Πώς το νερό κινείται μέσα στα δέντρα Teach article

Μετάφραση από: Αλέξανδρο Χαρωνιτάκη (Alexander Charonitakis) – Φοιτητής Βιολογίας, ΕΚΠΑ και Παναγιώτη Κ. Στασινάκη (Panagiotis K. Stasinakis) - Εκπαιδευτικός, Βιολόγος, MEd, PhD, Πανελλήνια…

Σεκόγια, Sequoia
sempervirens

Εικόνα με την ευγενική
παραχώρηση του
Allie_caulfield/ Wikimedia
Commons

Οι σεκόγιες της βόρειας Καλιφόρνιας, Sequoia sempervirens, είναι τα ψηλότερα δέντρα στον κόσμο και αναπτύσσονται σε ύψη μεγαλύτερα από 110 μέτρα. Ωστόσο, το τι τελικά ορίζει το ύψος τους είναι ακόμα αντικείμενο διαπραγμάτευσης

Η πιο διάσημη θεωρία είναι η ‘υπόθεση του υδραυλικού περιορισμού’ (Ryan & Yoder, 1997), η οποία προτείνει ότι καθώς τα δέντρα μεγαλώνουν σε ύψος, γίνεται πιο δύσκολο να παρέχουν νερό στα φύλλα τους. Αυτός ο υδραυλικός περιορισμός καταλήγει σε  μειωμένη διαπνοή και σε λιγότερη φωτοσύνθεση, προκαλώντας μείωση της ανάπτυξης.

Στα ψηλά δέντρα η παροχή νερού μπορεί να περιοριστεί από δύο παράγοντες: απόσταση και βαρύτητα. Τα ψηλά δέντρα έχουν ένα μακρύτερο μονοπάτι μεταφορικού ιστού, γνωστό ως ξύλωμα – το οποίο αυξάνει τη δυσκολία της μεταφοράς του νερού, κάτι που ονομάζουμε υδραυλική αντίσταση. Επιπλέον όχι μόνο είναι η οδός του ξυλώματος μακροσκελής, αλλά και τα δέντρα είναι ψηλά και το νερό έχει να υπερνικήσει τη δύναμη της βαρύτητας. Αυξημένη δύναμη απαιτείται για να ωθήσει το νερό στα ψηλότερα φύλλα. Αυτή η κατάσταση διαφέρει από μία μακριά μάνικα που είναι απλωμένη στο έδαφος: θα έχει υψηλή αντίσταση εξαιτίας του μήκους της, αλλά όχι την επιπρόσθετη δυσκολία να είναι τοποθετημένη κατακόρυφα.

a) Δομή αγγείων ξυλώματος σε ανθισμένα φυτά και τραχεΐδων σε κωνοφόρα.
b) Φωτογραφία από διατομή σε κλαδί πεύκου (Pinus strobus), διαμέτρου 1 cm.
c) Εικόνα τομής τμήματος σε Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (ΗΜΣ).

Εικόνες με την ευγενική παραχώρηση των Boutilier et al
 

Τα γρήγορα αναπτυσσόμενα δέντρα συχνά έχουν μικρή διάρκεια ζωής. Για να επιτύχουν τη γρήγορη ανάπτυξή τους, τα εποικιστικά δέντρα έχουν ευρύτερα αγγεία ξυλώματος, αυξάνοντας την υδραυλική τους αποδοτικότητα αλλά επίσης αυξάνοντας τον κίνδυνο εμβολών (φυσαλίδες αέρα). Οι φυσαλίδες αέρα στα αγγεία του ξυλώματος εμποδίζουν το νερό να μπορεί να κινηθεί στο εσωτερικό τους.

Αντιθέτως, τα πολύ ψηλά δέντρα συχνά ζουν για μεγάλο χρονικό διάστημα. Θεωρείται ότι αυτό συμβαίνει, κυρίως, επειδή έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να υιοθετήσουν έναν ασφαλή υδραυλικό σχεδιασμό, με πολλαπλά στενά αγγεία ξυλώματος αντί για λίγα με μεγαλύτερο εύρος.

Αυτή η αυξημένη ασφάλεια αντισταθμίζεται από τη μειωμένη αποδοτικότητα της μεταφοράς του νερού, γεγονός που διαδοχικά περιορίζει τους ρυθμούς ανάπτυξης. Το ύψος των δέντρων, συνεπώς, μπορεί επίσης να περιοριστεί από την αντιστάθμιση της ασφάλειας έναντι της αποδοτικότητας στη λειτουργία του ξυλώματος (Burgess et al, 2006).

