L acqua e la cellule vegetale. Importanza dell acqua per la pianta e meccanismi di movimento

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1 L acqua e la cellule vegetale Importanza dell acqua per la pianta e meccanismi di movimento

2 Perché l acqua è importante per la pianta? Le cellule vegetali sono costituite per 80-95% di acqua consente il trasporto dei minerali dal suoloradici-pianta Interviene nei processi metabolici fondamentali In carenza di H 2 0 le piante erbacee appassiscono Se l acqua è limitante, la produttività è limitata

3 Andamento della produttività del mais in relazione alla disponibilità idrica

4 Lucido di Relax Tema: acqua L agricoltura consuma il 70% dell acqua usata dall uomo (contro il 10% usata nelle case) Libro blu sugli sprechi di acqua, Edizioni Ambiente

5 H 2 O verde: ritorna all ambiente H 2 O blu: prelevata dalle falde H 2 O grigia: ritorna alle falde inquinata

6 Meccanismi di movimento dell acqua (e dei soluti) nel sistema suolo-pianta atmosfera: Diffusione Flusso di massa Osmosi Caso speciale di diffusione

7 Diffusione molecolare Se il movimento non avviene attraverso membrane semipermeabili, la forza guida e rappresentata dal gradiente di concentrazione dc/dx Alta concentrazione Bassa concentrazione

8 La costante agitazione termica delle molecole tende a pareggiare qualsiasi differenza di concentrazione

9 La velocità con cui avviene la diffusione è descritta da La prima legge di Fick (empirica) J s D s (dc dx) Flusso Coefficiente di diffusione Forza guida Il flusso (J s ) è la quantità di sostanza s che attraversa l unità di area nell unità di tempo (moli/m 2 s). Riflette la velocita di movimento di s.

10 Dall eq. di Fick si può derivare il tempo impiegato da una sostanza per diffondere ad una particolare distanza. t c=1/2 = (distanza) 2 D s K t c=1/2 = metà del valore di concentrazione del punto di partenza D s = coefficiente di diffusione K= costante che dipende dalla geometria del sistema

11 Esempio per brevi distanze: cellula Dimensioni cellulari= 50mm Ds di una piccola molecola =10-9 m 2 s -1 K=1 t c=1/2 = 2,5 s

12 Esempio per lunghe distanze: foglia di mais Distanza= 1m Ds di una piccola molecola =10-9 m 2 s -1 K=1 t c=1/2 = 10 9 s = 32 anni!

13 La diffusione è rapida a breve distanza, ma estremamente lenta a lunga distanza. La diffusione non contribuisce al trasporto a lunga distanza nella pianta.

14 Esempio di diffusione delle molecole d H 2 O nella pianta -Dalla cavità sottostomatica all atmosfera

15 Flusso di massa Gruppi di molecole si muovono insieme in risposta a un gradiente di pressione Pressione alta > pressione minore Es: acqua nelle tubazioni

16 Legge di Poiseuille velocità di flusso J v P r 8 4 In questo caso la velocità del flusso dipenderà dal gradiente di pressione, dal raggio della tubatura e dalla viscosità del liquido Se il raggio raddoppia, la velocità del flusso del volume aumenterà di un fattore 16

17 Esempio di flusso di massa delle molecole d H 2 O nella pianta -nello xilema -nel floema

18 Xilema

19 Osmosi Nelle piante l H 2 O deve muoversi attraverso la membrana plasmatica semipermeabile. L Osmosi descrive il movimento dell acqua attraverso una membrana semipermeabile Come nel caso della diffusione e del flusso di massa, l osmosi avviene spontaneamente in risposta ad una forza motrice

20 Le molecole d acqua possono attraversare la membrana plasmatica sia per diffusione flusso di massa attraverso canali selettivi per l H 2 O acquaporine

21 La forza motrice che regola la direzione e la velocità di flusso idrico attraverso una membrana semipermeabile deve tener conto sia del gradiente di concentrazione che del gradiente di pressione

