Стебель и транспорт веществ в растении

Деревья являются важной частью городского ландшафта. Например, в середине прошлого века в Москве начали массово высаживать тополь. Тополь эффективно борется с выхлопами машин, поглощая избыточный углекислый газ CO2. Тополь также «собирает» грязь и пыль, а летом производит бактерицидные вещества.Тополь считается самым высоким деревом в России – он вырастает до 30 м в высоту. Такой рост тополю обеспечивает древесина – важнейший в промышленности материал. Из древесины делают мебель, бумагу, доски для строительства и многое другое. Древесина – лишь одна из частей стебля растения. Что же такое стебель, и как растениям удаётся транспортировать по нему вещества от корней до самых высоких листьев?   

Большинство современных растений являются сосудистыми. Это значит, что у них имеется специальная транспортная система – сосуды, которые проводят вещества от одной части растений к другой. Первые наземные растения были похожи на мох – они стелились тонким слоем по земле. Со временем преимущество получали те растения, которые вырастали выше всех. Чем выше растение – тем больше оно получает солнечного света. Таким образом у растений начали формироваться первые стебли.В ходе эволюции стебли появились намного раньше корней и листьев. Лишь спустя миллионы лет боковые ответвления стеблей превратились в листья, а нижняя часть стебля – в корни.

Стебли бывают самых разнообразных форм и размеров. Но большинство стеблей выполняют одинаковые задачи:1.На стеблях крепятся листья. Расположение и ветвление стеблей позволяет «разместить» на растении максимальное количество листочков, при этом лист имеет доступ к свету и не затеняет другие листья.2.Стебли транспортируют вещества. Вместе с водой, стебли переносят от листьев к корням сахара, а вверх по стеблю транспортируют минеральные вещества от корней к листьям.3.Стебли обеспечивают рост и прочность растения. Многие многолетние растения растут не только в высоту, но и в ширину. Чем выше растение, тем толще его стебель.

Мы уже познакомились с внешним строением стебля. Теперь рассмотрим внутреннее строение на примере цветковых растений. Все цветковые растения делятся на две группы: однодольные (орхидея, кукуруза, рис) и двудольные (вяз, перец чили, подсолнечник).У травянистых двудольных и однодольных растений стебель состоит из одинаковых тканей:1. Эпидерма покрывает стебель снаружи. Она защищает растение и предотвращает потерю воды.2. Механическая ткань занимает бóльшую часть стебля. Она образует сердцевину (здесь запасаются питательные вещества) и кору (придаёт стеблю прочность).3. Проводящая ткань образует пучки сосудов, которые транспортируют вещества. У однодольных сосуды разбросаны по всему стеблю, а у двудольных сосуды располагаются в виде кольца.

Строение стеблей

Травянистые растения редко вырастают выше двух метров. Другое дело – деревья. Например, секвойя достигает 100 метров в высоту и более 7 метров в диаметре. Такой рост возможен благодаря утолщению проводящей ткани.У деревьев в стеблях сохраняются активно делящиеся клетки – они производят новые клетки флоэмы и ксилемы. Со временем флоэма превращается в луб, а ксилема – в древесину. Клетки ксилемы (древесины) имеют толстые стенки, богатые лигнином. Лигнин придает древесине характерную твердость и прочность.Эпидерма  заменяется на более прочную пробку. Клетки пробки постоянно отмирают и отшелушиваются, что придаёт коре деревьев потрескавшийся вид.Сердцевина дерева также затвердевает и покрывается смолами, препятствующими гниению. От центра стебля отходят горизонтальные лучи, питающие клетки стебля.

Если посмотреть на спиленный ствол дерева, то можно заметить, что древесина окрашена в два цвета. Более темная центральная часть – сердцевина. Сосуды сердцевины заполнены различными смолами и поэтому утрачивают способность транспортировать вещества. Иногда сердцевина выедается насекомыми, что не мешает росту растения. Светлая часть древесины – за́болонь. Она состоит из молодых клеток ксилемы, проводящих воду и минеральные вещества. Наружная плотная оболочка дерева – пробка – не пропускает газы, необходимые для внутренних слоёв ствола. Поэтому на поверхности дерева образуются многочисленные утолщения – чечевички. Через чечевички происходит газообмен между живыми сосудистыми клетками и окружающей средой.

На спиле деревьев умеренных широт (которые растут, например, в России или в Канаде) видны годичные кольца. Вы наверняка знаете, что по годичным кольцам можно определить возраст дерева. Но как годичные кольца образуются?В разные сезоны растение развивается неравномерно. Летом дерево активно растёт, клетки проводящей ткани активно делятся – за летний сезон они образуют толстое светлое кольцо. Зимой рост замедляется, клетки делятся медленно и близко располагаются друг к другу – образуется плотное тёмное кольцо.По толщине годичного кольца можно также определить была ли засуха, наводнение или похолодание.  Ученые изучают годичные кольца старых деревьев, чтобы узнать о том, какой был климат на Земле тысячи лет назад. 

Древесина

Древесина различных деревьев различается по составу, прочности, гибкости и другим характеристикам. 

История письменности  неразрывно связана со стеблями растений. Одним из древнейших писчих материалов является папирус. Египтяне использовали папирус уже в 3-м тысячелетии до н. э. Папирус – это травянистое растение, произрастающие на берегах Нила. Папирусная бумага делалась из сердцевины стебля растения.В древности для письма также использовали бересту (из коры берёзы) и пергамент (из кожи животных). Настоящую «классическую» бумагу изобрели в Китае в 1 веке н. э. Секрет производства бумаги китайцы подсмотрели у ос, которые для строительства гнезд использовали смоченную слюной древесину. На Руси бумагу стали использовать только в середине 14 века.Сегодня 90% бумаги получают из целлюлозы хвойных деревьев. Сложный технологический процесс позволяет получить бумагу для любых нужд.

У некоторых растений стебли изменились для выполнения новых задач. Чтобы не спутать видоизменённый стебель с листьями или корнями, помните, что у любого стебля имеется узел, междоузлия и пазушные почки.

Корневище - это растущие под землей стебли. Внешне они напоминают корни, но при ближайшем рассмотрении можно обнаружить листья и пазушные почки. После прополки или зимой верхняя часть растения отмирает. Однако благодаря запасенным в корневище питательным веществам растение возобновляет свой рост. Корневище имеется у хмеля, спаржи, ириса и имбиря.

Столоны – горизонтально вытянутые побеги корневища. Вдоль столона имеются почки, из которых развиваются новые растения. Размножение столонами позволяет растению создать множество своих клонов за короткий срок.  После отмирания столона клоны живут независимо от своего родителя.

Клубень – шарообразное утолщение на конце столона. Клубни используются для вегетативного (бесполого) размножения. В клубнях также запасаются питательные вещества (например, крахмал в клубнях картофеля). Не путайте клубни с корнеклубнем и клубеньками.

Основу луковицы составляют мясистые листья, в которых хранится вода и питательные вещества. Короткий, плоский стебель (донце) расположен на нижней части луковицы.

Видоизменения стеблей

Представьте, что вам необходимо поднять сорок 20-литровых баллонов с водой на высоту 5-этажного дома. Растения проделывают подобную работу каждый день. И что самое удивительное, они не тратят на это энергию.У растений нет органа наподобие сердца, который работал бы в качестве насоса. Вместо этого транспорт веществ в растениях происходит под действием естественных физических процессов.На небольшие расстояния (несколько клеток) вода перемещается в результате осмоса. Однако для транспорта от одной части растения к другой, растения используют две транспортные системы – ксилему и флоэму. Ксилема состоит из полых клеток сосудов и трахеид, укрепленных лигнином. По ксилеме происходит транспорт минеральных веществ от корней к листьям. Флоэма образована ситовидными трубками – они проводят сахара от листьев к корням, цветкам и к другим органам растения.

Транспорт веществ по растению

Проведем небольшой эксперимент. Возьмём две одинаковые моркови. Одну  поместим в стакан с обычной водой (1), а другую – в стакан с солью (2). Через два часа сравним моркови. Морковь из стакана с обычной водой не изменилась, а морковь из стакана с солью уменьшилась в размере, стала мягкой и «обвисшей». Почему так произошло?Молекулы воды находятся в постоянном движении. В первом стакане вода свободно проникает и уходит из клеток моркови. Во втором стакане добавленные молекулы соли «мешают» движению молекул воды. При этом соль через мембрану клетки пройти не может. Поэтому во втором стакане из клеток моркови воды выходит больше, чем поступает.Осмос – это самопроизвольное движение воды через мембрану при разных количествах (концентрациях) растворённого вещества (в нашем случае это соль).

Осмос

На самом деле, в воде из первого стакана тоже было какое-то количество соли. Но так как количество солей в клетке и в воде было одинаково, то вода свободно двигалась в обоих направлениях. Во втором стакане количество соли было больше в воде, поэтому вода из клетки активно выходила.Возможен и третий случай. Если мы поместим морковь в стакан с чистой водой (в такой воде солей нет совсем), то в результате осмоса вода будет перемещаться в клетки – в итоге морковь набухнет. Осмотическое движение воды обеспечивает тургорное (набухшее) состояние клеток растений.В результате осмоса вода также попадает из почвы в корни. В корнях солей почти всегда больше, чем в почве.

Корни растения – эффективные машины по поглощению веществ. Так, у 4-месячной ржи общая длина корней превышает 500 км! Всасывают вещества корневые волоски – крошечные выросты корней. Если вода поступает в корневой волосок пассивно при помощи осмоса, то минеральные соли активно закачиваются (для этого клетки расходуют энергию).Далее вещества от корневого волоска должны достичь ксилемы. Вдоль корня вещества транспортируются либо через плазмодесмы клеток, либо через клеточные стенки. На пути к ксилеме вещества сталкиваются с восковым барьером – пояском Каспари. Нужные для растения минералы через поясок проходят, а вредные (например, соли тяжелых металлов) задерживаются в корнях.  Достигнув ксилемы, вещества транспортируются к верхним частям растения.

Транспорт в корнях

Как же растения преодолевают силу тяжести и переносят вещества вверх? Главной движущей силой является транспирация. Транспирация – это процесс испарения воды из листьев.Около 99% всей получаемой растением воды теряется в ходе транспирации. Например, кукуруза ежедневно потребляет 2 л воды в день и только 20 мл используется для нужд растения. Постоянно испаряющаяся вода создаёт «подсасывающую» силу, напоминающую всасывание жидкости через соломинку. В результате вода из нижних слоёв движется по ксилеме вверх. Движению вверх также помогает «химическое сцепление» молекул воды друг с другом и «притягивание» воды к стенкам ксилемы.  Ученые подсчитали, что благодаря этим механизмам вода с лёгкостью поднимается на высоту до 150 метров.Скорость испарения воды с листьев, а значит и скорость транспорта, зависит от скорости ветра, влажности и температуры. Максимальная скорость транспорта по ксилеме достигает 45 м/ч. За регуляцию транспирации отвечают устьица, которые могут открываться или закрываться.

Транспорт по ксилеме

Транспорт по флоэме

Физические и химические свойства флоэмы изучать невероятно сложно. Поскольку клетки флоэмы находятся под давлением, разрезание флоэмы повреждает содержимое клеток. Вмешательство учёных приводит к выделению флоэмного сока в другие части растения и смешению веществ. Однако в середине прошлого века нашелся необычный способ изучения флоэмы.Решить проблему помогла обыкновенная тля. Это крошечное беспозвоночное животное питается соками растений через ротовой аппарат. Ученые аккуратно разрезали лазером ротовой аппарат тли и изучали его содержимое. Такой метод позволил точно изучить состав ксилемного сока. Например, выяснилось, что основной компонент флоэмы – углевод сахароза.

Из стеблей человек научился добывать различные полезные вещества. Так, березовый сок богат витаминами и углеводами. Сок алоэ вера используют в качестве успокоительного и в производстве йогуртов. Из каучука производят различные материалы.Долгое время для ученых оставалось загадкой, как образуется кленовый сок. Для получения кленового сока в кору дерева вставляется небольшой носик. Сок стекает с конца носика – 40 литров сока в год, что равно 1 литру готового кленового сиропа. В период сокоотделения у клёна отсутствуют листья. Получается, что теория транспирации не объясняет, как вода движется через вставленный носик.Возможно, в движение воду приводит поочередное замораживание и оттаивание тканей ксилемы. В течение дня дышащие клетки ствола производят CO2. Ночью сжатые пузырьки CO2 застревают во льду, который образуется в ксилеме. Когда ксилема оттаивает в течение дня, газы снова расширяются, выталкивая сок вверх по дереву.

Польза стеблей для человека и животных

Собака – верный друг и защитник человека. Взамен мы даём собакам крышу над головой и еду. Точно так же растения «подселяют» к себе муравьёв. У некоторых тропических деревьев есть полые участки в стебле – домации. В них и живут муравьи. Более того,  на стебле растения выделяется флоэмный нектар, которым питаются жители дерева. Почему растения тратят драгоценный нектар для своих крошечных жителей?Живущие на дереве муравьи обеспечивают своему дому защиту. Они мешают травоядным поедать листья, а также истребляют прожорливых гусениц. Исследования показали, что деревья с муравьями-защитниками более жизнеспособны, чем без них.