زیست شناسی، علوم پایه ۲۱۱ بازدید

گیاهان مثل هر موجود دیگری برای ادامه بقا به انتقال مواد غذایی و آب در بخش‌های مختلف ساختار خود نیاز دارند. آوندها، ساختارهای ویژه‌ای هستند که مثل رگ‌های خونی، شبکه‌ای از کانال‌های توخالی برای انتقال مواد در گیاهان فراهم می‌کنند. این لوله‌ها آب و مواد معدنی را از ریشه گیاه دریافت و به برگ انتقال می‌دهند و مواد غذایی در برگ ساخته شده را به بخش‌های مختلف می‌رسانند. در این مطلب به بررسی انتقال آب، مواد معدنی و محصولات فتوسنتز در گیاهان آوندی و بدون آوند می‌پردازیم.

انتقال مواد در گیاهان چگونه است ؟

بخش‌های مختلف گیاه شامل ریشه‌ها، ساقه و برگ‌ها می‌شود. آب و مواد معدنی از راه ریشه‌ها وارد گیاه می‌شوند و برگ‌ها با استفاده از نور خورشید و کربن دی‌اکسید موجود در هوا، مواد آلی موردنیاز را می‌سازند. آب ورودی از ریشه و مواد آلی سنتز شده در برگ باید به بخش‌های مختلف گیاه منتقل شوند. انتقال این مواد در «گیاهان آوندی» (Vascular Plants) و «گیاهان غیرآوندی» (Nonvascular Plants) با هم متفاوت است.

انتقال مواد در گیاهان غیرآوندی

گیاهان غیرآوندی یا خزه‌تباران هیچ شبکه یا کانال ویژه‌ای برای انتقال مواد در بخش‌های مختلف ندارند. این گیاهان آب و مواد معدنی را مستقیم به‌وسیله بخش‌های شبیه به برگ جذب می‌کنند. گیاهان بدون آوند برای تامین نیازهای خود با ساختار ساده بدن، ویژگی‌های منحصر به‌فردی دارند.

  • محل زندگی آن‌ها معمولا در خاک‌های مرطوب است.
  • ارتفاع زیادی ندارند.
  • فاقد گل هستند.
  • برگ واقعی ندارند.
  • به جای ریشه، زوائد باریکی به نام «ریزوئید» (Rhizoids) دارند.

آب و مواد معدنی به‌وسیله انتشار ساده و انتقال فعال، از ریزوئیدها وارد گیاه می‌شوند و با همین دو روش به بخش‌های دیگر گیاه منتقل می‌شوند. بعضی خزه‌تباران، زوائد شبیه به برگ دارند که در فتوسنتز شرکت می‌کنند. این زوائد آب و مواد معدنی مورد نیاز خود را مثل اسفنج، مستقیم از محیط دریافت می‌کند. در بعضی از این گیاهان ساختارهای بسیار ابتدایی برای انتقال مواد وجود دارد اما کاملا با آوند متفاوت است.

حفظ آب در گیاهان بدون آوند

گیاهان بدون آوند به‌دلیل ساختار ساده، سازگاری‌هایی برای حفظ آب در شرایط مختلف پیدا کرده‌اند.

  • محل زندگی آن‌ها مناطق مرطوب است.
  • بسیاری از آن‌ها در زمان بی‌آبی به خواب می‌روند و غیرفعال می‌شوند.
  • خزه‌تباران صحرایی، در طول روز که دما بالا و رطوبت پایین است بدن خود را جمع می‌کنند تا سطح در دسترس کمتری داشته باشند.
  • برای جلوگیری از کمبود آب، به‌صورت کلنی رشد می‌کنند.
  • در بعضی از آن‌ها ساختار مولکولی کلروفیل برای حساسیت کمتر به کم‌آبی تغییر کرده است.
  • بعضی از آن‌ها برای جلوگیری از یخ زدن، ضدیخ‌های طبیعی تولید می‌کنند.
فیلم آموزشی مرتبط

انتقال مواد در گیاهان آوندی

گیاهان آوندی برای انتقال آب و مواد معدنی از ریشه به برگ و انتقال مواد آلی ساخته شده در برگ به سامانه‌های بافتی مختلف، شبکه‌ای از کانال‌های توخالی به نام آوند دارد. انتقال این دو دسته مواد با فرایندهای متفاوتی انجام می‌شود.

