Как происходит водный обмен у растений: процессы и движение воды по растениях. Каким образом сок поднимается вверх по дереву? Как вода поднимается вверх по дереву

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Как часто люди живут своей привычной жизнью и не замечают удивительных вещей. Красота наших лесов уникальна. Деревья замечательны не только своей красотой, но и разнообразием. Почему на нашей планете в широтной зональности произрастают деревья определённой высоты одного вида? От чего зависит высота деревьев? Как деревья-гиганты обеспечивают себе подъём воды? Эти вопросы меня очень заинтересовали. Закону широтной зональности подчинены пояса атмосферного давления, как один из факторов воздействия на живые организмы. Водопроводящую систему деревьев можно сравнить с движением воды по трубам, а движение жидкости в сосудах древесины - высота поднятия в капиллярных трубках. Проблема: почему в разных климатических широтах произрастают деревья одного вида разной высоты, и от чего зависит водопроводящая система у низкорослых деревьев и деревьев-гигантов. Гипотеза: если есть зависимость диаметра сосуда древесины от высоты дерева, то его высота зависит от атмосферного давления как от одного из факторов влияния в различных широтах. Цель: исследование зависимости высоты дерева от диаметра сосуда древесины при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания.

Задачи проекта: 1. Изучить источники информации по выбранной теме. 2. Углубить знания по теории законов гидравлики, капиллярным явлениям. 3. Провести и описать эксперимент, подтверждающий или опровергающий выдвинутую гипотезу. 4. Обработать и проанализировать результаты проделанной работы. 5. Представить результаты в виде линейной диаграммы. 6. Сделать вывод, отвечающий поставленной цели.

Объект исследования: законы и явления физики в изучении теории гидравлики, капиллярных явлений. Предмет исследования: проводящая система древесины. Актуальность темы: исследование обусловлено продвижением знаний по вопросам законов гидравлики и теории капиллярных явлений, в постановке проблемы исследования с привлечением внимания общества к вопросам окружения привычных нам явлений в нашей жизни и построением диаграммы зависимости диаметра сосуда древесины от высоты.

1. Что такое гидравлика

Гидравлика - это наука, имеющая тысячелетнюю историю развития. Слово "гидравлика" происходит от сочетания двух греческих слов — hydor (вода) и aulos (труба) — и означает движение воды по трубам. В настоящее время термин «гидравлика» получил более широкое значение. В современном смысле гидравлика — техническая наука, в которой изучаются законы равновесия и движения жидкостей, а также методы применения этих законов в инженерной практике. Часть гидравлики, рассматривающую законы равновесия жидкостей, называют гидростатикой, часть, рассматривающую законы движения жидкостей - гидродинамикой. Два направления изучения гидравлики — в динамическом и статичном контекстах. Гидродинамика затрагивает вопросы кинематики воды как таковой, а гидростатика больше ориентируется на законы взаимодействия жидкостей с другими средами и телами. Причиной гигроскопического движения являются колебания влажности атмосферного воздуха. В технике различного рода гидравлических установках необходимое давление создается почти всегда с помощью компрессоров или насосов. У растительного организма решение задач, связанных с выполнением различного рода движений, в том числе и управляющих, не требует приложения столь больших усилий. Тем не менее, и они решаются при помощи законов гидравлики, но при значительно более низких давлениях 1 .

Водная среда является главным аспектом изучения в этом направлении. Вода — самое распространенное в биосфере вещество, играющее исключительно важную роль в жизни живой природы и в частности растений. Вода входит в состав клеток и тканей любого животного и растения. Потеря большого количества воды живым организмом может привести к его смерти. Растения способствуют более быстрому водному обмену почвы и воздуха. Трудно переоценить то благотворное воздействие, какое оказывает растительный мир на климат, регулируя его.

2. Растительный мир и законы гидравлики

Автономные движения растительного организма управляются с помощью гидравлики. В технике конструкторы создают высокое давление за счет сжатия: какая-либо подвижная деталь, например поршень, давит на жидкость. Для растения использование такой технологии потребовало бы больших затрат энергии и создания специальных и к тому же сложно устроенных приспособлений. Поэтому они применяют с конструктивной точки зрения намного более простой, а с точки зрения расходования энергии более эффективный метод — осмос. Осмос представляет собой диффузию вещества через перегородку (мембрану), разделяющую чистый растворитель и раствор или два раствора разной концентрации. Перегородка проницаема только для растворителя. Такой способ создания гидравлического давления связан с естественной способностью солей притягивать воду, растворяться в ней и уменьшать насыщенность раствора. С помощью осмоса растения создают довольно большие давления. Внутриклеточное давление придает жесткость тем растениям, ткани которых не одревеснеют. Когда осмотическое давление падает, например у срезанных и поставленных в вазу цветов, растение увядает. Многие растения обзавелись для этих целей самыми настоящими сочленениями, работающими по тому же принципу, по которому действуют гидравлические сочленения в технике. Каким же образом растение добивается внезапного падения давления? Причина в том, что оно в состоянии менять размеры пор в полупроницаемой мембране клеток. При увеличении размера пор раствор, находящийся под давлением в клетке, выходит наружу, и давление понижается. В течение считанных минут клеточная оболочка возвращается в прежнее состояние, и процесс может повториться вновь 2 .

