Осмотические явления в клетке и их значения в жизни растений
МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГОУ ВПО «ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
КАФЕДРА «Селекции и защиты растений»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1
по дисциплине «Физиология растений»
Выполнил: студент 3 курса
ФЗО «Агрономия»
Шифр
Проверила: Куркова И.В.
Благовещенск
2012
Содержание
22. Осмотические явления в клетке
и их значения в жизни
23. Поступление воды в растения.
Влияние аэрации, температуры
почвы и других внешних
31. Источники углерода для
32. Роль аденозинфосфатов и других макроэргических соединений
40.Зависимость дыхания от условий среды.
41 Структура и функции белков протоплазмы.
42.Зависимость фотосинтеза от внешних условий.
22. Осмотические явления в клетке и их значения в жизни растений.
Жизнедеятельность клетки характеризуется
непрерывно протекающими в ней процессами
обмена веществ, причем цитоплазма избирательно
реагирует на воздействие разных
факторов внешней среды. В поглощении
и выделении веществ большую
роль играют процессыдиффузии и осмоса. Осм
Плазмалемма - наружная мембрана цитоплазмы, прилегающая к клеточной оболочке. Тонопласт - внутренняя мембрана цитоплазмы, окружающая вакуоль. Вакуоли представляют собой полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком - водным раствором углеводов, органических кислот, солей, белков с низким молекулярным весом, пигментов.
Концентрация веществ в
Если клетка находится в гипертоническом растворе, концентрация которого больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки - происходит плазмолиз.
В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым.
Затем протопласт продолжает отставать
от клеточных стенок, сохраняя связь
с ними в отдельных местах, поверхность
протопласта между этими
Постепенно протопласт отрывается
от клеточных стенок по всей поверхности
и принимает округлую форму. Такой
плазмолиз носит название выпук
Если у протопласта связь
с клеточной стенкой в
При длительном нахождении клеток в
растворе нитрата калия (15 мин. и
более) цитоплазма набухает в удлиненных
клетках, там, где протопласт не касается
клеточных стенок, образуются так
называемые колпачки цитоплазмы. Такой
плазмолиз носит название колпа
Рис. Плазмолиз растительной клетки:
А - клетка в состоянии тургора; Б - уголковый; В - вогнутый; Г - выпуклый; Д - судорожный; Е - колпачковый.
1 - оболочка, 2 - вакуоль, 3 - цитоплазма, 4 - ядро, 5 - нити Гехта.
Если плазмолизированную клетку поместить в гипотонический раствор, концентрация которого меньше концентрации клеточного сока, вода из окружающего раствора будет диффундировать внутрь вакуоли. В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая начинает приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение - произойдетдеплазмолиз.
23. Поступление воды в растения. Влияние аэрации, температуры почвы и других внешних факторов на деятельность корневой системы.
Еще в 1864 г. Ю. Сакс установил, что поступление воды через корневые системы зависит от температуры. С понижением температуры скорость поступления воды резко сокращается. Это может оказать заметное влияние на растительный организм, особенно в осенний период, когда испарение идет еще достаточно интенсивно, а поступление воды задерживается из-за пониженной температуры почвы. В результате растения завядают и даже могут погибнуть от обезвоживания Причин, по которым понижение температуры вызывает уменьшение поступления воды, по-видимому, несколько:
1) повышается вязкость воды и, как следствие, снижается ее подвижность;
2) уменьшается проницаемость
3) тормозится рост корней;
4) уменьшается скорость всех метаболических процессов.
Последнее обстоятельство, по-видимому, должно сказаться косвенно, через уменьшение поступления солей и, как следствие, торможение работы нижнего концевого двигателя (корневого давления). Торможение поступления йоды в корневую систему при действии пониженной температуры можно легко продемонстрировать в простом опыте. Так, если положить кусок льда на поверхность почвы в сосуде с растением, то в условиях интенсивной транспирации растение через два часа обнаружит признаки завядания. Если затем удалить лед, то растение снова приобретет тургор.
