتج عنه ضغط التورم. عادة ما تكون إمكانات الضغط حوالي 0.6-0.8 ميجا باسكال ، ولكن يمكن أن تصل إلى 1.5 ميجا باسكال في مصنع جيد الري. أ Ψص 1.5 ميجا باسكال تعادل 210 أرطال لكل بوصة مربعة (1.5 ميجا باسكال × 140 رطل بوصة-2 الآلام والكروب الذهنية-1 = 210 رطل / بوصة-2). على سبيل المقارنة ، يتم الاحتفاظ بمعظم إطارات السيارات عند ضغط 30-34 رطل / بوصة مربعة. مثال على تأثير ضغط التمزق هو ذبول الأوراق واستعادتها بعد سقي النبات (الشكل ( PageIndex {3} )). يُفقد الماء من الأوراق عن طريق النتح (يقترب من Ψص = 0 ميجا باسكال عند نقطة الذبول) واستعادتها عن طريق الامتصاص عبر الجذور.

يمكن للنبات التلاعب Ψص من خلال قدرته على التلاعب Ψس وبواسطة عملية التناضح. إذا زادت الخلية النباتية من تركيز المذاب السيتوبلازمي ، Ψس سوف ترفض ، Ψالمجموع سوف تنخفض ، سوف تنخفض ΔΨ بين الخلية والأنسجة المحيطة ، وسوف ينتقل الماء إلى الخلية عن طريق التناضح ، و Ψص سيزيد. Ψص كما يخضع للسيطرة غير المباشرة للمصنع عن طريق فتح وإغلاق الثغور. تسمح الفتحات الفموية للماء بالتبخر من الورقة ، مما يقللص و Ψالمجموع من الورقة وزيادتها بين الماء في الورقة والسويقة ، مما يسمح بتدفق الماء من الورقة إلى الورقة.

إمكانية الجاذبية

إمكانية الجاذبيةز) دائمًا من سالب إلى الصفر في نبات بدون ارتفاع. تسحب قوة الجاذبية الماء إلى أسفل إلى التربة ، مما يقلل من الاختلاف في المياه المحتملة بين الأوراق في الجزء العلوي من النبات والجذور. كلما زاد ارتفاع النبات ، زاد ارتفاع عمود الماء ، وزاد تأثيره Ψز يصبح. على المستوى الخلوي وفي النباتات القصيرة ، هذا التأثير ضئيل ويمكن تجاهله بسهولة. ومع ذلك ، على ارتفاع شجرة طويلة مثل الخشب الأحمر الساحلي العملاق ، فإن قوة الجاذبية تبلغ -0.1 ميجا باسكال م-1 يعادل مقاومة إضافية تبلغ 1 ميجا باسكال يجب التغلب عليها حتى تصل المياه إلى أوراق الأشجار الأطول. النباتات غير قادرة على التلاعب Ψز.

ماتريك المحتملة

إمكانات ماتريكم) دائمًا من سالب إلى صفر. في النظام الجاف ، يمكن أن تصل إلى –2 ميجا باسكال في البذور الجافة ، وتكون صفرًا في نظام مشبع بالماء. يؤدي ربط الماء بالمصفوفة دائمًا إلى إزالة أو استهلاك الطاقة الكامنة من النظام. Ψم يشبه جهد المذاب لأنه يتضمن ربط الطاقة في نظام مائي عن طريق تكوين روابط هيدروجينية بين الماء وبعض المكونات الأخرى. ومع ذلك ، في إمكانات الذائبة ، تكون المكونات الأخرى جزيئات ذائبة قابلة للذوبان ومحبة للماء ، بينما في Ψم، المكونات الأخرى غير قابلة للذوبان ، جزيئات ماء لجدار الخلية النباتية. تحتوي كل خلية نباتية على جدار خلوي سليلوزي ، والسليلوز الموجود في جدران الخلية محب للماء ، مما ينتج مصفوفة لالتصاق الماء: ومن هنا جاء اسم جهد المصفوفة. Ψم كبير جدًا (سلبي) في الأنسجة الجافة مثل البذور أو التربة المتأثرة بالجفاف. ومع ذلك ، فإنه ينتقل بسرعة إلى الصفر حيث تمتص البذرة الماء أو ترطب التربة. Ψم لا يمكن للنبات التلاعب بها وعادة ما يتم تجاهله في الجذور والسيقان والأوراق المروية جيدًا.


شاهد الفيديو: الاسماك 1 (شهر فبراير 2023).