Изменение скорости всасывания, проведения и усвоения макроэлементов растениями в условиях нормальной и пониженной гравитации

В настоящее время, в условиях экологических кризисов и постоянного увеличения численности народонаселения Земли, особенно актуально изучение повышения урожайности культурных и дикорастущих растений, выведение новых высокоурожайных сортов. Та же проблема встает и перед космическими станциями – обеспечение продовольствием, лекарствами, витаминами на орбите. При этом важно учитывать, что рстения так же обеспечивают людей кислородом.

Исходя из важности и актуальности проблемы мы решили для нашего исследования взять тему: «Изменение скорости всасывания, проведения и усвоения макроэлементов растениями в условиях нормальной и пониженной гравитации».

Основная часть.

Растения, в отличие от животных, питаются простыми веществами не только из воздуха (СО2 – фотосинтез), но и из почвы. Растение усваивает простые неорганические соединения внешней природы и строит из них свое тело.

Органические вещества состоят в основном из органогенных элементов: кислорода, водорода и азота. Вместе с тем в растениях обнаруживается от 5 до 10 % зольных минеральных элементов, остающихся в золе после сжигания растительного материала. Они, в отличие от углерода и азота не улетучиваются. Зольные элементы поглощаются корнями растений из почвы.

Процесс усвоения зольных элементов и азота из почвы получил название минерального питания растений. Теоретические основы минерального питания необходимы для разработки рациональных практических мероприятий, направленных на повышение продуктивности и урожайности растений.

Снабжение растений полным набором и в оптимальном соотношении минеральных элементов имеет значение в конструктивном и энергетическом обмене растений, в лечении ряда заболеваний растений, вызванных недостатком отдельных элементов, в повышении устойчивости растений к неблагоприятным факторам внешней среды, в регулировании осмотических явлений, протекающих в растении.

Анализ обнаруживает в растениях почти все элементы периодической системы Менделеева. Однако необходимых для питания растений элементов сравнительно немного. Среди них различают макро- и микро- элементы. К макроэлементам относятся те, содержание которых составляет от 0,01% до 10% свежей массы растения, а к микроэлементам такие, содержание которых на ту же массу от 0,00001% до 0,001%.

Абсолютная необходимость макроэлементов была доказана с помощью водных, песчаных, гравийных и других культур. От наличия макроэлементов зависит нормальный рост растений, способность к цветению, плодоношению, нормальный обмен веществ. При исключении того или иного необходимого элемента из питательной смеси нарушаются многие процессы жизнедеятельности и структура растительной клетки. Доказано, что физиологическое значение каждого необходимого элемента строго специфично. Отсутствие одного из них нельзя заменить или компенсировать другим.

Для данной статьи мы выбрали гидропонный способ выращивания растений, как наиболее оптимальный.

Состав питательного раствора (в граммах на 1л. воды. ) по Кнопу:

Ca(NO3)2 – 10

KNO3 – 2,5

KH2PO4 – 2,5

MgSO4 – 2,5

KCl – 1,25

FeCl3 – 1,25

Доказано, что физиологическое значение каждого необходимого элемента строго специфично. При исключении того или иного необходимого элемента из питательной смеси нарушаются процессы жизнедеятельности растения. Отсутствие одного из них нельзя компенсировать другим. Поглощение питательных элементов растением тоже происходит неравномерно.

В состав органических соединений не входит и лишь изредка образует с белками нестойкие соединения, вскоре распадающиеся. Как одновалентный ион, калий регулирует состояние цитоплазмы клеток растений, повышая ее проницаемость и уменьшая вязкость. Основная масса его находится в клеточном соке. Калий принимает активное участие в осмотических явлениях клеток, тканей и растения в целом, движения устьиц (калиевые насосы). Калий способствует синтетической деятельности клеток в качестве активатора многих ферментов. Основная роль калия – регуляторная: влияя на состояние цитоплазмы клеток растений, активируя ряд ферментов, он принимает участие в ходе и направленности процессов обмена веществ в растении.

Кальций.

Содержится в растениях а органических веществах и в ионной форме. В виде пектата кальция он входит в состав срединной пластинки клеточных стенок растений. В сравнительно больших количествах этот элемент обнаруживается в составе хромосом, а также в мембранах, стабилизируя их структуру. В свободном виде как двухвалентный ион кальций выступает в роли антагониста калия – повышает вязкость и снижает проницаемость цитоплазмы. Этот элемент нейтрализует избыток органических кислот в клетках, например щавелевой кислоты. Кроме того кальцию принадлежит важная роль в поддержании активной жизнедеятельности меристематических тканей, в особенности в корневых окончаниях.

