Поглинання води коренем і її транспорт у квіткових рослин

О.В. Петунін, учитель біології середньої школи з поглибленим вивченням окремих предметів № 32, м. Прокоп'євськ, Кемеровська обл.

Спецкурс «Фізіологія рослин» призначений для учнів, що вивчають біологію поглиблено (11-й клас, 34 год). Програма спецкурсу передбачає вивчення розділу «Пересування речовин по рослині» на чотирьох уроках за темами «Поглинання води коренем і її транспорт у квіткові рослини »,« Транспірація та її фізіологічна роль »,« Поглинання мінеральних речовин коренем і транспорт іонів у квіткових рослин »,« Транспорт органічних речовин у квіткових рослин ».

Урок «Поглинання води коренем і її транспорт у квіткових рослин» розрахований на 40-45 хв. У 10-му класі учні вивчають спецкурс «Анатомія та морфологія рослин» (34 год), тому в 11-му класі питання анатомії та морфології рослин тільки повторюються по ходу уроку. На уроках загальної біології та хімії школярі вже вивчили поняття осмос, осмотичний тиск, тому і ці питання в ході даного уроку лише повторюються.

Цілі уроку - актуалізувати знання про будову кореневих волосків, ксілеми, молекули води, про поняття осмосу, осмотичного тиску, кагезіі, адгезії та ін Розглянути фізіологічні механізми всмоктування води коренем. Вивчити механізм пересування води у квіткових рослин. Удосконалювати навички учнів у роботі з лабораторним обладнанням, постановці дослідів. Розвивати інтелектуальні здібності, логічне мислення, навички пізнавальної самостійності в учнів.

Обладнання: живі рослини, пагони рослин, пробірки, лупи, рослинна олія, чорнило, вазелін, скляний і гумова трубки, скальпель і таблиці «Будова кореня», «Клітинна будова листа», «Будова стебла».

Досліди, які закладаються учнями напередодні уроку

Пропоновані нами досліди широко відомі, тому що входять до програми основної школи, але пояснення школярами отриманих результатів має бути більш науковим і глибоким, відповідним рівнем учнів 11-го класу, що вивчають біологію поглиблено. Учитель призначає кілька учнів, і кожен з них закладає свій досвід (на цьому уроці демонструються три досвіду, отже, в їх постановці будуть задіяні три школяра).

Досвід № 1

Взяти рослина, вирощена у вологих тирсі, обтрусити його кореневу систему і опустити його коріння в пробірку з водою. Поверх води для захисту від випаровування налити масло. Відзначити рівень води на стінці пробірки. Через день знову відзначити рівень води і порівняти його з початковим. З отриманих результатів зробити висновок.

Досвід № 2

У молодої рослини бальзаміну зрізати стебло на 3-5 см вище кореневої шийки. Пеньок навколо змастити вазеліном і надіти на нього гумову трубку. Вільний кінець її з'єднати зі скляною трубкою (рис. 1). Грунт у горщику перед демонстрацією досвіду полити теплою водою. Що ви спостерігаєте? Про що свідчать результати досвіду?

Рис. 1. Досвід, що демонструє корневе тиск

Досвід № 3

Втеча будь-якого дерева або чагарнику помістіть в посудину з водою, підфарбованою чорнилом. Через день препаровальним ножем (скальпелем) зріжте нижню частину (приблизно 1-2 см) втечі. Розгляньте за допомогою лупи поперечний розріз. Який шар стебла забарвиться? Поясніть результати досвіду.

Хід уроку

I. Вивчення нового матеріалу

1. Пересування речовин у рослин

Будь-який організм, а тим більше складно улаштований, має потребу в обміні речовин з навколишнім середовищем, обмін речовин між клітинами організму та обмін речовин усередині клітин. Це виявляється можливим лише за наявності транспорту речовин усередині організму.

Які процеси в живому організмі забезпечують транспорт речовин на невеликі відстані?

Передбачувані відповіді. На невеликі відстані транспорт речовин забезпечують фізичні процеси дифузії (в тому числі осмос), активний транспорт і струми цитоплазми. (Ці процеси учні вивчали в 10-му класі на уроках загальної біології.)

Учитель. Дійсно, у одноклітинних організмів і в тих багатоклітинних, у яких досить велике відношення поверхні тіла до його об'єму, ці способи транспорту працюють добре.

Як переносяться речовини у великих і, в порівнянні з одноклітинними, більш складно влаштованих організмів, адже одним дифузії у них для цих цілей явно недостатньо?

Передбачувані відповіді. У організмів, клітини яких сильно віддалені один від одного і від навколишнього середовища, виникають спеціальні системи транспорту на великі відстані, що гарантують швидке переміщення потрібних речовин.

Учитель. Які транспортні системи у тварин і рослин вам відомі?

Передбачувані відповіді. У тварин - кровоносна система, а у рослин - провідна система, утворена ксілемой і флоемой.

Учитель. Ви вірно назвали так звані циркуляційні системи тварин і рослин. Саме вони забезпечують надійний транспорт речовин цим організмам.