2.1. Двигатели водного потока

Передвижение воды по растению определяется двумя основными двигателями водного потока: нижним двигателем водного потока или корневым давлением, верхним двигателем водного потока или присасывающим действием атмосферы. Механизм, обеспечивающий поднятие воды по растению за счет корневого давления, — нижний концевой двигатель водного тока. Вода заполняет весь путь от почвы — через корень и стебель — до клеток в листе. Суммарный поток воды направлен в сторону меньшего водного потенциала. Корневое давление наг-нетает воду в сосуды центрального цилиндра корня, а сосущие силы притягивают эту воду. Процесс подъема воды от корней до листьев носит название восходящего тока. Кор-невое давление получило название нижнего концевого двигателя водного тока. Притягивающие же воду сосущие силы листьев называют верхним конце-вым двигателем водного тока. Наши обычные деревья имеют довольно большие размеры и значительную протяженность водопроводя-щей системы корней. Водный ток испытывает и преодолевает силу зем-ного притяжения, силу тяжести. Меж-ду молекулами передвигающейся воды существуют силы сцепления. Водопроводящие элементы представляют единое целое с водным потоком, так как стенки их полностью смочены, насыщены водой. Все это сильно отличает условия, создаю-щиеся в дереве, от условий в поршневых насосах, где между стенками цилиндра и поршня посто-янно появляются пузырьки воздуха, нарушающие це-лостность водного столба. Происходит обрыв этого столба при подъеме на высоту более 10 метров. Для того чтобы поднять воду на высоту 100 метров, необхо-димо наличие сосущих сил в кроне дерева порядка до 35 атмосфер: на преодоление силы тяжести — 10 атмосфер, сопро-тивления фильтрации через поперечные стенки сосу-дов — до 25 атмосфер. Поэтому с чисто физической точки зрения представля-ется возможным объяснить подъем воды на высоту 100 метров и более 3 .

3. Капиллярные явления

Капиллярность — явление подъёма или опускания жидкости в капиллярах, заключающееся в способности этой жидкости изменять уровень в трубках малого диаметра, узких каналах произвольной формы и пористых телах. Подобные явления можно также наблюдать в очень узких трубочках, которые называются капиллярами (от лат. capillus — волосок) 4 . Силы, лежащие в основе капиллярности, — дей-ствие по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния и эф-фек-т сма-чи-ва-ния.

3.1. Поверхностное натяжение

Термин «поверхностное натяжение» подразумевает, что вещество у поверхности находится в «натянутом», то есть напряжённом состоянии, которое объясняется действием силы, называемой внутренним давлением. Она стягивает молекулы внутрь жидкости в направлении, перпендикулярном её поверхности. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях вещества, испытывают в среднем одинаковое по всем направлениям притяжение со стороны окружающих молекул. Молекулы поверхностного слоя подвергаются неодинаковому притяжению со стороны внутренних слоёв веществ и со стороны, граничащей с поверхностным слоем среды. На поверхности раздела жидкость — воздух молекулы жидкости, находящиеся в поверхностном слое, сильнее притягиваются со стороны соседних молекул внутренних слоёв жидкости, чем со стороны молекул воздуха. Внутреннее давление обуславливает втягивание молекул, расположенных на поверхности жидкости, внутрь и тем самым стремится уменьшить поверхность до минимальной при данных условиях. Сила, действующая на единицу длины границы раздела, обуславливающая сокращение поверхности жидкости, называется силой поверхностного натяжения или просто поверхностным натяжением 5 .

Коэффициент поверхностного натяжения является основной величиной, характеризующей свойства поверхности жидкости, и называется коэффициентом поверхностного натяжения. Сила поверхностного натяжения — сила, обусловленная взаимным притяжением молекул жидкости, направленная по касательной к ее поверхности. Действие сил поверхностного натяжения приводит к тому, что жидкость в равновесии имеет минимально возможную площадь поверхности. При контакте жидкости с другими телами жидкость имеет поверхность, соответствующую минимуму ее поверхностной энергии.

3.2. Эффект смачивания

Линия, ограничивающая поверхность капли на твёрдом теле является границей поверхностей трёх тел: жидкости, твёрдого тела и газа. Поэтому в процессе установления равновесия капли жидкости на границе этих тел будут действовать три силы: сила поверхностного натяжения жидкости на границе с газом, сила поверхностного натяжения жидкости на границе с твёрдым телом, сила поверхностного натяжения твёрдого тела на границе с газом. Будет ли жидкость растекаться по поверхности твёрдого тела, вытесняя с него газ, или, наоборот, соберётся в каплю, зависит от соотношения величин этих сил. Необходимо отметить, что именно скорость изменения диаметра пятна, образованного каплей жидкости, нанесённой на чистую поверхность материала, используется в качестве основной характеристики смачивания в капиллярах. Её величина зависит как от поверхностных явлений, так и от вязкости жидкости, её плотности, летучести. Более вязкая жидкость с прочими одинаковыми свойствами дольше растекается по поверхности и медленнее протекает по капиллярному каналу 6 .

3.3. Высота поднятия жидкости в капиллярных трубках

Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами: сила тяжести, заставляющая жидкость опускаться вниз и сила поверхностного натяжения, двигающая воду вверх. Подъ-ем/опускание жид-ко-сти по ка-пил-ля-ру оста-но-вит-ся тогда, когда сила по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния урав-но-ве-сит-ся силой тяже-сти, дей-ству-ю-щей на столб под-ня-той жид-ко-сти. Вы-со-та, на которую под-ни-мет-ся сма-чи-ва-ю-щая жид-кость в ка-пил-ляр-ной труб-ке, преодолевая силу тяжести, рассчитывается по формуле (3.3.1):

(3.3.1)

где ------ - ко-эф-фи-ци-ент по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния, Н/м ; - плот-ность жид-ко-сти, кг/м 3 ; - уско-ре-ние сво-бод-но-го па-де-ния, 9,8 м/с 2 ; h - высота столбика поднятой жидкости, м ; r - радиус капилляра, м ; d - диаметр капилляра, м 7 .

Если капилляр наклонён к поверхности жидкости, то высота поднятия жидкости от величины угла наклона не зависит. Как бы не располагались капилляры в структуре, высота поднятия жидкости будет зависеть от ------, , r ( d ) . Из формулы высоты поднятия жидкости в капиллярах выражаем формулу для нахождения диаметра капилляра (3.3.2)

где ------- ко-эф-фи-ци-ент по-верх-ност-но-го на-тя-же-ния, Н/м ; - плот-ность жид-ко-сти, кг/м 3 ; - уско-ре-ние сво-бод-но-го па-де-ния, 9,8 м/с 2 ; h - высота столбика поднятой жидкости, м ; d - диаметр капилляра, м 8 .

