Вода и жизнь на Земле

Новиков Юрий Федорович

С помощью осмотических понятий удалось объяснить поступление воды и растворенных веществ в растительные клетки, так называемый пассивный транспорт. Д. А. Сабинин предположил, что помимо осмотического, т. е. физического механизма, должно существовать и активное поглощение воды клетками, связанное с обменом веществ.

А. М. Алексеев установил: протоплазма, богатая высокополимерными соединениями, оказалась способной к набуханию и отбуханию, что играет положительную роль во внутриклеточном обмене. Он показал, что активная подача воды корнем намного уступает пассивному ее передвижению.

Чем меньше газов в воде, тем она лучше для растений. Вода, лишенная газов, удивительно меняет

свою биологическую активность. Так, если воду подогреть до 70°, 90° или до 100 °C, герметично закрыть и охладить до 20 °C и в этой дегазированной воде замочить 1 кг семян сахарной свеклы, то это позволит получить прибавку к урожаю 42–48 %. Два стакана такой воды на килограмм зерна, — и колосья пшеницы дышат интенсивнее. Разумеется, и урожай выше.

Это явление можно объяснить следующим образом. Для роста и развития растений большое значение имеют микроэлементы — мельчайшие дозы меди, железа, марганца, цинка, молибдена, никеля и других металлов, растворенных в воде. Кислород, содержащийся в пузырьках газа, окисляет микроэлементы — и растения их почти не усваивают.

В водном режиме растений важную роль играет влажность почвы. Различные почвы удерживают разное количество воды. Наиболее влагоемки глинистые почвы, наименее — песчаные. Вода в почве находится в состоянии доступном и недоступном для растений. Наиболее доступна для корней растений вода, заполняющая промежутки между комочками почвы. Однако существует вода, входящая в состав почвенной структуры. Такая вода удерживается частицами почвы с большой силой и поэтому становится недоступной для растений. Когда почва увлажнена неравномерно, тогда корень растений старательно обходит сухие участки, предпочитая им более влажные. Если в дневное время в сухую и жаркую погоду растения теряют влаги больше, чем получают ее корневой системой, то ночью, когда процесс испарения снижается, и благодаря нагнетающей работе корней водный дефицит может выравниваться. Если приход воды систематически не покрывает ее расход, растение может засохнуть.

Первое проявление дефицита воды — появление вялости и поникание листьев и стеблей. Установлено, что дефицит воды выше 20 % ведет к снижению интенсивности фотосинтеза — основного процесса образования органических веществ. Если дефицит воды достигнет 50 %, прекращается процесс фотосинтеза. Как показывают исследования физиологов разных стран, водный дефицит является причиной нарушения всех биохимических и физиологических процессов у растений. Происходит снижение интенсивности клеточного деления и роста клеток. Резкий водный дефицит может вызвать прекращение внутриклеточных обменных процессов вплоть до разрушения белков и углеводов.

Вот как реагируют растения на резкий недостаток воды: автоматически закрываются устьичные отверстия, вместе с этим прекращается поступление углекислого газа воздуха и испарение воды из межклетников, приостанавливается процесс фотосинтеза, отсюда как последствие — уменьшается рост надземной части растений. Внутри растения происходит перемещение влаги, более молодые листья оттягивают воду от более старых. В результате недостатка влаги старые листья завядают и затем отмирают. Дальнейший дефицит влаги и повышение температуры может привести к засыханию и молодых листьев. В последнюю очередь реагируют цветочные органы. Когда степень обезвоживания достигает предела, происходит гибель всех клеток и тканей.

В тех случаях, когда вода вновь поступит в растение раньше, чем оно погибнет, то полного восстановления его тканей может не произойти. Такие растения становятся низкорослыми и дают низкий урожай.

У большинства растений существует чувствительный период к недостатку влаги, так называемый критический период, Для зерновых злаков наибольшая чувствительность к недостатку влаги наступает в период трубкования — колошения. Дефицит воды в критический период очень опасен, так как это может привести к снижению урожайности зерновых и других культурных растений.

Установить природу засухоустойчивости во многом помогли работы К. А. Тимирязева, который изложил новую для того времени точку зрения на испарение воды листьями. Он показал, что этот процесс неизбежен. Растения должны периодически открывать микроскопические отверстия в листьях, чтобы давать возможность углекислому газу проникать в клетки, а чтобы водный баланс сильно не нарушался, у растений имеются специальные приспособления для защиты от чрезмерного испарения и перегрева. Растения, обладающие высокой степенью засухоустойчивости, могут переносить значительный дефицит воды. Клетки таких растении не теряют способность проявлять многие важные жизненные процессы, в том числе и образование органических веществ.

Вода может быть поглощена растением в виде пара из атмосферного воздуха. Однако этот путь не имеет существенного значения в обеспечении растений водой, так как это не может спасти их от гибели в условиях почвенной засухи.

Растениям доступна гравитационная и капиллярная вода, и недоступна пленочная (гидроскопическая). Последняя, связанная с коллоидами почвы, может быть использована корнем лишь во время почвенной засухи, в том случае, если корневой волосок приходит с ней в непосредственный контакт. Гравитационная вода заполняет широкие промежутки между частицами почвы и под влиянием силы тяжести постепенно перемещается в ее нижние горизонты нисходящим током. Корни растений легко поглощают ее, пока она находится в зоне их распространения. Капиллярная вода заполняет тончайшие капилляры между частицами почвы, она не перемещается в нижние слои почвы под действием силы тяжести, являясь основным источником воды для растений. Источники воды в почве — атмосферные осадки, грунтовая вода, поливная вода.

Растения усваивают влагу из росы, которая впитывается через устьицы листьев внутрь растений. Таким способом растения дополняют недостаток воды, возникший в течение дня засушливого периода года. Образование росы в целом же оценивается как положительное явление в жизни растений — роса увлажняет не только растительный покров, но и почву. Часть влаги, образовавшейся от росы, всасывается и корнями растений. Случается, что роса служит единственным источником влаги. В некоторых районах земного шара, в частности в прибрежных пустынях Перу и Западной Африки, растения существуют за счет влаги туманов. Растительность в этих районах встречается в горах на высоте образования туманов (около 400 м). Следует отметить, что влага росы и туманов имеет большее значение для дикой растительности, чем для культурных растений.

В засушливых районах земного шара, особенно в пустынях, растения приспособлены к недостатку влаги. Испытывая дефицит влаги в верхних слоях, в погоню за ней устремляются и корни. Наибольшее распространение в пустыне имеют верблюжья колючка, саксаул и некоторые другие растения, у которых надземная часть во много раз меньше подземной. За счет незначительного роста надземной части растения меньше теряют воды на испарение, Корневая же система, чтобы достичь грунтовых вод, проникает на достаточно большие глубины. Длина корней верблюжьей колючки достигает 10–20 и более метров глубины. Саксаул развивает корневую систему до 20–30 м глубины, тогда как обычная высота растения составляет 2–2,5 м. На уровне водоносных слоев почвы корневая система ветвится густой сетью корешков.