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lezione gruppo 5 teoria della tensione coesione 12
Qual’ è il meccanismo che consente l’ascesa dell’acqua dal suolo all’atmosfera attraverso la pianta? Teoria della tensione-coesione L’acqua all’interno della pianta può essere considerata come un sistema idraulico continuo che collega l’H2O del terreno con il vapor d’H2O dell’atmosfera Il trasporto avviene attraverso la fitta rete di vasi xilematici e di tracheidi La fuoriuscita avviene attraverso gli stomi: traspirazione H2Ov H2Ov H2Ov La maggior parte dell’acqua “imbibita” dalla pianta veniva perduta per “transpirazione”. Stephen Hales (UK-Bekesbourne, 1677 – Teddington, 1761) Perdita di acqua per traspirazione in una pianta durante una singola stagione di crescita Pianta Perdita d’acqua (litri) Fagiolo dall’occhio (Vigna sinensis) 49 Patata (Solanum tuberosum) 95 Frumento (Triticum aestivum) 95 Pomodoro( Lycopersicon esculentum) Mais (Zea mays) 125 206 •Primo punto da considerare è la traspirazione Che cos’è la traspirazione, dove si verifica e perché avviene? •La traspirazione consiste nella fuoriuscita di vapor d’H2O dagli stomi aperti. •Apertura stomatica necessaria per l’ingresso di CO2 per la fotosintesi •La traspirazione avviene per il differente contenuto di vapor d’H2O tra il tessuto vegetale (camera sottostomatica) e l’atmosfera. E’ quindi un processo di diffusione 99% 70% •Quindi, la forza motrice della traspirazione è la differenza di concentrazione Lucido di relax La traspirazione è un processo rapido Quanto tempo ci impiega il vapor d'acqua dalle pareti cellulari delle cellule del mesofillo a diffondere all'atmosfera esterna? Coefficiente di diffusione (Ds) dell’ H2O: Ds nell'aria= 2,4x10-5m2s-1 Ds nei liquidi= 10-9m2s-1 t c=1/2= (distanza)2 Ds K K=1 distanza tra superficie interna della foglia e l'aria esterna= 1 mm Ds= 2,4x10-5m2s-1 t c=1/2= (10-3 m)2 2,4x10-5m2s-1 =0,042 s La diffusione è quindi la forza motrice che guida la traspirazione •Secondo punto da considerare è la proprietà di coesione delle molecole di acqua •La fuoriuscita dell’H2O per traspirazione causa l’ascesa dell’H2O grazie alla proprietà di coesione della molecola d’H2O H2Ov H2Ov H2Ov Altri fattori favoriscono questo meccanismo di risalita dell’H2O: •La tensione superficiale dell’H2O che genera una elevata pressione negativa lungo i vasi xilematici e le tracheidi •la lignificazione delle pareti cellulari dello xilema impedisce il collasso sotto l’elevata tensione filmato Vediamo ancora più in dettaglio il meccanismo ipotizzato dalla Teoria della tensione-coesione La fuoriuscita dell’H2O dagli stomi determina il richiamo di H2O “a catena” dalle cellule vicine fino ad arrivare alle pareti cellulari che circondano i vasi xilematici fogliari. Ciò è possibile grazie alle numerose ramificazioni portano l’acqua dello xilema a contatto con tutte le cellule La traspirazione e il conseguente movimento di H2O è anche all’origine della tensione sulle pareti cellulari della foglia Gli effetti della tensione superficiale portano alla pressione negativa della fase liquida. Come il raggio di curvatura diminuisce la Pressione cala (diventa più negativa) 2T Pr 0,5 mm 0,05 mm 0,01 mm La traspirazione può generare una pressione negativa (Tensione) nello xilema che grazie alle sue pareti lignificate non collassa La pressione negativa che si genera può essere molto elevata L’acqua sotto tensione può formare bolle Cavitazione Trasporto complessivo dell’acqua attraverso la pianta Atmosfera H20vapore Pianta Terreno H 20 •La traspirazione è la forza motrice per il trasporto complessivo dell’acqua attraverso la pianta •movimento passivo (riduzione di energia libera) ma regolato, per bilanciare lo scambio gassoso con la ritenzione idrica (la regolazione viene effettuata tramite gli stomi) Fattori che influenzano la traspirazione 1) la differenza di concentrazione del vapor d'acqua fra gli spazi aeriferi fogliari e l'aria esterna 2) la resistenza alla diffusione (r) in questo percorso 1) la differenza di concentrazione del vapor d'acqua fra gli spazi aeriferi fogliari e l'aria esterna Ambiente nebbioso Alto Yw Ambiente soleggiato Basso Yw 2) la resistenza alla diffusione (r) in questo percorso •resistenza della rima stomatica (rs) •resistenza dello strato limite (rb) Per cui la velocità di traspirazione (E): E = Cwv(foglia)-Cwv(aria)/ rs + rb Condizioni ambientali che influenzano la velocità di traspirazione •Temperatura •Umidità •Disponibilità e intensità della luce solare •Precipitazioni •Tipo di suolo •Vento Vento La resistenza dello strato limite (rb) alla diffusione del vapor d'acqua è proporzionale al suo spessore, che è principalmente determinato dalla velocità del vento. Aspetti anatomici e morfologici della foglia che possono alterare l'effetto del vento sullo spessore dello strato limite: peli, fungono frangivento da microscopici stomi affossati (oleandro, aghi di pino) ampiezza e forma delle foglie Stomi affossati di Equiseto Stomi affossati in aghi di abete (Picea sitchensis) Come viene estratta l’acqua dal suolo? Radici Le cellule epidermiche delle radice hanno estensioni, peli radicali, che aumentano la superficie di assorbimento •Maggiore assorbimento nella parte apicale della radice •Le parti più vecchie hanno un’esodermide (cellule con pareti cellulari con sostanze cerose, idrofobiche) Vie di trasporto dell’acqua attraverso la radice Via apoplastica -tra le pareti Via simplastica -plasmodesmi Via transmembrana -acquaporine Via apoplastica->endodermide (banda di Caspary): attraverso la membrana o interruzioni della banda di Caspary Il prelievo dell’H2O dal terreno genera una tensione Ciò è dovuto ai menischi che si formano nell’interfaccio aria/acqua tra le particelle L’acqua in queste superfici ricurve sviluppa una tensione che puo’ essere calcolata: Yp =-2T/r Analogo meccanismo osservato a livello del mesofillo fogliare Trasporto complessivo dell’acqua attraverso la pianta movimento passivo (riduzione di energia libera) ma regolato, per bilanciare lo scambio gassoso con la ritenzione idrica Esempio dei valori dei potenziali idrici e delle sue componenti lungo tutta la pianta Aria esterna Parete cellula del mesofillo Vacuolo cellula del mesofillo Xilema fogliare Xilema radicale Suolo Nelle piante possono formarsi fenomeni di pressione positiva? Pressione radicale Ciò si può evidenziare in seguito a taglio del fusto di una giovane piantina: trasuda liquido xilematico dalla regione di taglio Può raggiungere valori di Yp= 0.05-0.5 MPa Come si genera la pressione radicale? L’assorbimento di ioni dalla radice porta ad un aumento di soluti nel succo xilematico con abbassamento del Yw e conseguente richiamo di H2O dal terreno, che a sua volta determina la pressione idrostatica positiva nello xilema Guttazione: le piante che sviluppano una pressione radicale molto spesso mostrano il fenomeno della guttazione che consiste nel trasudare l’eccesso di linfa grezza (specialmente durante la notte) attraverso gli idatodi