Вода в жизни растений играет огромную роль, она является составной частью каждого растения, каждого его органа. Процентное содержание воды в растительном организме:

• в протоплазме содержится около 80% воды,
• в клеточном соке - 96-98% воды,
• в оболочках растительных клеток до 50% воды.
• в листьях содержание воды достигает 80-90%.

Большой процент воды содержится в сочных плодах:

• в - до 98%,
• в - 94%,
• в - 92%,
• в - 77%.

Сочные плоды содержат большой процент воды.

Вода - основной растворитель

Высокое содержание воды в тканях растения необходимо для активной синтетической деятельности. Вода - основной растворитель , и при ее участии осуществляется поступление в растение растворенных в воде питательных веществ через корни и передвижение их из одних клеток в другие.

Вода во взаимодействии растений с окружающей средой

Благодаря воде осуществляется взаимодействие растения с окружающей средой . В процессе фотосинтеза вода принимает непосредственное участие в образовании углеводов . Из 1000 частей воды, проходящих через растение, только 2-3 части используются в процессе фотосинтеза на образование углеводов, а 997-998 частей воды проходит через растение для поддержания его тканей в состоянии насыщения и для компенсации испаряющейся воды. Большая листовая поверхность растений приводит к трате огромного количества воды: за один час растения расходуют до 80-90% содержащейся в них воды. От количества воды в замыкающих клетках устьиц зависит степень их открытия; при большом ее содержании устьица открыты, и через них поступает углекислый газ в растение.

Расход воды растениями

Различные растения содержат неодинаковое количество воды , оно изменяется как в течение суток, так и в течение вегетационного периода. К концу вегетации содержание воды уменьшается.
Расход воды растениями. Из высших растений обезвоживание выдерживают очень немногие представители пустынной флоры, (подробнее: ) тогда как сухие семена, некоторые и лишайники могут сохранять жизнеспособность и при малом содержании воды. В различных условиях произрастания потребность растения в воде неодинакова. В сухом и жарком климате растения за вегетационный период расходуют воды в 2-3 раза больше, чем в умеренном климате.

Состояние воды в растениях

Вода в растениях бывает в двух состояниях - в свободном и связанном . Связанной водой считают воду, которая удерживается гидрофильными коллоидами протоплазмы и активными веществами. Связанная вода теряет свойства растворителя и не принимает активного участия в превращении и передвижении веществ по растению. Роль связанной воды заключается в том, что она препятствует слипанию мицелл между собой и придает структурную устойчивость гидрофильным коллоидам протоплазмы. Количество связанной воды в растении непостоянно, в молодых растениях больше связанной воды, чем в старых. Свободная вода в растении - среда, в, которой протекают все процессы его жизнедеятельности. Большое количество свободной воды испаряется растением. Подобное разделение воды на свободную и связанную условно, так как вся имеющаяся в клетках вода связана с веществами, входящими в состав протоплазмы, клеточного сока и оболочки. Эти формы воды различаются лишь по характеру и прочности связей. Биологи провели ряд опытов с тяжелой водой , содержащей О 18 . У молодых растений фасоли, погруженных корнями в тяжелую воду, происходила быстрая смена части воды тканей на воду, содержащую О 18 .
Куст растения фасоли в цветении. В тканях листьев и корней, имеющих быстрый обмен веществ, равновесие с внешним раствором наступало уже через 15-20 минут, при этом обменивалось немного более половины воды. Вода в стебле заменялась на 90%. При увядании листьев быстрее всего терял воду клеточный сок, вода цитоплазмы удерживалась значительно сильнее, меньше всего терялась вода, входящая в состав органоидов. На основании этих опытов были сделаны выводы, что в растении имеется трудно и легко обмениваемая вода .

Содержание воды в различных органах растений колеблется в довольно широких пределах. Оно изменяется в зависимости от условий внешней среды, возраста и вида растений. Так, содержание воды в листьях салата составляет 93-95%, кукурузы - 75-77%. Количество воды неодинаково в разных органах растений: в листьях подсолнечника воды содержится 80-83%, в стеблях - 87-89%, в корнях - 73-75%. Содержание воды, равное 6-11%, характерно главным образом для воздушно-сухих семян, в которых процессы жизнедеятельности заторможены.

Вода содержится в живых клетках, в мертвых элементах ксилемы и в межклетниках. В межклетниках вода находится в парообразном состоянии. Основными испаряющими органами растения являются листья. В связи с этим естественно, что наибольшее количество воды заполняет межклетники листьев. В жидком состоянии вода находится в различных частях клетки: клеточной оболочке, вакуоли, протоплазме. Вакуоли - наиболее богатая водой часть клетки, где содержание ее достигает 98%. При наибольшей оводненности содержание воды в протоплазме составляет 95%. Наименьшее содержание воды характерно для клеточных оболочек. Количественное определение содержания воды в клеточных оболочках затруднено; по-видимому, оно колеблется от 30 до 50%.

Формы воды в разных частях растительной клетки также различны. В вакуолярном клеточном соке преобладает вода, удерживаемая сравнительно низкомолекулярными соединениями (осмотически-связанная) и свободная вода. В оболочке растительной клетки вода связана главным образом высокополимерными соединениями (целлюлозой, гемицеллюлозой, пектиновыми веществами), т. е. коллоидно-связанная вода. В самой цитоплазме имеется вода свободная, коллоидно- и осмотически-связанная. Вода, находящаяся на расстоянии до 1 нм от поверхности белковой молекулы, связана прочно и не имеет правильной гексагональной структуры (коллоидно-связанная вода). Кроме того, в протоплазме имеется определенное количество ионов, а следовательно, часть воды осмотически связана.

Физиологическое значение свободной и связанной воды различно. Большинство исследователей полагает, что интенсивность физиологических процессов, в том числе и темпов роста, зависит в первую очередь от содержания свободной воды. Имеется прямая корреляция между содержанием связанной воды и устойчивостью растений против неблагоприятных внешних условий. Указанные физиологические корреляции наблюдаются не всегда.

