كيف يتم امتصاص الماء في الخلايا النباتية

الماء ضروري لنمو النبات حيث تحتوي جميع الخلايا النباتية على الماء كمذيب تحدث فيه التفاعلات الكيميائية الحيوية ويتم فيه الحفاظ على هياكل الخلايا.

ما هي خصائص الماء

يُظهر الماء الرابطة الهيدروجينية (بين الأكسجين الكهربية والهيدروجين الكهروضوئي) مما يعني أنّه سائل عند درجات حرارة شائعة لنمو النبات، ونظرًا لأنّه قطبي فهو مذيب جيد للجزيئات القطبية، مثل: الأيونات والجزيئات العضوية المشحونة، وتمنحه القوى القوية بين جزيئات الماء (التماسك) العديد من الخصائص الرئيسية الأخرى: فهو يتميز بتوتر سطحي مرتفع للغاية ويلتصق بقوة بالأسطح، كما أنّ لديه قوة شد عالية وهو قادر على تشكيل أعمدة تحت التوترات العالية دون أن ينكسر على سبيل المثال في نسيج الخشب.

كيف يتحرك الماء داخل الخلايا النباتية

جزيئات الماء في حركة عشوائية ثابتة ويحدث الانتشار عندما تهاجر الجزيئات نتيجة لهذه الحركة، وسوف تنتقل الجزيئات تدريجياً من مناطق ذات طاقة حرة عالية (تركيز عالٍ) إلى مناطق ذات طاقة حرة منخفضة (تركيز منخفض) أسفل تدرج التركيز، ويمكن اعتبار الانتشار مهمًا على مسافات قصيرة فعلى سبيل المثال داخل خلية نباتية ولكن ليس على مسافات طويلة مثل من التربة إلى الورقة.

التدفق الجماعي أو السائب

تتم حركة الماء عبر نسيج الخشب إلى حد كبير عن طريق التدفق السائب الذي يحدث كاستجابة لتدرج الضغط، ويعتمد تدفق السوائل عبر الأنبوب على تدرج الضغط بين طرفي الأنبوب ونصف قطر الأنبوب ولزوجة السائل، وعندما يتضاعف نصف القطر يزداد معدل التدفق بمعامل “24” (16).

ولذلك يمكن أن يكون التدفق في الأنابيب الكبيرة أسرع بكثير من التدفق في الأنابيب الصغيرة، وتكون الأنابيب الكبيرة أكثر عرضة للإصابة بالانسداد والتجويف وتشكيل فقاعات الهواء وتفكك عمود الماء، ويحدث هذا عندما يتم توفير تدرج الضغط بواسطة توتر وقوة تسحب من أعلى بدلاً من الضغط الأدنى.

إمكانات الماء

الإمكانات الكيميائية للماء هي مقدار الطاقة الحرة المرتبطة بها، ويُعرَّف جهد الماء على أنّه الإمكانات الكيميائية للماء مقسومة على حجم مول الماء، ويتم قياسه بجول لكل متر مكعب أو باسكال، والرمز المستخدم لإمكانات المياه هو (ψω) حيث يحتوي على مكونين رئيسيين وهما الجهد المذاب أو التناضحي (ψs)، وإمكانية الضغط (p) مثل: (ψω = ψs + ψp)، والجهد المذاب أو التناضحي (s) يعتمد على تركيز الذائبة ودرجة الحرارة، أمّا جهد الضغط (p) هو الضغط الهيدروستاتيكي الذي يزيد عن الضغط الجوي الذي تحدثه الخلية أو الأنسجة.