Механизм поглощения минеральных элементов растением.

Для полного удовлетворения потребностей в минеральных элементах и воде растения развивают мощную корневую систему с огромной массой поглощающих корневых окончаний. К поглощающим корневым окончаниям азот и зольные элементы могут сами подходить за счет процесса диффузии и массового потока ионов вместе с током воды.

Поглощение корнями макро- и микроэлементов распадается на две фазы: начальную фазу, связанную с адсорбцией ионов поверхностью цитоплазматической мембраны и стенкой клетки поглощающих корней (плазмалемма и клеточные стенки представляют собой эффективные ионообменники); фазу проникновения ионов через наружную мембрану в цитоплазму.

1. Адсорбция ионов происходит очень быстро, иногда мгновенно и практически не зависит от внешних факторов. Адсорбция ионов на поверхности цитоплазматической мембраны носит обменный характер. Выделяемый при дыхании корней СО2 на внешней стороне плазмалеммы, взаимодействуя с водой, дает очень неустойчивую угольную кислоту Н2СО3, Которая сразу же распадается на катион водорода и анион НСО3 - :

СО2 + Н2О -→ Н2СО3, Н2СО3 -→ 2Н+ + Н СО3-

На образующиеся ионы Н+ и Н СО3- и обмениваются ионы питательного раствора того же знака:

Корень-→ СО2 + Н2О ↔ 2Н+ + Н СО3- К+

(питательный раствор)

Адсорбция ионов – это физико-химический процесс, в сильной степени зависящий от обменной емкости клеток корня.

Поступление ионов в клетки растений происходит избирательно. Под избирательностью понимается разная скорость активного транспорта, которая, в свою очередь, зависит от скорости усвоения минеральных элементов.

2. Проникновение ионов в цитоплазму на второй фазе испытывает сильное сопротивление плазмалеммы. Различают активный и пассивный транспорт веществ через мембраны.

• Пассивное поступление ионов через плазмалемму осуществляется с помощью медленного процесса диффузии по градиенту концентрации. Механизм пассивного транспорта осуществляется без затраты энергии. Транспортируемые ионы могут передвигаться через липиды мембран, растворяясь в них, через специальные гидрофильные канальцы в мембранах, или через поры в мембранах, общая площадь которых достаточно мала и составляет доли процента от всей поверхности мембраны.

• Активный транспорт веществ требует затраты энергии, в основном в форме АТФ. При нарушении снабжения клетки энергией активный транспорт ионов прекращается.

Существует ряд теорий, объясняющих механизм активного поглощения элементов минерального питания корневыми системами растения: с помощью мембранных переносчиков, элекрохимическая теория ионного транспорта и др.

В качестве мембранных переносчиков могут выступать белки (в том числе ферменты), некоторые липиды, рибонуклеотиды и другие вещества. Располагаясь в плазмалемме, они способны связывать адсорбированные на ее внешней поверхности ионы и переносить их в цитоплазму по схеме:

М + R ↔ MR ↔ R + M

R – переносчик ионов

М – переносимый ион

MR – комплекс переносчика с ионом.

Большую роль в активном транспорте принимают АТФ-азы – ферменты, которые, расщепляя АТФ, способны использовать освобождающуюся энергию для транспорта ионов. Переносчики могут располагаться против пор в мембранах, и в этом случае теория переноса минеральных элементов внутрь клетки корневого волоска становится еще более убедительной. Ионы солей, находясь около пар, присоединяются к белку, который в этот момент растягивает свою цепочку с активной группой, а затем, сокращаясь, увлекает ион.

Электрохимическая теория ионного транспорта основывается на предположении о существовании в цитоплазматической мембране ионных насосов, осуществляющих активный перенос ионов против градиента электрохимического потенциала. Такой перенос требует затрат энергии. Активное выкачивание одного иона служит движущей силой для переноса другого иона в клетку, например, поглощение ионов калия сопровождается выделением ионов натрия.

Большую роль в поглощении веществ играет активный транспорт ионов водорода (Н+-помпа).

С помощью градиента электрического потенциала поглощаются катионы солей К+, Са+, Мg+2 и др, а химического (протонного) – анионы солей, сахара и другие вещества. Предполагают, что Н+ -помпа растений имеет столь же важное значение для растений, как и Na-помпа для животных.

