Минеральное питание растений
Минеральное питание — это поглощение растением из почвы воды и растворённых минеральных ионов, их перемещение и использование в обмене веществ. Главную роль в поступлении веществ играют корень, особенно корневые волоски, и проводящая система растения.
Что такое минеральное питание
Минеральное питание растений — поступление из почвы воды и растворённых ионов химических элементов, необходимых для построения клеток, работы ферментов, фотосинтеза, дыхания и роста.
Растение получает из почвы не готовые органические вещества, а главным образом воду и минеральные соли. В воде соли распадаются на ионы: например, нитрат калия — на \(K^+\) и \(NO_3^-\). Корень поглощает ионы из почвенного раствора, а затем они перемещаются в надземные органы по проводящим тканям.
Для нормальной жизнедеятельности растения необходимы десятки химических элементов. Особенно важны углерод, водород и кислород: углерод и кислород поступают в основном из углекислого газа и воды, а водород — из воды. Минеральные элементы поступают преимущественно из почвы.
Элемент может быть усвоен растением только в доступной форме: в виде растворённого иона или другого соединения, которое способны поглощать клетки корня. Общее количество элемента в почве не равно его доступности.
Как корень поглощает вещества
Основная зона поглощения расположена за зоной растяжения корня. Здесь находятся многочисленные корневые волоски — выросты клеток покровной ткани. Они увеличивают площадь контакта с почвой и уменьшают расстояние, которое ионы проходят до проводящей ткани.
Почвенный раствор поступает к корню благодаря разности концентраций и осмотическим явлениям. Вода проходит через полупроницаемые мембраны клеток корня в сторону большей концентрации растворённых веществ. Минеральные ионы могут поступать пассивно по градиенту концентрации или активно — с затратой энергии АТФ, если их концентрация внутри клетки уже выше, чем в почве.
| Механизм | Условия | Особенность |
|---|---|---|
| Пассивное поступление | Концентрация иона выше снаружи | Энергия клетки непосредственно не расходуется |
| Активное поступление | Ион накапливается внутри клетки | Используется энергия АТФ и работают мембранные переносчики |
| Осмос воды | Есть разность концентраций растворённых веществ | Вода проходит через полупроницаемую мембрану |
В школьных задачах осмотическое давление связывают с концентрацией раствора: \(\Pi\) — осмотическое давление, \(i\) — коэффициент, учитывающий число частиц после распада вещества на ионы, \(C\) — концентрация, \(R\) — газовая постоянная, \(T\) — абсолютная температура. Чем больше концентрация растворённых частиц, тем выше осмотическое давление.
В почвенном растворе концентрация нитрат-ионов равна \(2\) условным единицам, а внутри клеток корня — \(8\). Определим, какой транспорт необходим для накопления нитратов.
Следовательно, корень способен накапливать необходимые ионы даже тогда, когда их в почвенном растворе мало. Для этого клеткам нужны энергия дыхания и белки-переносчики.
Почему корневые волоски повышают эффективность поглощения воды и солей?
Перемещение веществ по растению
После поступления в клетки корня вода и ионы перемещаются к центральной части корня, где входят в проводящую ткань. По проводящей ткани ксилеме вода и растворённые минеральные вещества поднимаются от корня к стеблю и листьям. Движению способствуют корневое давление, капиллярные силы и испарение воды листьями — транспирация.
В листьях и других органах минеральные элементы включаются в состав органических соединений или активируют ферменты. Органические вещества, образованные в листьях при фотосинтезе, могут перемещаться по флоэме к корням, плодам, семенам и растущим побегам.
Роль химических элементов
Химические элементы делят на макроэлементы и микроэлементы. Макроэлементы нужны в относительно больших количествах, микроэлементы — в малых, но их недостаток также нарушает жизненные процессы.
| Элемент | Основная роль | Признаки недостатка |
|---|---|---|
| Азот (N) | Входит в состав белков, нуклеиновых кислот и хлорофилла | Замедление роста, пожелтение старых листьев |
| Фосфор (P) | Участвует в переносе энергии, кіреді в состав АТФ и нуклеиновых кислот | Слабый рост, иногда фиолетовая окраска листьев |
| Калий (K) | Регулирует водный баланс и работу ферментов | Побурение краёв листьев, ослабление стебля |
| Магний (Mg) | Центральный атом молекулы хлорофилла | Хлороз, пожелтение листьев |
| Железо (Fe) | Необходимо для работы ферментов и образования хлорофилла | Пожелтение молодых листьев |
| Кальций (Ca) | Укрепляет клеточные стенки, необходим для деления клеток | Отмирание верхушек побегов и корней |
Подробно значение отдельных веществ рассматривается на страницах «Минеральные элементы растений» и «Азотное питание растений». Важно отличать недостаток элемента от избытка: слишком высокая концентрация солей повреждает клетки корня и затрудняет поступление воды.
Не путайте: 1) минеральное питание и фотосинтез: корень получает воду и ионы, а органические вещества образуются главным образом в листьях; 2) ксилему и флоэму: ксилема переносит воду и минеральные вещества, флоэма — органические вещества; 3) макро- и микроэлементы: микроэлемент нужен в малом количестве, но не является «неважным»; 4) недостаток воды и недостаток минерального элемента — это разные причины нарушений.
Условия нормального минерального питания
- В почве должно быть достаточно доступных ионов и воды.
- Почвенный раствор не должен быть слишком концентрированным.
- Клетки корня должны получать энергию при дыхании.
- Температура должна позволять работать ферментам и мембранным переносчикам.
- Корень должен быть здоровым, а проводящая система — неповреждённой.
При переувлажнении в почве становится мало кислорода, поэтому корневые клетки хуже дышат и активное поглощение ионов ослабевает. При засухе вода становится недоступной, а высокая концентрация солей может вызвать выход воды из клеток. Поэтому растениям важны не только удобрения, но и правильный водный и воздушный режим почвы.
Если в условии спрашивают о причине пожелтения листьев, сначала определите, где проявился признак. Пожелтение старых листьев часто связано с недостатком азота или магния, а молодых — с недостатком железа. Затем проверьте, не указаны ли засуха, переувлажнение или избыток солей.
Быстрая проверка
Главное
- Минеральное питание — поступление воды и растворённых ионов из почвы.
- Корневые волоски увеличивают площадь поглощения; вода поступает осмотически, а ионы могут переноситься пассивно или активно.
- По ксилеме к листьям движутся вода и минеральные вещества, по флоэме — органические вещества.
- Азот нужен для белков и хлорофилла, магний — для хлорофилла, фосфор — для переноса энергии, калий — для регуляции водного баланса.
- Доступность элемента зависит от его формы, влажности, концентрации солей, температуры и снабжения корня кислородом.