Вода и жизнь на Земле

Оптимальная интенсивность фотосинтеза растений наблюдается при небольшом дефиците воды в листьях. Уменьшение или увеличение воды вызывает уменьшение интенсивности этого процесса. Понижение интенсивности фотосинтеза по мере увеличения количества воды в листьях объясняется затруднением доступа углекислого газа вследствие насыщенности межклеточных пространств водными парами и уменьшением проницаемости мембран протоплазмы, хлоропластов для этого газа. Падение интенсивности фотосинтеза при значительном водном дефиците связано с увеличением вязкости протоплазмы, изменением структуры хлоропластов, что затрудняет доступ (и транспорт) углекислого газа в хлоропласты. Вместе с тем этому может содействовать замедление скорости движения протоплазмы и ее структурных образований при значительном водном дефиците. Важно также учитывать, что вода оказывает непосредственное действие на процесс фотосинтеза: атомы водорода и кислорода молекулы воды служат «строительным материалом» в процессе синтеза органических соединений.

В настоящее время фотосинтез считают окислительно-восстановительным процессом, при котором углекислота восстанавливается за счет водорода воды и других субстратов. Было доказано, что уравнение 6CO₂+2H₂O →^свет→ C₆H₁₂O₆ + 6O₂ отражает лишь частный случай фотосинтеза. В более общем виде (применительно к фототрофным растениям и бактериям, фиксирующим углекислоту) итог процесса может быть выражен следующим образом: CO₂ + 2H₂A →^свет→ (CH₂O) + H₂O + 2A, где H₂A — донор водорода (электрона), а CH₂O — символ образуемых органических веществ.

Согласно гипотезе В. М. Кутюрина, механизм окисления воды при фотосинтезе сопряжен с фотоокислением хлорофиллов. Окисленная форма хлорофилла окисляет кислород воды, причем вся последовательность реакций от первичного окисления до выделения кислорода в свободном виде осуществляется путем передачи промежуточных продуктов по ламеллярной структуре хлоропластов.

Физиологические процессы растений могут протекать нормально при условии достаточного насыщения его клеток водой. Основным органом, обеспечивающим водой растения, служит корневая система. Это множество тонких нитей, пронизывающих почву во все направления в виде корешков. Корневая система состоит из трех зон: растущей, всасывающей и проводящей. Зоны эти представляют собой различные возрастные состояния. По мере удлинения корня более взрослая часть заканчивает рост в длину, внутри нее проходят сосуды, проводящие воду. На поверхности взрослого корня появляются корневые волоски, выполняющие роль всасывающего аппарата. Верхушки корневых волосков являются зоной роста. По мере роста корневые волоски превращаются в проводящую зону. Так происходит непрерывное перемещение корней в почве. Всасывающий аппарат — корневые мочки всасывают воду из почвы и направляют ее в проводящие сосуды в восходящем направлении к листьям растений. Корень снабжает растение не только водой, но и элементами минеральных солей (азота, фосфора, калия, кальция, магния, железа, серы и т. д.).

Вода строго регулируется внутри организма растений. Как правило, больше всего водой обеспечиваются те части растений, которые наиболее важны на данном этапе роста и развития. В период роста важнейшими являются листья, в период цветения — органы формирования семени.

Постоянное перемещение воды внутри растений и выделение ее в окружающую среду происходит благодаря активным механизмам — осмотического давления клеток и процесса испарения воды листьев растений. Важнейшую роль в проявлении осмоса играют внешние слои протоплазмы клеток растений. Испарение, воды с поверхности листьев происходит одновременно с проникновением углекислого газа воздуха в клетки растений. Для того чтобы углекислый газ мог проникнуть в клетки растений, необходимо периодически открывать устьичные отверстия на поверхности листьев. В это же время происходит и процесс испарения воды, находящийся в межклетниках растений. Установлено, что за период от сева до уборки одно растение кукурузы испаряет до 200 л воды. Расход влаги с 1 га кукурузного поля составит около 6 тыс. т, 1 га яровой пшеницы — 3,42 тыс, т, ячменя — 4,59 тыс. т, овса — 5,625 тыс. т, клевера — до 7430 т, капусты до 6000 т. Еще больше воды испаряют деревья: взрослая береза — около 70 л в день, липа — 38 л в день. Для создания 1 кг зерна пшеницы нужно от 0,75 до 1,2 тыс. кг воды, соответственно для овса — 1,260 тыс. кг.

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.