ينتقل الماء من مناطق ذات إمكانات مائية عالية إلى مناطق ذات إمكانات مائية منخفضة (أي إلى المناطق التي يكون فيها تركيز المادة المذابة أعلى وبالتالي يكون تركيز الماء أقل)، وسيؤدي دخول الماء إلى الخلية إلى زيادة الحجم، وإذا توقف جدار الخلية عن زيادة الحجم سيزداد الضغط الهيدروستاتيكي، وفي النهاية الضغط الهيدروستاتيكي الإيجابي يساوي الإمكانات التناضحية السلبية وتقل احتمالية الماء للخلية إلى الصفر (أي ψω = 0 على جانبي الغشاء)، وفي هذه المرحلة لا توجد حركة صافية للمياه داخل الخلية أو خارجها.

التقلص وتحلل البلازما

الخلية الموجودة في محلول قليل الضغط أي خلية ذات تركيز منخفض من الذائبة، وبالتالي لديها إمكانات تناضحية أكثر إيجابية من سيتوبلازم الخلية وسوف تمتص الماء مما يولد ضغطًا هيدروستاتيكيًا (ضغط تورغ) في الخلية، وفي مثل هذه الخلية تمارس محتويات الخلية ضغطًا على جدار الخلية وتكون الخلية منتفخة.

كما تميل الخلية الموجودة في محلول مفرط التوتر (أي خلية ذات تركيز مذاب أعلى وبالتالي ذات قدرة تناضحية سالبة أكثر من سيتوبلازم الخلية) إلى فقد الماء حتى يصبح الجهد الهيدروستاتيكي سالبًا، وفي هذه المرحلة سينسحب غشاء البلازما بعيدًا عن جدار الخلية وستتحلل الخلية بالبلازما (مترهلة)، وتحدث نقطة تحلل البلازما الأولي عندما يكون غشاء البلازما ملامسًا لجدار الخلية ولكن لا يتم توليد ضغط هيدروستاتيكي (تورغور) حيث عند هذه النقطة (ψω = ψs) مثل (ψp = 0).

القنوات المائية

تقتصر حركة الماء عبر أغشية الخلايا على قابلية ذوبانها المنخفضة في طبقة ثنائية الدهون، والأكوابورينات “أي القنوات المائية” عبارة عن بروتينات تسمح للماء بعبور الغشاء، ومن المرجح أن يكون تنظيمهم مهمًا في تنظيم إمكانات المياه.

ما المقصود بعملية النتح

النتح هو العملية التي يتم من خلالها سحب الماء من التربة من خلال النبات نتيجة التبخر من الأوراق، ويتم تغطية الأسطح المعرضة للهواء بطبقة تقاوم فقدان الماء، وتسمح الثغور الموجودة في سطح الورقة بفقد الماء عن طريق التبخر من الورقة، ويحدث معظم النتح (90-95٪) من خلال هذه المسام، ويزداد معدل النتح مع زيادة درجة الحرارة وسرعة الرياح، ويؤدي تغيير فتحة الفم للثغور إلى تغيير معدل فقد الماء في الظروف البيئية المتغيرة.

تدفق المياه في نسيج الخشب

النسيج الموصّل للماء للنبات هو نسيج الخشب، ويتكون من خلايا مستطيلة ذات جدران سميكة ومدعومة بترسبات جدار ثانوية، وتوجد ثلاث قوى دافعة محتملة لتدفق المياه في نسيج الخشب، وهي: ضغط الجذر والجاذبية الشعرية وتوتر التماسك (حيث يتم سحب عمود من الماء من التربة بواسطة القوى الناتجة عن التبخر على سطح الورقة).

لماذا يحدث ضغط الجذر

عندما يتم قطع ساق النبات غالبًا ما ينضح سائل الخشب من القطع وهذا النضح مدفوع بضغط الجذر، ويحدث عندما تتسبب المواد المذابة المتراكمة في نسيج الخشب في تدفق الماء إلى النسيج الخشبي عن طريق التناضح، وتمنع طبقة الأديم الباطن المختنقة التدفق العكسي للماء ويتولد ضغط هيدروستاتيكي مما يتسبب في حركة الماء، وضغط الجذر غير كافٍ لتفسير حركة الماء للأوراق العليا لشجرة طويلة ولا يتم ملاحظته في جميع النباتات، ولذلك من غير المحتمل أن يكون السبب الرئيسي لتدفق مياه الخشب.

