Weird Science

Transport wody - jak to robią rośliny?

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (5/2017):

Ilustracja

Ples M., Tran­s­port wody - jak to robią rośliny?, Bio­lo­gia w Szkole, 5 (2017), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 59-63

Tle­nek diwo­doru lub oksy­dan to jeden z bar­dziej pow­szech­nie występu­jących na naszej pla­ne­cie związ­ków che­micz­nych. Oczy­wi­ście czę­ściej nazy­wamy tę sub­stan­cję wodą, a i jej wzór che­miczny H2O jest roz­po­zna­walny nawet poza kręgami che­micz­nymi.

Oka­zuje się też, że woda jest jedną z naj­po­spo­lit­szych sub­stan­cji jeśli cho­dzi o występo­wa­nie we Wszech­świe­cie [1]. W Ukła­dzie Sło­necz­nym można ją spot­kać także poza Zie­mią. Według badań sta­nowi (w postaci lodu) ważny ele­ment budowy pla­nety kar­ło­wa­tej Ceres i wielu księży­ców pla­net-olbrzy­mów, w mniej­szych ilo­ściach występuje także na powierzchni lub w atmos­fe­rach pla­net typu ziem­skiego [2].

Zie­mia jest praw­do­po­dob­nie jedy­nym miej­scem w Ukła­dzie Sło­necz­nym, gdzie w natu­ral­nych warun­kach woda może ist­nieć w trzech sta­nach sku­pie­nia. Wiemy, że woda w sta­nie cie­kłym pokrywa ponad 70% powierzchni naszej pla­nety. Duże ilo­ści wody są zde­po­no­wane w postaci lodu w pobliżu bie­gu­nów geo­gra­ficz­nych, a także w lodow­cach wyso­ko­gór­skich. Oczy­wi­ście, woda znaj­duje się także w atmos­fe­rze - szcze­gól­nie w jej dol­nych war­stwach. Wiele natu­ral­nych związ­ków che­micz­nych występuje w postaci tzw. hydra­tów - zawie­rają one cząsteczki wody w swo­jej budo­wie. Uwięziona w ten spo­sób woda nazy­wana jest wodą kry­sta­li­za­cyjną. Zawar­tość wody włączo­nej w struk­turę mine­ra­łów obec­nych w płasz­czu Ziemi może wie­lo­krot­nie prze­kra­czać łączną zawar­tość wody w oce­a­nach [3].

Ze względu na swoje wła­ści­wo­ści che­miczne i fizyczne woda ma wręcz fun­da­men­talne zna­cze­nie bio­lo­giczne. Sub­stan­cja ta zapew­nia płynne śro­do­wi­sko nie­zbędne do pro­wa­dze­nia wszel­kich pro­ce­sów życio­wych - jest np. pow­szech­nym roz­pusz­czal­ni­kiem czyn­nych bio­lo­gicz­nie związ­ków che­micz­nych. Woda występuje w prze­biegu więk­szo­ści reak­cji meta­bo­licz­nych. Sta­nowi też śro­dek tran­s­portu wew­nątrzu­stro­jo­wego sub­stan­cji odżyw­czych, enzy­mów i innych. Dzięki dużej war­to­ści cie­pła wła­ści­wego (4189,9 J/Kg∙K) umożl­i­wia wydajną ter­mo­re­gu­la­cję. Nie spo­sób tu wymie­nić oczy­wi­ście wszyst­kich pro­ce­sów bio­lo­gicz­nych, w które zaan­ga­żo­wana jest oma­wiana sub­stan­cja, ale warto nad­mie­nić, że według wielu hipo­tez to wła­śnie w śro­do­wi­sku wod­nym po raz pierw­szy pow­stało życie.

Ponie­waż woda w sta­nie płyn­nym - z tego co wiemy - jest konieczna do aktyw­nego pro­wa­dze­nia pro­ce­sów skła­da­jących się na zja­wi­sko życia, to logiczne jest, że każdy orga­nizm musi posia­dać odpo­wied­nie mecha­ni­zmy pozwa­la­jące mu na pobie­ra­nie tej sub­stan­cji ze śro­do­wi­ska. O ile w przy­padku orga­ni­zmów jed­no­ko­mór­ko­wych nie­trudno wyo­bra­zić sobie te pro­cesy, to u bar­dziej zło­żo­nych stwo­rzeń (które mogą osiągać prze­cież duże roz­miary) musiały się roz­wi­nąć spe­cja­li­zo­wane spo­soby pobie­ra­nia wody.

