Петунин О. Поглъщане на вода от корена и нейния транспорт в цъфтящи растения, Биологичен вестник № 29
Специалният курс "Физиология на растенията" е предназначен за студенти, изучаващи задълбочено биология (11 клас, 34 часа). Програмата на специалния курс предвижда изучаването на раздела „Движение на вещества през растението“ в четири урока по темите „Поглъщане на вода от корена и нейния транспорт в цъфтящо растение“, „Транспирация и нейната физиологична роля“, „Усвояване на минерални вещества от корена и транспорт на йони в цъфтящи растения“, „Транспорт на органични вещества в цъфтящи растения“.
Урокът "Поглъщане на вода от корена и транспортирането му в цъфтящи растения" е предназначен за 40-45 минути. В 10-ти клас учениците изучават специалния курс "Анатомия и морфология на растенията" (34 часа), следователно в 11-ти клас въпросите по анатомия и морфология на растенията се повтарят само по време на урока. В часовете по обща биология и химия учениците вече са изучавали понятиятаосмоза,осмотично налягане, следователно тези въпроси се повтарят само по време на този урок.
Цели на урока. Актуализирайте знанията за структурата на кореновите власинки, ксилема, водните молекули, понятията осмоза, осмотично налягане, кахеция, адхезия и др. Разгледайте физиологичните механизми на абсорбция на вода от корена. Да се изследва механизмът на движение на водата в цъфтящите растения. Да се подобрят уменията на учениците за работа с лабораторно оборудване, създаване на експерименти. Развиване на интелектуални способности, логическо мислене, умения за когнитивна независимост у учениците.
Оборудване: живи растения, издънки на растения, епруветки, лупи, растително масло, мастило, вазелин, стъклени и гумени тръби, скалпел и таблици "Структура на корена", "Структура на листната клетка", "Структура на стъблото".
Експериментите, които предлагаме са широко известни, т.к са включени в учебната програма на основното училище, но обяснението от ученициполучените резултати трябва да бъдат по-научни и задълбочени, съответстващи на нивото на учениците от 11 клас, изучаващи задълбочено биология. Учителят назначава няколко ученици и всеки от тях излага своя опит (в този урок се демонстрират три експеримента, което означава, че трима ученици ще участват в тяхното производство).
Вземете растение, отгледано в мокри дървени стърготини, отърсете кореновата му система и потопете корените му в епруветка с вода. Изсипете масло върху водата, за да предотвратите изпаряването. Маркирайте нивото на водата отстрани на тръбата. Ден по-късно отново отбележете нивото на водата и го сравнете с оригинала. Направете заключение от получените резултати.
При младо растение маточина отрежете стъблото на 3-5 см над кореновата шийка. Смажете пънчето наоколо с вазелин и поставете върху него гумена тръба. Свържете свободния му край към стъклена тръба (фиг. 1). Изсипете почвата в саксия с топла вода, преди да демонстрирате експеримента. какво наблюдаваш Какви са резултатите от експеримента?
Ориз. 1. Опит, демонстриращ коренов натиск
Поставете издънката на дърво или храст в съд с вода, оцветена с мастило. Ден по-късно с дисекционен нож (скалпел) отрежете долната част (около 1–2 см) на издънката. Разгледайте напречното сечение с лупа. Кой слой от стъблото е оцветен? Обяснете резултатите от експеримента.
1. Движението на веществата в растенията
Всеки организъм, дори по-сложен, има нужда от обмен на вещества с околната среда, обмен на вещества между клетките на тялото и метаболизъм вътре в клетките. Това е възможно само ако има транспорт на вещества в тялото. Какви процеси в живия организъм осигуряват транспортирането на вещества на къси разстояния?
Предложени отговори. Транспорт на къси разстояниявеществата осигуряват физически процеси на дифузия (включително осмоза), активен транспорт и токове на цитоплазмата. (Учениците са изучавали тези процеси в 10 клас в часовете по обща биология.)
Учител. Наистина, при едноклетъчните организми и при онези многоклетъчни организми, при които съотношението на повърхността на тялото към неговия обем е достатъчно голямо, тези методи на транспорт работят добре. Как се транспортират веществата в големи и в сравнение с едноклетъчните по-сложни организми, тъй като само дифузията очевидно не е достатъчна за тези цели?
Предложени отговори. В организмите, чиито клетки са много отдалечени една от друга и от околната среда, възникват специални системи за транспорт на дълги разстояния, гарантиращи бързото движение на необходимите вещества.
Учител. Какви транспортни системи познавате при животните и растенията?