4. Гидростатическое давление

На каждую частицу жидкости, находящейся в поле тяготения Земли, действует сила тяжести. Под действием этой силы каждый слой жидкости давит на расположенные под ним слои. В жидкостях существует давление, обусловленное ее весом. Жидкость способна легко изменять свою форму. Части жидкости могут свободно сдвигаться, скользя друг относительно друга. Жидкости практически несжимаемы. Вода в древесине может быть как в статическом (стабильном) и в динамическом (нестабильном) состоянии. Если вода находится в термодинамическом равновесии с древесиной и окружающей средой, то в ней не происходит никаких изменений во времени или в пространстве. Такое состояние воды называют стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Динамика устанавливает наиболее общие закономерности взаимодействия древесины и воды. Давление, обусловленное весом жидкости, называют гидростатическим давлением. Согласно закону Паскаля давление, производимое на жидкость, передается жидкостью во все стороны одинаково. Это связано с подвижностью молекул в жидком состоянии 9 .

Давление столба жидкости определяется по формуле (5.1):

Р = ρgh ,Па

где ρ - плотность жидкости, кг/м 3 ; g - ускорение свободного падения, 9,8 м/с 2 ;
h - высота столба жидкости или глубина, на которой измеряется давление, м 10 .Гидростатическое давление равно весу столба жидкости с единичным основанием и высотой, равной глубине погружения точки под свободной поверхностью жидкости. Давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости. Независимо от формы сосуда и его размеров.

5. Пояса атмосферного давления

Воздух, окружающий Землю, имеет массу и оказывает давление на все объекты, находящиеся на земной поверхности. Сила, с которой воздух давит на земную поверхность, называется атмосферным давлением. За нормальное атмосферное давление условно принято давление воздуха 760 миллиметров ртутного столба на уровне моря на широте 45° и при температуре 0 °С. Давление воздуха на нашей планете может изменяться в широких пределах. Распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер.

На планете сформировалось несколько поясов атмосферного давления:

низкое давление на экваторе;

высокое давление в тропиках;

низкое давление над умеренными широтами;

высокое давление над полюсами.

Это происходит из-за постоянно высоких температур воздуха на экваторе. Нагретый воздух поднимается и уходит в сторону тропиков. На полюсах поверхность земли всегда холодная, а атмосферное давление повышено. Его обуславливает воздух, который приходит из умеренных широт. В умеренных широтах из-за оттока воздуха формируется зона пониженного давления 11 .

Таким образом, на Земле существуют два пояса атмосферного давления — пониженный и повышенный. Пониженный на экваторе и в двух умеренных широтах. Повышенный на двух тропических и двух полярных. Они могут немного смещаться в зависимости от времени года. Круглый год области пониженного давления сохраняются близ Экватора и в южном полушарии в умеренных широтах.

5.1. Влияние атмосферного давления на растения

Существуют лабораторные вакуумные установки различных размеров и мощностью. С применением такой установки основанной на использовании очень низкого атмосферного давления можно реализовать искусство Бонсай — выращивания точной копии настоящего дерева в миниатюре - прямо пропорциональная зависимость высоты роста растений от атмосферного давления. При увеличении/снижении атмосферного давления пропорционально увеличивается/снижается абсолютный рост. Это может служить экспериментальным до-казательством того, по-чему деревья после ката-строфы миллионы лет назад на Земле или полностью вымерли, или уменьшились 12 . Сегодня остатки погибшей биосферы — деревья-гиганты, достигающие высоты до 150 метров, которые ещё совсем недавно были ши-роко распространены по всей планете. Плотный воздух более теплопроводен, поэтому субтро-пический климат распространялся от экватора до полюсов, где не было ледяного панциря. Благодаря высокому атмосферному давлению теп-лопроводность воздуха была высокой. Это обстоятельство вело к тому, что температура на планете распределялась рав-номерно, и на всей планете климат был субтропический. Вследствие вы-сокой теплопроводности воздуха при высоком атмосферном давлении на полю-сах тоже росли тропические и субтропические растения.

За последнее время мы наблюдаем постепенное умень-шение давления на планете. За последнюю тысячу лет давление, если считать, что оно падало по 1-2 мм ртутного столба в год, упало с трёх до одной атмосферы. Суша занимает всего 1/3 поверх-ности планеты, получается, что Земля была покрыта сло-ем сплошной зелёной массы. Многоярусность лесов позволяла разместить на Земле во много тысяч раз больше массы современной биосферы.

6. Деревья-гиганты

Когда - то реликтовые леса с гигантскими растениями покрывали большую часть суши земного шара. Ископаемые образцы говорят о том, что гигантские деревья существовали уже в юрский период. Так сложилось в природе, что десять самых высоких деревьев растут на территории США, и относятся к виду Секвойя. Как уникальные деревья у каждого из них есть имя собственное. Но на других континентах и странах произрастают не мене удивительные и по-своему уникальные виды деревьев.

Секвойя — самое высокое дерево в мире, который растёт всю жизнь в высоту и в ширину. Учёные установили, что секвойя росла на Земле более 100 миллионов лет назад. Об этом свидетельствуют найденные окаменелости с остатками коры. Учёные утверждают, что многие миллионы лет назад секвойи росли по всему северному полушарию Земли. Сегодня в естественном виде эти гиганты растут узкой полосой вдоль берегов Тихого океана в Северной Америке, штат Калифорния, никогда не удаляется далеко от побережья. Искусственно выращивают это дерево в Канаде, Мексике, Великобритании, Португалии, Италии, ЮАР, Новой Зеландии, в Крыму, на Кавказе. Но везде, где это дерево посажено искусственно, не достигает таких огромных размеров, как на своей естественной родине в Северной Америке. Эвкалипт — вечнозелёные исполины, произрастают в Австралии, Новой Зеландии, на Тасмании. Огромные эвкалипты могут жить только во влажном климате субтропиков. Эвкалипт — дерево, не дающее тени, потому что листовые пластинки поворачиваются ребром к солнцу. Благодаря такой способности эвкалипт долго может сохранить вобранную в себя влагу, это настоящий водяной насос. Одно такое дерево в течение суток способно всосать в себя более 300 литров влаги. А за год этот выпивает более 100 тонн воды. Из-за этих свойств, это дерево часто используют в мелиорации 13 .