انتقال آب و مواد معدنی

تمام آب مورد نیاز در گیاهان خاکی به‌وسیله ریشه و از خاک تامین می‌شود. ریشه‌ها ساختارهای غیرچوبی و نازکی هستند که سن آن‌ها با توجه به اندازه‌ای دارند متفاوت است. در بعضی از گیاهان انتهای ریشه، زوائد شبیه به مو دارند که مساحت سطح را برای جذب آب افزایش می‌دهند و بعضی از آن‌ها برای جذب آب بیشتر همزیستی با قارچ‌ها را انتخاب کرده‌اند.

حرکت آب در ریشه از چه مسیرهایی انجام می‌شود ؟

  • «آپوپلاست» (Apoplast): آب از فضای بین سلول‌ها و دیواره آن‌ها عبور می‌کند.
  • «سیمپلاست» (Symplast) : آب از راه پلاسمودسما از سیتوپلاسم یک سلول به سیتوپلاسم سلول دیگر منتقل می‌شود.
  • غشای سلولی: آب از غشای سلولی وارد سلول و از غشای طرف دیگر به سلول کناری منتقل می‌شود.

انتقال مواد در عرض ریشه

مسیر حرکت آب از ریشه به «آوند چوبی» (Xylem) از مراحل زیر تشکیل شده است.

  1. آب، به‌وسیله زوائد مویی در اپیدرم ریشه جذب می‌شود و به‌کمک یکی از روش‌های بالا به بافت پوست می‌رسد.
  2. به‌دلیل وجود نوار کاسپاری - سد مومی که باعث می‌شود هر ماده‌ای قبل از ورود به آوندها و غلاف آوندی وارد سیتوپلاسم سلول‌ها و غربال شود - در اندودرم، آب برای انتقال به بخش‌های دیگر باید وارد سیتوپلاسم سلول شود.
  3. پس از عبور از این بخش، آب دوباره می‌تواند یکی از مسیرهای بالا را انتخاب کند.
  4. در غلاف آوندی، آب و مواد معدنی وارد آوند چوبی می‌شوند.
  5. آب به سمت بخش‌های بالایی گیاه حرکت می‌کند و در بخش‌های مختلف از آوند خارج و وارد سلول‌ها می‌شود.
  6. بخشی از آب وارد شده به برگ در متابولیسم مصرف می‌شود و بخش بیشتر آن به‌وسیله تعریق به محیط برمی‌گردد.
انتقال مواد از عرض ریشه
انتقال آب و مواد معدنی از عرض ریشه

فشار ریشه

فشار ریشه، به‌دلیل فشار اسمزی حاصل از ذرات موجود در سلول‌های غلاف آوندی ایجاد می‌شود. نوار کاسپاری با جلوگیری از نفوذپذیری سلول‌های این بخش به آب، سبب اختلاف غلظت آب و ایجاد فشار اسمزی می‌شود. اما این فشار به تنهایی برای حرکت آب در آوند چوبی کافی نیست. نیروی دیگری که نقش اصلی در حرکت آب به سمت برگ دارد، نیروی بالارونده‌ای است که در اثر «تعریق» (Transpiration) آب در برگ به‌وجود می‌آید. فشار ریشه در زمستان و مناطق شرجی، آب را به سمت برگ هدایت می‌کند و آب اضافی، از روزنه‌های برگ خارج می‌شود.

تعریق
تعریق آب اضافی را از گیاه خارج می‌کند.

تعریق در گیاهان چه تفاوتی با شبنم دارد؟

توجه داشته باشید که تعریق، آب اضافی است که از روزنه‌ها خارج می‌شود و شبنم، بخار آب موجود در هوا است که بر اثر میعان روی برگ دیده می‌شود.

انواع تعریق در گیاهان چیست ؟

تعریق در گیاهان از چهار مسیر  «روزنه» (Stomata)،  «روپوست» (Cuticula)، «عدسی» (Lenticule) و «پوست» (Bark) انجام می‌شود.

تعریق از روزنه

روزنه‌ها منافذی هستند که به‌وسیله دو «سلول نگهبان» (Guard Cells) محافظت می‌شوند. باز و بسته شدن روزنه‌ها در پاسخ به عوامل محیطی بر عهده سلول‌های نگهبان است. جدول زیر عوامل محیطی را معرفی می‌کند که باز و بسته شدن روزنه را تنظیم می‌کنند.

