Transpiration - Transpiration

Översikt av transpiration:

1. Vatten transporteras passivt in i rötterna och sedan in i xylem .
2. Sammanhållningskraften och vidhäftningen får vattenmolekylerna att bilda en kolonn i xylem.
3. Vatten rör sig från xylem in i mesofyllcellerna, avdunstar från deras ytor och lämnar växten genom diffusion genom stomata

Transpiration av vatten i Xylem

Stoma i ett tomatblad som visas via färgat svepelektronmikroskop

De moln i denna bild av Amazonas regnskog är ett resultat av avdunstningen .

Transpiration är processen för vattenrörelse genom en växt och dess avdunstning från luftdelar, såsom löv , stjälkar och blommor . Vatten är nödvändigt för växter men endast en liten mängd vatten som tas upp av rötterna används för tillväxt och metabolism. De återstående 97–99,5% går förlorade genom transpiration och guttation . Bladytor är prickade med porer som kallas stomata (singular "stomi") och i de flesta växter är de fler på undersidan av lövverket. Stomata är kantad av skyddsceller och deras stomatala tillbehörsceller (tillsammans kallade stomatalkomplex) som öppnar och stänger porerna. Transpiration sker genom stomatala öppningar och kan betraktas som en nödvändig "kostnad" associerad med öppningen av stomata för att möjliggöra diffusion av koldioxidgas från luften för fotosyntes . Transpiration kyler också växter, förändrar cellernas osmotiska tryck och möjliggör massflöde av mineralämnen och vatten från rötter till skott . Två viktiga faktorer påverkar vattenflödet från jorden till rötterna: jordens hydrauliska ledningsförmåga och storleken på tryckgradienten genom jorden. Båda dessa faktorer påverkar graden av bulkflöde av vatten som rör sig från rötterna till stomatala porer i bladen via xylem.

Massflöde av flytande vatten från rötterna till bladen drivs delvis av kapillärverkan , men främst av vattenpotentialskillnader . Om vattenpotentialen i den omgivande luften är lägre än vattenpotentialen i stomatalporns bladluft kommer vattenånga att röra sig nedför lutningen och flytta från bladets luftrum till atmosfären. Denna rörelse sänker vattenpotentialen i bladets luftrum och orsakar avdunstning av flytande vatten från mesofyllcellväggarna. Denna avdunstning ökar spänningen på vattenmeniskerna i cellväggarna och minskar deras radie och därmed spänningen som utövas på vattnet i cellerna. På grund av vattnets sammanhängande egenskaper rör sig spänningen genom bladcellerna till blad- och stamxylen där ett momentant undertryck skapas när vatten dras upp xylemet från rötterna. Eftersom avdunstning inträffar vid bladytan fungerar egenskaperna för vidhäftning och sammanhållning tillsammans för att dra vattenmolekyler från rötterna, genom xylemvävnad och ut ur växten genom stomata. I högre växter och träd, kan tyngdkraften endast övervinnas genom minskningen i hydrostatiskt (vatten) tryck i de övre delarna av växterna på grund av diffusion av vatten ur stomata in i atmosfären . Vatten absorberas i rötterna av osmos , och eventuella upplösta mineraliska näringsämnen färdas med det genom xylem .

Den sammanhållning spänning teori förklarar hur bladen drar vatten genom xylem. Vattenmolekyler håller ihop eller uppvisar sammanhållning . När en vattenmolekyl avdunstar från bladets yta drar den i den intilliggande vattenmolekylen och skapar ett kontinuerligt flöde av vatten genom växten.

Etymologi

Vi kan se historien om ordet transpiration när vi bryter ner det till trans, ett latinskt substantiv som betyder "tvärs över" och spiration, som kommer från det latinska verbet spīrāre, vilket betyder "att andas." Tionssuffixet lägger till betydelsen "handlingen av", så att vi kan se transpiration är bokstavligen "handlingen att andas över", vilket tydligt identifierar ångemission från växtblad. Transpiration är avgörande för jordens ekologi och minskar genom vårt decimering av skogarna.

Kapilläråtgärd

Kapillärverkan är processen för en vätska som flyter i trånga utrymmen utan hjälp av, eller ens i motsats till, yttre krafter som gravitation . Effekten kan ses vid upptagning av vätskor mellan håret på en pensel, i ett tunt rör, i porösa material som papper och gips, i vissa icke-porösa material som sand och flytande kolfiber , eller i en biologisk cell . Det uppstår på grund av intermolekylära krafter mellan vätskan och omgivande fasta ytor. Om rörets diameter är tillräckligt liten, fungerar kombinationen av ytspänning (som orsakas av sammanhållning i vätskan) och vidhäftande krafter mellan vätskan och behållarväggen för att driva vätskan.