Снижение аэрации почвы также тормозит поступление воды. Это можно наблюдать, когда после сильного дождя все промежутки почвы заполнены водой и вместе с тем на солнце при сильном испарении растения завядают. Это связано С тем, что все условия, снижающие метаболизм (недостаток кислорода, избыток С02, дыхательные яды) снижают поступление ионов и, как следствие, уменьшают поступление воды. Вместе с тем исследования показали, что особенно резкое подавление поступления воды происходит при увеличении содержания С02. Возможно, избыток углекислого газа помимо ингибирования дыхания, повышает вязкость воды, снижает проницаемость цитоплазмы. Большое значение имеет содержание воды в почве, а также концентрация почвенного раствора. Естественно, вода поступает в корень только тогда, когда водный потенциал корня ниже (более отрицателен) водного потенциала почвы. В том случае, если почвенный раствор имеет более отрицательный осмотический потенциал, вода не только не будет поступать в корень, но будет выделяться из него. Особенное значение это имеет для засоленных почв. Именно поэтому растения, растущие на этих почвах (галофиты), имеют резко отрицательный осмотический потенциал.
Всякое уменьшение влажности почвы снижает поступление воды. Чем меньше воды в почве, тем с большей силой она удерживается и тем меньше ее водный потенциал. Для того чтобы в растение поступила вода, должен существовать градиент водного потенциала в системе почва — растение — атмосфера. Надо также учитывать, что уменьшение содержания воды в корне затрудняет ее дальнейшее продвижение к сосудам ксилемы. Это объясняется тем, что при уменьшении содержания воды сопротивление ее передвижению по клеткам корня растет. Подсыхающие клеточные оболочки оказывают значительное сопротивление передвижению воды. Сопротивление корневой системы передвижению воды при се недостатке настолько велико, что, по мнению Н. А. Максимова, это может снижать транспирацию, т. е. являться средством для ее регуляции. С физиологической точки зрения удобно выделить следующие формы почвенной влаги, различающиеся по степени доступности для растений. Гравитационная вода заполняет крупные промежутки между частицами почвы, она хорошо доступна растениям. Водный потенциал этой формы воды зависит от осмотической концентрации и составляет -0,1 бар. Однако, как правило, она легко стекает в нижние горизонты под влиянием силы тяжести, вследствие чего бывает в почве лишь после дождей. Капиллярная вода заполняет капиллярные поры в почве. Эта вода также хорошо доступна для растений, удерживается в капиллярах силами поверхностного натяжения и поэтому не только не стекает вниз, но и поднимается вверх от грунтовых вод . Пленочная вода окружает коллоидные частицы почвы. Вода из периферических слоев гидратационных оболочек может поглощаться клетками корня. Вместе с тем чем ближе к коллоидным частицам располагаются молекулы воды, тем с большей силой они удерживаются и, как следствие, менее доступны для растений. Гигроскопическая вода адсорбируется сухой почвой при помещении ее в атмосферу с относительной влажностью воздуха 95%.