عوامل موثر بر باز شدن روزنه و افزایش تعریق

عوامل موثر بر بسته شدن روزنه و کاهش تعریق

نور کافی تاریکی
آب کافی در گیاه نیاز به آب
دمای بهینه دمای بالا

تنظیم تعریق

سطح برگ برای کاهش تبخیر و از دست دادن آب با لایه مومی کوتیکول پوشانده شده است. به‌همین دلیل تنظیم تعریق به ‌وسیله روزنه‌های برگ انجام می‌شود. باز و بسته شدن روزنه به فشار اسمزی سلول‌های نگهبان بستگی دارد که با جریان آب ورودی به این سلول‌ها تنظیم می‌شود. جذب آب و تورم این سلول‌ها سبب باز شدن روزنه و از دست دادن آب و جمع شدن سلول، سبب بسته شدن روزنه می‌شود. علاوه بر این آرایش شعاعی فیبرهای سلولزی به باز و بسته شدن روزنه کمک می‌کند. دیواره سلولی بخش داخلی این سلول‌ها نسبت به دیواره سلولی بخش خارجی ضخیم‌تر است و همین ویژگی سبب می‌شود سلول در زمان تورم شکل لوبیایی پیدا کند و باز شود.

تعریق کوتیکول

در تعریق کوتیکولی آب از روپوست برگ یا بخش‌های دیگر گیاه تبخیر می‌شود. در گیاهانی که کوتیکول ضخیمی دارند مثل گیاهان بیابانی،‌ تعریق کوتیکولی تنها ۳ درصد کل تعریق گیاه را به خود اختصاص می‌دهد اما در گیاهان علفی که لایه کوتیکولی در آن‌ها نازک است این میزان به ۵۰ درصد می‌رسد. این نوع تعریق به نور وابسته نیست و در شبانه‌روز انجام می‌شود.

تعریق عدسی

این نوع تعریق فقط در شاخه‌های چوبی گیاهان صورت می‌گیرد. چون «عدسک‌ها» (Lenticels) فقط در این بخش گیاه وجود دارند. تعریق عدسکی ۰٫۱ درصد کل تعریق گیاه را به خود اختصاص می‌دهد و به‌دلیل اینکه عدسک‌ها مکانیسمی برای باز و بسته شدن ندارند، در شبانه‌روز سبب خروج آب از گیاه می‌شود.

روزنه و عدسک چه تفاوت هایی دارند ؟

روزنه و عدسک هر دو منافذی در روپوست اندام‌های مختلف گیاه هستند که وظیفه تبادل گازها در گیاه را بر عهده دارند. روزنه در مراحل رشد اولیه گیاه و عدسک در مراحل رشد ثانویه گیاه تشکیل می‌شود. در جدول زیر تفاوت‌های این دو ساختار را توضیح می‌دهیم.

ویژگی‌های عدسک ویژگی‌های روزنه
تعداد زیادی از آن‌ها در ساقه چوبی گیاه وجود دارند. تعداد کمی از آن‌ها در روپوست برگ و ساقه گیاه وجود دارند.
در پیش‌پوست یا پریدرم ساقه و شاخه چوبی قرار دارد. معمولا در روپوست پشت برگ قرار دارند.
در رشد پسین تشکیل می‌شود. در رشد اولیه تشکیل می‌شود.
اندازه آن تغییر نمی‌کند. سلول‌های نگهبان اندازه آن را تغییر می‌دهند.
تعریق کمی از این منافذ انجام می‌شود. تعریق زیادی از این منافذ انجام می‌شود.
همیشه باز است. براساس نیاز گیاه باز می‌شود.

تعریق روپوستی

این تعریق در پوشش کرکی ساقه انجام می‌شود و بسیار کم است اما به‌دلیل گسترده بودن سطح آن، در اندازه‌گیری‌ها بیشتر از تعریق عدسی است. تعریق روپوستی مثل تعریق عدسی و کوتیکولی در شبانه‌روز صورت می‌گیرد.

