11.1: Plantas y Agua
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- Describir cómo las hojas se adaptan a la falta de humedad del suelo.
Evapotranspiración
La mayoría de las moléculas de agua absorbidas por las raíces de una planta suben por el tallo hacia las hojas, salen de los estomas en las hojas y luego se evaporan a la atmósfera. Los estomas se abren para permitir que el oxígeno (como producto de desecho de la fotosíntesis) escape de la hoja, y el dióxido de carbono (donante de los átomos de carbono que son los bloques de construcción de las moléculas de azúcar ensambladas durante la fotosíntesis) para entrar. Cuando estos estomas están abiertos, sale vapor de agua. A menudo nos referimos a los estomas como asociados con el intercambio de gases en las hojas debido al movimiento de estos tres gases: oxígeno (salida), dióxido de carbono (entrada) y vapor de agua (salida).
La evapotranspiración (a menudo llamada simplemente transpiración) se refiere al movimiento del agua en la planta de raíz a tallo a hoja y fuera a través de los estomas a la atmósfera. Esto no es sólo un regate de agua. Un acre de maíz transpirará alrededor de 3,000—4,000 galones de agua cada día, y un gran roble puede transpirar 40,000 galones cada año.
Como se ilustra anteriormente, una corriente de agua se mueve constantemente desde las raíces y sale de la planta. Observe los tejidos y células que están involucrados, y recuerde que el agua se mueve desde el suelo a través de la epidermis y la corteza hacia el xilema en el haz vascular de una de dos maneras, simplásticamente o apoplásticamente. Simplásico significa que el agua y los minerales se mueven dentro de la membrana celular, o a través de las células, mientras que el agua apoplásica se mueve alrededor de la membrana celular en el espacio exterior de la célula. El movimiento simplásico comienza con el agua que ingresa a las células de la epidermis a través de los pelos radiculares y luego continúa de célula a célula a través de la corteza hasta el xilema en el haz vascular La entrada de agua simplásica en la raíz está regulada por la membrana celular del pelo radicular. El movimiento apoplásico del agua ocurre entre las células. Este movimiento no está regulado hasta que el agua golpea la barrera de cutina formada por la Franja Casparia alrededor de la capa más interna de células de la corteza en las raíces La franja Casparia bloquea el movimiento apoplásico del agua. El agua apoplásica debe entonces moverse simplásticamente hacia las células de la corteza a través de la membrana celular, que controla la entrada de agua y minerales. A partir de aquí, el agua se mueve de celda en célula al xilema, y luego se tira hacia arriba de la planta como se describe a continuación.
La tasa de evapotranspiración depende de factores ambientales como:
Luz — Debido a la ocurrencia de la fotosíntesis, las plantas transpiran más rápidamente en la luz que en la oscuridad. Las células guardianas, parte de los estomas, son estimuladas a hincharse, abriendo los estomas a la luz del día.
Temperatura — A medida que aumentan las temperaturas, el agua se evapora de las hojas más fácilmente. En los calurosos días de verano, las hojas tienen una tendencia a marchitarse debido a la falta de agua en el suelo y al aumento de la tasa de transpiración.
Humedad — Cuando el aire alrededor de la hoja es más seco, hay un mayor movimiento de vapor de agua fuera de la hoja que si el aire alrededor de la hoja está saturado de agua.
Viento — Una brisa despejará el vapor de agua de la superficie de la hoja, dejando baja la humedad en la superficie de la hoja y aumentando la tasa de transpiración.
Disponibilidad de agua en el suelo — El agua que se transpira debe provenir de alguna parte, y esa en alguna parte es el suelo. Cuando las raíces no pueden absorber suficiente agua para mantenerse al día con la demanda de evapotranspiración, las hojas pierden más agua de la que pueden reemplazar. La presión del agua dentro de las celdas, llamada presión de turgencia, se reduce debido a que parte del agua se extrae de las celdas para satisfacer la demanda de evaporación. Esta pérdida de presión de turgencia relaja las celdas de guardia, provocando el cierre de los estomas, lo que cierra una avenida importante para el intercambio de gases y el canal principal para la evaporación. Esta es una estrategia clave utilizada por las plantas para manejar el estrés por falta de agua. Si la pérdida de turgencia es severa, las plantas se marchitarán temporalmente. Cuando la demanda de evapotranspiración se reduce a través de un cambio en las condiciones ambientales, o cuando aumenta el suministro de agua, las células nuevamente se llenan de agua, se restablecen la turgencia, los estomas se reabren y las hojas de la planta se recuperan de su marchitamiento temporal. Probablemente hayas visto que esto suceda cuando te has olvidado de regar una planta de la casa. Siempre y cuando lo riegue lo suficientemente pronto, la planta recupera la turgencia y sobrevive al descuido.
