Vodní provoz rostlin

1. Vodní provoz rostlin • Rostliny se liší od ostatních organismů: • Fotoautotrofie – voda je základní komponent výstavby spolu se světlem a CO2 • Schopnost získávat vodu a minerální látky • Vnitrobuněčný hydrostatický tlak (turgor) • Rozpouštědlo anorganických a organických látek, prostředí pro pohyb molekul a iontů • Metabolická surovina: ve fotosyntéze, hydrolýza, hydratace • Stavební materiál buňky – vakuola • Transportní prostředek – hromadný tok látek • Snižování teploty

2. Závislost výnosu na dostupnosti vody

3. 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

4. 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

5. Tvorba vodíkových můstků

6. Termální vlastnosti vody Termální vlastnosti vodyjsou 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

7. Povrchové napětí vody • Molekuly vodyna 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)

8. 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 Pkve 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 = hg • Pk = Ph → 2T/r = hg → 2T = hgr →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 mm → • h =30-60 cm

9. 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

10. 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 50m, 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.

11. Osmóza Látky se pohybují po koncentračním gradientu.

12. Difúzní potenciál

13. 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 redukujívolnou 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 = turgorovýtlak) (+/-), 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

14. Plazmolýza a plasmoptýza u rostlinné buňky

15. Složení půdy a voda v půdě Půda: bio-organo-minerální systém Pevná fáze – minerální látky, humus, biomasa; humus soli huminových kyselin a fulvokyselin, jílovité až písčité částice Kapalná fáze –vodný roztok min. solí Plynná fáze – půdní vzduch, půdní O2 Polní kapacita – obsah vody v půdě po její saturaci (jíl 40%, písek 3%)

16. Voda v půdě Půdní vodní potenciál= koncentrace, tlak a gravidita • w=s + p + g+ m • s - osmotický potenciál – vliv rozpuštěných látek, látky redukujívolnou energii, roste neuspořádanost, s = - RTc (R-plynová konstanta, T-teplota, c osmolalita) v půdě malý, max. - 0.2 MPa • p - hydrostatickýtlak (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

17. 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 vzdálenosti r – poloměr cévy m3.s-1, nezávislý na koncentraci

18. Transport vody v půdě a v rostlině p = -2T/r (T = 7,28 x 10-8 Mpa.m)

19. Transport vody do kořenů

20. Kořenový vztlak a gutace Javorový sirup z mízy

21. 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

22. Vedení transpiračního proudu xylémem

23. Výdej vody listem - transpirace

24. Faktory regulující transpiraci

25. 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)

26. Stomatární transpirace a průduchy

27. Regulace otvírání průduchů světlem

28. Regulace otvírání průduchů

29. SOUHRN • 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