Таким чином, транспорт речовин - це доставка необхідних з'єднань до певних органів і тканин за допомогою спеціальних систем. Ми будемо вивчати здатність рослини транспортувати органічні та неорганічні речовини, адже без їх транспортування було б неможливо його нормальне функціонування. Процес пересування речовин по проводять тканин рослини називають транслокації.

2. Речовини, які транспортуються рослинами

Учитель. Перерахуйте найважливіші групи речовин, які повинні транспортуватися рослиною.

Передбачувані відповіді. Вода, гази, мінеральні солі, органічні речовини.

Учитель. Ви вірно назвали основні групи речовин, що транспортуються рослиною. Тепер спробуємо простежити шлях цих речовин в рослинному організмі.

Пропоную вам на основі знань про будову рослинних тканин і органів заповнити таблицю «Пересування речовин у рослин». Допоможе вам у заповненні таблиці схема, що знаходиться на ваших столах (рис. 3).

Рис. 3. Схема циркуляції води, неорганічних іонів та ассімілятов в рослині. Вода і неорганічні іони, поглинені коренем, пересуваються по ксілеме вгору з транспіраціонним струмом. Велика їх частина транспортується до листів. У листах значну кількість води і неорганічних іонів переміщається за флоему і виноситься з них разом з сахарозою в струмі ассімілятов. Літерою А позначені місця, спеціалізовані на поглинання і асиміляції вихідних матеріалів з зовнішнього середовища. Літери З і Р вказують відповідно місця завантаження і розвантаження, О - точки, в яких відбувається обмін між ксілемой і флоемой

Учитель (перевірка заповнення таблиці). Ви вірно заповнили таблицю, назвавши речовини, транспортуються рослиною, і вказавши шлях цих речовин. Тепер вам має бути більш докладно ознайомитися з механізмом транспорту води у рослин. Починається шлях води в рослині з кореня.

3. Поглинання води коренем рослини

Демонстрація досвіду № 1. Про досвід і його результати розповідає учень, що заклав його напередодні уроку. З результатів досвіду випливає висновок про всмоктуванні води коренем рослини.

Учитель. Згадайте, які структури кореня всмоктують воду і що вони являють собою по будовою (демонстрація таблиці «Будова кореня »).

Передбачувані відповіді. Структурами кореня, усмоктувальними воду, є кореневі волоски, розташовані в зоні всмоктування. Вони являють собою цитоплазматичні вирости клітин кореневого епідермісу.

Учитель. Цитоплазма кореневого волосини і грунтовий розчин відокремлені один від одного мембраною. Що змушує воду проникати в кореневі волоски через мембрану?

Передбачувані відповіді. На основі знань про осмосу можна припустити, що молекули води пересуваються з тієї області, де їх концентрація висока (з розчину з низьким осмотичним тиском), туди, де їх концентрація низька (в розчин з більш осмотичним високим тиском). Значить цитоплазма клітин, що утворюють кореневі волоски, більш концентрованих, ніж грунтовий розчин. Саме це і забезпечує своєрідну дифузію молекул води з грунту в клітини кореня.

Учитель. Ви вірно визначили причину всмоктування води коренем. У наші дні фізіологи, коли хочуть описати тенденцію молекул води до переміщення з одного місця в інше, користуються терміном «водний потенціал». Вода переміщається з області з більш високим водним потенціалом в область з більш низьким водним потенціалом, тобто з грунту в корінь. Процес поглинання води коренем відображає рис. 2., Він також знаходиться на ваших столах. Градієнт водного потенціалу підтримується також і за рахунок пересування води по ксілеме, але про це ми будемо говорити трохи пізніше.

Таким чином, вода поглинається кореневими волосками за рахунок різниці водного потенціалу грунтового розчину і цитоплазми клітин, що утворюють кореневі волоски. Потім вода проходить через кору кореня в ксиліт і піднімається по ній до листів.

Рис. 2. Схема основних шляхів переміщення води і неорганічних іонів з грунту через епідермо і кору в ксиліт. Вода рухається в основному по апопласту, поки не досягне ендодерми, де апопластное рух перекривається пасками Каспаров. Пояски Каспара змушують воду на шляху до ксілеме перетнути плазматичні мембрани і протопластів ендодермальних клітин. Пройшовши крізь плазматичну мембрану на внутрішній поверхні ендодерми, вода може знову піти по апопластному шляху до порожнин елементів ксілеми. Неорганічні іони активно поглинаються епідермальними клітинами і потім переміщуються по симпласти через кору в паренхімні клітини, з яких вони перекачуються в елементи ксілеми

Демонстрація досвіду № 2. Про досвід і його результати розповідає учень, що заклав його напередодні уроку. Рідина, яка зібралася в скляній трубці, свідчить про здатності кореня створювати тиск. Напевно, саме завдяки цьому тиску і відбувається постачання водою надземних органів рослини.

Учитель. Було висловлено вірне припущення про здатність кореня створювати тиск, яке так і називається - корневе тиск. Воно складає 100-200 кПа. У деяких рослин корневе тиск викликає виділення крапель рідини через гідатоди.

