Розділ II ВОДООБМІН РОСЛИН

Мета. Дослідити основні  етапи водного обміну рослин, процеси поглинання, пересування та випаровування води в залежності від фізіологічного стану рослини, оволодіти основними засобами визначення  транспіраційної активності тканин 

Питання до обговорення.
1.	Форми води в рослині.
2.	Надходження води у рослину, нижній кінцевий двигун.
3.	Радіальний та висхідний транспорт.
4.	Верхній кінцевий двигун. Транспірація, види, інтенсивність, значення.

Лабораторна робота 1  Визначення різних форм води в рослині.
Нормальний хід процесів життєдіяльності клітин обумовлений не тільки їх загальним обводненням, але і співвідношенням вільної і зв'язаної води.
Вільною називають воду, що зберегла всі або майже всі властивості чистої води. Вільна вода легко пересувається, вступає в різні біохімічні реакції, випаровується в процесі транспірації і замерзає при низьких температурах. Зв'язана вода має змінені фізичні властивості.
Молекули води завдяки їх діпольності можуть взаємодіяти як друг з другом, так і з молекулами інших хімічних сполук. Завдяки водневим зв'язкам, молекули води утворюють ажурну квазікристалічну структуру з тетраедричною координацією сусідніх молекул. Така решітка (кристалічна вода)  може відносно міцно зберігатися в гелеподібних структурах і біологічних мембранах. В рідкому стані тепловий рух молекул не дає можливості формуватися постійній жорсткій решітці. В цьому випадку час існування окремих структур не перевищує 10-9 – 10-10 сек.
Іншим способом взаємодії води з речовинами клітини є хемогідратація низькополімерних (осмотично зв'язана) і високополімерних (колоїдно зв'язана вода) сполук. Біля кожної полярної або іонізованої групи розташовується декілька шарів орієнтованих молекул води, складаючи гідратну оболонку (гідратаційно зв’язана вода).
Крім кристалічно і гідратаційно зв'язаної води у фізіології розглядають поняття структурно зв'язаної води. Це вода, яка вступає у взаємодію з молекулами органічних сполук завдяки водневим зв'язкам. Вона грає велику роль при формуванні структури цитоплазми. В певних умовах в молекулах білка відбуваються конформаційні перетворення, перехід фібрил у глобули, золя у гель і т.д. При цьому молекули води можуть утворювати тривимірну сітку або вузькі порожнисті простори, заповнені водою. Ця вода виявляється зв'язаною через свою просторову ізольованість. Даний тип структурно зв'язаної води отримав назву імобілізованої.
Провести чітку грань між вільною і зв'язаною формами води дуже важко. До міцно зв'язаної води слід віднести велику частину води, що утримується при хемогідратації іонів і молекул низько- і високополімерними сполуками, до слабкозв‘язаної – воду дифузних шарів гідратаційних сфер, молекули яких зберегли рухливість, структурно зв'язану воду та осмотично поглинену воду клітинного соку.
Суть методу полягає в тому, що наважка досліджуваного рослинного матеріалу поміщається в розчин сахарози певної концентрації (наприклад, 30%). За зниженням концентрації цього розчину, визначеної за допомогою рефрактометра, можна визначити, скільки води віднімає розчин з висічок. Розчин віднімає з висічок вільну, вірніше, слабко зв'язану, легко рухому воду. В іншій паралельній наважці визначається загальна кількість води в рослинному матеріалі. За різницею між кількістю загальної і вільної води знаходять зв'язану воду.
Матеріали і обладнання: 1) рефрактометр; 2) бюкси; 3) піпетки на 5 мл; 4) сушильна шафа; 5) терези з важками.
Хід роботи
Вміст води визначається в листях різних рослин. В заздалегідь зважені скляні бюкси з притертими кришками наливають по 2 мл 30% розчину сахарози. Бюкси зважують і по різниці між першим і другим зважуванням визначають вагу розчину сахарози в бюксі. Потім дуже швидко береться наважка висічок листа ( близько 0,5 г) і поміщається в бюкси з сахарозою, після чого бюкси знову зважуються і залишаються при кімнатній температурі на 2 години. Вільна вода витягується сахарозою з досліджуваного об'єкту і внаслідок цього концентрація початкового розчину сахарози  змінюється. Визначають концентрацію початкового і дослідного розчинів сахарози. Зміна концентрації розчину сахарози вказує на кількість води, витягнутої з об'єкту.
Розрахунок вільної води проводиться за формулою:
    ,  де
Х – кількість вільної води, %;
А – відсоток сахару в початковому розчині;
В – відсоток сахару в дослідному розчині;
С – вага розчину сахарози;
D – вага наважки рослинного матеріалу, в г.
Загальний вміст води визначається шляхом висушування приблизно1 г наважки рослинного матеріалу в сушильній шафі при температурі 1050С протягом 2-3 годин до постійної ваги:
         , де
y– загальний вміст води, %;
А – вага висушеної наважки, г;
В – вага сирої наважки, г;