Растительная клетка поглощает воду по законам осмоса. Осмос наблюдается при наличии двух систем с различной концентрацией веществ, когда они сообщаются с помощью полупроницаемой мембраны. В этом случае по законам термодинамики выравнивание концентраций происходит за счет вещества, для которого мембрана проницаема.

При рассмотрении двух систем с различной концентрацией осмотически активных веществ следует, что выравнивание концентраций в системе 1 и 2 возможно только за счет перемещение воды. В системе 1 концентрация воды выше, поэтому поток воды направлен от системы 1 к системе 2. По достижении равновесия реальный поток будет равен нулю.

Растительную клетку можно рассматривать как осмотическую систему. Клеточная стенка, окружающая клетку, обладает определенной эластичностью и может растягиваться. В вакуоли накапливаются растворимые в воде вещества (сахара, органические кислоты, соли), которые обладают осмотической активностью. Тонопласт и плазмалемма выполняют в данной системе функцию полупроницаемой мембраны, поскольку эти структуры избирательно проницаемы, и вода проходит через них значительно легче, чем вещества, растворенные в клеточном соке и цитоплазме. В связи с этим, если клетка попадает в окружающую среду, где концентрация осмотически активных веществ будет меньше по сравнению с концентрацией внутри клетки (или клетка помещена в воду), вода по законам осмоса должна поступать внутрь клетки.

Возможность молекул воды перемещаться из одного места в другое измеряется водным потенциалом (Ψв). По законам термодинамики вода всегда движется из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким потенциалом.

Водный потенциал (Ψ в) – показатель термодинамического состояния воды. Молекулы воды обладают кинетической энергией, в жидкости и водяном паре они беспорядочно движутся. Водный потенциал больше в той системе, где выше концентрация молекул и больше их общая кинетическая энергия. Максимальным водным потенциалом обладает чистая (дистиллированная) вода. Водный потенциал такой системы условно принят за нуль.

Единицей измерения водного потенциала являются единицы давления: атмосферы, паскали, бары:

1 Па = 1 Н/м 2 (Н- ньютон) ; 1 бар=0,987 атм =10 5 Па=100 кПА;

1 атм =1,0132 бар; 1000 кПа = 1 МПа

При растворении в воде другого вещества, понижается концентрация воды, уменьшается кинетическая энергия молекул воды, снижается водный потенциал. Во всех растворах водный потенциал ниже, чем у чистый воды, т.е. в стандартных условиях он выражается отрицательной величиной. Количественно это понижение выражают величиной, которая называется осмотическим потенциалом (Ψ осм.). Осмотический потенциал – это мера снижения водного потенциала за счет присутствия растворенных веществ. Чем больше в растворе молекул растворенного вещества, тем осмотический потенциал ниже.

При поступлении воды в клетку ее размеры увеличиваются, внутри клетки повышается гидростатическое давление, которое заставляет плазмалемму прижиматься к клеточной стенке. Клеточная оболочка, в свою очередь, оказывает противодавление, которое характеризуется потенциалом давления (Ψ давл.) или гидростатическим потенциалом, он обычно положителен и тем больше, чем больше воды в клетке.

Таким образом, водный потенциал клетки зависит от концентрации осмотически действующих веществ – осмотического потенциала (Ψ осм.) и от потенциала давления (Ψ давл.).

При условии, когда вода не давит на клеточную оболочку (состояние плазмолиза или увядания), противодавление клеточной оболочки равно нулю, водный потенциал равен осмотическому:

Ψ в. = Ψ осм.

По мере поступления воды в клетку появляется противодавление клеточной оболочки, водный потенциал будет равен разности между осмотическим потенциалом и потенциалом давления:

Ψ в. = Ψ осм. + Ψ давл.

Разница между осмотическим потенциалом клеточного сока и противодавлением клеточной оболочки определяет поступление воды в каждый данный момент.

При условии, когда клеточная оболочка растягивается до предела, осмотический потенциал целиком уравновешивается противодавлением клеточной оболочки, водный потенциал становиться равным нулю, вода в клетку перестает поступать:

- Ψ осм. = Ψ давл. , Ψ в. = 0

Вода всегда поступает в сторону более отрицательного водного потенциала: от той системы, где энергия больше, к той системе, где энергия меньше.

Вода в клетку может поступать также за счет сил набухания. Белки и другие вещества, входящие в состав клетки, имея положительно и отрицательно заряженные группы, притягивают диполи воды. К набуханию способны клеточная стенка, имеющая в своем составе гемицеллюлозы и пектиновые вещества, цитоплазма, в которой высокомолекулярные полярные соединения составляют около 80% сухой массы. Вода проникает в набухающую структуру путем диффузии, движение воды идет по градиенту концентрации. Силу набухания обозначают термином матричный потенциал (Ψ матр.). Он зависит от наличия высокомолекулярных компонентов клетки. Матричный потенциал всегда отрицательный. Большое значение Ψ матр. имеет при поглощении воды структурами, в которых отсутствуют вакуоли (семенами, клетками меристем).



Химический состав и питание растений

Химический состав растений и качество урожая

Роль отдельных элементов в жизни растений. Вынос питательных веществ с урожаем сельскохозяйственных культур

В состав растений входит вода и так называемое сухое вещество, представленное органическими и минеральными соединениями. Соотношение между количеством воды и сухого вещества в растениях, их органах и тканях изменяется в широких пределах. Так, содержание сухого вещества в плодах огурцов, бахчевых культур может составлять до 5% общей их массы, в кочанах капусты, корнях редиса и турнепса - 7-10, корнеплодах столовой свеклы, моркови и луковицах лука - 10-15, в вегетативных органах большинства полевых культур - 15-25, корнеплодах сахарной свеклы и клубнях картофеля - 20-25, в зерне хлебных злаков и бобовых культур - 85-90, семенах масличных культур - 90-95%.