Pozo­sta­wia­jąc na boku orga­ni­zmy zwie­rzęce i grzyby, zasta­nówmy się nad tym, w jaki spo­sób rośliny mogą pobie­rać wodę z gleby, a następ­nie roz­pro­wa­dzać ją po całym swoim orga­ni­zmie. Ponie­waż woda jest potrzebna wszyst­kim tkan­kom, pyta­nie to jest tym bar­dziej zasadne w odnie­sie­niu do drzew. Za naj­wyższe obec­nie żyjące rośliny uważa się mamu­towca olbrzy­miego Sequ­o­ia­den­dron gigan­teum i sekwoję wiecz­nie zie­loną Sequ­oia sem­pe­rvi­rens - dora­stają one do wyso­ko­ści ponad stu metrów. Wynie­sie­nie wody na takie wyso­ko­ści wymaga zuży­cia dużych ilo­ści ener­gii. Jak roz­wiązały ten pro­blem rośliny?

Jed­nym z roślin­nych mecha­ni­zmów pobie­ra­nia wody jest par­cie korze­niowe. Polega ono na wypie­ra­niu wody przez korze­nie do łodyg i liści. Przy­czy­nia się ono do krąże­nia soków roślin­nych, zwłasz­cza przed poja­wie­niem się liści.

Pow­staje ono dzięki zwięk­sze­niu stęże­nia jonów i innych sub­stan­cji mało­cząstecz­ko­wych w tkan­kach rośliny w sto­sunku do wody występu­jącej wokół korzeni. Jony te muszą być tran­s­por­to­wane przez roślinę w spo­sób aktywny, więc cały pro­ces wymaga zuży­cia zma­ga­zy­no­wa­nej ener­gii. Woda wnika do rośliny zgod­nie z pow­sta­łym gra­dien­tem stężeń na dro­dze osmozy [4].

Wytwo­rzone w ten spo­sób ciśnie­nie pozwala na pod­nie­sie­nie słupa wody na dosyć dużą wyso­kość i dostar­cze­nie jej wraz z roz­pusz­czo­nymi w niej solami mine­ral­nymi do gór­nych rejo­nów rośliny.

Poza par­ciem korze­nio­wym rośliny wyksz­tałc­iły także inny, nie­wy­ma­ga­jący od nich nakła­dów ener­gii spo­sób na roz­pro­wa­dza­nie wody po ich orga­ni­zmach. Aby zba­dać ten temat, prze­pro­wa­dzimy odpo­wied­nie doświad­cze­nia.

Kon­struk­cja modelu

Po pierw­sze, trzeba zbu­do­wać odpo­wiedni model doświad­czalny. Musi on pozwa­lać na zaob­ser­wo­wa­nie inte­re­su­jących nas zja­wisk, a także być na tyle uprosz­czony by jego kon­struk­cja nie nastręczała trud­no­ści w warun­kach szkol­nych czy domo­wych. Bar­dzo ważnym warun­kiem jest też oczy­wi­ście przej­rzy­stość modelu, czyli łatwość uzy­ska­nia potrzeb­nych danych.

Pro­po­no­wany przeze mnie model składa się jedy­nie z dosyć łatwo dostęp­nych ele­men­tów – odcin­ków cien­kiej, szkla­nej rurki i sznurka lub gru­bej nici z włókien natu­ral­nych (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Potrzebne mate­riały: szklane rurki i sznu­rek

Sche­mat budowy modelu został przed­sta­wiony na Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Sche­mat budowy modelu tran­s­portu wody na zasa­dzie siły ssącej liści; a – szklana rurka o nie­wiel­kiej śred­nicy, b – sple­cione sznurki, c – roz­ple­cione końce każd­ego sznurka