6.1. Подъём воды в стволах высоких деревьев

Долгое время механизм подъема воды к верхушкам высоких деревьев оставался загадкой. 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. Давление водяного столба в ксилеме неуклонно падает с высотой. Столб воды разрывается с появлением пузырьков воздуха. На высотах больше 110 метров, т.е. у вершин деревьев-гигантов, давление в ксилеме очень близко к минимально возможному. Однако во время засух избежать падения давления ниже допустимого уровня не удается — верхняя часть кроны, вероятно, отмирает, но потом заменяется новой. Почти все высокие секвойи имеют несколько вершин. Как и давление в ксилеме, линейно с высотой снижается внутреннее гидростатическое давление в живых клетках, необходимое для их роста и развертывания листьев 14 .

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 углекислого газа в атмосфере, изменения температуры и влажности внешней среды.

7. Эксперимент

Цель эксперимента: доказать, что высота поднятия жидкости в капиллярах зависит от диаметра этих капилляров.

Оборудование и материалы: ёмкость для жидкостей, термометр, штангенциркуль, маркер, набор трубочек различных диаметров, вода родниковая, сок берёзовый натуральный (Приложение А).

Ход работы: 1. Приготовила образцы трубочек различного диаметра для исследования. Штангенциркулем определила их внутренний диаметр и соответственно пронумеровала по уменьшению их диаметра, данные занесла в таблицу 10.1 (Приложение Б). 2. На расстоянии 1 сантиметра от одного конца образца отметила маркером линию. Взяла ёмкость с родниковой водой и по очереди опускала образцы трубочек в воду, так чтобы уровень воды совпадал с проведенной линией. 3. Отметила маркером высоту поднятия жидкости. Такой опыт я провела с каждым образцом (Приложение В). 4. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия родниковой воды в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.2 (Приложение Г). 5. Повторила опыт с натуральным берёзовым соком (Приложение Д). 6. Штангенциркулем отмерила высоту поднятия берёзового сока в трубочках. Полученные данные анализа занесла в таблицу 10.3 (Приложение Е).

Температура родниковой воды в опыте составляет 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,073 Н⁄м . Температура натурального берёзового сока - 20 0 С; плотность = 1000 кг/м 3 ; коэффициент поверхностного натяжения = 0,062 Н⁄м 15 . Согласно формуле нахождения высоты поднятия жидкости в капиллярах (3.3.1) эта высота будет зависеть от ------, , d .

Вывод: из таблиц 10.2 и 10.3 следует, что высота поднятых жидкостей пропорциональна диаметру трубочек, результаты эксперимента с родниковой водой подтверждают эту пропорциональность результатами эксперимента с натуральным берёзовым соком. Натуральный берёзовый сок как более вязкая жидкость медленнее протекает по капиллярному каналу.

Одним из основных приемов разработки общих теоретических положений является обобщение - средство перехода от познания частных явлений к познанию общих. Оно заключается в исследовании таких свойств и явлений материального мира, которые характеризуют не единичное явление, а целый класс однородных в данном отношении явлений.

Теория подобия - учение о методах научного обобщения эксперимента. Она отвечает на вопрос, как нужно поставить опыт и обработать полученные данные, чтобы их можно было распространить на подобные явления. Всякое явление природы представляет собой систему материальных тел, которая за счет протекания в ней различных процессов претерпевает определенное изменение состояния. Подобными явлениями называют системы тел, геометрически подобные друг другу, в которых протекают процессы одинаковой физической природы и в которых одноименные величины, характеризующие явления, относятся между собой как постоянные числа.

Метод подобия применяется в задачах прикладного характера, в которых решения требуется учитывать большое число физических величин и позволяет выделить безразмерные параметры, которые независимо влияют на исследуемый процесс. Такой подход позволяет упростить качественное исследование и численное моделирование эксперимента. Высота столба поднятой жидкости подобна высоте дерева, диаметр трубочек подобен диаметру сосудов древесины. Проанализировав результаты, на основании полученных данных о водопроводящей системе деревьев и метода подобия я построила кривую высот: линейную диаграмму зависимости диаметра сосуда древесины от высоты. (Приложение Ж).

Жидкость в капиллярной трубке преодолевает силу тяжести. В данный момент времени состояние жидкости будет стабильным и характеризует конечный результат взаимодействия древесины и воды. Давление обусловлено весом жидкости в древесине.

Согласно формуле определения гидростатического давления столба жидкости (5.1) давление на дно сосуда определяется только высотой столба жидкости и независимо от формы сосуда и его размеров. Атмосферное давление воздуха давит на земную поверхность. Гидростатическое давление в данной точке жидкости создастся весом жидкости, находящейся над этой точкой, и весом атмосферы над поверхностью жидкости. Давление у поверхности жидкости часто равно атмосферному давлению.

Вывод по эксперименту: смачивающие жидкости родниковая вода и натуральный берёзовый сок близкие по своему составу к природным источникам воды для всего растительного мира и сокодвижения в деревьях поднимаются по капиллярам сосудов древесины, преодолевая силу тяжести, на высоту дерева, зависящую от коэффициента поверхностного натяжения этих жидкости, их плотности и диаметра капилляра сосудов древесины.

Так как распределение атмосферного давления по земной поверхности носит ярко выраженный зональный характер и сформировалось несколько поясов низкого и высокого атмосферного давления в определённых широтах, с большой вероятностью можно сказать, что высота деревьев будет различной при определённом атмосферном давлении на различных широтах его произрастания и будет зависеть от атмосферного давления как от одного из факторов влияния на рост и развитие растительного мира.

На высоту деревьев влияют разные климатические факторы, в том числе и атмосферное давление, но прежде всего она зависит от гидравлической системы самого дерева.