Вода

В тканях растущих вегетативных органов растений содержание воды колеблется от 70 до 95%, а в запасающих тканях семян и в клетках механических тканей - от 5 до 15%. По мере старения растений общий запас и относительное содержание воды в тканях, особенно репродуктивных органов, снижается.

Функции воды в растениях обусловлены присущими ей физическими и химическими свойствами. Она обладает высокой удельной теплоемкостью и благодаря способности испаряться при любой температуре предохраняет растения от перегрева. Вода - прекрасный растворитель для многих соединений, в водной среде происходит электролитическая диссоциация этих соединений и усвоение растениями ионов, содержащих необходимые элементы минерального питания. Высокое поверхностное натяжение воды определяет ее роль в процессах поглощения и передвижения минеральных и органических соединений. Полярные свойства и структурная упорядоченность молекул воды обусловливают гидратацию ионов и молекул низко- и высокомолекулярных соединений в клетках растений.

Вода является не просто наполнителем растительных клеток, но и неотделимой частью их структуры. Оводненность клеток тканей растений обусловливает их тургор (давление жидкости внутри клетки на ее оболочку), является важным фактором интенсивности и направленности разнообразных физиологических и биохимических процессов. При непосредственном участии воды происходит огромное число биохимических реакций синтеза и распада органических соединений в растительных организмах. Особое значение вода имеет в энергетических преобразованиях в растениях, прежде всего в аккумуляции солнечной энергии в виде химических соединений при фотосинтезе. Вода обладает способностью пропускать лучи видимой и близкой к ней ультрафиолетовой части света, необходимой для фотосинтеза, но задерживает определенную часть инфракрасной тепловой радиации.

Сухое вещество

Сухое вещество растений на 90-95% представлено органическими соединениями - белками и другими азотистыми веществами, углеводами (сахарами, крахмалом, клетчаткой, пектиновыми веществами), жирами, содержание которых определяет качество урожая (табл. 1).

Сбор сухого вещества с товарной частью урожая основных сельскохозяйственных культур может колебаться в очень широких пределах - от 15 до 100 ц и более с 1 га.

Белки и другие азотистые соединения.

Белки - основа жизни организмов - играют решающую роль во всех процессах обмена веществ. Белки выполняют структурные и каталитические функции, являются также одним из основных запасных веществ растений. Содержание белков в вегетативных органах растений обычно составляет 5-20% их массы, в семенах хлебных злаков - 6-20%, а в семенах бобовых и масличных культур - 20-35%.

Белки имеют следующий довольно стабильный элементарный состав (в %): углерод - 51-55, кислород - 21-24, азот - 15-18, водород - 6,5-7, сера - 0,3-1,5.

Растительные белки построены из 20 аминокислот и двух амидов. Особое значение имеет содержание в белках растений так называемых незаменимых аминокислот (валина, лейцина и изолейцина, треонина, метионина, гистидина, лизина, триптофана и фенилаланина), которые не могут синтезироваться в организме человека и животных. Эти аминокислоты люди и животные получают только с растительными пищевыми продуктами и кормами.

Таблица №1.
Средний химический состав урожая сельскохозяйственных растений, в % (по Б. П. Плешкову)

Культура	Вода	Белки	Сырой протеин	Жиры	Др. углеводы	Клетчатка	Зола
Пшеница (зерно)	12	14	16	2,0	65	2,5	1,8
Рожь (зерно)	14	12	13	2,0	68	2,3	1,6
Овес (зерно)	13	11	12	4,2	55	10,0	3,5
Ячмень(зерно)	13	9	10	2,2	65	5,5	3,0
Рис (зерно)	11	7	8	0,8	78	0,6	0,5
Кукуруза (зерно)	15	9	10	4,7	66	2,0	1,5
Гречиха (зерно)	13	9	11	2,8	62	8,8	2,0
Горох (зерно)	13	20	23	1,5	53	5,4	2,5
Фасоль (зерно)	13	18	20	1,2	58	4,0	3,0
Соя (зерно)	11	29	34	16,0	27	7,0	3,5
Подсолнечник (ядра)	8	22	25	50	7	5,0	3,5
Лен (семена)	8	23	26	35	16	8,0	4,0
Картофель (клубни)	78	1,3	2,0	0,1	17	0,8	1,0
Сахарная свекла (корни)	75	1,0	1,6	0,2	19	1,4	0,8
Кормовая свекла (корни)	87	0,8	1,5	0,1	9	0,9	0,9
Морковь (корни)	86	0,7	1,3	0,2	9	1,1	0,9
Лук репчатый	85	2,5	3,0	0,1	8	0,8	0,7
Клевер (зеленая масса)	75	3,0	3,6	0,8	10	6,0	3,0
Ежа сборная (зеленая масса)	70	2,1	3,0	1,2	10	10,5	2,9
*Сырой протеин включает белки и небелковые азотистые вещества

Белки различных сельскохозяйственных культур неравноценны по аминокислотному составу, растворимости и переваримости. Поэтому качество растениеводческой продукции оценивается не только по содержанию, но и по усвояемости, полноценности белков на основе изучения их фракционного и аминокислотного состава.

В составе белков находится подавляющая доля азота семян (не менее 90% общего количества в них азота) и вегетативных органов большинства растений (75-90%). В тоже время в клубнях картофеля, корнеплодах и листовых овощах до половины общего количества азота приходится на долю азотистых небелковых соединений. Они представлены в растениях минеральными соединениями (нитраты, аммоний) и органическими (среди которых преобладают свободные аминокислоты и амиды, хорошо усваиваемые в организмах животных и человека). Небольшая часть небелковых органических соединений в растениях представлена пептидами (построенными из ограниченного количества остатков аминокислот и поэтому в отличие от белков имеющими низкую молекулярную массу), а также пуриновыми и пиримидиновыми основаниями (входящими в состав нуклеиновых кислот).