Οι επόμενες δύο δραστηριότητες εξερευνούν το συμβιβασμό που επιτυγχάνουν τα φυτά ανάμεσα στο να είναι αποδοτικά κατά τη μεταφορά νερού και να έχουν έναν ασφαλή σχεδιασμό. Και οι δύο δραστηριότητες μπορούν να προσαρμοστούν για μαθητές ηλικίας 15-18 ετών με ένα μεγάλο εύρος δυνατοτήτων, αλλά θα πρέπει να αξιολογήσετε εάν οι μαθητές μπορούν να εκτελέσουν όλα τα πειράματα ή εάν είναι ασφαλέστερο για τον καθηγητή να κάνει τα κοψίματα. Κάθε δραστηριότητα θα διαρκέσει περίπου 50 λεπτά.

Πίνακας 1: Κάποια παραδείγματα μηκών ξυλώματος από κλαδιά μικρότερα των 15 cm σε διάμετρο, τα οποία έχουν ληφθεί από τους Jacobsen et al (2012)
Είδη Μέσο μήκος ξυλώματος/μέτρο
Acer saccharum (Σφένδαμος ο σακχαρώδης) 0.0312
Cinnamomum camphora (Καμφορόδεντρο) 0.1184
Rhododendron_maximum (Ροδόδεντρο το μέγιστο) 0.0246
Vitis vinifera (Κοινή άμπελος) 0.1503

Εκτιμώντας τα μέγιστα μήκη αγγείων ξυλώματος

Η σύγκριση των μηκών των αγγείων του ξυλώματος θα επιτρέψει στους μαθητές να προβλέψουν την σχετική τους αντίσταση στη ροή του νερού

Υλικά

Συλλογή κλαδιών
Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen
  • Επιλογή πρόσφατα κομμένων κλαδιών από ένα δέντρο ή θάμνο, συμπεριλαμβανομένων όλων των φύλλων ή πλάγιων κλάδων, μέχρι και 2 μέτρα σε αρχικό μήκος. Αν το πείραμα πρέπει να διεκπεραιωθεί  μετά πάροδο μερικών ωρών από τη συλλογή, φυλάξτε το φυτικό υλικό σε μία πλαστική σακούλα για να αποφύγετε την υπέρμετρη απώλεια νερού.
  • Σωλήνας από λάστιχο/σιλικόνη
  • Συρμάτινα δεματικά ή κολάρα σύσφιξης
  • Αιχμηρά κλαδευτήρια ή ψαλίδια
  • 60 cm3 σύριγγες
  • Μεγάλη λεκάνη με νερό βρύσης
  • Μεγεθυντικοί φακοί χειρός
  • Χάρακας

Διαδικασία

Συμπιέζουμε τον αέρα μέσα
στη σύριγγα

Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen
  1. Κόψτε ένα κλαδί μήκους 1 m, λαμβάνοντας υπόψιν η τομή να είναι καθαρή και το άκρο του κλαδιού να μην έχει συνθλιβεί. Το κλαδί θα είναι πολύ μακρύτερο από τα αγγεία ξυλώματος στο εσωτερικό του.
  2. Προσαρμόστε μία σύριγγα των 60cm3, γεμάτη με αέρα στο πλησιέστερο (ευρύτερο) άκρο του κλαδιού χρησιμοποιώντας τον σωλήνα σιλικόνης και τα συρμάτινα δεματικά όπως απαιτείται.
  3. Συμπιέστε τον αέρα μεταξύ της σύριγγας και του κλαδιού μειώνοντας τον όγκο του αέρα στη σύριγγα περίπου στο μισό (π.χ. από τα 60 cm3 αέρα στα 30 cm3). Αυτή η πίεση πρέπει να διατηρηθεί κατά τη διάρκεια των βημάτων 4-6.
  4. Κρατήστε το απώτερο άκρο του κλαδιού μέσα στο νερό.
  5. Χρησιμοποιήστε τον μεγεθυντικό φακό για να δείτε αν ένα σταθερό ρεύμα από φυσαλίδες μπορεί να εντοπιστεί στο απώτερο άκρο του κλαδιού.
  6. Προοδευτικά μειώνετε το απώτερο άκρο του κλαδιού κόβοντας περίπου 1 με 5 cm κάθε φορά, έχοντας υπόψιν ότι κάθε φορά το άκρο του κλαδιού δεν έχει συνθλιβεί και έχει μία καθαρή τομή.
  7. Όταν ένα ρεύμα φυσαλίδων παρατηρηθεί, το μήκος του κλαδιού δίνει το κατά προσέγγιση το μέγιστο μήκος των αγγείων του ξυλώματος.