22 Questa osservazione porta allo sviluppo del concetto di forza motrice composta o totale che rappresenta il gradiente di energia libera dell acqua Poiché l energia libera di una sostanza la possiamo misurare mediante il potenziale chimico La direzione di movimento sarà: alto potenziale chimico dell H 2 O basso potenziale chimico dell H 2 O

23 Particolarità in Fisiologia vegetale I fisiologi vegetali anziché usare il potenziale chimico dell acqua preferiscono usare il Potenziale idrico (Y w ) Alto Y w Basso Y w

24 Osmosi Yw alto > Yw basso Maggiore sarà la differenza di Yw tra le due posizioni (ovvero maggiore sarà il gradiente di Yw) e maggiore sarà la velocità di movimento.

25 Soluzioni ipertoniche, ipotoniche e isotoniche

26 Soluzione ipertonica Soluzione ipotonica Soluzione isotonica

27 Yw alto > Yw basso Direzione di movimento nell osmosi

28 Osmosi e misura del potenziale osmotico (Ys) di una soluzione Yw alto > Yw basso Yw = Ys + Yp(Yg) Potenziale Osmotico

29 Bilancio idrico della pianta

30 Il meccanismo del trasporto idrico dal suolo all atmosfera attraverso la pianta comprende: La diffusione Il flusso di massa L osmosi Ad ognuno di questi tipi di trasporto è accoppiata una forza motrice differente La diffusione: differenza di concentrazione Il flusso di massa: differenza di pressione L osmosi: differenza di Yw

31 Esempi di dove possiamo ritrovare questi tipi di trasporto La diffusione Camera sottostomatica-atmosfera, Il flusso di massa Nel suolo e nello xilema L osmosi Attraverso le membrane

32 Qual è il meccanismo di ascesa dell acqua? Atmosfera H 2 0vapore Pianta Terreno H 2 0 Via di conduzione dell acqua Caratteristiche dell acqua

33 Xilema Tracheidi e elementi dei vasi: Cellule morte Pareti secondarie ispessite Tracheidi: Punteggiature laterali Elementi dei vasi: Punteggiature laterali e perforazioni terminali Funzioni: 1. trasporto H 2 O e ioni minerali 2. sostegno

34 Le tracheidi sono presenti in tutte le piante vascolari Punteggiatura areolata Gli elementi dei vasi sono presenti nella maggior parte della angiosperme e sono assenti nella maggior parte delle gimnosperme

35 L acqua è una molecola speciale: proprietà dell H 2 O

36 Quali sono le caratteristiche che rendono speciale la molecola d acqua L H 2 O non ha carica netta, ma le cariche parziali opposte la rendono una molecola polare

37 d+ e d- consentono la formazione di legami H tra molecole di H 2 O adiacenti e tra molecole di H 2 O

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39 Grazie alla sua polarità e capacità di formare legami H, l H 2 O ha: proprietà di coesione: attrazione tra H 2 O proprietà di adesione: attrazione con molecole polari solide (parete cellulare, vetro)

40 In una interfaccia aria/acqua, le molecole di H 2 O sono più attratte tra loro che dalla fase gassosa, con conseguente riduzione dell area di superficie dell interfaccia: tensione superficiale Goccie d acqua su una foglia Goccie d acqua su un vetro

41 La coesione impartisce all H 2 O una grande forza di tensione: capacità di resistere a forze di trazione

42 Lucido di Relax: -In piccoli capillari, l acqua può resistere a tensioni più negative di 30 MPa. 1 atm = 0,1 Mpa quindi, 300 atm! ((L H2O ha una forza di tensione pari a 1/10 di quella dei fili di rame o alluminio))

43 La tensione superficiale, la coesione e l adesione determinano la capillarità tendenza dell H 2 O di risalire un sottile tubo contro la forza di gravità.

44 Può la capillarità far giungere H 2 O alla sommità di un albero? Innalzamento per capillarità= 14,9x10-6 m 2 /raggio es: raggio xilematico=25mm Nei vasi xilematici l H 2 O può risalire per capillatrità soltanto per 0,6 m!