Предложени отговори. Животните имат кръвоносна система, докато растенията имат съдова система, съставена от ксилема и флоема.
Учител. Правилно сте назовали така наречените кръвоносни системи на животните и растенията. Те осигуряват надежден транспорт на вещества до тези организми. По този начин транспортирането на вещества е доставката на необходимите съединения до определени органи и тъкани с помощта на специални системи. Ще изследваме способността на растението да транспортира органични и неорганични вещества, тъй като без тяхното транспортиране нормалното му функциониране би било невъзможно. Процесът на движение на веществата през проводимите тъкани на растението се нарича транслокация.
2. Вещества, пренасяни от растенията
Учител. Избройте най-важните групи вещества, които трябва да се транспортират от растението.
Предложени отговори. Вода, газове, минерални соли, органични вещества.
Учител. Прав ли синазовава основните групи вещества, транспортирани от растението. Сега нека се опитаме да проследим пътя на тези вещества в растителния организъм.
Предлагам ви, въз основа на знанията за структурата на растителните тъкани и органи, да попълните таблицата „Движение на вещества в растенията“. Диаграмата на вашите таблици ще ви помогне да попълните таблицата (фиг. 3).
Учител (проверява попълването на таблицата). Правилно попълнихте таблицата, като посочихте веществата, транспортирани от растението, и посочихте пътя на тези вещества. Сега трябва да научите повече за механизма на водния транспорт в растенията. Пътят на водата в растението започва с корена.
3. Водопоглъщане от корена на растението
Демонстрация на опит № 1. Ученикът, който го постави в навечерието на урока, разказва за опита и резултатите от него. От резултатите от експеримента следва изводът за усвояването на вода от корена на растението.
Учител. Спомнете си кои структури на корените абсорбират вода и какви са те по отношение на структурата (демонстрация на таблицата„Структура на корена“).
Предложени отговори. Коренните структури, които абсорбират вода, са коренови власинки, разположени в зоната на засмукване. Те са цитоплазмени израстъци на клетките на кореновия епидермис.
Учител. Цитоплазмата на кореновата коса и почвеният разтвор са разделени една от друга с мембрана. Какво кара водата да навлиза в кореновите власинки през мембраната?
Предложени отговори. Въз основа на познанията за осмозата може да се предположи, че водните молекули се движат от зоната, където концентрацията им е висока (от разтвор с ниско осмотично налягане) до мястото, където концентрацията им е ниска (в разтвор с по-високо осмотично налягане). Това означава, че цитоплазмата на клетките, които образуват кореновите власинки, е по-концентрирана от почвения разтвор. Това е, което осигурявавид дифузия на водни молекули от почвата в кореновите клетки.
Учител. Вие правилно определихте причината за абсорбирането на вода от корена. Днес, когато физиолозите искат да опишат тенденцията на водните молекули да се движат от едно място на друго, те използват термина "воден потенциал". Водата се движи от зона с по-висок воден потенциал към зона с по-нисък воден потенциал, т.е. от почвата до корените. Процесът на абсорбция на вода от корена е отразен на фиг. 2., има го и на вашите маси. Градиентът на водния потенциал също се поддържа от движението на водата по ксилемата, но ще говорим за това малко по-късно. Така водата се абсорбира от кореновите власинки поради разликата във водния потенциал на почвения разтвор и цитоплазмата на клетките, които образуват кореновите власинки. След това водата преминава през кората на корена в ксилемата и се издига по нея до листата.
Ориз. 2. Схема на основните пътища за движение на водата и неорганичните йони от почвата през епидермиса и кората към ксилемата. Водата се движи предимно по протежение на апопласта, докато достигне ендодермата, където движението на апопласта е блокирано от каспарските ленти. Каспаровите ленти принуждават водата да преминава през плазмените мембрани и протопластите на ендодермалните клетки по пътя си към ксилемата. След преминаване през плазмената мембрана на вътрешната повърхност на ендодермата водата може отново да следва пътя на апопласта до кухините на ксилемните елементи. Неорганичните йони се абсорбират активно от епидермалните клетки и след това се придвижват по протежение на симпласта през кората до паренхимни клетки, от които се изпомпват в ксилемни елементи.
Демонстрация на опит № 2. Ученикът, който го постави в навечерието на урока, разказва за опита и резултатите от него. Течността, събрана в стъклената тръба, показва способността на корена да създава налягане. Вероятно поради тованалягане и вода се подава към надземните органи на растението.
Учител. Направено е правилно предположение за способността на корена да създава натиск, който се нарича коренов натиск. Това е 100–200 kPa. При някои растения кореновият натиск предизвиква освобождаване на капки течност през хидатодите. Какво представляват хидатодите и как се нарича процесът на отделяне на капково-течна влага?
