Юрий Новиков - Вода и жизнь на Земле

Вода находится в вечном круговороте. Растения — самые активные участники этого великого природного процесса, благодаря которому ежегодно в движение приводится более 475 млрд. т воды.

Как известно, сухое созревшее семя при правильном хранении может годами не проявлять признаков жизни. Однако, попав во влажную среду, семя начинает набухать и выделять корешок. Этот процесс — прорастание семени — происходит в результате насыщения водой клеток зародыша. В этих условиях и при соответствующей температуре воздуха клетки зародыша начинают размножаться путем деления.

Для того чтобы хорошо представить себе значение воды для растений, важно понять, из чего состоит их тело. Установлено, что главными элементами состава растений являются углерод (45 %), водород (6,5 %), кислород (42 %), азот (1,5 %); зола, включающая различные минералы (5 %). Кислород и водород играют важную роль в формировании белков, жиров и углеводов растений. Источником кислорода и водорода для растений является вода. Углекислый газ проникает через многочисленные микроскопические отверстия (устьичные отверстия) на кожице листьев растений и попадает в межклетки. В процессе; дальнейшего усвоения углекислого газа непосредственное участие принимает также вода. Образующийся при этом кислород выделяется в окружающую атмосферу.

Для превращения углекислого газа и воды в сахар, крахмал и другие органические вещества необходима солнечная энергия. Этот процесс называется фотосинтезом (образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности растений). В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 млрд. т органических веществ.

Высокая эффективность фотосинтеза высших зеленых растений обеспечивается совершенным синтетическим аппаратом, основа которого внутриклеточные органеллы — хлоропласты.

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 6CO 2+2H 2O → свет→ C 6H 12O 6+ 6O 2отражает лишь частный случай фотосинтеза. В более общем виде (применительно к фототрофным растениям и бактериям, фиксирующим углекислоту) итог процесса может быть выражен следующим образом: CO 2+ 2H 2A → свет→ (CH 2O) + H 2O + 2A, где H 2A — донор водорода (электрона), а CH 2O — 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.).