employee
Rostov-na-Donu, Rostov-on-Don, Russian Federation
The mechanism of water rise in the xylem which allows the description of the water distribution in plants taking into account their anatomy, architectural form, and the influencing external factors is considered. The assumption is made that the primary mechanism for the water promotion in plants is a capillary rise. The major driving force to lift water to the top of the plant is the superficial tension in the capillary menisci. It has been established that the condition for lifting water in plants is, firstly, the presence of the water horizontal movement. Secondly, the total cross-section area of capillaries should increase from the butt-end to the top. It is shown that the plant height is determined by the number of its lateral branches, as well as the presence of cross perforated plates in the xylem vessels. The mechanism of the self-oscillating mode of the plant transpiration at small time intervals is explained.
capillaries, xylem, model, transpiration, plant.
Введение. Вода является одной из основных субстанций, обеспечивающих жизнедеятельность растений. Она участвует в сложных процессах формирования внутренней структуры и внешнего вида растения. В замкнутой цепи оборота воды «почва — растение — атмосфера — почва» достаточно хорошо изучены физические свойства почв и движение в них воды [1, 2], а также влияние физических и химических явлений на рост и развитие растений [3–5].
Вопрос о факторах, обеспечивающих подъём воды и её продвижение в корневой системе, стволах, стеблях и листьях, изучается более 250 лет [6]. Однако до настоящего времени не существует ясного понимания этого процесса.
Если при объяснении подъёма воды в растениях исключить из рассмотрения понятия «сосущей силы» [6] или «присасывающей силы транспирации» [7] и всё, с этими терминами связанное, то можно выделить гипотезы, которыми за неимением других объясняют в настоящее время наличие восходящего транспирационного тока воды в ксилеме растений.
По одной из гипотез причиной возникновения восходящего транспирационного тока воды считается наличие градиента водного потенциала между корнями и листьями растения, создаваемого нижним и верхним концевыми двигателями [4]. Нижний концевой двигатель — корневое давление, под действием которого вода поступает из корня в капилляры ксилемы. Наличие корневого давления подтверждают:
— возникновение пасоки (выделение сока при перерезке стебля растения на небольшом расстоянии от почвы);
— гуттация, наблюдаемая на неповреждённом растении.
Верхний концевой двигатель — транспирация. С ней связано продвижение воды от более насыщенных ею клеток и сосудов к поверхности листа. Транспирация приводит к обезвоживанию клеток листа. Считается, что при отсутствии листьев в сухой сезон и при высокой влажности атмосферного воздуха, когда транспирация минимальна, работает только нижний концевой двигатель. Величина корневого давления невелика. На неё влияют как внешние, так и внутренние факторы, но при оптимальных условиях она равна 0,1–0,15 МПа [4] и может уменьшаться при недостатке влаги в почве.
1. Shein, E. V. Kurs fiziki pochv. [Soil Physics course.] Moscow : Moscow State University, 2005, 432 р. (in Russian).
2. Shein, E. V., Karpachevsky, L. O., eds. Teoriya i metody fiziki pochv. [Theory and methods of Soil Physics.] Moscow : Grif i K, 2007, 616 р. (in Russian).
3. Yakushkina, N. I., Bakhtenko, E. Y. Fiziologiya rasteniy. [Plant Physiology : textbook for stu-dents.] Moscow : VLADOS, 2005, 463 p. (in Russian).
4. Kuznetsov, V. V., Dmitrieva, G. A. Fiziologiya rasteniy. [Plant Physiology.] 2nd revised and en-larged ed. Moscow : Vysshaya shkola, 2006, 742 p. (in Russian).
5. Zitte, P., et al. Botanika. Uchebnik dlya vuzov: v 4 t. [Botany. Textbook for high schools : in 4 vol.] based on the textbook by E. Strasburger, et al., transl. from German. Vol. 2. Chub, V. V., ed. Fiziologiya rasteniy [Plant Physiology.] Moscow : Akademiya, 2008, 496 р. (in Russian).
6. Rubin, B. A. Kurs fiziologii rasteniy : uchebnik dlya universitetov. [Plant Physiology course: textbook for universities.] 4th revised and enlarged ed. Moscow : Vysshaya shkola, 1976, 576 p. (in Russian).