Заключение

В результате своей исследовательской работы я достигла решения проблемы с помощью поставленной цели и задач:

1. Изучила специальную литературу, включающую научные и журнальные статьи, учебники, словари, энциклопедии по выбранной теме.

2. Углубила свои знания по законам гидравлики, капиллярным явлениям, которые широко распространены как в человеческой деятельности, так и в природе.

3.рДоказала экспериментально зависимость диаметра сосуда древесины от высоты.

4. Проанализировала результаты исследовательской работы и представила результаты в виде линейной диаграммы.

5. Подтвердила гипотезу зависимости высоты дерева от атмосферного давления, как от одного из факторов влияния на различных широтах его произрастания.

6. Усовершенствовала в процессе своей работы личностные качества:

усидчивость;

наблюдательность;

способность работать с большим количеством информации;

стремление к саморазвитию.

Приобрела:

нацеленность на результат;

системность мышления;

аналитические способности.

Я вижу дальнейшую перспективу применения разработанного мной продукта для усовершенствования знаний на уроках физики и биологии в школе.

Список использованной литературы

1. Башта Т.М. Гидравлика, гидромашины. - М.: Издательский дом Альянс, 2002. - 422 с.

2. Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. - Омск.: Издательствово СибАДИ, 2006. - 145 с.

3. Гомоюнов К.К. Физика. Толковый словарь школьника и студента. - М.: Проспект, 2-е издание, 2010. - 496 с.

4. Патури Ф. Растения - гениальные инженеры природы. - М.: Прогресс, 2002. - 265 с.

5. Магеррамов М. А. Теплофизические свойства натуральных и концентрированных плодоовощных соков. - Баку.: Элм, 2006. - 274 с.

6. Сальников В.С. Механика жидкости и газа. - Ярославль.: Издательский дом Факел, 2002. - 199 с.

7. Телеснин Р. В. Молекулярная физика: Учебное пособие. - СПб.: Лань, 2009 . - 368 с.

8. Шемшук В. А. Как нам вернуть Рай. - М.: Омега Плюс, 2009. - 336 с.

9. Алехина Н. Д. Движение воды в целом растении (Электронный ресурс). -http://gendocs.ru

10. Бурова Л.А. Самое высокое дерево в мире (Электронный ресурс). - http://www.doklad-na-temu.ru

11. Горкин А.П. Современная иллюстрированная энциклопедия (Электронный ресурс). - https://www.litmir.me

12. Гэлстон А. Подъём воды в стволах высоких растений (Электронный ресурс). - http://www.booksshare.net

13. Михайлова Н.В. Где растет эвкалипт? (Электронный ресурс). -http://fb.ru

Приложения

Приложение А

Приложение Б

Таблица 10.1 — Номера трубочек и их внутренний диаметр

Приложение Г

Таблица 10.2 — Высота поднятия родниковой воды в трубочках

Номер трубочки	Внутренний диаметр, мм	Высота поднятия воды, мм

Приложение Д

Приложение Е

Таблица 10.3 — Высота поднятия натурального берёзового сока в трубочках

Номер трубочки	Внутренний диаметр, мм	Высота поднятия сока, мм


	8 Там же. С.244 9 Сальников В.С. Механика жидкости и газа. - Ярославль.: Издательский дом Факел, 2002. С.78 10 Галдин Н.С. Основы гидравлики и гидропривода: Учебное пособие. - Омск.: Издательство СибАДИ, 2006. С.17 11 Горкин А.П. Современная иллюстрированная энциклопедия.//https://www.litmir.me/ 12 Шемшук В. А. Как нам вернуть Рай.- М.: Омега Плюс, 2009. С.22 13 Михайлова Н.В. Где растет эвкалипт?// http://www.fb .ru/ 14 Гэлстон А. Подъём воды в стволах высоких растений.//http://www.booksshare.net/ 15 Магеррамов М.А. Теплофизические свойства натуральных и концентрированных плодоовощных соков. - Баку.: Элм, 2006.С.243

Ксилема цветковых растений состоит из двух типов структур, переносящих воду,- трахеид и сосудов. В разд. 8.2.1 мы уже говорили о том, как выглядят соответствующие клетки в световом микроскопе, а также на микрофотографиях, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа (рис. 8.11). Строение вторичной ксилемы (древесины) мы рассмотрим в разд. 21.6.6.

Ксилема вместе с флоэмой образует проводящую ткань высших растений. Эта ткань состоит из так называемых проводящих пучков , которые состоят из особых трубчатых структур. На рис. 14.15 показано, как устроены проводящие пучки и как они располагаются в первичном стебле у двудольных и однодольных растений.

14.19. Резюмируйте в виде таблицы различия в строении первичного стебля у двудольных и однодольных растений.

14.20. Какова трехмерная форма следующих тканевых компонентов: а) эпидермиса; б) ксилемы; в) перицикла двудольных и г) сердцевины?

То, что вода может подниматься по ксилеме, очень легко продемонстрировать, погрузив нижний конец срезанного стебля в разбавленный раствор красителя, например эозина. Краситель поднимается по ксилеме и распространяется по всей сети листовых жилок. Если сделать тонкие срезы и просмотреть их в световом микроскопе, краситель будет обнаружен в ксилеме.

То, что ксилема проводит воду, лучше всего показывают опыты с "кольцеванием". Такие опыты проводили задолго до того, как стали применяться радиоактивные изотопы, позволяющие очень легко проследить путь вещества в живом организме. В одном из вариантов опыта вырезают кольцо коры с флоэмой. Если опыт не очень продолжителен, такое "кольцевание" не влияет на подъем воды по стеблю. Однако, если отслоить лоскут коры и вырезать ксилему, не повреждая лоскута коры, растение быстро завянет.

Любая теория, объясняющая передвижение воды по ксилеме, не может не учитывать следующие наблюдения:

1. Сосуды ксилемы-мертвые трубки с узким просветом, диаметр которого варьирует в пределах от 0,01 мм в "летней" древесине примерно до 0,2 мм в "весенней" древесине.