Σημείωμα Ασφάλειας

Οι μαθητές θα πρέπει να έχουν προειδοποιηθεί για τα απαραίτητα μέτρα ασφαλείας όταν χρησιμοποιούν αιχμηρά αντικείμενα. Δείτε επίσης το γενικό σημείωμα ασφάλειας.

Συμπληρωματική δραστηριότητα

Οι μαθητές μπορούν να συγκρίνουν τα μέγιστα μήκη των αγγείων ξυλώματος σε μία ποικιλία διαφορετικών φυτών ή διαφορετικών τμημάτων (ρίζες, κύριοι και πλευρικοί κλάδοι) του ίδιου φυτού. Είναι σύνηθες για τα ταχέως αναπτυσσόμενα φυτά να έχουν μακρύτερα αγγεία ξυλώματος και επομένως λιγότερες θραύσεις μεταξύ των ξυλωμάτων. Μπορούν οι μαθητές να προτείνουν γιατί συμβαίνει αυτό;

Τι περίπου συμβαίνει

Ένα κλαδί περιέχει αρκετά αγγεία ξυλώματος συνδεδεμένα μεταξύ τους. Ανάμεσα στα αγγεία ξυλώματος βρίσκονται διάτρητες πλάκες. Όσο λιγότερες διαιρέσεις υπάρχουν, τόσο μικρότερη η αντίσταση και γρηγορότερη η κίνηση του νερού.

Μία λεπτομερής μελέτη του μήκους των αγγείων στο Chrysanthemum stems (Nijsse et al, 2001) και σε ένα ευρύ φάσμα θάμνων και δέντρων (Jacobsen et al, 2012) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραπομπή.

 

Υπολογίζοντας την υδραυλική αγωγιμότητα του ξυλώματος

Οι μετρήσεις των υδραυλικών ιδιοτήτων του ξυλώματος δείχνουν πόσο καλά τα φυτά μπορούν να παρέχουν νερό στα φύλλα τους. Είναι δυνατόν να μετρήσουμε την υδραυλική αγωγιμότητα βλαστών, κλαδιών και ριζών στην τάξη με έναν απλό, οικονομικό εξοπλισμό. Για τη μέτρηση της υδραυλικής αγωγιμότητας, το μήκος των κλαδιών θα πρέπει να είναι μακρύτερο από το μέσο μήκος των αγγείων ξυλώματος (δείτε προηγούμενη δραστηριότητα).

Διάγραμμα για το στήσιμο της συσκευής μέτρησης υδραυλικής αγωγιμότητας
Εικόνα με την ευγενική παραχώρηση της Nicola Graf

Υλικά

Η συνολική διάταξη
Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen
  • Επιλογή πρόσφατα κομμένων κλαδιών από ένα δέντρο ή θάμνο που εξετάστηκαν στο προηγούμενο πείραμα. Βεβαιωθείτε ότι τα κομμάτια είναι μακρύτερα από το μέγιστο μήκος αγγείων ξυλώματος που έχει μετρηθεί. Αν το πείραμα πρέπει να διεκπεραιωθεί μετά πάροδο μερικών ωρών από τη συλλογή, φυλάξτε το φυτικό υλικό σε μία πλαστική σακούλα για να αποφύγετε την υπέρμετρη απώλεια νερού.
  • Σωλήνας από λάστιχο/σιλικόνη
  • Συρμάτινα δεματικά ή κολάρα σύσφιξης
  • Αιχμηρά κλαδευτήρια, ψαλίδια ή ένα μεγάλο νυστέρι
  • Σανίδα κοπής
  • Μεγάλη λεκάνη με νερό
  • Χάρακας 1m
  • Δεξαμενή απαερωμένου, απεσταγμένου νερού σε ένα δοχείο με μία βρύση στο κάτω μέρος. Εξαερώνουμε το νερό βράζοντας το ή χρησιμοποιώντας μία αντλία κενού για περίπου 1 ώρα, μέχρι όλο το αέριο να έχει απομακρυνθεί από το νερό. Φυσαλίδες αέρα σε νερό που δεν είναι απαερωμένο μπορούν να μπλοκάρουν τα αγγεία του ξυλώματος. 
  • Υδροχλωρικό οξύ
  • 1 cm3 πιπέτα (μία πιπέτα με κλίση 90ο είναι πιο αποδοτική. Μία τυπική γυάλινη πιπέτα μπορεί να καμφθεί σε πολύ καυτή φλόγα)
  • 50cm3 πλαστικό ποτήρι ζέσεως
  • Στατό και σφιγκτήρας
  • Ζυγός (ακρίβεια το λιγότερο 0.01g)
  • Επιτραπέζιο χρονόμετρο ή χρονόμετρο χειρός
Κόψτε το απώτερο άκρο
κάτω από το νερό

Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen

Διαδικασία

1. Συναρμολογήστε τη συσκευή όπως απεικονίζεται στο διάγραμμα:

α) Προσθέστε υδροχλωρικό οξύ στο απαερωμένο, απεσταγμένο νερό για να δώσει τελική συγκέντρωση 0,01 M. Για παράδειγμα, προσθέστε 0,5 cm3 από 0,1 M HCl σε 5 dm3 απαερωμένο, απεσταγμένο νερό. Το υδροχλωρικό οξύ παρεμποδίζει την μακροπρόθεσμη μείωση στην αγωγιμότητα, περιορίζοντας την ανάπτυξη μικροβίων στο ξύλωμα. Συμβουλή Ασφάλειας: Να θυμάστε ότι πάντα προσθέτουμε οξύ σε νερό και όχι νερό σε οξύ

 

Συμβουλή Ασφάλειας

Να θυμάστε ότι πάντα προσθέτουμε οξύ σε νερό και όχι νερό σε οξύ

 

β) Γεμίστε τη δεξαμενή με το νερό που έχει υποστεί όξυνση. Εισάγετε ένα κομμάτι του σωλήνα, σφραγισμένου στο ένα άκρο με ένα πώμα, στην κορυφή της δεξαμενής. Ο ανοιχτός σωλήνας εξασφαλίζει μία επιφάνεια συνεχούς πίεσης ώστε ακόμα και αν το επίπεδο του νερού κατέβει, το δραστικό ύψος της δεξαμενής να παραμείνει το ίδιο.

Κόψτε το άλλο άκρο κάτω
από το νερό

Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen

γ) Στη βρύση της δεξαμενής, προσθέστε ένα σωλήνα, γεμίστε τον με νερό από τη δεξαμενή, σφραγίστε το ανοιχτό άκρο και τοποθετήστε τον στην μεγάλη λεκάνη νερού.

δ) Κλείστε τη βρύση.

ε) Βυθίστε το απώτερο άκρο του κλαδιού μέσα στη μεγάλη λεκάνη με νερό. Αυτή είναι η άκρη του κλαδιού που βρισκόταν πλησιέστερα στο κεντρικό στέλεχος του φυτού.

στ) Κόψτε κατά προσέγγιση 3 cm, το απώτερο άκρο του κλαδιού κάτω από το νερό ώστε να εξασφαλίσετε ότι δεν παραμένουν θύλακες αέρα στο ξύλωμα. Ξύστε την άκρη της τομής χρησιμοποιώντας μία αιχμηρή λεπίδα.

ζ) Συνδέστε το πρόσφατα κομμένο άκρο του κλαδιού με τον γεμάτο με νερό σωλήνα που είναι συνδεδεμένος με την δεξαμενή, κάτω από το νερό. Αν ο φλοιός είναι πολύ τραχύς, μπορεί να αφαιρεθεί πριν τη σύνδεση. Ένα υδατοστεγές σφράγισμα θα πρέπει να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας συρμάτινα δεματικά ή κολάρα σύσφιξης αν είναι απαραίτητο, ωστόσο μην σφίξετε υπερβολικά και συμπιέσετε τα αγγεία του ξυλώματος.

Συνδέστε το σωλήνα στο
άκρο κάτω από το νερό

Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen

η) Βυθίστε και το άλλο άκρο του κλαδιού μέσα στη λεκάνη με το νερό.

