Корни и минеральное питание растений

Даже в 21 веке человек беззащитен перед природными стихиями. Торнадо или мощный шторм способен уничтожить всю городскую инфраструктуру, сорвать крыши с домов и с лёгкостью поднять в воздух машины. Но даже сильный торнадо «беспомощен» перед мощью деревьев. Прошедший над лесом ураган повалит самые высокие деревья, но большинство растений не будут вырваны с корнем.Корни – это подземный орган, который прочно закрепляет растение в почве. Корни составляют до трети от массы всего растения, достигая 3-5 метров в глубину. Однако шахтеры обнаруживали корни на глубинах свыше 50 метров!Закрепление растения в почве – лишь одна из функций корней. Не менее важная задача корня – всасывание минеральных веществ из почвы.

Корень – первый орган растения, который появляется из прорастающего семени. После прорастания корень разветвляется, образуя боковые корни. Боковые корни также многократно ветвятся, прочнее закрепляя растение в земле и увеличивая площадь поглощения веществ.Стержневая корневая система характерна для растений с одним главным корнем, от которого отходит множество боковых. Прочный «фундамент» стержневого корня прочно закрепляет растение и позволяет ему вырасти высоко.Мочковатая корневая система встречается у травянистых однолетних растений. Главный корень у них отмирает. Вместо него от стебля отходит множество придаточных корней.Корни многих растений сочетают признаки стержневой и мочковатой корневых систем.

Строение корней

У растущего корня выделяют несколько зон:Снаружи в форме напёрстка корень покрывает корневой чехлик. Корневой чехлик защищает нежные ткани молодого корня, который проталкивается сквозь землю. Клетки корневого чехлика постоянно делятся, а старые клетки отслаиваются. Отшелушенные клетки образуют слизь, облегчающую продвижение корня. В корневом чехлике также расположены «датчики» силы тяжести, направляющие корень вниз.В зоне деления расположены мелкие активно делящиеся клетки (апикальная меристема). Именно из меристемных клеток образуются все другие ткани растения.В зоне растяжения клетки вытягиваются в длину, благодаря чему происходит удлинение корня.В зоне всасывания клетки эпидермы образуют корневые волоски. Они участвуют во всасывании воды и минеральных веществ. 

Эпидерма

Проводящая ткань

Механическая ткань

Видоизменения корней

Мангровые растения живут в заболоченных почвах, и их корням не хватает воздуха. У мангровых растений корни возвышаются над землей,  выполняя функцию дыхания (такие корни ещё называют пневматофоры).

У баньяна корни свисают со стеблей. Если такой корень достигнет земли, то он создаст для дерева дополнительную опору.

Сократительные корни втягивают растение глубже в почву. Луковицы лилий каждый год углубляются в почву по мере развития новых сократительных корней. Луковицы продолжат опускаться до тех пор, пока не будет достигнута область с оптимальной температурой.

Что нужно растениям для жизни? В 17 веке голландский химик Гельмонт попытался ответить на этот вопрос, поставив простой эксперимент. Гельмонт хотел знать, откуда берётся масса растущего растения. Сперва он поместил 90 кг почвы в горшок и посадил 2-килораммовый саженец ивы. Затем в течение 5 лет Гельмонт только поливал растение. В конце эксперимента он повторно взвесил иву и почву. Ива набрала 70 кг, а почва потеряла всего 60 граммов. Гельмонт ошибочно предположил, что массу растение получило только из воды. Сегодня ботаникам известно, что растения в ходе фотосинтеза «впитывают» в себя углекислый газ из воздуха – основной источник прироста массы растения.Гельмонт также проигнорировал потерю 60 г в почве, списав это на ошибку. Однако его расчеты были верны. «Потерянные» 60 г – это минералы из почвы, которые были поглощены растением. Хотя растению требуется скромное количество минералов, но даже небольшой их дефицит привёл бы к его гибели.

Минеральное питание растений

Поглощение различных веществ из окружающей среды – главная задача любого живого организма. Часть поглощенных веществ используется в качестве строительного материала, другая часть – для производства энергии. Растения научились получать эти два ресурса в процессе фотосинтеза, в ходе которого они создают сахар. Однако  на одном только сахаре растение не выживет. Ему необходимо также производить нуклеиновые кислоты (ДНК), белки, жиры и многие другие молекулы.Помимо углекислого газа и воды, требующихся для фотосинтеза, растения поглощают азот, кальций, фосфор и многие другие минеральные вещества. Но необходимые молекулы залегают глубоко в почве или находятся в малых концентрациях (количествах). Корни растения – это эффективная машина для поиска и сбора  редких ресурсов.