2. Большие количества воды переносятся относительно быстро: у высоких деревьев зарегистрирована скорость подъема воды до 8 м/ч, а у других растений она часто составляет около 1 м/ч.

3. Чтобы поднять воду по таким трубкам к вершине высокого дерева, необходимо давление порядка 4000 кПа. Самые высокие деревья - калифорнийские гигантские секвойи (хвойные, у которых нет сосудов и есть только трахеиды) и австралийские эвкалипты - бывают выше 100 м. Вода поднимается по тонким капиллярным трубкам благодаря высокому поверхностному натяжению под действием капиллярных сил; однако только за счет этих сил даже по самым тончайшим сосудам ксилемы вода не поднимется выше 3 м.

Все эти наблюдения удовлетворительно объясняет теория сцепления (когезии), или теория натяжения . Согласно этой теории, подъем воды от корней обусловлен испарением воды из клеток листа. Как мы уже говорили в разд. 14.3, 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; при этом она проходит через влажные целлюлозные клеточные стенки сосудов ксилемы на концах жилок, как показано на рис. 14.7.

Сосуды ксилемы заполнены водой, и по мере того как вода выходит из сосудов, в столбе воды создается натяжения. Оно передается вниз по стеблю на всем пути от листа к корню благодаря сцеплению (когезии) молекул воды. Эти молекулы стремятся "прилипнуть" друг к другу, потому что они полярные и притягиваются друг к другу электрическими силами, а затем удерживаются вместе за счет водородных связей (разд. 5.1.2). Кроме того, они стремятся прилипнуть к стенкам сосудов под действием сил адгезии . Высокая когезия молекул воды означает, что для того, чтобы разорвать столб воды, требуется сравнительно большое растягивающее усилие; иными словами, столб воды обладает высокой прочностью на разрыв. Натяжение в сосудах ксилемы достигает такой силы, что может тянуть весь столб воды вверх, создавая массовый поток; при этом вода поступает в основание такого столба в корнях из соседних клеток корня. Необходимо, чтобы стенки сосудов ксилемы тоже обладали высокой прочностью и не вдавливались внутрь.

Такую прочность обеспечивают лигнин и целлюлоза. Данные о том, что содержимое сосудов ксилемы находится под воздействием большой растягивающей силы, были получены при измерении суточных изменений диаметра ствола у деревьев с помощью прибора, называемого дендрометром. Минимальные значения регистрировались в дневные часы, когда скорость транспирации максимальна. Крохотное сжатие отдельных сосудов ксилемы суммировалось и давало вполне измеримое уменьшение диаметра всего ствола.

Оценки прочности на разрыв для столба ксилемного сока варьируют в пределах примерно от 3000 до 30 000 кПа, при этом более низкие значения получены позднее. В листьях зарегистрирован водный потенциал порядка -4000 кПа, и прочность столба ксилемного сока, вероятно, достаточна, чтобы выдержать создающееся натяжение. Не исключено, конечно, что столб воды может иногда разрываться, особенно в сосудах большого диаметра.

Критики этой теории указывают на то, что любое нарушение непрерывности столба сока должно немедленно останавливать весь поток, так как сосуд должен заполняться воздухом и парами воды (явление кавитации ). Кавитацию может вызвать сильное сотрясение, сгибание ствола или недостаток воды. Хорошо известно, что на протяжении лета содержание воды в стволе дерева постепенно уменьшается, а древесина заполняется воздухом. Это используется в лесной промышленности, потому что такое дерево обладает лучшей плавучестью. Однако разрыв водного столба в части сосудов не очень сильно влияет на скорость переноса воды. Это можно объяснить тем, что вода переходит из одного сосуда в другой или же обходит воздушную пробку, передвигаясь по соседним клеткам паренхимы и их стенкам. Кроме того, согласно расчетам, для поддержания наблюдаемой скорости потока вполне достаточно, чтобы в каждый момент времени функционировала хотя бы небольшая часть сосудов. У некоторых деревьев и кустарников вода передвигается только по самому молодому наружному слою древесины, который называют заболонью . У дуба и ясеня, например, вода движется главным образом по сосудам текущего года, а остальная часть заболони выполняет функцию водного резерва. В течение вегетационного сезона все время прибавляются новые и новые сосуды, но больше всего их образуется в начале сезона, когда скорость потока гораздо выше.

Вторая сила, которая участвует в передвижении воды по ксилеме,- это корневое давление . Его можно обнаружить и измерить в тот момент, когда отрезают крону, а штамб с корнями продолжает выделять сок из сосудов ксилемы. Этот процесс эксудации подавляется цианидом и другими ингибиторами дыхания и прекращается при недостатке кислорода или понижении температуры. Для работы такого механизма, по-видимому, нужна активная секреция в ксилемный сок солей и других водорастворимых веществ, снижающих водный потенциал. Затем в ксилему поступает вода за счет осмоса из соседних клеток корня.

Одного положительного гидростатического давления около 100-200 кПа (в исключительных случаях до 800 кПа), создаваемого за счет корневого давления, обычно недостаточно, чтобы обеспечить передвижение воды вверх по ксилеме, но его вклад у многих растений несомненен. У медленно транспирирующих травянистых форм этого давления, однако, вполне хватает для того, чтобы вызвать гуттацию. Гуттация - это выведение воды в виде капель жидкости на поверхности растения (тогда как при транспирации вода выходит в виде пара). Все условия, уменьшающие транспирацию, т. е. слабая освещенность, высокая влажность и т.п., способствуют гуттации. Она весьма обычна у многих растений влажных тропических лесов и часто наблюдается на кончиках листьев молодых проростков.

14.21. Перечислите те свойства ксилемы, благодаря которым она обеспечивает транспорт воды и растворенных в ней веществ на большие расстояния.