θ) Κόψτε κατά προσέγγιση 3 cm, το άκρο του κλαδιού κάτω από το νερό ώστε να εξασφαλίσετε ότι δεν παραμένουν θύλακες αέρα στο ξύλωμα. Ξύστε την άκρη της τομής χρησιμοποιώντας μία αιχμηρή λεπίδα.

ι) Μετρήστε και καταγράψτε το μήκος του κλαδιού. Εξασφαλίστε ότι είναι μακρύτερο από το μέγιστο μήκος των αγγείων ξυλώματος (δείτε την προηγούμενη διαδικασία).

κ) Συνδέστε την κεκαμμένη πιπέτα σε έναν άλλο λαστιχένιο σωλήνα και βυθίστε την μέσα στη λεκάνη με το νερό.

λ) Συνδέστε το πρόσφατα κομμένο άκρο του κλαδιού με τον γεμάτο με νερό σωλήνα που είναι συνδεδεμένος με την πιπέτα σύμφωνα με τα παραπάνω

μ) Γεμίστε το ποτήρι ζέσεως των 50 cm3 με νερό και τοποθετήστε το στο πιάτο του ζυγού

Το κλαδί συνδεδεμένο στο
σωλήνα

Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen

ν) Πάρτε το άκρο του κλαδιού και την πιπέτα έξω από τη λεκάνη με το νερό με το άκρο της πιπέτας σφραγισμένο

ξ) Τοποθετήστε το άκρο της πιπέτας μέσα στο ποτήρι ζέσεως των 50 cm3 πάνω στο ζυγό

ο) Χρησιμοποιήστε το στατό και τον σφιγκτήρα για να συγκρατήσετε την πιπέτα σταθερή. Η άκρη της πιπέτας δεν θα πρέπει να στηρίζεται στον πυθμένα του ποτηριού ζέσεως, αλλά θα πρέπει να βρίσκεται κάτω από τη στάθμη του νερού. Αυτό εξασφαλίζει ότι καθώς το νερό στάζει μέσα από το κλαδί, θα υπάρχει μία ομαλή αύξηση στη μάζα του νερού στο ποτήρι ζέσεως

2. Ανοίξτε την βρύση της δεξαμενής

3. Μετρήστε τη μάζα του νερού κάθε 30 δευτερόλεπτα για 3 λεπτά

4. Μετρήστε το δραστικό ύψος της δεξαμενής χρησιμοποιώντας το χάρακα. Αυτό είναι το ύψος από το κάτω μέρος του ανοιχτού σωλήνα της δεξαμενής έως το απώτερο άκρο του κλαδιού.

Σημείωμα Ασφάλειας

Οι μαθητές θα πρέπει να έχουν προειδοποιηθεί για τα απαραίτητα μέτρα ασφαλείας όταν χρησιμοποιούν αιχμηρά αντικείμενα και οξέα. Δείτε επίσης το γενικό σημείωμα ασφάλειας.

 

Μέτρηση συλλογής νερού
στο ζυγό

Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen

Ανάλυση

Η υδραυλική αγωγιμότητα μετριέται ως η μάζα του νερού που διέρχεται μέσα από το σύστημα ανά μονάδα χρόνου ανά μονάδα διαβάθμισης πίεσης (Tyree & Ewers, 1991). Η υδραυλική αγωγιμότητα του κλαδιού, kh, υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο.

kh = (ρυθμός ροής x μήκος κλαδιού) / υδροστατική πίεση κορυφής

όπου ο ρυθμός ροής μετρείται σε κιλογραμμάρια ανά δευτερόλεπτο (kg/s), το μήκος του κλαδιού σε μέτρα (m), και η πίεση κορυφής σε μέγαΠασκάλ (MPa).Για να υπολογίσετε το ρυθμό ροής, σχεδιάστε γραφική παράσταση της μάζας του νερού (σε κιλά) που μετρήθηκε κατά το βήμα 3, με το χρόνο (σε δευτερόλεπτα). Ο ρυθμός ροής θα είναι η κλίση της ευθείας της καλύτερης προσαρμογής (σε kg/s). Δείτε επίσης τον πίνακα 2 και το σχήμα 1 1 για ένα λυμένο παράδειγμα.