Поглощение различных веществ растением

Из земли растения поглощают около 15 основных элементов.Азот(N), фосфор(P) и калий(К) требуются в больших количествах – это макроэлементы (от греч. макро – большой). Часто рост растения сдерживает именно недостаток макроэлементов в почве.Железо(Fe), цинк(Zn), и некоторые другие – это микроэлементы (от греч. микро – маленький). В растении они присутствуют в небольших количествах. Например, на один атом молибдена в растении приходится 60 миллионов атомов водорода.

Недостаток того или иного элемента приводит к порче органов и постепенному увяданию. При дефиците элемента проявляются разные симптомы. Например, увядание и пожелтение старых листьев говорит о недостатке азота или фосфора. Гибель молодых листьев указывает на дефицит железа или кальция. Избыток элементов в почве токсичен для растения и также приводит к увяданию.Откуда фермеры знают, сколько и в каких количествах вносить удобрения (смесь различных веществ)? В лаборатории ученые выращивали растения, убирая из питательной смеси по одному элементу. Затем они следили, как развивается растение и постепенно вносили недостающий элемент. Например, так было установлено, что для нормального роста томату необходима медь в количестве 0,002 миллиграмма на литр воды.

Корневые волоски растения поглощают минералы только в растворённом виде. После дождя или полива, вода просачивается в почву, достигая корней. Почвенные минералы растворяются в воде, приобретая положительный или отрицательный заряд. Заряженные частицы называются ионами. Трудность для растений в том, что положительно заряженные ионы (К+,Mg2+,Ca2+) притягиваются к отрицательно заряженным частицам почвы (смотри рисунок). Чтобы «оторвать» от почвы эти ионы, корневые волоски выделяют ионы водорода H+. Положительно заряженные ионы водорода вытесняют другие ионы, делая их доступными для растения.Отрицательно заряженные ионы (нитрат: NO3-) к частицам почвы не «прилипают» и всегда доступны для растения. Однако такие ионы быстро вымываются из почвы.

Важность почвы для растенийПроцесс формирования плодородной почвы  занимает тысячи лет. Сперва происходит разрушение каменистых горных пород под действием ветра и дождя. Образовавшиеся мелкие частички (гравий, песок, глина) создают основу для почвы. Затем в почве появляются микроорганизмы. Они делают почву более плодородной, формируя гумус (органический компонент почвы). Самыми плодородными почвами считаются чернозёмы – доля в них гумуса составляет 10%.От состава и текстуры почвы зависит способность корней расти и поглощать вещества. Слишком плотная почва не даст корням нормально расти, а в слишком рыхлой минеральные вещества будут быстро вымываться. В свою очередь, корни растений играют важную роль в переносе глубоко залегающих веществ на поверхность, способствуя обогащению верхнего слоя почвы.

Древние фермеры заметили, что урожайность на возделываемой земле с годами снижается. Они были вынуждены вести кочевой образ жизни в поисках новых плодородных земель. Но со временем наши предки обнаружили, что внесение удобрений восстанавливает плодородие почвы. Теперь люди могли поколениями возделывать один и тот же участок земли, что в конечном итоге приведёт к появлению первых цивилизаций.   Почему при выращивании культурных растений земля теряет своё плодородие? В естественных экосистемах минеральные питательные вещества возвращаются обратно в почву после гибели и разложения растения. Однако в сельском хозяйстве растения «изымаются». Минералы, запасённые в растении, в почву не попадают. После многократных сборов урожая в течение нескольких лет количество элементов в почве снижается, что приводит к снижению плодородия почвы. Внесение в почву минеральных удобрений позволяет решить эту проблему. Сегодня удобрения производятся в виде готовых химических смесей. Основные элементы таких смесей – азот, фосфор и калий.

Эрозия – это процесс разрушения почвы под действием ветра и воды. В природе почва образуется быстрее, чем разрушается. Растения препятствуют эрозии, удерживая и скрепляя почву корнями. Однако чрезмерная эксплуатация человеком пахотных земель и вырубка лесов ускоряют эрозию почв.Деградация (разрушение) почв наблюдается во всём мире. В России около 80% сельскохозяйственных земель подвержены эрозии. Бедные гумусом почвы России  вынуждают фермеров интенсивно использовать доступные пахотные угодья, что приводит к ускорению темпов эрозии. В результате истощительного землепользования ежегодно недобирается 30% урожая.Своевременные методы мелиорации (процедуры по улучшению плодородия почвы) трудозатратны, однако они способны повысить плодородие почвы на годы вперед.

Растения получают минеральные вещества не только через корниМенее 1% (около 4500 видов)  от всех известных растений являются паразитами. Они получают минералы, воду и органические вещества из тела другого растения. Например, повилика («душащая трава») обвивает своими желтыми стеблями растение-жертву. Затем повилика погружает в жертву специальные видоизмененные корни и высасывает из неё питательные вещества. Длинные гибкие стебли повилики часто петляют от одного растения к другому, позволяя ей «подключиться» к множеству разных растений-хозяев.Большинство растений-паразитов все же может самостоятельно фотосинтезировать. Однако существуют виды, которые питаются только соками своего хозяина. Удивительно, но такие паразиты по способу питания больше напоминают животных, чем растения.