Для оценки качества растениеводческой продукции часто пользуются показателем «сырой протеин», которым выражают сумму всех азотистых соединений (белка и небелковых соединений). Рассчитывают «сырой протеин» путем умножения процентного содержания общего азота в растениях на коэффициент 6,25 (получаемый исходя из среднего (16%) содержания азота в составе белка и небелковых соединений).

Качество зерна пшеницы оценивается по содержанию сырой клейковины, количество и свойства которой определяют хлебопекарные свойства муки. Сырая клейковина - это белковый сгусток, остающийся при отмывании водой теста, замешанного из муки. Сырая клейковина содержит примерно 2/3 воды и 1/3 сухих веществ, представленных прежде всего труднорастворимыми (спирто- и щелочерастворимыми) белками. Клейковина обладает эластичностью, упругостью и связанностью, от которых зависит качество выпекаемых из муки изделий. Между содержанием «сырого протеина» в зерне пшеницы и «сырой клейковины» существует определенная коррелятивная зависимость. Количество сырой клейковины можно рассчитать путем умножения процентного содержания сырого протеина в зерне на коэффициент 2,12.

Углеводы

Углеводы в растениях представлены сахарами (моносахарами и олигосахаридами, содержащими 2-3 остатка моносахаров) и полисахаридами (крахмалом, клетчаткой, пектиновыми веществами).

Сладкий вкус многих плодов и ягод связан с содержанием в них глюкозы и фруктозы. Глюкоза в значительных количествах (8-15%) содержится в ягодах винограда, откуда и получила название «виноградный сахар», и составляет до половины общего количества сахаров в плодах и ягодах. Фруктоза, или «плодовый сахар», накапливается в больших количествах в косточковых плодах (6-10%) и содержится в меде. Она слаще глюкозы и сахарозы. В корнеплодах доля моносахаридов среди Сахаров невелика (до 1% общего их содержания).

Сахароза - дисахарид, построенный из глюкозы и фруктозы. Сахароза является основным запасным углеводом в корнях сахарной свеклы (14-22%) и в соке стеблей сахарного тростника (11-25%). Целью выращивания этих растений и является получение сырья для производства сахара, используемого в питании людей. В небольших количествах находится во всех растениях, более высоким ее содержанием (4-8%) отличаются плоды и ягоды, а также морковь, столовая свекла и лук.

Крахмал в небольших количествах содержится во всех зеленых органах растений, но в качестве основного запасного углевода накапливается в клубнях, луковицах и семенах. В клубнях картофеля ранних сортов содержание крахмала 10-14%, средне- и позднеспелых - 16-22%. В расчете на сухую массу клубней это составляет 70-80%. Примерно такое же относительное содержание крахмала в семенах риса и пивоваренного ячменя. В зерне других хлебных злаков крахмала обычно 55-70%. Между содержанием белка и крахмала в растениях существует обратная зависимость. В богатых белками семенах зернобобовых культур крахмала меньше, чем в семенах злаков; еще меньше крахмала в семенах масличных культур.

Крахмал - легко усвояемый организмом людей и животных углевод. При ферментативном (под действием ферментов амилаз) и кислотном гидролизе распадается до глюкозы.

Клетчатка, или целлюлоза - основной компонент клеточных стенок (в растениях она связана с лигнином, пектиновыми веществами и другими соединениями). Волокно хлопчатника на 95-98%, лубяные волокна льна, конопли, джута на 80-90% представлены клетчаткой. В семенах пленчатых злаков (овса, риса, проса) клетчатки содержится 10-15%, а в не имеющих пленок семенах хлебных злаков - 2-3%, в семенах зернобобовых культур - 3-5%, в корнеплодах и клубнях картофеля - около 1 %. В вегетативных органах растений содержание клетчатки составляет от 25 до 40% на сухую массу.

Клетчатка - высокомолекулярный полисахарид из неразветвленной цепи глюкозных остатков. Ее усвояемость значительно хуже, чем крахмала, хотя при полном гидролизе клетчатки образуется также глюкоза.

Пектиновые вещества - высокомолекулярные полисахариды, содержащиеся в плодах, корнеплодах и растительных волокнах. В волокнистых растениях они скрепляют между собой отдельные пучки волокон. Свойство пектиновых веществ в присутствии кислот и сахаров образовывать желе или студни используется в кондитерской промышленности. В основе строения этих полисахаридов лежит цепь из остатков полигалактуроновой кислоты с метильными группировками.

Жиры и жироподобные вещества (липиды) являются структурными компонентами цитоплазмы растительных клеток, а у масличных культур выполняют роль запасных соединений. Количество структурных липидов обычно небольшое - 0,5-1% сырой массы растений, но они выполняют в растительных клетках важные функции, в том числе по регуляции проницаемости мембран. Семена масличных культур и сои используют для получения растительных жиров, называемых маслами.

По химическому строению жиры - смесь сложных эфиров трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот. В растительных жирах ненасыщенные кислоты представлены олеиновой, линолевой и линоленовой кислотами, а насыщенные - пальмитиновой и стеариновой кислотами. Состав жирных кислот в растительных маслах определяет их свойства - консистенцию, температуру плавления и способность к высыханию, прогорканию, омылению, а также их пищевую ценность. Линолевая и линоленовая жирные кислоты содержатся только в растительных маслах и являются «незаменимыми» для человека, так как не могут синтезироваться в его организме. Жиры являются наиболее энергетически выгодными запасными веществами - при их окислении выделяется на единицу массы в два раза больше энергии, чем углеводов и белков.

К липидам относятся также фосфатиды, воски, каротиноиды, стеарины и жирорастворимые витамины A, D, E и K.