Jak widać, budowa urządze­nia jest bar­dzo pro­sta. Składa się on z dosyć dłu­giej (przy­najm­niej 10-15cm) rurki szkla­nej o nie­wiel­kiej śred­nicy. W wyko­na­nym przeze mnie modelu dłu­gość rurki wyno­siła 20cm, a jej śred­nica wew­nętrzna ok. 2mm. W osta­tecz­no­ści rurkę szklaną można zastąpić wyko­naną z prze­zro­czy­stego two­rzywa sztucz­nego. Przez rurkę należy prze­ciągnąć sznu­rek, a naj­le­piej kilka sple­cio­nych ze sobą sznur­ków z włókna natu­ral­nego (bawełn­ia­nego, lnia­nego, itp.) tak by dosyć cia­sno wypełn­iły jej świa­tło. Na dol­nym końcu rurki sznurki powinny wysta­wać na nie­wielką dłu­gość, np. 1-2cm (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Wygląd dol­nej czę­ści układu mode­lo­wego, widoczne wysta­jące poza szklaną rurkę krót­kie frag­menty sznurka

Na gór­nym końcu należy nato­miast pozo­sta­wić kil­ku­krot­nie dłuższy odci­nek sznur­ków, które dodat­kowo trzeba roz­pleść na poje­dyn­cze włókna, dla zwięk­sze­nia powierzchni paro­wa­nia (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Wygląd gór­nej czę­ści układu mode­lo­wego, widoczne wysta­jące poza szklaną rurkę dłu­gie, roz­ple­cione frag­menty sznurka

Cały model ma postać widoczną na Fot.4.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Gotowy model

Takich modeli w celach porów­naw­czych należy zbu­do­wać dwa.

Doświad­cze­nie i obser­wa­cje

Na początku oba modele należy usta­wić pio­nowo w naczy­niu z wodą desty­lo­waną, tak by ich dol­nej końce wraz z wylo­tem rurki szkla­nej były zanu­rzone (Fot.5). Następ­nie trzeba nasy­cić wodą sznu­rek, nakra­pla­jąc wodę np. za pomocą pipety pasteu­row­skiej na górne końce rurek, tak by wew­nątrz nich sznu­rek także został zwil­żony na całej dłu­go­ści. Roz­ple­cione górne końce także powinny zostać dokład­nie zwil­żone.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Spo­sób umiesz­cze­nia przy­go­to­wa­nych modeli w wodzie

Górna część jed­nej rurki wraz z wil­got­nymi roz­ple­cio­nymi końc­ami powinna zostać szczel­nie osło­nięta folią z two­rzywa sztucz­nego, tak by ogra­ni­czyć paro­wa­nie wody z włókien. Drugą rurkę pozo­sta­wiamy nie­o­sło­niętą. Gotowy układ doświad­czalny przed­sta­wia Fot.6.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Układ doświad­czalny

Następ­nie do wody należy dodać barw­nik, np. spo­żyw­czy lub atra­ment. Ja zasto­so­wa­łem wydajny, nie­bie­ski barw­nik – błękit mety­le­nowy C16H18ClN3S.

Układ doświad­czalny od tego momentu powi­nien się znaj­do­wać w cie­płym, dosyć suchym i prze­wiew­nym miej­scu. Obser­wa­cje trzeba pro­wa­dzić w cza­sie następ­nych kilku godzin.

Już po nie­dłu­gim cza­sie, cza­sem nawet po godzi­nie, można zaob­ser­wo­wać cie­kawe zja­wi­sko – poziom wody z barw­ni­kiem wyraźnie się pod­nosi w rurce. Dzieje się tak jed­nak tylko w przy­padku rurki, której górny koniec nie jest osło­nięty. Po kilku godzi­nach efekt jest bar­dzo wyraźny – barw­nik jest już widoczny na całej dłu­go­ści rurki nie­o­sło­niętej, pod­czas gdy w przy­padku dru­giego modelu żaden wzrost poziomu barw­nika nie może być zau­wa­żony (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Układ doświad­czalny po kilku godzi­nach od doda­nia barw­nika