Количество воды (в %), при котором растение впадает в устойчивое завядание, называют коэффициентом завядания или влажностью завядания. Влажность, при которой наступает завядание на данной почве, зависит от ряда причин. Считается, что растения завядают в тот момент, когда вода в почве перестает передвигаться. Однако было показано, что если завядание начинается при одной и той же влажности, то промежуток времени от завядания до гибели (интервал завядания) у растений может быть резко различным. Так, для растений бобов интервал завядания составляет несколько суток, тогда как для проса — несколько недель. Это, естественно, сказывается на устойчивости растений к засухе. Вместе с тем влажность, при которой наступает завядание, в большой степени зависит от скорости транспирации, а также от осмотического потенциала клеток растения. Так, при одной и той же влажности почвы завядание начинается позднее у растений с меньшим (более отрицательным) осмотическим потенциалом. Большое значение при определении показателя влажности завядания также имеет тип почвы. Одно и то же растение завядает на черноземе при значительно более высокой влажности, чем на подзоле. Это связано с тем, что черноземные почвы характеризуются более тонким механическим составом. Влажность завядания еще не дает представления о количестве воды, полностью недоступной растению, поскольку при завядании какое-то количество воды продолжает поступать в растительный организм. В связи с этим было введено понятие «мертвый запас» влаги в почве — это количество воды, полностью недоступное растению. Мертвый запас зависит исключительно от типа почвы, ее механического состава, что видно из следующей формулы: q = % песка (0,01) + % пыли (0,12) + % глины (0,57), где q — мертвый запас. Чем больше глинистых частиц в почве, тем больше мертвый запас влаги. Количество доступной для растительного организма воды представляет разность между полевой влагоемкостью (максимальное количество воды, удерживаемое почвой в капиллярах) и мертвым запасом. В связи со сказанным перегнойные суглинистые почвы обладают не только наибольшим мертвым запасом, но и наибольшим запасом доступной влаги. Так, если полевая влагоемкость черноземных почв составляет 40%, мертвый запас — 25%, то количество доступной воды равно 25%, тогда как у песка попевая влагоемкость — 15%, мертвый запас — 5%, количество доступной воды всего 10%.
31. Источники углерода для растений.
В ходе фотосинтеза растение вырабатывает из неорганических веществ необходимые для всего живого органические вещества. Диоксид углерода, содержащийся в воздухе, проникает в лист через особые отверстия в эпидермисе листа, которые называют устьицами в форме угольного ангидрида — СО2. При участии хлорофилла листа и солнечного света, угольный ангидрид разлагается с выделением О2.
К органическим веществам относятся все соединения углерода за исключением его оксидов и нитридов. В наибольшем количестве образуются при фотосинтезе такие органические вещества, как углеводы , аминокислоты и жирные кислоты Из неорганических веществ для синтеза всех этих соединений требуются вода и диоксид углерода. Растения могут поглощать эти элементы в форме их оксидов, нитрата и сульфата или в других, более восстановленных формах, таких, как аммиак или сероводород У наземных растений все неорганические соединения, за исключением углерода, поступают через корни. углерод растения получают из атмосферного воздуха, в котором средняя его концентрация составляет 0,03%. Диоксид углерода поступает в листья, а О2 выделяется из них через небольшие отверстия в эпидермисе, называемые устьицами. Открывание и закрывание устьиц регулируют особые клетки - их называют замыкающими - тоже зеленые и способные осуществлять фотосинтез. Когда на замыкающие клетки падает свет, в них начинается фотосинтез. Накопление его продуктов вынуждает эти клетки растягиваться. При этом устьичное отверстие открывается шире, и СО2 проникает к нижележащим слоям листа, клетки которых могут теперь продолжать фотосинтез. Устьица регулируют и испарение воды листьями, транспирацию, поскольку большая часть водяных паров проходит именно через эти отверстия. Водные растения добывают все необходимые им питательные вещества из воды, в которой живут. СО2 и ион бикарбоната тоже содержатся и в морской, и в пресной воде. Водоросли и другие водные растения получают их непосредственно из воды. Свет в фотосинтезе играет роль не только катализатора, но и одного из реагентов. Значительная часть световой энергии, используемой растениями при фотосинтезе, запасается в виде химической потенциальной энергии в продуктах фотосинтеза. Растения превращают диоксид углерода в кислород и для этого процесса необходим свет. Весь углерод, включенный растением в органические вещества, происходит из диоксида углерода.
32. Роль аденозинфосфатов и других макроэргических соединений
Группа природных веществ, молекулы которых содержат богатые энергией, или макроэргические связи; присутствуют во всех живых клетках и участвуют в накоплении и превращении энергии. Разрыв макроэргических связей в молекулах сопровождается выделением энергии, используемой для биосинтеза, транспорта веществ и других процессов жизнедеятельности.