نظریه هم‌بستگی-کشش

آب موجود در گیاه پیوسته از راه تعریق در برگ از گیاه خارج می‌شود و این فرایند فشاری رو به بالا در آوندهای چوبی ایجاد می‌کند. اما این فشار تا ارتفاع مشخصی (۱٫۴ متر) عمل می‌کند. این سوال پیش می‌آید که آب در گیاهان بلندتر از ۱۰ متر چطور به برگ‌ها می‌رسد؟

جواب این سوال در «دگرچسبندگی» (Adhesion) و «هم‌چسبی» (Cohesion) بین مولکول‌های آب است که به دلیل پیوند هیدروژنی بین آن‌ها ایجاد می‌شود و در لوله‌های بسیار باریک قدرت بیشتری دارد.

  • دگرچسبندگی بر اثر اتصال مولکول‌های آب به دیواره آوند چوبی به‌وجود می‌آید.
  • هم‌چسبی به دلیل نیروهای بین مولکولی آب به‌وجود می‌آید و حرکت یک مولکول به سمت بالا مولکول بعدی را به‌دنبال خود می‌کشد.

براساس «نظریه هم‌بستگی-کشش» (Cohesion-Tension Theory)، تعریق نیروی اصلی هدایت‌کننده آب در آوند چوبی است. این فرایند کشش (فشار منفی) ایجاد می‌کند که سبب کشیده شدن آب از ریشه به برگ‌ها می‌شود. به این معنی که سلول‌های ریشه و کانال آوند چوبی، مرتب آب خود را از دست می‌دهند و نیاز به دریافت آب دارند.

نظریه چسبندگی-هم‌بستگی
حرکت آب در آوند چوبی.

سازگاری آوند چوبی برای حرکت آب

آوندهای چوبی برای اینکه به‌راحتی آب و مواد معدنی را در درخت‌های چندصدمتری منتقل کنند، ساختار و عملکرد ویژه‌ای دارند.

  1. شکل بالغ آوندهای چوبی سلول زنده ندارد و از دیواره سلولی ضخیمی تشکیل می شود که چسبندگی مولکول‌های آب را تسهیل می‌کند.
  2. در دیواره آوندهای چوبی حلقه‌هایی شبیه به حلقه‌های لوله جارو برقی وجود دارد که ساختار لوله‌ای این آوندها در فشارهای مختلف را حفظ می‌کنند.
  3. پیوستگی حرکت آب در عناصر آوندی و تراکوئید‌ها، به‌وسیله منافذ کوچک دیواره آوندها حفظ می‌شود. این منافذ از تشکیل حباب در مسیر حرکت آب جلوگیری می‌کند.

انتقال مواد آلی

کربوهیدرات‌های لازم برای رشد بخش‌های جوان گیاه و تامین انرژی، در برگ و به‌وسیله فتوسنتز ساخته می‌شود. محصولات فتوسنتز معمولا به نزدیک‌ترین محل استفاده منتقل می‌شوند. برای مثال، کربوهیدرات سنتز شده در برگ‌های بالایی به جوانه‌های راسی، در برگ‌های پایینی به ریشه و برگ‌های میانه به هر دو طرف منتقل می‌شوند. مسیر کربوهیدرات‌ها در «آوندهای آبکش» (Phloem) به دو مقصد می‌رسد.

  • جوانه‌های در حال رشد شامل مریستم‌های راسی و جانبی، برگ، گل، میوه و دانه
  • بخش‌های ذخیره‌کننده کربوهیدرات شامل ریشه‌ها، زوائد و غده‌های ریشه

حرکت «شیره پرورده» (Sap) در یک آوند آبکش، تنها در یک جهت انجام می‌شود اما ممکن است جهت حرکت مواد در آوندهای آبکش کنار هم متفاوت باشد. این حرکت را با حرکت آب در آوند چوبی مقایسه کنید که فقط در یک جهت و از ریشه به برگ می‌رود. هم‌چنین حرکت در آوند آبکش با رشد گیاه تغییر می‌کند.