Wyniki doświad­cze­nia jesz­cze łatwiej prze­śle­dzić po wyciągnięciu obu modeli z roz­tworu barw­nika. Można wtedy zau­wa­żyć, że w przy­padku rurki osło­niętej barw­nik dotarł jedy­nie do miej­sca w rurce odpo­wia­da­jącego pozio­mowi cie­czy w naczy­niu, pod­czas gdy w rurce nie­o­sło­niętej prze­był wraz z wodą całą jej dłu­gość (Fot.8). Po pew­nym cza­sie roz­ple­cione końce także zosta­łyby zabar­wione.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Różn­ice w zabar­wie­niu obu modeli

Zaob­ser­wo­wane efekty upraw­niają nas do stwier­dze­nia, że w jed­nym z modeli woda wypa­ro­wu­jąca z roz­ple­cio­nych frag­men­tów sznurka była zastępo­wana przez roz­twór barw­nika wędru­jący w górę rurki. Wyma­gało to wyko­na­nia pracy prze­ciwko sile gra­wi­ta­cji. Praca wymaga jed­nak wydatku ener­gii. Co więc napędzało obser­wo­wany pro­ces?

Wyja­śnie­nie

Przy­pom­nijmy sobie na czym pole­gają zja­wi­ska kapi­larne występu­jące wyraźnie w naczy­niach o małej śred­nicy, np. cien­kich rur­kach nazy­wa­nych też kapi­la­rami (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Szklana kapi­lara o śred­nicy wew­nętrz­nej wyno­szącej około 0,25mm

Wspom­niane zja­wi­ska obja­wiają się m.in. samo­czyn­nym pod­no­sze­niem się poziomu cie­czy w kapi­la­rze (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Widoczne pod­nie­sie­nie się poziomu płynu w kapi­la­rze zanu­rzo­nej jed­nym końcem w roz­two­rze barw­nika

Zja­wi­ska kapi­larne nie występują oczy­wi­ście jedy­nie w cien­kich rur­kach, ale także we wszel­kich poro­wa­tych mate­ria­łach, jak i nasiąkli­wych włók­nach natu­ral­nych i sztucz­nych.

Feno­men ten mogli­śmy obser­wo­wać w zbu­do­wa­nym przez nas modelu rośliny. W tym przy­padku dzięki zja­wi­skom kapi­lar­nym zacho­dzącym na cien­kich włók­nach natu­ral­nych umiesz­czo­nych w rurce woda mogła pod­siąkać na wyso­kość więk­szą niż wska­zy­wałby to poziom wody w naczy­niu. Wyso­kość ta nie była jed­nak na tyle duża, by ciecz mogła poko­nać całą drogę wzwyż. Z tego wła­śnie powodu musie­li­śmy wstęp­nie nawil­żyć całe włókna.

Włókna w gór­nej czę­ści rurki są odkryte, więc woda jest z nich stale usu­wana poprzez paro­wa­nie (w przy­padku rurki nie­o­sło­niętej). W takim przy­padku woda, ewen­tu­al­nie wraz z roz­pusz­czo­nymi w niej sub­stan­cjami, będzie musiała prze­pły­wać z pomocą efektu kapi­lar­nego w kie­runku lokal­nego spadku zawar­to­ści wody z rejo­nów bar­dziej nawil­żo­nych. Tak więc obser­wo­wany prze­pływ wody prze­ciwko sile gra­wi­ta­cji jest napędzany przez paro­wa­nie cie­czy z gór­nych, wol­nych końców włókien.

Zau­ważmy, że na dłu­go­ści całego modelu ist­nieje pewien gra­dient, który można zde­fi­nio­wać poprzez pojęcie tzw. poten­cjału wody Ψ. Jest to molarna ental­pia swo­bodna cząste­czek wody w ukła­dzie. War­tość poten­cjału wody wyraża się w  J/m3 lub Pa. Dla wody nie­za­wie­ra­jącej domie­szek pod ciśnie­niem 0,1 MPa oraz w komór­kach zacho­wu­jących tur­gor poten­cjał ten wynosi zero (Ψ=0).