Эпифиты – это растения, которые растут на других растениях. Эпифиты не являются паразитами, так как используют своего «соседа» только в качестве опоры. К эпифитам относят некоторые виды лишайников, мхов и орхидей. Для нормальной жизни эпифитам не нужно контактировать с землей. Воду и питательные вещества эпифиты получают из дождевой воды, пыли и частиц, которые накапливаются в их тканях или в щелях коры.У некоторых эпифитных бромелиевых (родственники ананаса) листья растут в виде розеток и образуют «резервуары», в которых собирается вода и органический мусор. В таких случаях питательные вещества всасываются через листья.

В позапрошлом веке ходили легенды о гигантском растении на острове Мадагаскар, которое питалось людьми. Растений-людоедов ученым обнаружить не удалось, однако некоторые растения с удовольствием питаются насекомыми.Хищные растения способны фотосинтезировать, но страдают от нехватки минеральных веществ на заболоченной почве. Поэтому в ходе эволюции их листья адаптировались к привлечению, захвату и перевариванию насекомых, мелких ящериц и лягушек. Из переваренных животных хищные растения получают необходимый азот, фосфор и некоторые другие элементы.

Необходимые для растений азот и фосфор всегда в дефиците. Их концентрация (количество) в почве невелика, что ограничивает рост растения. Содружество (ассоциация) растений с грибами позволяет решить эту проблему.Переплетаясь, корни растений и нити грибов образуют микоризу. Оба партнера получают выгоду от сожительства друг с другом – такие взаимовыгодные отношения называют симбиозом. Гриб лучше усваивает фосфор и азот, передавая их растению. Растение, в свою очередь, делится с грибом продуктами фотосинтеза – углеводами. Грибы также стимулируют рост и ветвление корней и защищают их от почвенных микробов. Около 80% растений вступают в симбиотические отношения с грибами.

Хотя атмосфера Земли на 78% состоит из азота, растения не могут поглощать газообразный азот (N2). Чтобы атмосферный азот стал доступен для растений, он должен быть переведён в форму аммиака (NH3). Из всех живых существ лишь некоторые виды бактерий способны проводить подобную реакцию.Растения из семейства бобовых (горох, фасоль, и другие), а также ольха вступают в симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями. Корни бобовых обворачивают свои корни вокруг этих бактерий, образуя корневые клубеньки. Бактерии живут внутри растения и «делятся» с ним переработанным из воздуха азотом.Бобовые занимают важное место во многих экосистемах, так как это чуть ли не единственные растения, после разложения которых азот накапливается в почве.

Корни и их польза для человекаВ корнях многих растений запасаются продукты фотосинтеза. С древних времен человек приметил пользу и питательную ценность таких корней.Вам хорошо известны такие корнеплоды как репа, брюква, хрен, морковь и свёкла. Морковь особенно полезна, так как в ней содержится каротин. Каротин – красноватое вещество, которое является источником витамина А.Сахарная свёкла была выведена в 18 веке из обычного сорта свёклы. Селекционерам удалось увеличить количество сахара в свёкле с 2% до 20%. Сегодня 35% мирового сахара получают именно из сахарной свёклы. Интересно, что первым производство сахарной свёклы поддержал Наполеон. Таким образом он хотел положить конец монополии Англии, производившей сахар из тростника.Жители южных стран употребляют такие корнеплоды как маниока и батат (сладкий картофель). Батат является особенно питательным – он содержит 5% белков, богат витаминами A и D, а также железом, кальцием и другими минералами.

Сегодня сельскохозяйственные почвы во всем мире страдают от загрязнения. Основными загрязнителями почвы являются токсичные для растений металлы: цинк, кадмий, ртуть, мышьяк. Растения поглощают токсичные металлы и либо погибают, либо «передают» эти металлы травоядным. Например, аммиак поглощается корнями риса и накапливается в зёрнах, которые употребляет в пищу человек. Аммиак является опасным канцерогеном (вызывает рак).Фиторемедиация – это использование растений для удаления загрязняющих веществ из почвы. Некоторые растения накапливают токсичные металлы в больших количествах. Так, лесная ярутка накапливает цинк в количествах, в 300 раз превышающих допустимую норму для других растений. Ярутку затем можно безопасно собирать и утилизировать. Такой метод был применён  после аварии на ядерном реакторе в Чернобыле. Посаженные растения эффективно удалили радиоактивный цезий из близлежащих озер.