Все известные макроэргические связи содержат фосфорильную (—РО3Н2) или ацильную группы и могут быть описаны формулой Х—Y, где Х — атом азота, кислорода, серы или углерода, а Y — атом фосфора или углерода. Реакционная способность макроэргических связей. связана с повышенным сродством к электрону атома Y, что обусловливает высокую свободную энергию гидролиза макроэргических связей, составляющую 6—14 ккал/моль.
Важной группой соединений,
в которую входят
Наиболее значительное из них — аденозинтрифосфорная кислота (аденозинтрифосфат, АТФ). АТФ представляет собой аденозинфосфорную кислоту, содержащую 3 остатка фосфорной кислоты (или фосфатных остатка), служит универсальным переносчиком и основным аккумулятором химической энергии в живых клетках, кофермент многих ферментов. АТФ не единственное биологически активное соединение, содержащее пирофосфатные связи. Некоторые фосфорилированные соединения по количеству энергии, заключенной в таких связях, не отличаются от АТФ. Однако дифосфаты таких соединений не могут заменить аденозиндифосфорную кислоту в тех процессах, которые ведут к синтезу АТФ, а их трифосфаты не могут заменить АТФ в последующих процессах энергетического обмена, в которых АТФ используется как донор энергии, необходимой для протекания биосинтетических реакций. Возможно, что такая высокая степень специфичности отражает не столько уникальность АТФ, сколько уникальные особенности биохимических процессов, приспособленных исключительно к АТФ.
Аденозинфосфаты, нуклеотиды, 5'-фосфорные эфиры аденозина. Содержат аденин, рибозу и один (аденозинмонофосфат, АМФ), два (аденозиндифосфат, АДФ) или три (аденозинтрифосфат, АТФ) остатка фосфорной кислоты. Присутствуют во всех живых клетках, образуют адениловую систему, играющую важную роль в обмене веществ и энергии, содержатся не только в растворимой фракции цитоплазмы, но и в некоторых органоидах (митохондриях, ядрах). Пара АДФ/АТФ служит основной системой переноса энергии в клетке. Перенос фосфорильных групп на АМФ и АДФ сопровождается аккумуляцией энергии, а их отщепление от АТФ и АДФ — выделением энергии, используемой для различных процессов жизнедеятельности. Концентрации А. к. в клетке в норме поддерживаются на постоянном уровне; соотношение А. к., характеризующее энергетический заряд и отражающее физиологическое. состояние клетки, является фактором, обеспечивающим регуляцию метаболизма и связь между АТФ-производящими и АТФ-использующими процессами.
41. Структура и функции белков протоплазмы.
Протоплазма — полужидкое белковое живое вещество, содержащее в себе жироподобные, а также минеральные вещества и. разнообразные продукты жизнедеятельности клетки. В молодых клетках она заполняет всю клетку, а в более старых в ней появляются капельки клеточного сока (вакуоли).
В клетках, достигших полного возраста, протоплазма располагается в виде тонкого слоя только возле клеточных оболочек. В таких клетках почти вся внутренняя полость заполнена клеточным соком.
Живая протоплазма обладает полупроницаемостью, т. е. одни вещества она свободно пропускает через себя, а другие, наоборот, задерживает. Смерть протоплазмы влечет за собой свертывание белков; мертвая протоплазма не способна задерживать в клетке вещества.
В живых клетках протоплазма находится в движении. В клетках волоска стебля тыквы под микроскопом наблюдается движение протоплазмы. Видно, как по тонким нитям движутся ее мельчайшие частицы, направляясь к ядру и в противоположном направлении.
В листьях некоторых растений видно, как в длинных клетках протоплазма движется вдоль оболочки; сначала она движется вдоль одной стороны клетки, затем переходит на другую, противоположную сторону и вдоль этой стороны течет в противоположном направлении, увлекая за собой зеленые хлорофилловые зерна и ядро. Движение протоплазмы внутри клеток облегчает обмен веществ между клетками.
Белки – высокомолекулярные азотосодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Существует 1012 видов белков. Все белки состоят из структурных блоков, которые представлены остатками аминокислот. Всего 20 аминокислот. Набор аминокислот в белке определяется наследственной информацией, записанной в ДНК.