В зависимости от вида и характера использования продукции ценность отдельных органических соединений может быть различной. В зерне злаков основными веществами, определяющими качество продукции, являются белки и крахмал. Большим содержанием белка среди зерновых культур отличается пшеница, а крахмала - рис и пивоваренный ячмень. При использовании ячменя для пивоваренного производства накопление белка ухудшает качество сырья. Нежелательно также накопление белка и небелковых азотистых соединений в корнях сахарной свеклы, используемых для производства сахара. Зернобобовые культуры и бобовые травы отличаются повышенным содержанием белков и меньшим - углеводов, качество их урожая зависит прежде всего от размеров накопления белка. Качество клубней картофеля оценивается по содержанию крахмала. Цель возделывания льна, конопли и хлопчатника - получение волокна, состоящего из клетчатки. Повышенное количество клетчатки в зеленой массе и сене однолетних и многолетних трав ухудшает их кормовые достоинства. Масличные культуры выращиваются для получения жиров - растительных масел, используемых как для пищевых, так и промышленных целей. Качество продукции сельскохозяйственных культур может зависеть и от наличия других органических соединений - витаминов, алкалоидов, органических кислот и пектиновых веществ, эфирных и горчичных масел.

Условия питания растений имеют важное значение для повышения валового сбора наиболее ценной части урожая и улучшения его качества. Например, усиление азотного питания увеличивает относительное содержание в растениях белка, а повышение уровня фосфорно-калийного питания обеспечивает большее накопление углеводов - сахарозы в корнях сахарной свеклы, крахмала в клубнях картофеля. Созданием соответствующих условий питания с помощью удобрений можно повысить накопление наиболее ценных в хозяйственном отношении органических соединений в составе сухого вещества растений.

Элементарный состав растений

Сухое вещество растений имеет в среднем следующий элементарный состав (в весовых процентах); углерод - 45, кислород - 42, водород -6,5, азот и зольные элементы - 6,5. Всего в растениях обнаружено более 70 элементов. На современном уровне развития научных данных около 20 элементов (в том числе углерод, кислород, водород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера, железо, бор, медь, марганец, цинк, молибден, ванадий, кобальт и йод) считаются, безусловно, необходимыми для растений. Без них невозможны нормальный ход жизненных процессов и завершение полного цикла развития растений. В отношении еще более 10 элементов (в том числе кремния, алюминия, фтора, лития, серебра и др.) имеются сведения об их положительном действии на рост и развитие растений; эти элементы считаются условно необходимыми. Очевидно, что по мере совершенствования методов анализа и биологических исследований общее число элементов в составе растений и список необходимых элементов будут расширены.

Углеводы, жиры и прочие безазотистые органические соединения построены из трех элементов - углерода, кислорода и водорода, а в состав белков и других азотистых органических соединений входит еще и азот. Эти четыре элемента - С, О, Н и N получили название органогенных, на их долю в среднем приходится около 95% сухого вещества растений.

При сжигании растительного материала органогенные элементы улетучиваются в виде газообразных соединений и паров воды, а в золе остаются преимущественно в виде окислов многочисленные «зольные» элементы, на долю которых приходится в среднем всего около 5% массы сухого вещества.

Азот и такие зольные элементы, как фосфор, сера, калий, кальций, магний, натрий, хлор и железо, содержатся в растениях в относительно больших количествах (от нескольких процентов до сотых долей процента сухого вещества) и называются макроэлементами.

Количественные различия в содержании макро- и микроэлементов в составе сухого вещества растений показаны в таблице 2.

Относительное содержание азота и зольных элементов в растениях и их органах может колебаться в широких пределах и определяется биологическими особенностями культуры, возрастом и условиями питания. Количество азота в растениях тесно коррелирует с содержанием белка, а его всегда больше в семенах и молодых листьях, чем в соломе созревших культур. В ботве содержание азота больше, чем в клубнях и корнеплодах. В товарной части урожая основных сельскохозяйственных культур на долю золы приходится от 2 до 5% массы сухого вещества, в молодых листьях и соломе зерновых, ботве корне- и клубнеплодов 6-14%. Наиболее высоким содержанием золы (до 20% и более) отличаются листовые овощи (салат, шпинат).

Состав зольных элементов у растений также имеет существенные различия (табл. 3). В золе семян зерновых и бобовых культур сумма оксидов фосфора, калия и магния составляет до 90%, а среди них преобладает фосфор (30-50% массы золы). Доля фосфора в золе листьев и соломы значительно меньше, и в ее составе преобладают калий и кальций. Зола клубней картофеля, корней сахарной свеклы и других корнеплодов представлена преимущественно оксиданом калия (40-60% массы золы). В золе корнеплодов содержится значительное количество натрия, а в соломе злаков - кремния. Более высоким содержанием серы отличаются бобовые культуры и растения семейства капустные.

Таблица №3.
Примерное содержание отдельных элементов в золе растений, в % ее массы

Культура	P 2 O 5	K 2 O	СаО	MgO	SO 4	Na 2 O	SiO 2
Пшеница
зерно	48	30	3	12	5	2	2
солома	10	30	20	6	3	3	20
Горох
зерно	30	40	5	6	10	1	1
солома	8	25	35	8	6	2	10
Картофель
клубни	16	60	3	5	6	2	2
ботва	8	30	30	12	8	3	2
Сахарная свекла
корни	15	40	10	10	6	10	2
ботва	8	30	15	12	5	25	2
Подсолнечник
семена	40	25	7	12	3	3	3
стебли	3	50	15	7	3	2	6

В состав растений в относительно больших количествах входят кремний, натрий и хлор, а также значительное число так называемых ультрамикроэлементов, содержание которых исключительно мало - от 10 -6 до 10 -8 %. Физиологические функции и абсолютная необходимость этих элементов для растительных организмов еще не окончательно установлены.

В книге рассказывается о воде и ее значении в жизни Земли. Отмечая влияние хозяйственной деятельности человека на состояние водных ресурсов планеты, авторы затрагивают актуальные вопросы их охраны и комплексного использования. В частности, они останавливаются на научной разработке бессточной технологии и современных методов очистки сточных вод, защите Мирового океана от загрязнения и других аспектах проблемы «чистая вода».