Pod­nie­sie­nie ciśnie­nia zwięk­sza war­tość poten­cjału, zaś obec­ność domie­szek obniża go [5]. Prze­pływ zaw­sze następuje w kie­runku od poten­cjału wyższego do niższego, co mogli­śmy zaob­ser­wo­wać w doświad­cze­niu.

Taką inter­pre­ta­cję potwier­dza też fakt, że w przy­padku zasło­nięcia folią z mate­riału nie­prze­pusz­cza­jącego wody, a tym samym unie­możl­i­wie­nia paro­wa­nia nie zau­wa­ży­li­śmy wyraźn­ego prze­pływu cie­czy.

Jak się już Sza­nowny Czy­tel­nik pew­nie domy­śla, mecha­ni­zmy sto­so­wane przez rośliny opie­rają się na podob­nej zasa­dzie.

Myślę, że należy w tym miej­scu przy­pom­nieć, że drewno ina­czej nazy­wane ksy­le­mem jest zło­żoną tkanką występu­jącą u roślin naczy­nio­wych (Fot.11). Jej główną funk­cją jest roz­pro­wa­dza­nie po całej rośli­nie pobie­ra­nej przez korzeń wody i roz­pusz­czo­nych w niej soli mine­ral­nych. Duża część komórek wcho­dzących w skład drewna ma zdrew­niałe ścianki, przez co drewno pełni rów­nież funk­cję mecha­niczną [6]. U roślin nago­na­sien­nych w skład drewna wcho­dzą cewki, zaś u okry­to­na­sien­nych naczy­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11– Prze­krój poprzeczny przez łodygę bawełny Gos­sy­pium, strzałka wska­zuje ele­menty drewna (człony naczyń)

Po pobra­niu przez komórki wło­śni­kowe korze­nia woda prze­nika w poprzek korze­nia do walca osio­wego. Tran­s­port na tym odcinku odbywa się głów­nie poprzez apo­plast, tj. w poro­wa­tej struk­tu­rze ścian komór­ko­wych oraz przez prze­stwory między­ko­mór­kowe. Woda prze­miesz­cza się też drogą sym­pla­styczną - przez pro­to­pla­sty komórek i pla­zmo­de­smy. Z rejonu walca osio­wego woda jest tran­s­por­to­wana dalej poprzez ele­menty drewna.

Roz­pro­wa­dzana w rośli­nie woda tra­fia w końcu do liści, poprzez które jest odpa­ro­wy­wana, głów­nie poprzez apa­raty szpar­kowe (roślina ma więc zdol­ność regu­la­cji inten­syw­no­ści paro­wa­nia). Pro­ces ten nazywa się tran­s­pi­ra­cją. Dzięki niej w tkan­kach liści docho­dzi do obni­że­nia ciśnie­nia, a więc i poten­cjału wody w sto­sunku do pozo­sta­łych czę­ści orga­ni­zmu rośliny. Umożl­i­wia to tran­s­port wody w naczy­niach prze­ciwko sile gra­wi­ta­cji.

War­to­ści poten­cja­łów wody ksz­tałt­ują się następu­jąco:

Jak widzimy, tran­s­port wody z gleby do atmos­fery poprzez roślinę rze­czy­wi­ście odbywa się zgod­nie z gra­dien­tem jej poten­cjału.

Tran­s­port wody w rośli­nie polega na współdzia­ła­niu par­cia korze­nio­wego i siły ssącej liści pow­sta­łej dzięki tran­s­pi­ra­cji. Wiemy już, że pierw­szy pro­ces wymaga od rośliny nakła­dów ener­gii i jest pro­ce­sem aktyw­nym. Drugi zaś można nazwać bier­nym, ponie­waż paro­wa­nie odbywa się bez wydatku ener­gii orga­ni­zmu. W pew­nym sytu­a­cjach par­cie korze­niowe może mieć jed­nak zna­cze­nie decy­du­jące – dzieje się tak na przy­kład na wio­snę, kiedy rośliny nie posia­dają jesz­cze wyksz­tałc­o­nych liści, lub przy dużej wil­got­no­ści powie­trza, kiedy paro­wa­nie jest ogra­ni­czone.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa