Строение стебля. Передвижение веществ у растений

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.

Стебель - осевая часть побега растения. Стебли бывают самых разнообразных форм и размеров. Но большинство стеблей выполняют одинаковые задачи:1. Висячий стебель ипоме́и обвивает любые поверхности, чем пользуются садоводы.2. Массивные стебли (стволы) деревьев баобаба с острова Мадагаскар приспособлены для хранения воды и питательных веществ.

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:

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 (двудольных растений) в стеблях сохраняются активно делящиеся клетки (камбий) – они производят новые клетки флоэмы и ксилемы. Со временем флоэма превращается в луб, а ксилема – в древесину. Клетки ксилемы (древесины) имеют толстые стенки, богатые веществом лигнином. Лигни́н придает древесине характерную твердость и прочность.Эпидерма также заменяется на более прочную пробку. Клетки пробки постоянно отмирают и отшелушиваются, что придаёт коре деревьев потрескавшийся вид.Сердцевина дерева тоже затвердевает и покрывается смолами, препятствующие гниению. От центра стебля отходят горизонтальные лучи, питающие клетки стебля одного уровня.

1.Сердцевина. Состоит из живых клеток, запасающих питательные вещества и различные эфирные масла.2.Древесина (второе название – ксилема). Образована многочисленными мёртвыми трубчатыми клетками – трахеидами. В древесине голосеменных отсутствуют механические волокна. Опорную функцию выполняют непосредственно трахиеды, которые также проводят воду и минеральные вещества от корней к листьям.3.Камбий. Живые, делящиеся клетки. Образуют слои древесины и слои луба (показано стрелками на рисунке). Неравномерное деление клеток камбия зимой и летом образует годичные кольца (7).4.Луб (второе название – флоэма). В её состав входят живые безъядерные ситовидные трубки, проводящие вниз продукты фотосинтеза.5.Пробка – внешняя покровная ткань.6.Смоляные ходы – специальные трубочки хвойных растений, по которым текут различные смолы. Эти смолы обладают антибактериальными свойствами и придают особый аромат в хвойном лесу.

Если посмотреть на спиленный ствол дерева, то можно заметить что древесина состоит из двух цветов. 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 – заболонь. 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 различных деревьев различается по составу, прочности, гибкости и другим характеристикам. Поэтому в производстве применяют древесину разных видов деревьев.

История письменности человечества неразрывно связана со стеблями растений. Одним из древнейших писчих материалов является папирус. Египтяне использовали папирус 3 тыс. лет 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.

Представьте, что вам по 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. Вместе 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.

Проведем небольшой эксперимент. Разрежем морковь на две половины. Одну половину поместим в стакан с обычной водой (1), а другую в стакан с солью (2). Через час достанем половинки и сравним их. 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).

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 расходует энергию).Далее вещества от корневого волоска должны достичь ксилемы. Вдоль корня вещества транспортируются либо через плазмоде́смы клеток, либо через клеточные стенки. На пути к ксилеме вещества сталкиваются с восковым барьером. Нужные для растения минералы через барьер проходят, а вредные (например, соли тяжелых металлов) задерживаются в корнях.  Достигнув ксилемы, вещества транспортируются к верхним частям растения.

Как же растения преодолевают силу тяжести и переносят вещества верх? Главной движущей силой является транспира́ция. Транспирация – это процесс испарения воды из листьев.Около 99% всей получаемой растением воды теряется в ходе транспирации. Например, кукуруза ежедневно потребляет 2л воды в день и только 200 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 испарение воды с листьев, а значит и скорость транспорта, зависит от скорости ветра, влажности и температуры. Максимальная скорость транспорта по ксилеме достигает 45м/ч. За регуляцию транспирации отвечают устьица, которые могут открываться или закрываться.

Движение воды по ксилеме. Вместе с током воды движутся минеральные вещества. 1.Испарение воды из листьев создаёт "подсасывающую" силу. 2.Молекулы воды "прилипают" друг к другу и цепляются за стенки ксилемы, что поддерживает восходящий ток воды.   3.Корневые волоски всасывают воды вместе с растворёнными в ней минералами

В ходе фотосинтеза листья растения производят сахара, необходимые для жизни клетки. Однако не все органы растения (например, корни) могут делать сахара самостоятельно. Поэтому через флоэму сахара транспортируются к другим частям растения. Проследим, как происходит этот транспорт.

Физические и химические свойства жидкостей внутри стебля изучать невероятно сложно. Поскольку клетки стебля находятся под давлением, их разрезание повреждает содержимое клеток. Вмешательство учёных приводит к выделению сока из проводящих тканей в другие части растения и смешению веществ.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 флоэмного сока. Например, выяснилось, что основной компонент флоэмы -  углевод сахароза.