Предложени отговори. Хидатодите са водните устица на растенията и процесът на отделяне на течни капчици през тях се нарича гутация. (С това понятие учениците се запознаха при изучаването на отделителните тъкани на растенията в 10 клас.)
Учител. Правилно си спомнихте името на процеса на изолиране на водни капки през хидатоди. Също така правилно се каза, че поради натиска на корените водата се издига нагоре по стъблото. Но възниква проблем: потокът течност, издигайки се нагоре, трябва да преодолее по-голямо налягане, отколкото коренът е в състояние да развие, тоест едно коренно налягане обикновено не е достатъчно, за да осигури движението на водата нагоре по ксилемата. Каква друга сила осигурява издигането на водата? Сега трябва да разрешим този проблем, като се запознаем с механизма на издигане на водата по ксилемата.
4. Издигане на водата по ксилемата
Демонстрация на опит № 3. Третият ученик, който също постави опита в навечерието на урока, говори за опита и неговите резултати. На напречното сечение на стъблото, изследвано с лупа, ясно се вижда, че слоят дървесина е оцветен (вторичната дървесина се нарича ксилема). От резултатите от експеримента следва, че ксилемата е водоснабдителната тъкан на растението и че през нея водата се издига от корена към листата на растението.
Учител. Опитът ясно потвърждава идеята, че ксилемата в тялото на растението провежда водата. (Демонстрация на таблицата "Структурата на стъблото".) Запомнете структурата на ксилемата.
Предложени отговори. Ксилема на цъфтящите растения се състои от два вида структури, които транспортират вода - трахеиди и трахеи (съдове). Ксилемните съдове са мъртви тръби с тесен лумен.
Учител. Правилно е казано, че ксилемните съдове са мъртви тръби с тесен лумен. Диаметърът им варира от 0,01 до 0,2 mm. Големи количества вода се транспортират през ксилемата относително бързо. Например при високи дървета е регистрирана скорост на покачване на водата до 8 m/h. Но въпреки това ще се върнем към по-рано посочения проблем. Какви сили мислите, че карат водния поток да се движи нагоре по стъблото?
Предложени отговори. Логиката предполага две възможности: водата се изтласква отдолу (но вече говорихме за кореновия натиск и заключихме, че той сам по себе си не е достатъчен, за да осигури възходящ ток на ксилема) или се изтегля отгоре.
Учител. Тъй като кореновото налягане само по себе си не е в състояние да издигне водата до върха на голямо дърво, нека се спрем на хипотезата, че водата се „изтегля“ през цялото растение, особено след като тази хипотеза се подкрепя от наличните данни. За да изучите механизма на движение на водата през ксилемата, ви предлагам да прочетете текста, който е на масата за всеки от вас. След като прочетете, не забравяйте да отговорите на въпросите към текста.
Текст за четене
1. Как се нарича теорията за движението на водата през ксилемата? 2. Защо водните молекули са склонни да се "залепват" една за друга? 3. Защо се твърди, че енергията за движението на водата и минералните соли през растението се доставя не от растението, а директно от Слънцето?
Предложени отговори. Теорията за движението на водата през ксилемата се нарича теория за "адхезия-кохезия". Водните молекули са полярни и се привличат една другаелектрически сили и след това се държат заедно чрез водородни връзки. Енергията за движението на водата се доставя от Слънцето. нагряването на листата насърчава отделянето на водните молекули от водния поток на ксилемата и това създава напрежение във водния стълб, което се предава надолу по стъблото поради кохезия.
Учител. И така, движението на водата в тялото на растението е възможно благодарение на изключителната способност на неговите молекули за кохезия и адхезия, които растенията използват толкова умело. Така отговорихме на въпроса за причините за движението на водата нагоре по стъблото.
Материалът от днешния урок е изчерпан.
Дефинирайте следните понятия: транспорт на вещества, ксилема, флоема, транслокация, осмоза, осмотично налягане, воден потенциал, кореново налягане, хидатоди, гутация, кохезия, адхезия.
Научете теоретичен материал. Отговорете устно на следните въпроси.
Обяснете защо водата се издига до върховете на високи дървета, докато механична помпа може да я издигне на височина не повече от 10 m.
Заводът губи вода поради отрицателния воден потенциал на атмосферата. Как бихте обяснили това твърдение?
Фермерите рядко наторяват посевите по време на суша, тъй като са научили от опит, че това може да бъде вредно. Обяснете защо това е така.