  • در فصل رشد، فتوسنتز در برگ‌های جوان گیاه زیاد است و قند بیشتری تولید می‌کند. این قند به مریستم‌های در حال رشد، برگ‌های جوان و ساختارهای تولیدمثلی منتقل می‌شود. علاوه بر این بخشی از آن در اندام‌های ذخیره‌ای تجمع می‌یابد. با پایان این فصل، برگ‌ها می‌ریزند و فتوسنتز کاهش می‌یابد.
  • در ابتدای فصل رشد بعدی، گیاه باید فتوسنتز را دوباره شروع کند. از‌آنجایی که گیاه برگی ندارد، کربوهیدرات لازم به‌وسیله اندام‌های ذخیره‌ای تامین می‌شود و برگ‌ها به عنوان مصرف‌کننده هستند. پس از بالغ شدن برگ‌ها، دوباره این اندام قند را تامین می‌کند.

حرکت مواد در آوند آبکشی

غلظت بالای ذرات در شیره پرورده سبب ورود آب به آوند آبکشی از آوند چوبی کناری می‌شود و «فشار تراکمی» (Turgor Pressure) آن را افزایش می‌دهد. فشار تراکمی سبب جریان شیره پرورده به اندام‌های مصرف‌کننده می‌شود. برداشت کربوهیدرات در این اندام‌ها سبب کاهش فشار ذرات محلول خواهد شد و آب به آوند چوبی باز می‌گردد. مسیر حرکت مواد از مراکز تولید به اندام‌های مصرف‌کننده و ذخیره‌کننده شامل مراحل زیر است.

  1. قند به‌وسیله پروتئین هم‌انتقال سوکروز-پروتون، از سلول‌های مزوفیل به «سلول‌های همراه» (Companion Cells) در «لوله‌های غربالی» (Sieve-tube) منتقل می‌شود. در این انتقال سوکروز وارد سلول‌های همراه و پروتون وارد سلول‌های مزوفیل خواهد شد.
  2. سوکروز به دلیل اختلاف غلظت، از پلاسمودسمای سلول‌های همراه به لوله‌های غربالی منتشر می‌شود.
  3. صفحات غربالی بین لوله‌ها، حرکت سوکروز را تسهیل می‌کنند.
  4. غلظت زیاد سوکروز در آوند آبکشی، سبب افزایش فشار اسمزی آوند و ورود آب از آوند چوبی کناری به آن می‌شود.
  5. ورود آب، فشار تراکمی در آوند را افزایش می‌دهد و نیروی لازم برای حرکت شیره پرورده به اندام‌های مصرف‌کننده را فراهم می‌کند.
  6. خروج مواد در اندام‌های مصرف‌کننده یا ذخیره‌کننده براساس غلظت قند در بافت مقصد، به دو روش انتشار و انتقال فعال انجام می‌شود.
  7. پس از به مقصد رسیدن شیره پرورده، کاهش فشار اسمزی سبب بازگشت آب به
    آوند چوبی می‌شود.
  8. خروج آب، فشار تراکمی آوند آبکش را کاهش می‌دهد و جهت حرکت مواد از آوند به اندام را ثابت نگه می‌دارد.
انتقال مواد در آوند آبکش
انتقال شیره پرورده در آوند آبکشی

تفاوت حرکت مواد در آوند چوبی و آوند آبکش

حرکت کربوهیدرات‌ها در آوند آبکش به حرکت آب در آوند چوبی وابسته است. اما حرکت مواد در این دو ساختار تفاوت‌های اساسی دارد.

حرکت مواد در آوند چوبی حرکت مواد در آوند آبکشی
نیروی حرکت‌دهنده

فشار تعریق

نیروی هم‌بستگی و چسبندگی مولکول‌های آب

فشار تراکمی

فشار اسمزی

سلول‌های تسهیل‌کننده حرکت

عناصر آوندی و تراکوئیدها

(زنده نیستند)

سلول‌های زنده عناصر غربالی

سلول‌های همراه

نوع حرکت غیرفعال، بدون نیاز به انرژی انتقال فعال و انتشار ساده و تسهیل‌شده
فشار منفی مثبت

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

بر اساس رای ۱۲ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
شما قبلا رای داده‌اید!
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

مرضیه پیمان فارغ‌التحصیل کارشناسی ارشد نانوفناوری پزشکی است. در زمینه ترجمه متون تخصصی و کاربردهای نانو‌ساختارها در پزشکی فعالیت می‌کند. علاقه‌مند به استفاده از هوش مصنوعی در پزشکی و طراحی دارو است. در حال حاضر در زمینه تولید‌ محتوای زیست‌شناسی با فرادرس همکاری می‌کند.