Μέτρηση ύψους δεξαμενής
Όλες οι φωτογραφίες με την
ευγενική παραχώρηση της
Clare van der Willigen

Η υδροστατική πίεση κορυφής βρίσκεται πολλαπλασιάζοντας το δραστικό ύψος της δεξαμενής, που μετρείται στο βήμα 4, με την πυκνότητα του υγρού και την επιτάχυνση της βαρύτητας. Η πυκνότητα του όξινου νερού μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι 1000 kg/m3 (σε θερμοκρασία δωματίου) και η τιμή 9,81 m/s μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιτάχυνση της βαρύτητας. Συνεπώς, με δραστικό ύψος δεξαμενής το 1 μέτρο, η υδροστατική πίεση κορυφής θα είναι 1000 x 9,81 x 1 = 9810 Pa ή 0,00981 MPa.

Θυμηθείτε ότι, η μέγιστη υδραυλική αγωγιμότητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο αν δεν έχει υποστεί εμβολή (γεμίσει με αέρα), κανένα από τα αγγεία του ξυλώματος. Για να προσπαθήσετε να το εμποδίσετε αυτό, τα κλαδιά μπορούν να ξεπλυθούν με νερό σε πίεση περίπου στα 200 kPa για 20 λεπτά πριν μετρηθεί η αγωγιμότητα. Εναλλακτικά, εξασφαλίστε ότι τα κλαδιά έχουν επιλεγεί από καλά ποτισμένα δέντρα και ότι τα φύλλα είναι καλυμμένα με μία μεγάλη πλαστική σακούλα πριν τη μέτρηση.

Πίνακας 2: Πίνακας ακατέργαστων δεδομένων για τον υπολογισμό της υδραυλικής αγωγιμότητας από ένα πλευρικό κλαδί μίας δάφνης (Laurus nobilis)
Χρόνος (s) Μάζα νερού (g) Μάζα νερού (kg) Μήκος κλαδιού (m) Δραστικό ύψος δεξαμενής (m)
0 0.00 0.00000 0.32 1.5
30 0.09 0.00009 0.32 1.5
60 0.21 0.00021 0.32 1.5
90 0.28 0.00028 0.32 1.5
120 0.38 0.00038 0.32 1.5
150 0.49 0.00049 0.32 1.5
180 0.55 0.00055 0.32 1.5
Σχήμα 1: Λυμένο
παράδειγμα γραφικής
εξίσωσης για τον
υπολογισμό του ρυθμού
ροής. Δεδομένα από τον
πίνακα 2.

Θυμηθείτε ότι, η μέγιστη υδραυλική αγωγιμότητα μπορεί να επιτευχθεί μόνο αν δεν έχει υποστεί εμβολή (γεμίσει με αέρα), κανένα από τα αγγεία του ξυλώματος. Για να προσπαθήσετε να το εμποδίσετε αυτό, τα κλαδιά μπορούν να ξεπλυθούν με νερό σε πίεση περίπου στα 200 kPa για 20 λεπτά πριν μετρηθεί η αγωγιμότητα. Εναλλακτικά, εξασφαλίστε ότι τα κλαδιά έχουν επιλεγεί από καλά ποτισμένα δέντρα και ότι τα φύλλα είναι καλυμμένα με μία μεγάλη πλαστική σακούλα πριν τη μέτρηση.

Πίνακας 3: Επεξεργασμένα δεδομένα από το λυμένο παράδειγμα του πλευρικού κλαδιού της δάφνης (Laurus nobilis)
Ρυθμός ροής (kg/s)-δείτε το σχήμα 1 Μήκος κλαδιού (m Υδροστατική πίεση κορυφής (MPa) Υδραυλική αγωγιμότητα kh (kg m/MPa s)
3 x 10-6 0.32 0.0147 6.53 x 10-5

Συμπληρωματικά πειράματα

Το ξύλωμα μεταφέρει νερό και μεταλλικά στοιχεία μέσα από τα στοιχεία των αγγείων και τις τραχεΐδες, που είναι νεκρά κύτταρα σε πλήρη ωρίμανση και έχουν ένα πρωτογενές και δευτερογενές τοίχωμα. Στα βοθρία, το δευτερογενές τοίχωμα είναι λεπτό ή απουσιάζει, επιτρέποντας στο νερό να ρέει πλευρικά
Εικόνα με την ευγενική παραχώρηση του Kelvinsong/Wikimediacommons