Судьба поглощенных минеральных элементов в растении.

Часть поступивших врастение минеральных ионов уже в корнях , взаимодействуя с органическими веществами, включается в состав АТФ, аминокислот, белков и многих других соединений. Другая часть ионов, пройдя без изменений через паренхиму корня разносится по всему растению и используется там, где эти ионы нужны в первую очередь – различные биосинтезы, деление клеток, рост растения, энергетические процессы и т. д. Третья часть ионов накапливается в клеточном соке и служит запасом, используясь по мере потребности в них растительного организма.

Калий и кальций поступают в растения в виде катионов различных солей и находятся либо исключительно в свободном виде (калий), либо в составе органического вещества и в свободном состоянии (кальций). Находясь в свободном виде, они регулируют осмотическое давление клеточного сока, состояние цитоплазмы, а в составе органических веществ – стабилизируют структуры мембран, хромосом, рибосом, митохондрий и других органелл клеток.

Практическая часть.

Для анализа поглощения макроэлементов растением мы выбрали гидропонный способ выращивания, т. к. данный метод возможно использовать не только на Земле, но и на космической станции в условиях пониженной гравитации.

Как питательный раствор была взята смесь по Кнопу следующего состава (в граммах на 1л. воды):

Ca(NO3)2 – 10

KNO3 – 2,5

KH2PO4 – 2,5

MgSO4 – 2,5

KCl – 1,25

FeCl3 – 1,25

В данную смесь мы поместили проращенные семена Кресс-салата и листовой петрушки в 10 повторностях каждый вид растения.

Через 25 дней был проанализирован химический состав питательного раствора на содержание ионов К + и Са2+ методом прямого титрования. Раствор с точно известной концентрацией реагента (титрант) постепенно добавляли к аналируемой сиаси, причем объем вводимого титранта контролировался. Титрование проводилось с помощью объемных бюреток.

В качестве анализирующего вещества на К + был взят гексанитрокобальтат натрия

Na3(Co(NO2)6), на ион Са2+ - карбонат натрия Na2CO3.

При взаимодействии ионов калия с гексанитрокобататом натрия образутся осадок желтого цвета гексанитрокобальтата калия К3(Co(NO2)6), титрование проводилось до начальной фазы образования осадка.

При взаимодействии ионов кальция с карбонатом натрия образуется осадок белого цвета, титрование проводилось до начальной фазы образования данного осадка.

К + + Na3(Co(NO2)6) → К3(Co(NO2)6) ↓ + Na+

(Осадок желтого цвета)

Са2+ + Na2СО3 → Са2СО3 ↓ + Na+

(осадок белого цвета)

Нами был измерен объем титранта с помощью градуированного мерного цилиндра и бюретки, и с помощью формул:

См = mв-ва / (М * Vр-ра)

(К+) = См * V1/ V1 + V 2 рассчитано количество анализируемых ионов в растворе (таблица):

Начальная концентрация Конечная концентрация Конечная концентрация

Кресс-салат петрушка

К+ 2,34 2,23 2,25

Са2+ 1. 389 1,175 1,108

Разница в уровне всасывания исследуемых ионов в разных повторностях была незначительна (0,001 – 0,0023г. ) В таблицу внесены средние величины.

Корни растений являются не только местом всасывания различных ионов, но и местом синтеза фитогормонов, без которых невозможен рост стебля. Энергично растущие ветки, если их срезать и поместить в питательный раствор, сразу же прекращают рост, который не возобновляется до тех пор, пока не появятся придаточные корни. Именно поэтому на улучшение работы корней направлены почти все приемы агротехники. Верно подобранный питательный раствор для оптимизиции минерального и водного питания растений позволяет управлять ходом физиологических процессов в корнях и в растении в целом для получения гарантированного и высокого качества урожая.

В условиях пониженной гравитации в растении происходят те же процессы и мы предполагаем, что будет изменяться либо скорость всасывания, либо объем, что должно сказаться на жизнеспособности растений. Поэтому мы предлагаем в растворах того же состава вырастить растения на орбите и проанализировать изменение состава раствора после возвращения контейнера на Землю, но контейнер с раствором предлагаем возвращать отдельно от растения, т. к. возможны изменения в растении в процессе возвращения на Землю.

Данные исследования могут помочь оптимизировать водное и минеральное питание растений. Управляя таким образом ходом физиологических процессов в корнях, можно регулировать обмен веществ во всем растении, получая на орбите гарантированные и высокого качества урожаи.