Кількість зв'язаної води розраховується за різницею між загальною кількістю води і кількістю вільної води.

Об‘єкт	Вага порожнього бюкса	Вага бюкса з розчином сахарози	Вага бюкса з сахарозою і наважкою	% початкового розчину сахарози	% дослідного розчину сахарози	Кількість загальної води ,%	Кількість вільної води,%	Кількість зв'язаної води,%	

Завдання: заповнити таблицю, зробити висновок про загальну кількість води в рослинній тканині та про співвідношення форм води в листі.

 

Лабораторна робота 2. Порівняння транспірації верхньої і нижньої сторін листа хлоркобальтовим  методом
Матеріали і обладнання: 1) свіже листя рослин (гортензії, фуксії, традесканції і ін.); 2) кружки хлоркобальтового паперу діаметром 1 см наклеєні ліпкою стрічкою  на предметні скельця; 3) пінцет; 4) мікроскоп; 5) лезо бритви; 6) предметні і покривні стекла; 7) препарувальна голка; 8) стаканчик з водою.
Якщо притиснути до листка заздалегідь висушений шматок фільтрувального паперу, просоченого розчином хлориду кобальту, то папір, поглинаючи водяну пару, що виділяється в процесі транспірації, міняє забарвлення з голубого (колір сухого СоСl2) на рожеве (колір СоСl26Н2О). За швидкістю набуття рожевого забарвлення можна приблизно судити про інтенсивність транспірації.
Хід роботи
Відклеїти ліпку стрічку з двома кружками хлоркобальтого паперу і негайно прикласти кружки  до двох сторін листка (безпосередньо на рослині). Хлоркобальтові папірці слід тримати  за ліпку стрічку, не торкаючись до них пальцями, від яких можуть залишитися рожеві плями.  (Максимально щільно притискайте липку стрічку до листка щоб усунути дію атмосферної вологи.) Спостерігати за зміною забарвлення хлоркобальтового паперу і записати результат (час порожевіння, хв).
Зробити зрізи верхнього і нижнього епідермісу дослідного листка (або іншого листка цієї ж рослини), розглянути їх в мікроскоп при великому збільшенні і замалювати.
 Для дистанційного вивчення -  подивіться відео https://youtu.be/ykpKiT8hI0s 
Завдання: зробити висновки про причини різної інтенсивності транспірації верхньої і нижньої сторін листа даної рослини.

Лабораторна робота 3. Підняття води в рослині по судинах
Рух води здійснюється по судинах і трахеїдах. Вода в судинах знаходиться у вигляді суцільних водяних ниток, які спираються на живі клітини кореня і сполучені з живими клітинами листка. Сила налипання води до стінок судин (адгезія) і сила зчеплення окремих молекул води між собою (когезія) дорівнює декількам сотням атмосфер. Для пересування води вгору потрібно, щоб клітини, які випаровують воду, мали достатню всисну силу. В клітинах листкової паренхіми вона сягає 20-40 атм і більше. Вода випаровується листком і тягне за собою водяну нитку. Рух води по судинах пояснюється присмоктуючою силою транспірації, кореневим тиском і наявністю безперервних водяних ниток.
Присмоктуюча сила транспірації і сили зчеплення води в рослині зумовлюють рух води в рослині і без кореневої системи. Це можна бачити на досліді з гілками або листками рослин, які ставлять в забарвлений розчин.
Матеріали і обладнання: 1) листок герані, суцвіття спатіфіллюма та білі квіти інших рослин; 2) мікроскоп; 3) 1% розчин еозину або харчовий барвник; 4) препарувальне обладнання; 5) предметні і покривні скельця; 6) колба.
Хід роботи
Зрізають листок герані (під водою) і ставлять черешок в розчин еозину або харчового барвника. Виставляють на яскраве світло. Через півгодини жилки листка забарвлюються в рожевий колір. Роблять зрізи листка під мікроскопом. Звертають увагу, по яких частинах провідного пучка пересувається забарвлений розчин.