Основные двигатели водного тока
Поглощение воды корневой системой идет благодаря работе двух концевых двигателей водного тока: верхнего концевого двигателя, или присасывающей силы испарения (транспирации), и нижнего концевого двигателя, или корневого двигателя. Основной силой, вызывающей поступление и передвижение воды в растении, является присасывающая сила транспирации, в результате которого возникает градиент водного потенциала. Водный потенциал – это мера энергии, используемой водой для передвижения. Водный потенциал и сосущая сила одинаковы по абсолютному значению, но противоположны по знаку. Чем меньше насыщенность водой данной системы, тем меньше (более отрицателен) ее водный потенциал. При потере воды растением в процессе транспирации создается ненасыщенность клеток листа водой, как следствие, возникает сосущая сила (водный потенциал падает). поступление воды идет в сторону большей сосущей силы, или меньшего водного потенциала.
Таким образом, верхний концевой двигатель водного тока в растении – это присасывающая сила транспирации листьев, и его работа мало связана с жизнедеятельностью корневой системы. Действительно, опыты показали, что вода может поступать в побеги и через мертвую корневую систему, причем в этом случае поглощение воды даже ускоряется.
Кроме верхнего концевого двигателя водного тока, в растениях существует нижний концевой двигатель. Это хорошо доказывается на примере таких явлениях, как гуттация.
Листья растений, клетки которых насыщены водой, в условиях высокой влажности воздуха, препятствующей испарению, выделяют капельно-жидкую воду с небольшим количеством растворенных веществ – гуттация. Выделение жидкости идет через специальные водные устьица – гидаторы. Выделяющаяся жидкость – гутта. Таким образом, процесс гуттации является результатом одностороннего тока воды, происходящего в отсутствие транспирации, и, следовательно, вызывается какой-то иной причиной.
К такому же выводу можно прийти и при рассмотрении явления плач растений. Если срезать побеги растения и к срезанному концу присоединить стеклянную трубку, то по ней будет подниматься жидкость. Анализ показывает, что это вода с растворенными веществами – пасока. В некоторых случаях, особенно в весенний период, плач наблюдается и при надрезе веток растений. Определения показали, что объем выделяющейся жидкости (пасоки) во много раз превышает объем корневой системы. Таким образом, плач – это не просто вытекание жидкости в результате пореза. Все сказанное приводит к выводу, что плач, как и гуттация, связана с наличием одностороннего тока воды через корневые системы, не зависящего от транспирации. Силу, вызывающую односторонний ток воды по сосудам с растворенными веществами, не зависящую от процесса транспирации, называют корневым давлением. Наличие корневого давления позволяет говорить о нижнем концевом двигателе водного тока. Корневое давление можно измерить, присоединив манометр к концу, оставшемуся после срезания надземных органов растения, или поместив корневую систему в серию растворов различной концентрации и подобрав такую, при которой плач прекращается. Оказалось, что корневое давление равняется примерно 0,1 – 0,15 МПа (Д.А.Сабинин). Определения, проведенные советскими исследователями Л.В.Можаевой, В.Н.Жолкевичем, показали, что концентрация наружного раствора, останавливающего плач, значительно выше концентрации пасоки. Это позволило высказать мнение, что плач может идти против градиента концентрации. Было показано также, что плач осуществляется только в тех условиях, в которых нормально протекают все процессы жизнедеятельности клеток. Не только умерщвление клеток корня, но и снижение интенсивности их жизнедеятельности, в первую очередь интенсивность дыхания, прекращает плач. В отсутствии кислорода, под влиянием дыхательных ядов, при понижении температуры плач приостанавливается. Все сказанное позволило Д.А.Сабинину дать следующее определение: плач растений – это прижизненный односторонний ток воды и питательных веществ, зависящий от аэробной переработки ассимелятов. Д.А.Сабинин предложил схему, объясняющую механизм одностороннего тока воды в корне. Согласно этой гипотезе, клетки корня поляризованы в определенном направлении. Это проявляется в том, что в разных отсеках одной и той же клетки процессы обмена веществ различны. В одной части клетки идут усиленные процессы распада, в частности, крахмала на сахара, вследствие чего концентрация клеточного сока возрастает. На противоположном конце клетки преобладают процессы синтеза, благодаря чему концентрация растворенных веществ в этой части клетки уменьшается. Надо учитывать, что все эти механизмы будут работать только при достаточном количестве воды в среде и не нарушенном обмене веществ.
Согласно другой гипотезе, зависимость плача растений от интенсивности дыхания является косвенной. Энергия дыхания используется для поступления ионов в клетки коры, откуда они десорбируются в сосуды ксилемы. В результате концентрация солей в сосудах ксилемы повышается, что и вызывает поступление воды.

Передвижение воды по растению
Вода, поглощенная клетками корня, под влиянием разности водных потенциалов, которые возникают благодаря транспирации, а также силе корневого давления, передвигается до проводящих путей ксилемы. Согласно современным представлениям, вода в корневой системе передвигается не только по живым клеткам. Еще в 1932 г. немецкий физиолог Мюнх развил представление о существовании в корневой системе двух относительно не зависимых друг от друга объемов, по которым передвигается вода, - апопласта и симпласта. Апопласт – это свободное пространство корня, в которое входят межклетные промежутки, оболочки клеток, а также сосуды ксилемы. Симпласт – это совокупность протопластов всех клеток, отграниченных полупроницаемой мембраной. Благодаря многочисленным плазмодесмам, соединяющим между собой протопласт отдельных клеток, симпласт представляет единую систему. Апопласт, по-видимому, не непрерывен, а разделен на два объема. Первая часть апопласта расположена в коре корня до клеток эндодермы, вторая – по другую сторону клеток эндодермы, и включает в себя сосуды ксилемы. Клетки эндодермы благодаря пояскам Каспари представляют как бы барьер для передвижения воды по свободному пространству (межклетникам и клеточным оболочкам). Для того чтоб попасть в сосуды ксилемы, вода должна пройти через полупроницаемую мембрану и главным образом по апопласту и лишь частично по симпласту. Однако в клетках эндодермы передвижение воды идет, по-видимому, по симпласту. Далее вода поступает в сосуды ксилемы. Затем передвижение воды идет по сосудистой системе корня, стебля и листа.
Из сосудов стебля вода движется через черешок или листовое влагалище в лист. В листовой пластинке водопроводящие сосуды расположены в жилках. Жилки, постепенно разветвляясь, становятся более мелкими. Чем гуще сеть жилок, тем меньшее сопротивление встречает вода при передвижении к клеткам мезофилла листа. Иногда мелких ответвлений жилок листа так много, что они подводят воду почти к каждой клетке. Вся вода в клетке находится в равновесном состоянии. Иначе говоря, в смысле насыщенности водой, имеется равновесие между вакуолью, цитоплазмой и клеточной оболочкой, их водные потенциалы равны. Вода передвигается от клетки к клетке благодаря градиенту сосущей силы.
Вся вода в растении представляет единую взаимосвязанную систему. Поскольку между молекулами воды имеются силы сцепления (когезия), вода поднимается на высоту значительно большую 10 м. сила сцепления увеличивается, так как молекулы воды обладают большим сродством друг к другу. Силы сцепления обладают и между водой и стенками сосудов.
Степень натяжения водных нитей в сосудах зависит от соотношения процессов поглощения и испарения воды. Все это позволяет растительному организму поддерживать единую водную систему и не обязательно восполнять каждую каплю испаряемой воды.
В том случае, если в отдельные членики сосудов попадает воздух, они, по-видимому, выключается из общего тока проведения воды. Таков путь передвижения воды по растению (рис. 1).