Книга:

Вода в живом организме

<<< Назад

Вперед >>>

Вода в живом организме

На долю воды приходится основная часть массы любого живого существа на Земле. У взрослого человека вода составляет больше половины массы тела. Именно у взрослого человека, потому что в разные периоды жизни содержание воды в организме изменяется. У эмбриона оно достигает 97 %; сразу после рождения общее количество воды в организме быстро уменьшается - у новорожденного ее уже только 77 %. Дальше содержание воды продолжает постепенно снижаться, пока не станет в зрелом возрасте относительно постоянным. В среднем содержание воды в организме мужчин от 18 до 50 лет составляет 61 %, женщин - 54 % от массы тела. Разница эта связана с тем, что организм взрослых женщин содержит больше жира; при отложении жира вес тела увеличивается и доля воды в нем снижается (у людей, страдающих ожирением, содержание воды может уменьшиться до 40 % от массы тела). После 50 лет организм человека начинает «усыхать»: воды в нем становится меньше.

Больше всего воды - 70 % всей воды организма - находится внутри клеток, в составе клеточной протоплазмы. Остальное - это внеклеточная вода: часть ее (около 7 %) находится внутри кровеносных сосудов и образует плазму крови, а часть (около 23 %) омывает клетки - это так называемая межтканевая жидкость.

Еще в 1858 г. знаменитый французский физиолог Клод Бернар сформулировал принцип постоянства внутренней среды организма - нечто вроде закона сохранения массы - энергии для живых существ. Этот принцип гласит: поступление в организм различных веществ должно быть равно их выделению. Ясно, что и потребление воды должно быть равным расходу. Как же человек расходует воду?

Водные потери организма учесть довольно трудно, потому что немалая часть их приходится на долю так называемых неощутимых потерь. Например, вода в виде паров содержится во выдыхаемом воздухе - это примерно 400 мл/сут. Около 600 мл/сут ее испаряется с поверхности кожи. Немного воды выделяют слезные железы (и не только тогда, когда мы плачем: выделяемая ими жидкость постоянно омывает глазное яблоко); вода теряется также с капельками слюны при разговоре, кашле и т. д. Остальные пути выделения воды легче поддаются учету: это 800-1300 мл в сутки, выделяемые с мочой, и около 200 мл - с испражнениями. Если суммировать все вышеуказанные цифры, то получается около 2–2,5 л; эта цифра, средняя, потому что расход воды может сильно колебаться в зависимости от внешних условий, индивидуальных особенностей обмена или в результате его нарушений.

В соответствии с этим и суточная потребность организма взрослого человека в воде составляет в среднем около 2,5 л. Это, впрочем, вовсе не означает, что человек должен каждый день выпивать не меньше 10 стаканов воды: основная часть потребляемой нами воды содержится в пище. Часть воды образуется также непосредственно в организме в процессе жизнедеятельности - при распаде белков, жиров и углеводов (эндогенная вода). Например, при окислении 100 г жиров возникает 107 мл воды, 100 г углеводов - 55 мл. Следовательно, наиболее выгоден (в смысле получения эндогенной воды) жир. И не случайно значительные жировые отложения наблюдаются как раз У тех животных, которые приспособились длительное время обходиться без воды извне, вырабатывая ее в своем организме. В их числе крупное животное пустыни - верблюд. Резерв жира в его горбе при полном окислении позволяет получить около 40 л эндогенной воды, что составляет суточную потребность в ней животного. Разумеется, солидный запас жира не заменяет полностью верблюду питьевой воды. Жировыми отложениями - источником эндогенной воды, кроме верблюда, обладают в пустыне курдючные породы овец. Жир накапливается в хвостах некоторых тушканчиков, под кожей желтого и малого суслика, ежей и т. д. Исключительно эндогенной водой утоляют жажду австралийские мыши.

Ни один жизненный процесс в организме человека или животного не может совершаться без воды и ни одна клетка не в состоянии обойтись без водной среды. С участием воды протекают практически все функции организма. Так, испаряясь с поверхности кожи и дыхательных органов, вода принимает участие в процессах терморегуляции.

Процесс пищеварения - важнейшая функция организма. Процесс пищеварения в желудочно-кишечном тракте протекает только в водной среде. В этом процессе вода играет роль хорошего растворителя почти всех пищевых продуктов.

Выпитая вода прежде всего всасывается сквозь стенки желудка и кишечника в кровь и с ней равномерно распределяется по всему организму, переходя из крови в межтканевую жидкость, а затем и в клетки. Такой обмен воды происходит довольно интенсивно. Находясь в состоянии соединения с водой, пищевые продукты (белки, углеводы, жиры, минеральные соли) также легко всасываются в кровь и поступают во все органы и затем ткани организма.

Переход воды из крови в межтканевую жидкость целиком подчинен физическим законам. Работа сердца создает внутри сосудов гидростатическое давление, стремящееся вытолкнуть жидкость сквозь стенку сосуда. Этому противодействует осмотическое давление, которое создают растворенные в крови вещества. Точнее говоря, главную роль здесь играет не осмотическое давление, а только та малая его часть (примерно 1/220), которую образуют белки плазмы крови - это так называемое онкотическое давление. Дело в том, что и воду, и низкомолекулярные растворенные вещества, создающие основную часть осмотического давления, стенки капилляров пропускают свободно, но для белков они практически непроницаемы. И именно онкотическое давление, создаваемое белками, удерживает воду внутри капилляра.

В начальной, артериальной части капилляра гидростатическое давление велико - оно гораздо больше онкотического. Поэтому вода вместе с растворенными в ней низкомолекулярными веществами выжимается сквозь стенки капилляра в межклеточное пространство. В конечной, венозной части капилляра гидростатическое давление значительно меньше, потому что здесь капилляр расширяется. Онкотическое же давление, образованное белками, здесь, наоборот, повышается, поскольку часть воды уже покинула капилляр и объем плазмы уменьшился, а концентрация белков в ней возросла. Теперь онкотическое давление становится больше гидростатического, и здесь вода, несущая с собой продукты жизнедеятельности клеток, поступает из межклеточного пространства обратно в сосудистое русло.