 Для дистанційного вивчення – подивитися відео https://www.youtube.com/shorts/yKl87xEvlDY?feature=share

Завдання: зробити висновок, по яких елементах провідного пучка пересувається вода; замалювати основний пучок і відзначити забарвлені елементи.

Завдання 4. Вирішити задачі:
1.	Скільки води випарує рослина за 5 хв, якщо площа листкової поверхні становить 200 см2, а інтенсивність транспірації — 10г Н2О/ дм2 • год?
2.	За період вегетації рослини накопичили 2,1 кг органічної маси і випарували 525 кг води. Обчисліть транспіраційний коефіцієнт.
3.	Пагін, площа листків якого становить 1,2 дм2, за 4 хв випарував 0,06г води. За аналогічних умов з вільної поверхні води площею 20 см2 за 30 хв випарувалося 0,05 г води. Обчисліть відносну транспірацію (відношення інтенсивності транспірації до інтенсивності вільного випаровування).
4.	Маса листка в стані повного насичення водою становила 1,02 г, а після в'янення зменшилася до 0,9 г. Обчисліть величину водного дефіциту, якщо відомо, що абсолютно суха маса цього листка становить 0,42 г.
5.	 Рослину вирощували в металевій посудині з ґрунтом. Після того, як рослина добре розвинулася, поверхню ґрунту захистили від випаровування і полив припинили. Коли рослина стала в'янути, з посудини взяли пробу масою 5,15 г і висушили її до постійної маси при температурі 100 °С. Маса грунту після висушування становила 4,80 г. Обчисліть коефіцієнт в'янення.
6.	 Транспіраційний коефіцієнт дорівнює 125 мл/год. Обчисліть продуктивність транспірації.
7.	 Продуктивність транспірації становить 4 г/л. Обчисліть транспіраційний коефіцієнт.
8.	Скільки води випарує рослина за 15 хв, якщо площа її листків становить 200 см2, а інтенсивність транспірації — 5г Н2О/ дм2 • год.
9.	Обчисліть інтенсивність транспірації рослини з площею листків 4 м2, якщо відомо, що за 45 хв вона випарувала 750 г води.
10.	З поверхні пагона, площа листків якого становить 1,5 дм2, за 5 хв випарувалося 0,08 г води. За аналогічних умов з вільної водної поверхні площею 20 см2 за 2 год випарувалося 0,6 г води. Обчисліть відносну транспірацію.
11.	Як пояснити, що при загальній невеликій площі продихових щілин (не більше 1% від площі листа) інтенсивність транспірації при сприятливих умовах водопостачання наближається до інтенсивності евапорації (випарювання з вільної водної поверхні)?
12.	На нижню  поверхню листа ліщини в різні години ясного літнього дня наносили краплі ксилолу, бензолу та етилового спирту, при цьому спостерігали таке: о 5 год. ранку названі рідини не залишали на листках ніякого сліду, о 7 год. одержали плями від ксилолу та  бензолу, о 9 год. одержали плями від усіх трьох рідин,    а о 13 год. – плям на листі не спостерігалось. Поясніть результати досліду.
13.	Фільтрувальний папір, просочений розчином хлориду кобальту і просушеним до яскраво-голубого кольору був прикладений до двох сторін листа дуба. З нижньої сторони листа папір  порожевів через 15 хв., в той час як папір, прикладений до верхньої сторони, змінив свій колір лише через 3 години. Як пояснити одержані результати?
14.	Сіянець був двічі зважений з інтервалом 5 хв. Результат першого зважування 2,52 г, а другого – 2,49 г. Після цього рослину висушили до абсолютно сухого стану, причому її маса становила 1,02 г. Знайти економність транспірації (швидкість витрачення запасу води). Відповідь виразити в % за  годину.
15.	Визначити економність транспірації   за слідуючими даними: інтенсивність транспірації 25г/м2 , площа листя 50 см2 , сира маса рослини 20г, абсолютно суха маса – 9г.
16.	Гілка плакучої верби була зрізана і поставлена в банку з водою. Банку з гілкою закрили скляним ковпаком. Чи буде спостерігатися гутація у цієї гілки? Чому?