كيف تحدث الجاذبية الشعرية

يتم إنشاء العمل الشعري بواسطة القوى اللاصقة بين التوتر السطحي في الغضروف المفصلي للماء وجدار الأنبوب، بينما تحدث التأثيرات الشعرية فإنّ الارتفاع الكلي للمياه الذي تحققه الشعيرات الدموية لقطر نموذجي لعناصر نسيج الخشب أقل من متر وهو غير كافٍ لشرح نقل المياه إلى أعلى شجرة طويلة.

تماسك الضغط

يفسر تماسك الضغط تدفق المياه عبر النباتات الكبيرة ويتم توفير القوة الدافعة عند المصراع حيث يولد التبخر التوتر (ضغط سلبي أو شفط)، وهذا قوي بشكل خاص حيث يسد سطح الماء الفجوات المجهرية فعلى سبيل المثال عند تقاطع خليتين متوسطتين، ويؤدي التبخر من سطح الورقة إلى تراجع المياه إلى المسام المجهرية في تقاطعات جدار الخلية هذه حيث تلتصق بمكونات الجدار المحبة للماء، وينتج عن تماسك جزيئات الماء (التوتر السطحي) تكوين هلالة مقعرة.

يتم سحب هذا من خلال الالتصاق والتماسك وجزيئات الماء على الجدران وجزيئات الماء مع بعضها البعض مما يولد ضغطًا سلبيًا، ويتم سحب الغضروف المفصلي في مسام نصف قطره (0.01) ميكرومتر ويبلغ توتره (-15) ميغا باسكال وهو أكثر من كافٍ لتفسير حركة الماء من التربة، ويوجد ماء الورقة في عمود مستمر يمر عبر نسيج الخشب إلى الجذر، وبالتالي فإنّ عمود الماء بأكمله يتعرض للضغط ويتم سحب الماء لأعلى من التربة، وهذا يضع العمود تحت ضغط كبير، ففي شجرة (100) متر توجد قوة تصل إلى (-3.0) ميجا باسكال.

يمكن لعمود الماء الخالي من الغاز أن يتحمل ضغطًا يبلغ حوالي (10) أضعاف هذا، ومع ذلك فإنّ وجود الغاز المذاب يقلل بشكل كبير من شكل الانسداد (فقاعات الغاز)، ويتم تقليل الضرر الناجم عن الانسداد إلى أدنى حد حيث يتم تقسيم نسيج الخشب إلى العديد من الأنابيب الصغيرة مع وصلات عبر الحفر.

كيف يتم نقل المياه في الخلايا الجذرية

في معظم النباتات يحدث امتصاص الماء في الغالب من خلال الشعيرات الجذرية الدقيقة الممتدة لخلايا البشرة المفردة التي تدخل الغشاء المائي على جزيئات التربة، كما أنّها توفر مساحة كبيرة جدا للامتصاص، وقد تؤدي الفطريات الجذرية أيضًا هذه الوظيفة، فالتشريح الداخلي للجذر مهم أيضًا والنسيج الخشبي والأديم الباطن (طبقة خلوية غير منفذة للماء ذات جدران خلوية معززة والتي من خلالها يجب أن تكون حركة الماء متوازنة) يطور بعض المسافة خلف طرف الجذر.

يتدفق الماء إمّا من خلال مساحات جدار الخلية (الأبوبلاست أو الممر الخلوي الغشائي) أو من خلال محتويات الخلية (سيمبلاست أو مدمج خلوي)، وقد يتم امتصاص الماء من أو فقدانه بواسطة أي خلية في المسار، ويُطلق على حركة جزيء الماء عبر الجذر التي تتضمن كلا المسارين اسم النقل العابر للخلايا.