Що таке гідатоди і як називається процес виділення краплинно-рідкої вологи?

Передбачувані відповіді. Гідатоди - водяні продихи рослин, а процес виділення через них крапельок рідини називається гуттаціей. (З цим поняттям учні знайомилися при вивченні видільних тканин рослин в 10-му класі.)

Учитель. Ви вірно пригадали назву процесу виділення краплин води через гідатоди. Вірно було сказано і те, що завдяки кореневого тиску вода піднімається вгору по стебла. Але виникає проблема: ток рідини, піднімаючись вгору, повинен долати більший тиск, ніж здатний розвивати корінь, тобто одного кореневого тиску зазвичай недостатньо, щоб забезпечити пересування води вгору по ксілеме. Яка ще сила забезпечує підйом води? Зараз нам належить вирішити цю проблему, познайомившись з механізмом підйому води по ксілеме.

4. Підйом води по ксілеме

Демонстрація досвіду № 3. Про досвід і його результати розповідає третій учень, також заклав досвід напередодні уроку. На поперечному зрізі стебла, розглянутого з допомогою лупи, чітко видно, що забарвлення шар деревини (вторинна деревина називається ксілемой). З результатів досвіду випливає, що ксілема є водопровідної тканиною рослини, і що саме по ній вода піднімається від кореня до листя рослини.

Учитель. Досвід наочно підтверджує думку про те, що ксілема в тілі рослини проводить воду. (Демонстрація таблиці «Будова стебла ».)

Згадайте, яке будова ксілеми.

Передбачувані відповіді. Ксілема квіткових рослин складається з двох типів структур, транспортують воду, - трахеід і трахей (судин). Судини ксілеми - мертві трубки з вузьким просвітом.

Учитель. Вірно було сказано, що судини ксілеми є мертвими трубками з вузьким просвітом. Діаметр їх варіює від 0,01 до 0,2 мм. Великі кількості води переносяться по ксілеме відносно швидко. Наприклад, у високих дерев була зафіксована швидкість підйому води до 8 м/ч. Але все-таки повернемося до раніше позначеної проблеми. Як ви думаєте, які сили забезпечують рух струму води вгору по стебла?

Передбачувані відповіді. Логіка підказує дві можливості: вода виштовхується знизу (але про кореневому тиску ми вже говорили і зробили висновок про те, що його одного недостатньо для забезпечення висхідного ксілемного струму) або її тягнуть зверху.

Учитель. Оскільки корневе тиск одно не здатне підняти воду до вершини великого дерева, давайте зупинимося на гіпотезі, яка передбачає, що вода «Простягається» через вся рослина, тим більше, що цю гіпотезу підтверджують наявні дані.

Для вивчення механізму руху води по ксілеме пропоную вам прочитати текст, який знаходиться у кожного з вас на столі. Після читання обов'язково дайте відповідь на запитання до тексту.

Текст для читання

Теорія пересування води відома як теорія когезії (з цим поняттям ви знайомилися, вивчаючи будову та властивості води в 10-му класі на уроках загальної біології) -- натягу. Відповідно до цієї теорії, підйом води від коріння зумовлений випаровуванням води з клітин листа (згадайте будову листа). Випаровування призводить до зниження водного потенціалу клітин, що примикають до ксілеме. Тому вода входить в ці клітини з ксілемного соку, у якого більш високий водний потенціал, і досягає решт жилок листа, звідки вона випаровується (випаровування механізм буде вивчений на наступному уроці).

Судини ксілеми заповнені водою, і в міру того, як вода виходить з судин, в стовпі води створюється натяг. Воно передається вниз по стебла на всьому шляху від листа до кореня завдяки зчепленню (когезії) молекул води. (Подумайте, чому молекули води прагнуть «пристане» один до одного.)

Завдяки когезії міцність на розрив у води досить висока і здатна запобігти поділ її молекул під дією натягу, необхідного для підйому води з ксілеме високого дерева, і створити масовий струм. При цьому вода надходить у підставу такого стовпа в корінні з сусідніх клітин кореня.

Крім того, молекули води прагнуть пристане до стінок судин під дією сил адгезії (прилипання), що мають електричну природу.

Клітинні оболонки, уздовж яких рухається вода, що дуже ефективно притягують воду, що дає максимальні переваги для адгезії води і створює умови для прояви когезівності.

Питання до тексту

1. Як називається теорія пересування води по ксілеме?

2. Чому молекули води прагнуть «пристане» один до одного?

3. Чому стверджують, що енергію для руху води і мінеральних солей за рослині поставляє не рослина, а безпосередньо Сонце?

Передбачувані відповіді. Теорію пересування води по ксілеме називають теорією «адгезії-когезії».

Молекули води полярні і притягаються один до одного електричними силами, а потім утримуються за рахунок водневих зв'язків.

Енергію для руху води поставляє Сонце, тому що нагрівання листя сприяє відриву молекул води від водного потоку ксілеми, а це створює натяг в стовпі води, яка передається вниз по стебла завдяки когезії.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://bio.1september.ru