Chuyển hoá vật chất và năng lượng ở thực vật

I. Mục tiêu
Học xong phần A1 học sinh phải:
- Trình bày được các dạng nước trong cây và vai trò của nó đối với đời sống của cây.
- Mô tả được quá trình hấp thụ nước ở rễ, quá trình vận chuyển nước ở thân, quá trình thoát hơi nước ở lá và mối liên quan giữa các quá trình này với các điều kiện môi trường.
- Giải thích được cơ chế của các động lực: động lực đẩy của rễ, động lực trung gian của thân, động lực hút của lá.
- Trình bày được cơ sở khoa học của việc tưới nước hợp lí cho cây trồng.
- Xây dựng tư duy logic về mối liên quan chặt chẽ giữa cấu trúc và chức năng của cơ thể thực vật.

II. Tóm tắt nội dung
Nước là yếu tố quan trọng bậc nhất đối với tất cả các cơ thể sống. Nước quyết định sự phân bố thực vật trên trái đất .
Thực vật không thể sống thiếu nước. Chỉ cần giảm 30% hàm lượng nước trong tế bào là đã gây ra sự kìm hãm đáng kể những chức năng sinh lý quan trọng của cơ thể và ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng, phát triển của toàn cây.
Trao đổi nước ở thực vật bao gồm quá trình hấp thụ nước ở rễ, quá trình vận chuyển nước từ rễ lên lá, quá trình thoát hơi nước từ lá ra ngoài không khí Ba quá trình này, trong điều kiện bình thường, hoạt động nhịp nhàng, liên tục, liên hệ khăng khít với nhau, tạo nên trạng thái cân bằng nước cần thiết cho sự sống của thực vật.

1. Các dạng nước trong cây và vai trò của nó
- Nước tự do
- Nước liên kết
Vai trò: Nước tự do vẫn giữ được tính chất vật lý, hoá học và sinh học của nước nên có các vai trò sau : làm dung môi, hạ nhiệt độ bề mặt bay hơi, tham gia vào các phản ứng hoá học, tạo độ nhớt thích hợp của chất nguyên sinh cho các quá trình trao đổi chất. Nước liên kết chỉ còn giữ được vai trò cấu trúc của chất nguyên sinh và thể hiện tính chống chịu của tế bào.
2. Quá trình hấp thụ nước ở rễ
Thực vật thuỷ sinh hấp thụ nước từ môi trường xung quanh qua bề mặt các tế bào biểu bì của toàn cây.
Thực vật trên cạn hấp thụ nước từ đất qua bề mặt tế bào biểu bì của rễ, trong đó chủ yếu qua các tế bào biểu bì đã phát triển thành lông hút.
Quá trình hấp thụ nước ở rễ xảy ra theo ba giai đoạn kế tiếp nhau:

* Giai đoạn nước từ đất vào lông hút
Để hấp thụ nước, tế bào lông hút có ba đặc điểm cấu tạo và sinh lí phù hợp với chức năng nhận nước từ đất:
- Thành tế bào mỏng, không thấm cutin
- Chỉ có một không bào trung tâm lớn
- áp suất thẩm thấu rất cao do hoạt động hô hấp của rễ mạnh
Vì vậy các dạng nước tự do và dạng nước liên kết không chặt từ đất được lông hút hấp thụ một cách dễ dàng nhờ sự chênh lệch về áp suất thẩm thấu (từ áp suất thẩm thấu thấp đến áp suất thẩm thâu cao), hay nói một cách khác, nhờ sự chênh lệch về thế nước(từ thế nước cao đến thế nước thấp).

* Giai đoạn nước từ lông hút vào mạch gỗ (mạch xilem) của rễ
Sau khi vào tế bào lông hút, nước chuyển vận một chiều qua các tế bào vỏ, nội bì vào mạch gỗ của rễ do sự chênh lệch sức hút nước theo hướng tăng dần từ ngoài vào trong giữa các tế bào.
Có hai con đường vận chuyển nước từ lông hút vào mạch gỗ:
- Qua thành tế bào và các gian bào đến dải Caspary (Con đường vô bào - Apoplats )
- Qua phần nguyên sinh chất và không bào (Con đường tế bào – Symplats )