- ¿Qué es la presión de turgencia y cómo compensan las hojas cuando las células comienzan a perder turgencia?
- ¿Cómo puede el viento resultar en una baja presión de turgencia?
- ¿Cuáles son los tres gases que se mueven a través de los estomas foliares? ¿Cuál es su implicación en la función de la planta?
Mecanismos de movimiento de agua en plantas
¿Cómo se mueve el agua del suelo a la raíz, al tallo a la hoja y al exterior a la atmósfera? Esta es una pregunta más compleja de lo que puede aparecer primero. A diferencia de los animales, las plantas no tienen un corazón para bombear agua de las raíces a las hojas. Hay una explicación de empuje y una explicación de tirón.
Explicación de empuje
La presión del agua (turgencia) en las células radiculares durante la noche o durante los días nublados puede empujar el agua y los materiales disueltos hacia el tallo. Esta presión radicular es la causa de la guttación, las gotas de agua parecidas al rocio que se ven obligadas a salir de las hojas. Esta misma presión es la fuerza que impulsa la savia por el tronco de los arces azucareros en la primavera. Un problema con este mecanismo es que, a lo sumo, la presión radicular puede mover el agua hacia arriba solo unos 60 pies, y esto solo ocurre de noche y cuando está nublado, y solo ocurre en algunas plantas, pero no en todas ellas. Por lo que la explicación de empuje tiene muchas limitaciones que la hacen insatisfactoria como teoría general para el movimiento del agua por el xilema. ¿Cómo llega el agua a la cima de una planta cuando hace sol? ¿Y cómo llega a la cima de las plantas altas?
Explicación de extracción
Mira este video sobre la transpiración (2:57)
La teoría de la cohesión — adhesión — tensión
El agua es una molécula polar —como un imán, tiene regiones positivas (+) y negativas (-). Cuando las moléculas de agua están cerca una de la otra, la región negativa de una molécula es atraída hacia la región positiva de otra. Esta atracción se llama un enlace de hidrógeno. Este tipo de enlace es débil en comparación con los enlaces covalentes, donde las moléculas comparten electrones, pero cuando hay muchos enlaces de hidrógeno que mantienen unidas estas moléculas de agua, este tipo de enlace químico es bastante tenaz.
Cuando el agua se mantiene en un tubo muy pequeño, como un vaso de xilema (arriba), la cohesión entre las moléculas de agua debido a los enlaces de hidrógeno es muy fuerte, lo suficientemente fuerte como para mantener la columna de agua unida muy fuertemente a largas distancias, como desde la raíz a través del tallo y hacia la hoja. Aunque una unión individual es débil, hay tantas que una columna tiene una enorme resistencia a la tracción.
El agua también es atraída por las paredes de pequeños tubos como vasos de xilema. Esta fuerza de adhesión entre el agua y las paredes del xilema ayuda a mantener el agua en el xilema contra la fuerza descendente de la gravedad.
A medida que una molécula de agua sale del xilema foliar hacia los espacios de aire entre las células esponjosas del mesófilo, sale del estoma y entra en la atmósfera a través de la evaporación, crea un espacio vacío o vacío en el xilema, que es llenado por la siguiente molécula de agua en línea. A medida que esta molécula de agua avanza, ejerce tensión (tira) sobre la columna cohesiva de agua que se extiende hasta la raíz. A medida que una molécula de agua se va, la siguiente toma su lugar, y a medida que avanza en línea, tira hacia arriba de las moléculas detrás de ella.
Esta fuerza de cohesión-adhesión-tensión es suficiente para elevar el agua hasta la parte superior del árbol más alto, y es muy efectiva mientras el sol brilla, cuando los estomas están abiertos y la transpiración está activa.
El enorme flujo de agua a través de la planta no es simplemente desperdicio y el precio que paga la planta por tener estomas abiertos para el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono. Transpiración también:
- Aporta agua para la fotosíntesis (aunque no se necesita tanto —sólo alrededor del 1-2% de lo que sucede).
- Mueve los minerales hacia arriba de las raíces para su uso en la hoja.
- Enfría la planta por evaporación.
- ¿Qué es la guttation y qué tipo de mecanismo de movimiento de agua está involucrado?
- Identificar la fuente de cohesión, adhesión y tensión en la teoría del movimiento del agua que lleva ese nombre.
- ¿Por qué las plantas podrían sufrir deficiencias de nutrientes cuando se cultivan en condiciones de alta humedad o situaciones como invernaderos donde no hay movimiento de aire?