Такова общая картина обмена воды между кровью и тканями. Правда, этот механизм применим не во всех случаях; с его помощью, например, нельзя объяснить обмен жидкости в печени. Гидростатическое давление в печеночных капиллярах недостаточно для того, чтобы вызвать переход жидкости из них в межтканевое пространство. Здесь играют роль уже не столько физические законы, сколько ферментативные процессы.

Из межтканевой жидкости вода попадает в клетки. Этот процесс также определяется не только законами осмоса, но и свойствами клеточной мембраны. Такая мембрана, кроме пассивной проницаемости, зависящей от концентрации того или иного вещества по разные ее стороны, обладает еще и свойством активно переносить определенные вещества даже против градиента концентрации, т. е. из более разбавленного раствора в менее разбавленный. Другими словами, мембрана действует как «биологический насос». Регулируя таким путем осмотическое давление, клеточная мембрана управляет и процессами перехода сквозь нее воды из межклеточного пространства внутрь клетки и обратно.

Главный путь выведения воды из организма - почки; через них проходит около половины воды, покидающей тело. Почки - один из наиболее энергично работающих органов, потребление энергии на единицу веса здесь больше, чем в любом другом. Из всего поглощаемого человеком кислорода не менее 8-10 % используется именно в почках, хотя их вес составляет всего 1/200 часть веса тела. Все это свидетельствует о важности тех процессов, которые в них происходят.

В сутки через почки проходит более 1000 л крови - это значит, что каждая капля крови за сутки побывает здесь не меньше двухсот раз. Здесь кровь очищается от ненужных продуктов обмена веществ , которые она приносит из всех органов и тканей растворенными в плазме, т. е. в конечном счете опять-таки в воде.

Когда кровь проходит через начальную, артериальную часть почечного капилляра, около 20 % ее благодаря высокому гидростатическому давлению (в почечных капиллярах оно вдвое выше, чем в обычных) выходит сквозь стенку капилляра в полость почечного клубочка - это так называемая первичная моча. При этом, как и во всех остальных капилярах организма, сквозь стенку почечного капилляра проходят все растворенные в плазме вещества, кроме белков. Среди них помимо отбросов, которые необходимо удалить из организма, есть и нужные вещества, выделение которых было бы бессмысленным расточительством. Этого организм позволить себе не может, и поэтому в почечном канальце, куда первичная моча попадает из почечного клубочка, производится тщательная сортировка. Питательные вещества, различные соли, другие соединения постоянно реабсорбируются - переходят сквозь стенки канальца обратно в кровь, в примыкающий к канальцу капилляр. Ведущую роль в этом процессе реабсорбции играют сложные ферментативные реакции.

Вместе с полезными веществами покидает первичную мочу и вода. В начальном отделе почечного канальца вода реабсорбируется пассивно: она переходит в кровь вслед за активно реабсорбируемым натрием, глюкозой и другими веществами, выравнивая возникающую разницу в осмотическом давлении.

В конечном же отделе почечного канальца, когда реабсорбция полезных веществ уже в основном закончена, возвращение воды в кровь регулируется иным механизмом и зависит только от того, насколько нужна организму сама эта вода. В стенках кровеносных сосудов разбросаны нервные рецепторы, которые очень тонко реагируют на изменение содержания воды в крови. Как только воды становится меньше, чем нужно, нервные импульсы от этих рецепторов поступают в гипофиз, где начинает выделяться гормон вазопрессин. Под влиянием его вырабатывается фермент гиалуронидаза. Фермент делает проницаемым для воды стенки почечных канальцев, разрушая водонепроницаемые полимерные комплексы, входящие в их состав, - как будто открывает кран для выхода воды сквозь стенку канальца. В результате вода, теперь уже следуя законам осмоса, переходит в кровь. Чем меньше воды в организме, тем больше выделяется вазопрессина, тем больше вырабатывается гиалуронидазы, тем больше воды всосется обратно в кровь.

В конечном счете из всей первичной мочи лишь меньше 1 % выделяется почками в виде «настоящей» мочи, которая теперь уже содержит только отработанные продукты жизнедеятельности и только ненужную организму воду.

Экспериментально установлено, что для удаления отходов жизнедеятельности человеческого организма требуется ежедневно не менее 500 мл мочи. Если человек пьет много воды, она разбавляет мочу, удельный вес которой понижается. При недостаточном поступлении воды в организм, когда после восполнения потерь ее через кожу и легкие на долю почек остается меньше 500 мл, часть отработанных продуктов жизнедеятельности остается в организме и может вызвать его отравление. Именно этим опасно водное голодание.

Особенно тяжело человек переносит обезвоживание. Если потери воды не восполняются, то в результате нарушений физиологических процессов ухудшается самочувствие, падает работоспособность, а при высокой температуре воздуха нарушается терморегуляция и может наступить перегрев организма. При потере влаги, составляющей 6–8 % от веса тела, у человека повышается температура тела, краснеет кожа, ускоряется сердцебиение, учащается дыхание, переходящее в одышку, появляется мышечная слабость, головокружение, головные боли и наступает полуобморочное состояние. При потере 10 % воды могут происходить необратимые изменения в организме. Потеря воды в количестве 15–20 % при температуре воздуха выше 30° является уже смертельной, а потеря 25 % воды смертельна и при более низких температурах.

Отходы жизнедеятельности человека выделяются также с потом. В среднем поверхность человеческого тела занимает 1,5 м 2 .

Человек в сильную жару очень потеет. За сутки он буквально «выдает» ведро пота: был бы сух воздух.