* Giai đoạn nước bị đẩy từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân
Nước bị đẩy từ rễ lên thân do một lực đẩy gọi là áp suất rễ. Có hai hiện tượng minh hoạ áp suất rễ: Hiện tượng rỉ nhựa và hiện tượng ứ giọt. Úp cây trong chuông thuỷ kín, sau một đêm, ta sẽ thấy các giọt nước ứ ra ở mép lá qua thuỷ khổng. Như vậy mặc dù không khí trong chuông thuỷ tinh đã bão hoà hơi nước, nước vẫn bị đẩy từ mạch gỗ của rễ lên lá và không thoát được thành hơi nên ứ thành các giọt.
3. Quá trình vận chuyển nước ở thân
* Đặc điểm của con đường vận chuyển nước từ rễ lên lá
Nước được chuyển từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của lá. Con đường này dài (có thể tình bằng mét) và nước vận chuyển chủ yếu qua mạch dẫn do lực đẩy của rễ, lực hút của lá và không bị cản trở, nên nước được vận chuyển với vận tốc lớn.

* Điều kiện để nước có thể vận chuyển ở con đường này: Đó là tính liên tục của cột nước, nghĩa là không có bọt khí trong cột nước.

* Cơ chế đảm bảo sự vận chuyển của cột nước: Lực cố kết giữa các phân tử H2O phải lớn cùng với lực bám của các phân tử H2O với thành mạch phaỉ thắng được lực trướng (trọng lượng cột nước).
4. Quá trình thoát hơi nước ở lá
Cần nắm vững ý nghĩa của quá trình thoát hơi nước ở lá trên cơ sở các số liệu sau: Trong 1000 gam nước cây hấp thụ qua rễ thì 990 gam nước thoát ra ngoài không khí qua lá dưới dạng hơi. Đó là quá trình thoát hơi nước . Macximôp – nhà Sinh lý thực vật người Nga đã viết: “thoát hơi nước là tai hoạ tất yếu của cây”.

4.1. Con đường thoát hơi nước ở lá:
Có hai con đường thoát hơi nước ở lá:
a) Con đường qua khí khổng:
- Vận tốc lớn .
- Được điều chỉnh bằng việc đóng, mở khí khổng.