Förordning

Växter reglerar transpirationshastigheten genom att kontrollera storleken på stomatala öppningar. Transpirationshastigheten påverkas också av förångningsbehovet i atmosfären som omger bladet, såsom gränsskiktledningsförmåga, fuktighet , temperatur , vind och infallande solljus. Tillsammans med ovan markfaktorer kan marktemperatur och fukt påverka stomatalöppningen och därmed transpirationshastigheten. Mängden vatten som en växt förlorar beror också på dess storlek och mängden vatten som absorberas i rötterna. Transpiration står för större delen av vattenförlusten av en växt av bladen och unga stjälkar. Transpiration tjänar till att kyla växter förångande, eftersom det förångande vattnet bär bort värmeenergi på grund av dess stora latenta förångningsvärme på 2260 kJ per liter.

• 

  Effekten av temperatur på växternas transpirationshastighet.

• 

  Effekten av vindhastighet på växternas transpirationshastighet.

• 

  Effekten av fuktighet på växternas transpirationshastighet.

Vissa xerofyter kommer att minska ytan på sina löv under vattenbrister (vänster). Om temperaturen är tillräckligt sval och vattennivån är tillräcklig expanderar bladen igen (höger).

Under en växtsäsong kommer ett blad att transpirera många gånger mer vatten än sin egen vikt. En tunnland majs avger ungefär 11 400–15 100 liter vatten varje dag och ett stort ek kan ge ut 15 000 liter per år. Transpirationsförhållandet är förhållandet mellan massan av vatten som transpireras och massan av producerat torrsubstans; transpira förhållandet av grödor tenderar att falla mellan 200 och 1000 ( dvs. , grödor transpire 200 till 1000 kg vatten för varje kg av torr materia produceras).

Transpirationshastigheter hos växter kan mätas med ett antal tekniker, inklusive potometrar , lysimetrar , porometrar, fotosyntessystem och termometriska sapflödessensorer. Isotopmätningar indikerar att transpiration är den större komponenten i evapotranspiration . Senaste bevis från en global studie av vattenstabila isotoper visar att transpirerat vatten skiljer sig isotopiskt från grundvatten och strömmar. Detta tyder på att markvatten inte är lika bra blandat som allmänt antaget.

Ökenväxter har speciellt anpassade strukturer, som tjocka nagelband , minskade bladområden, nedsänkt stomata och hår för att minska transpiration och spara vatten. Många kaktusar gör fotosyntes i saftiga stjälkar snarare än löv, så skottets yta är mycket låg. Många ökenväxter har en speciell typ av fotosyntes, kallad crassulacean acid metabolism eller CAM-fotosyntes, där stomatorna är stängda under dagen och öppna på natten när transpirationen blir lägre.

Kavitation

För att bibehålla den tryckgradient som krävs för att en växt ska förbli frisk måste de kontinuerligt ta upp vatten med sina rötter. De måste kunna möta kraven på vatten som går förlorade på grund av transpiration. Om en växt inte kan ta in tillräckligt med vatten för att förbli i jämvikt med transpiration inträffar en händelse som kallas kavitation . Kavitation är när växten inte kan förse sin xylem med tillräckligt vatten så istället för att fyllas med vatten börjar xylem att fyllas med vattenånga. Dessa partiklar av vattenånga kommer ihop och bildar blockeringar i växten. Detta förhindrar att växten kan transportera vatten genom hela kärlsystemet. Det finns inget tydligt mönster där kavitation förekommer i hela växtens xylem. Om det inte tas om hand effektivt kan kavitation få en växt att nå sin permanenta vissningspunkt och dö. Därför måste växten ha en metod för att avlägsna denna kavitationsblockering, eller så måste den skapa en ny anslutning av kärlvävnad genom hela växten. Växten gör detta genom att stänga stomaten över natten, vilket stoppar transpirationsflödet. Detta möjliggör sedan för rötterna att generera över 0,05 mPa tryck, och det kan förstöra blockeringen och fylla på xylem med vatten, återansluta kärlsystemet. Om en växt inte kan generera tillräckligt med tryck för att utrota blockeringen måste den förhindra att blockeringen sprids med hjälp av groppäron och sedan skapa en ny xylem som kan återansluta kärlsystemet i växten.

Forskare har börjat använda magnetisk resonanstomografi (MRI) för att övervaka xylemens interna status under transpiration på ett icke-invasivt sätt. Denna bildmetod möjliggör för forskare att visualisera rörelsen av vatten genom hela växten. Det kan också se vilken fas vattnet befinner sig i xylem, vilket gör det möjligt att visualisera kavitationshändelser. Forskare kunde se att under 20 timmars solljus började mer än 10 xylemkärl fyllas med gaspartiklar som kaviterades. MR-teknik gjorde det också möjligt att se processen med vilken dessa xylemstrukturer repareras i anläggningen. Efter tre timmar i mörker sågs att kärlvävnaden försattes med flytande vatten. Detta var möjligt eftersom i mörker är stomaterna hos växten stängda och transpiration inte längre sker. När transpiration stoppas förstörs kavitationsbubblorna av trycket från rötterna. Dessa observationer tyder på att MR kan övervaka xylems funktionella status och gör det möjligt för forskare att se kavitationshändelser för första gången.

Se även

Referenser

externa länkar

• USGS The Water Cycle: Evapotranspiration