Белки образуют основу
протоплазмы любой живой
- Практически все биохимические
реакции катализируются
Белки относятся к гидрофильным
коллоидам. Такими же свойствами обладают
и другие соединения, входящие в
состав протоплазмы. Коллоидная природа
протоплазмы имеет существенное
биологическое значение. Благодаря
наличию большого количества мельчайших
частиц в коллоидных системах развиваются
огромные суммарные поверхности, которые
играют чрезвычайно большую роль.
На них может происходить
Кроме рассмотренных свойств
белков, наблюдается еще явление
денатурации. При этом гидрофильные
коллоиды - белки, становятся гидрофобными,
теряют стойкость и вследствие этого
легко коагулируют. Такая типичная
денатурация происходит при нагревании
белков. Денатурированные белки, т. е. белки,
которые утратили свои естественные
свойства (выпали в осадок), имеют
способность адсорбировать
Белковые вещества, как амфотерные соединения, вследствие реакций с электролитами изменяют свой заряд, что отражается на состоянии коллоидной системы, а также на ее растворимости. С электролитами связаны величина и знак заряда биоколлоидов протоплазмы, соотношение между процессами гидратации и дегидратации, коацервации и т. д.
42.Зависимость
фотосинтеза от внешних
Солнечные лучи – источник энергии при фотосинтезе, и изменения в скорости фотосинтеза (ФН), вызываемые меняющейся интенсивностью облучения, относятся к основным характеристикам фотосинтетической деятельности растений. Зависимость ФН от облучения выражается характерной кривой, которую обычно называют световой кривой или кривой освещения: расход СО2 в темноте (при дыхании) с постоянным возрастанием интенсивности освещения снижается и достигает нулевого значения, в так называемой точке компенсации. Дальнейший рост интенсивности освещения вызывает почти линейное увеличение ФН. При низких величинах освещения использование лучевой энергии бывает максимальным, и в таких условиях она служит фактором, лимитирующим ФН. Во второй части кривой освещения происходит почти полное световое насыщение. В этих условиях скорость фотосинтеза ограничивается скоростью транспорта СО2 из окружающего растение воздуха в хлоропласты и скоростью ферментных реакций фиксации СО2.
Углекислота служит субстратом
для образования новых
Температура оказывает влияние на ход всех ферментных реакций, поэтому отчетливо сказывается на скорости фотосинтеза У некоторых видов хвойных деревьев процесс фотосинтеза протекает и при отрицательных температурах, но у всех полевых культур прекращается при нескольких градусах выше нуля. Существенное преимущество растений с точки зрения активности фотосинтеза, при повышении температур и наоборот, у растений при одинаковых прочих условиях скорость фотосинтеза возрастает при более низких температурах. Следовательно, можно сделать практический вывод: для повышения скорости фотосинтеза растениям необходимы благоприятные температурные условия.
Зависимость скорости фотосинтеза от температуры можно использовать путем целенаправленной селекции при получении высокопродуктивных сортов для относительно холодных условий.
Влияние воды на скорость фотосинтеза выражено величиной дефицита насыщения, отражающей то количество воды, которого не хватает растению для полного насыщения. Максимальной скорости фотосинтеза растения достигают при очень низких показателях дефицита: при 12-20% устьица заполнены водой с скорость фотосинтеза падает до нуля.
Основной предпосылкой для фотосинтеза является наличие хлорофилла. Его количество колеблется в пределах 2-6 мг на 0,01 м2 площади листьев, что примерно соответствует 0,5-2,0% сухого вещества листа. Пока в исследованиях не удалось установить зависимости скорости фотосинтеза от содержания хлорофилла. Следовательно, у здоровых растений, развивающихся в нормальных условиях, недостаток хлорофилла не отражается на ФН. Он становится лимитирующим фактором лишь для листьев, растущих при недостатке света, дефиците воды и минеральных веществ или при поражении некоторыми болезнями.