Главная составная часть жидкости в таком ведре - обычная, ничем не примечательная вода. В ней растворены нелетучие и летучие компоненты. С нелетучими ознакомиться просто - пот соленый: около 1 % NaCl, да еще фосфаты и сульфаты. Много в поте и креатинина. А вот с летучими компонентами плохо знакомы даже специалисты, но кое-что все же известно: космобиологи пришли к выводу, что даже мало потеющий человек через кожу выделяет столько веществ, что трехкубовая замкнутая атмосфера за сутки насытится вредоносными соединениями выше предельно допустимых норм. На Земле это не беда, но в космосе форточку не откроешь.

Острый недостаток в растении железа вызывает...листьев.

Катион... участвует в устьичных движениях.

Устойчивость к полеганию у злаков увеличивает... .

Недостаток... вызывает повреждение концевых меристем.

Нуклеиновые кислоты содержат....

Порядок нарастания содержания золы в органах и тканях растений.

НЕДОСТАТОЧНОСТИ

МАКРО - И МИКРОЭЛЕМЕНТЫ, ИХ ЗНАЧЕНИЕ И ПРИЗНАКИ ИХ

МИНЕРАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ

Установите соответствие между группой растений и минимальным необходимым для жизни содержанием воды.

ПОГЛОЩЕНИЕ И ТРАНСПОРТ ВОДЫ

Поглощение и транспорт воды

109. Вода составляет в среднем__ % массы растения.

110. Семена растений в воздушно-сухом состоянии содержат…% воды.

111. Около….% содержащейся в растении воды принимает участие в биохимических превращениях.

1. гигрофиты

2. мезофиты

3. ксерофиты

4. гидрофиты

113.Главные функции воды в растении:….

1. поддержание теплового баланса

2. участие ив биохимических реакциях

3. обеспечение транспорта веществ

4. создание иммунитета

5. обеспечение связи с внешней средой

114. Главным осмотическим пространством зрелых растительных клеток является …..

1. вакуоль

2. клеточные стенки

3. цитоплазма

4. апопласт

5. симпласт

115. Поднятие воды по стволу дерева обеспечивает….

1. присасывающее действие корней

2. корневое давление

3. непрерывность водных нитей

4. осмотическое давление вакуолярного сока

5. особенности строения проводящих пучков

116. Продукты фотосинтеза включают... % прошедшей через растение воды.

5. более 15

117. Максимальный водный дефицит в листьях растений при нормальных
условиях наблюдается в ....

1. полдень

3. вечером

118. Значительную долю воды за счет набухания коллоидов в растениях
поглощают ....

2. меристема

3. паренхима

5. древесина

119. Явление отхождения протопласта от клеточной стенки в гипертонических
растворах называется ###.

120. Степень раскрытия устьиц непосредственно влияет на ... .

1. транспирацию

2. поглощение СО 2

3. выделение О 2

4. поглощение ионов

5. скорость транспорта ассимилятов

121. Кутикулярная транспирация взрослых листьев составляет...% испаряемой воды.

2. около 50

122. Обычно устьица занимают... % всей поверхности листа.

5. более 10

123. Наибольшее сопротивление току жидкой воды в растении оказывает ..

1. корневая система

2. проводящая система листьев

3. сосуды стебля

4. клеточные стенки мезофилла

124. Общая поверхность корней превышает поверхность надземных органов в
среднем в... раз.

125. Сера входит в состав белка в виде ....

1. сульфита (SО 3)

2. сульфата (SО 4)

3. сульфгидрильной группы

4. дисульфидной группы

2. древесная кора
3.стебель и корень

5. древесина

127. Фосфор входит в состав: ....

1.каротиноидов

2. аминокислот

3. нуклеотидов

4. хлорофилла

5. некоторых витаминов

128. Элементы минерального питания в составе хлорофилла: ...
1.Мg 2.Сl З.Fе 4. N 5. Сu

129. Биохимическая роль бора заключается в том, что он ... .

1. является активатором ферментов

2. входит в состав оксидоредуктаз

3. активирует субстраты

4. ингибирует ряд ферментов

5. усиливает синтез аминокислот

1.N2.SЗ.Fе 4. Р 5. Са

1.Са 2. Мn3. N 4. Р5.Si

132. Дефицит... приводит к опаданию завязи и задержке роста пыльцевых
трубок.

1. Ca 2. К З.Си 4. В 5. Мо

3.0,0001-0,00001

1.Са 2. К З.N 4. Fе 5.Si

135. Коферменты растений могут содержать следующие элементы: ... .

1. К 2. Са З.Fе 4. Мn 5. В

1.Са 2+ 2. М ё 2+ З.Nа + 4. К + 5. Си 2+

137. Оттоку cахаров из листьев препятствует дефицит элементов: ... .

1 .N 2. Са З.К 4. В 5.S

138. Гниль сердечка сахарной свеклы вызывается ....

1. избытком азота

2. недостатком азота

3. дефицитом бора

4. дефицитом калия

5. дефицитом фосфора

139. Нехватка фосфора в растении вызывает ....

1. пожелтение верхних листьев

2. хлороз всех листьев

3. скручивание листьев с краёв

4. появление антоциановой окраски

5. некроз всех тканей

140. Калий участвует в жизнедеятельности клетки в роли ....

1. компонента ферментов

2. компонента нуклеотидов

3. внутриклеточных катионов

4. компонентов клеточной стенки

5. компонентов внеклеточной стенки

3. побурение краёв

4. крапчатость
5.скручивание

142. Нехватка калия в растении вызывает ... .

1. появление некроза с краев листьев

2. ожог листьев

3. пожелтение нижних листьев

4. побурение корней

5. появление антоциановой окраски на листьях

143. Фермент нитратредуктаза растительной клетки содержит: ....

1. Fе 2.Mn З.Мо 4. Мg 5. Са

144. Азот усваивается растительной клеткой в результате ... .

1. взаимодействия нитратов с каротиноидами

2. акцептирования аммиака АТФ

3. аминирования кетокислот

4. аминирования cахаров

5. акцептирования нитратов пептидами