b) Con đường qua bề mặt lá – qua cutin :
- Vận tốc nhỏ .
- Không được điều chỉnh.
4.2. Thoát hơi nước qua khí khổng:
Mặc dù diện tích lỗ khí của toàn bộ khí khổng chỉ gần bằng 1% diện tích của lá, nhưng lượng nước thoát ra khỏi khí khổng lại lớn hơn lượng nước thoát qua bề mặt lá nhiều lần. Chú ý giải thích điều đó.
4.3. Các phản ứng đóng mở khí khổng:
Quan sát sự đóng mở khí khổng, thấy rằng: Nếu chuyển cây từ trong tối ra ngoài sáng thì khí khổng mở và ngược lại. Như vậy rõ ràng là ánh sáng là nguyên nhân gây nên việc đóng mở khí khổng. Đó chính là phản ứng mở quang chủ động. Tuy nhiên một số cây khi thiếu nước (bị hạn) khí khổng cũng đóng lại để tránh sự thoát hơi nước, mặc dù cây vẫn ở ngoài sáng – đó là phản ứng đóng thuỷ chủ động. Trong trường hợp này axit apxixic (ABA) tăng lên là nguyên nhân gây ra việc đóng khí khổng. Ngoài ra có một số cây sống trong điều kiện thiếu nước (cây xương rồng, các cây mọng nước ở sa mạc) để tiết kiệm nước đến mức tối đa, khí khổng đóng hoàn toàn vào ban ngày, chỉ khi mặt trời lặn, khí khổng mới mở.
Rõ ràng là: Quá trình thoát hơi nước ở lá đã tạo ra một lực hút rất lớn, kéo cột nước từ rễ lên lá. Tất nhiên cột nước này phải đảm bảo tính liên tục và tính liên tục này chỉ có thể có được khi quá trình vận chuyển nước ở thân hoạt động.
Rõ ràng là một sự phối hợp hoạt động của ba quá trình này đã đưa được các phân tử nước từ đất vào rễ cây và sau đó nước được đưa lên tận ngọn cây, mặc dù cây có thể cao tới vài ba mét đến hàng trăm mét.
5. Cơ sở khoa học của việc tưới nước hợp lý cho cây trồng
5.1.Cân bằng nước và vấn đề hạn của cây trồng
Cân bằng nước được hiểu như sự tương quan giữa quá trình hấp thụ nước và quá trình thoát hơi nước. Khi sự mất nước được bù lại bằng sự nhận nước đến mức cây bão hoà nước thì đó là trạng thái cân bằng nước dương, khi có sự thiếu hụt n ước trong cây thì đó là trạng thái cân bằng nước âm. ở trạng thái này cây bắt đầu thiếu nước và gọi là cây bị hạn. Vấn đề đặt ra bây giờ là phải tưới nước cho cây trồng.
5.2. Tưới nước hợp lí cho cây trồng:
Để có một chế độ nước thích hợp tạo điều kiện tốt cho sinh trưởng và đạt năng suất cao của cây trồng cần phải thực hiện việc tưới nước một cách hợp lý cho chúng. Vậy thế nào là tưới nước hợp lý? Đó là việc trả lời và thực hiện cùng một lúc ba vấn đề sau:
- Khi nào cần tưới nước?
- Lượng nước cần tưới là bao nhiêu?
- Cách tưới như thế nào?
Vấn đề khi nào cần tưới nước, khoa học hiện đại ngày nay căn cứ vào các chỉ tiêu sinh lý của chế độ nước của cây trồng như : sức hút nước của lá, nồng độ hay áp suất thẩm thấu của dịch tế bào, trạng thái của khí khổng, cường độ hô hấp của lá… về lượng nước tưới phải căn cứ vào nhu cầu nước của từng loài cây, tính chất vật lý, hoá học của từng loại đất và các điều kiện môi trường cụ thể . Vấn đề cuối cùng là cách tưới nước . Vấn đề này cũng phụ thuộc vào các nhóm cây trồng khách nhau .Ví dụ: Đối với lúa n ước thì có thể tưới ngập nước còn đối với các cây trồng cạn thì nói chung cần tưới đạt 80% ẩm dung toàn phần của đất . Cách tưới nước còn phụ thuộc vào các loại đất . Ví dụ: Đối với đất cát phải tưới nhiều lần, đối với đất mặn phải t ưới nhiều nước hơn nhu cầu nước của cây
III. Hướng dẫn trả lời câu hỏi và bài tập
Câu 1. Nêu được hai dạng nước: nước tự do, nước liên kết và phân biệt được
đặc điểm tự do, đặc điểm liên kết của hai dạng nước. Từ đó nêu vai trò của dạng nước tự do với đầy đủ vai trò của nước ở dạng phân tử, trong khi đó nước liên kết chỉ còn vai trò cấu trúc.


Câu 2. Nêu 3 đặc điểm cấu trúc và sinh lí của lông hút:
- Thành tế bào mỏng, không thấm cutin
- Chỉ có một không bào trung tâm lớn chiếm gần hết thể tích tế bào
- Áp suất thẩm thấu của tế bào lông hút rất lớn vì hoạt động hô hấp luôn luôn cao.


Câu 3. Nêu được hai con đường vận chuyển nước từ lông hút vào mạch gỗ của rễ: con đường vô bào và con đường tế bào. Nêu những ưu điểm và nhược điểm của mỗi con đường:
- con đường vô bào: nhận được nhiều nước, nhưng lượng nước và các chất khoáng hoà tan không được điều chỉnh và kiểm tra
- con đường tế bào thì ngược lại.
Từ việc phân tích trên dẫn ra vòng đai Caspari nằm trên con đường vô bào ở tế bào nội bì nhằm khắc phục nhược điểm của con đường này.


Câu 4. Áp suất rễ là lực đẩy nước từ mạch gỗ của rễ lên mạch gỗ của thân.
Ap suất rễ được biểu hiện bằng hai hiện tượngA: rỉ nhựa và ứ giọt. Mô tả hai hiện tượng này (xem SGK).


Câu 5. Gợi ý trả lời: Thoát hơi nước ở lá sẽ:
- Giảm nhiệt độ bề mặt lá
- Lấy được CO2 phục vụ cho quá trình quang hợp
- Tạo lực hút nước từ rễ lên thân
Sưa tầm
Xem thêm bài khác