Научные исследования и практика показывают, что на фотосинтез оказывают существенное влияние минеральные вещества. Дефицит любого из следующих элементов – N, P, K, Mg, S, Ca, Fe, Mn, Cu, B, Zn, Mo, - отрицательно сказывается на скорости фотосинтеза. Воздействие питательных веществ на фотосинтетический аппарат бывает многосторонним. Они влияют на формирование морфологической и анатомической структуры растения, на физические процессы, участвуют в создании хлоропластов, причем входят в состав как отдельных структурных образования, так и ферментов.
Определение количественных
характеристик оптимальных
Возраст отдельных органов растения в целом является существенным эндогенным фактором, определяющим скорость фотосинтеза. У молодого листа ФН увеличивается до определенного максимума, достигая его еще перед окончанием роста листа, т.е. до формирования его полной площади. Этот период называется фотосинтетической зрелостью листа и длится разное время.
40.Зависимость дыхания от условий среды.
Температура. Дыхание у некоторых растений идет и при температуре ниже 0оС. Так, хвоя ели дышит при –25оС. Интенсивность дыхания, как всякой ферментативной реакции, возрастает при повышении температуры до определенного предела (35-40оС).
Кислород необходим для осуществления дыхания, так как он является конечным акцептором электронов в дыхательной электрон-транспортной цепи. Увеличение содержания кислорода в воздухе до 8-10 % сопровождается повышением интенсивности дыхания. Дальнейшее увеличение концентрации кислорода существенно не влияет на дыхание. Однако в атмосфере чистого кислорода дыхание растений снижается, а при длительном его действии растение погибает. Гибель растения обусловлена усилением в клетках свободно-радикальных реакций и повреждением мембран вследствие окисления их липидов.
Углекислый газ является конечным продуктом дыхания. При высокой концентрации газа дыхание растений снижается по следующим причинам: 1) ингибируются дыхательные ферменты, 2) закрываются устьица, что препятствует доступу кислорода к клеткам.
Содержание воды. Водный дефицит растущих тканей увеличивает интенсивность дыхания из-за активации распада сложных углеводов (например, крахмала) на более простые, которые являются субстратом дыхания. Однако при этом нарушается сопряжение окисления и фосфорилирования. Дыхание в этом случае представляет бесполезную трату вещества. Иная закономерность характерна для органов, находящихся в состоянии покоя. Повышение содержания воды в семенах приводит к резкому увеличению интенсивности дыхания.
Свет. Трудно выявить влияние света на дыхание зеленых растений, так как одновременно с дыханием осуществляется противоположный процесс – фотосинтез. Освещенность, при которой интенсивность фотосинтеза равна интенсивности дыхания по уровню поглощенного и выделенного углекислого газа, называют компенсационным пунктом. Дыхание не зеленых тканей активируется светом коротковолновой части спектра, так как максимумы поглощения флавинов и цитохромов расположены в области 380-600 нм.
Минеральные вещества.Такие элементы как фосфор, сера, железо, медь, марганец необходимы для дыхания, являясь составной частью ферментов или как фосфор промежуточным продуктом. При повышении концентрации солей в питательном растворе, на котором выращивают проростки, их дыхание активируется (эффект «солевого дыхания»).
Механическое повреждение усиливает дыхание из-за быстрого окисления фенольных и других соединений, которые выходят из поврежденных вакуолей и становятся доступными для оксидаз.
Список использованной литературы
1. Алехина Н.Д., Балнокин Ю.В., Гавриленко В.Ф. и др. под ред. Ермакова И.П. Физиология растений. – М.: Академия, 2004
2. Грин Н., Стаут Т., Тейлор Д. Биология т.2. – М.: Мир, 1990
3. Малиновский В.И. Физиология растений. – Владивосток: Изд-во ДВГУ, 2004
4. Полевой В.В. Физиология растений. – М.: Высшая школа, 1983
5. Рубин Б.А., Ладыгина М.Е. Физиология и биохимия дыхания растений. – М.: Наука, 1974
6. Якушкина Н.И. Физиология растений. – М.: Просвещение,1993