7. Yakushina, N. I. Fiziologiya rasteniy. [Plant Physiology.] Moscow : Prosveschenie, 1980, 308 p. (in Russian).
8. Malinovsky, V. I. Fiziologiya rasteniy. [Plant Physiology.] Vladivostok, FEFU Publ. Centre, 2004, 109 p. (in Russian).
9. Henkel, P. A. Fiziologiya rasteniy [Plant Physiology.] Moscow : Prosveschenie, 1970, 192 p. (in Russian).
10. Daddington, K. Evolyutsionnaya botanika. [Evolutionary Botany.] transl. from English by E. E. Berengarten, T. I. Serebryakova, ed. Moscow : Mir, 1972, 307 р. (in Russian).
11. Pakhomova, G. I., Bezuglov, V. K. Vodnyy rezhim rasteniy. [Plant moisture status.] Kazan : Kazan Federal University Publ. Centre, 1980, 252 p. (in Russian).
12. Ugolev, B. N. Drevesinovedeniye i lesnoye tovarovedeniye : uchebnik. [Wood Science and Forestry Commodity : textbook.] 3rd ed., reimpr., Moscow : Akademia, 2010, 272 p. (in Russian).
13. Timonin, A. K. Botanika : uchebnik dlya studentov vysshikh uchebnykh zavedeniy : v 4 t. [Botany: textbook for universities in 4 vol.] Vol. 3. Vysshiye rasteniya. [Higher Plants.] Moscow : Akad-emiya, 2007, 352 р. (in Russian).
14. Vernigorov, Y. M., Kipnis, I. A. [Capillary model of tree trunks.] Vestnik of DSTU, no. 6 (67), 2012, pp. 26-40 (in Russian).
15. Kramer, P. D., Kozlowski, T. T. Fiziologiya drevesnykh rasteniy. [Physiology of woody plants.] trans. from English. Moscow : Lesnaya promyshlennost, 1983, 464 p. (in Russian).
16. Vernigorov, Y. M., Kipnis, I. A. Matematicheskoye modelirovaniye raspredeleniya zhidkosti v vetvyashchikhsya kapillyarnykh sistemakh. [Mathematical modeling of liquid distribution in branch capillary systems.] Vestnik of DSTU, vol. 10, no. 8 (51), 2010, pp. 1195-1206 (in Russian).
17. Kipnis, I. A., Vernigorov, Y. M. Prodvizheniye vody v sisteme nesimmetrichnykh lineynykh kapillyarov. [Water advancing in asymmetrical linear capillary system.] Vestnik of DSTU, no. 3-4 (72-73), 2013, pp. 54-63 (in Russian).
18. Lotova, L. I. Botanika. Morfologiya i anatomiya vysshikh rasteniy. [Botany. Morphology and anatomy of higher plants.] 4th revised and enlarged ed. Moscow : LIBRIKOM, 2010, 512 p. (in Russian).
19. Kipnis, I. A., Vernigorov, Y. M. Kapillyarnaya model gabitusa rasteniy. [Capillary model of plant habit.] Izvestiya of Southern Federal University. Technical sciences. No. 9, 2013, pp. 250-255 (in Russian).
20. Kipnis, I. A., Vernigorov, Y. M. Matematicheskaya model podyema vody v prostykh krivol-ineynykh kapillyarakh. [Water rise mathematical model in simple curvilinear capillaries.] Vestnik of DSTU, no. 5/6 (74), 2013, pp. 110-120 (in Russian).
21. De Gennes, P. G. Smachivaniye: statika i dinamika. [Wetting: Statics and Dynamics.] Physics-Uspekhi, vol. 151, no. 4, 1987, pp. 619-681 (in Russian).
22. Kirkolup, E. R. Razrabotka ustroystv dlya issledovaniya svoystv zhidkosti v kapillyarnoy gidrodinamike : dis. … kand. tekhn. nauk. [Development of devices for studying fluid properties in capillary hydrodynamics: Cand. tech. sci. diss.] Barnaul, 2008, 146 p. (in Russian).