Рис. 1. Путь воды в растении.

Скорость перемещения воды по растению в течение суток изменяется. В дневные часы она на много больше. При этом разные виды растений различаются по скорости передвижения воды. Изменение температуры, введение метаболических ингибиторов не влияют на передвижение воды. Вместе с тем этот процесс, как и следовало ожидать, очень сильно зависит от скорости транспирации и от диаметра водопроводящих сосудов. В более широких сосудах вода встречает меньшее сопротивление. Однако надо учитывать, что в более широкие сосуды могут попасть пузырьки воздуха или произойти какие-либо иные нарушения тока воды.

Видео: Движение воды и органических веществ по стеблю.

Вода, поглощенная клетками корня, под влиянием разности водных потенциалов, которые возникают благодаря транспирации, а также силе корневого давления, передвигается до проводящих путей ксилемы. Согласно современным представлениям, вода в корневой системе передвигается не только по живым клеткам. Апопласт - это свободное пространство корня, в которое входят межклетные промежутки, оболочки клеток, а также сосуды ксилемы.

Симпласт - это совокупность протопластов всех клеток, отграниченных полупроницаемой мембраной. Благодаря многочисленным плазмодемам, соединяющим между собой протопласт отдельных клеток, симпласт представляет единую систему.

Для того чтоб попасть в сосуды ксилемы, вода должна пройти через полупроницаемую мембрану и главным образом по апопласту и лишь частично по симпласту. Однако в клетках эндодермы передвижение воды идет, по-видимому, по симпласту. Далее вода поступает в сосуды ксилемы. Затем передвижение воды идет по сосудистой системе корня, стебля и листа.

Из сосудов стебля вода движется через черешок или листовое влагалище в лист. В листовой пластинке водопроводящие сосуды расположены в жилках. Жилки, постепенно разветвляясь, становятся более мелкими. Чем гуще сеть жилок, тем меньшее сопротивление встречает вода при передвижении к клеткам мезофилла листа.

Иногда мелких ответвлений жилок листа так много, что они подводят воду почти к каждой клетке. Вся вода в клетке находится в равновесном состоянии. Иначе говоря, в смысле насыщенности водой, имеется равновесие между вакуолью, цитоплазмой и клеточной оболочкой, их водные потенциалы равны. Вода передвигается от клетки к клетке благодаря градиенту сосущей силы.

Вся вода в растении представляет единую взаимосвязанную систему. Поскольку между молекулами воды имеются силы сцепления (когезия), вода поднимается на высоту значительно большую 10 м. Сила сцепления увеличивается, так как молекулы воды обладают большим сродством друг к другу. Силы сцепления обладают и между водой и стенками сосудов.

Степень натяжения водных нитей в сосудах зависит от соотношения процессов поглощения и испарения воды. Все это позволяет растительному организму поддерживать единую водную систему и не обязательно восполнять каждую каплю испаряемой воды.

В том случае, если в отдельные членики сосудов попадает воздух, они, по-видимому, выключается из общего тока проведения воды. Таков путь передвижения воды по растению.

Почему вода поднимается вверх по сосудам стебля, Вы узнаете их этой статьи.

Почему вода непрерывно поднимается по стеблю?

Движение воды осуществляется по мертвым и живым сосудам ксилемы, составляющей стебля. Вода, поглощенная волосками корневой системы, по живым клеткам проходит небольшое расстояние всего в несколько миллиметров, а после поступает в сами сосуды ксилемы. Движение воды по живым клеткам осуществляется благодаря перепадам в сосущей силе растения, которая от корневого волоска значительно возрастает до сосудов. Это связано с испарением воды листьями. Такая же ситуация наблюдается в процессе движения воды по живым клеткам листа от сосудов. То есть выходит, что в листьях на место воды, которая испарилась, поступает постоянно новая, непрерывно поднимаясь вверх.

Что такое стебель растения?

Стебель – это осевая часть побега растения, которая несет на себе почки, листья, плоды и цветы. Главные функции стебля следующие:

Опорная,

Проводящая,

Запасающая.

Дополнительными его функциями являются: стебель – это орган вегетативного размножения, а также орган фотосинтеза.

Стебель имеет два основных типа: травянистый и деревянистый. Травянистый стебель преимущественно существует всего лишь один вегетационный период, и за свое существование он либо слабо утолщается, либо вовсе не утолщается. К таким растениям относят крапиву, лебеду. Деревянистый стебель – это, как правило, многолетний орган. Он неопределенно долго утолщается и образованный благодаря одревесневающим тканям. К таким растениям относят березу, виноград и смородину.