Έρευνες πάνω σε διαφορετικά επίπεδα υδατικής καταπόνησης σε ίδια, ή παρόμοια, κλαδιά θα δώσουν μία ένδειξη για φυτά που είναι πιο ευάλωτα στη σπηλαίωση, ή φυσαλίδες αέρα. Η υδραυλική αγωγιμότητα μπορεί να αλλάξει βασιζόμενη στις περιβαλλοντικές συνθήκες, και τα ίδια είδη φυτών που έχουν προσαρμοστεί σε διαφορετικά περιβάλλοντα μπορούν να δοκιμαστούν στο εργαστήριο ή στο πεδίο. Συγκρίνετε εγκάρσιες τομές κλαδιών διαφορετικής διαμέτρου ή εκείνες που υποστηρίζουν διαφορετικές περιοχές φύλλων.

Οι μαθητές μπορούν να παρατηρήσουν την επίδραση στην υδραυλική αγωγιμότητα αλλάζοντας το μήκος του κλαδιού και σχετίζοντας το με το ύψος του φυτού. Μπορούν επίσης να ερευνήσουν την επίδραση στο ρυθμό ροής, αλλάζοντας το ύψος της δεξαμενής. Το ύψος δεξαμενής (δύναμη ώθησης) μπορεί να θεωρηθεί ισότιμη, αλλά αντίθετη με την δύναμη έλξης που δημιουργείται από το χαμηλό υδατικό δυναμικό στα αγγεία του ξυλώματος.

Το ήξερες;

1. Κοπή κλαδιού
2.  Ξεφλούδισμα φλοιού
3.  Σύνδεση στο σωλήνα
4. Φίλτρο ξυλώματος
Εικόνες με την ευγενική παραχώρηση των Boutilier et al.
al.

Τα ξυλωματικά στοιχεία είναι ουσιαστικά πορώδη φίλτρα, και οι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το φιλτράρισμα του νερού και να το καταστήσουν ασφαλές προς πόση. Νωρίτερα αυτό το χρόνο, μία ομάδα στο Ινστιτούτο τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στις ΗΠΑ, απέδειξε ότι ένα κλαδί πεύκου όγκου 3 cm3 μπορούσε να λειτουργήσει σαν φίλτρο και να απομακρύνει το 99,9% των βακτηρίων από το νερό, με ρυθμό μερικών λίτρων ανά ημέρα. Η τεχνική δεν είναι τέλεια ακόμα: οι ιοί και η χημική επιμόλυνση δεν μπορούν να παρεμποδιστούν από τα κλαδιά, αλλά η εργασία από τους Boutilier et al. (2014) προτείνει έναν οικονομικό τρόπο για τον καθαρισμό του νερού στις αναπτυσσόμενες χώρες.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

  • Για μία επιστημονική ανάλυση των μέγιστων δυνατών υψών των δέντρων, δείτε:
    • Koch G.W., Sillett S.C., Jennings G.M., Davis S.D. (2004) The limits to tree heightNature 428: 851–854. doi: 10.1038/nature02417; ελεύθερα διαθέσιμο.

Author(s)

Η Clare van der Willigen διαθέτει MSc και PhD στη φυσιολογία φυτών από το Πανεπιστήμιο του Cape Town, στη Νότια Αφρική. Συνεχίζοντας με μεταδιδακτορική έρευνα στην υδατική καταπόνηση των φυτών και στις υδατοπορίνες, ακολούθησε το πάθος της για τη διδασκαλία. Έχει εργαστεί στην Νότια Αφρική, τη Γαλλία, την Ολλανδία και στο Ηνωμένο Βασίλειο, και επί του παρόντος είναι ανώτερη εξετάστρια και δασκάλα πολυετούς εμπειρίας.


Review

Το άρθρο περιγράφει δύο πειράματα που μπορούν με ευκολία να διεξαχθούν σε επιστημονικές αίθουσες ή εργαστήρια για τη μελέτη της κίνησης του νερού στα φυτά

Παρόλο που οι διαδικασίες είναι εύκολο να εκτελεστούν, οι έννοιες και η γνώση που διερευνώνται δεν είναι τόσο απλές, αλλά είναι κατάλληλες για μαθητές της ανώτερης δευτεροβάθμιας εκπαίδευσης (ηλικίας 15-18 ετών). Από την εμπειρία μου, δεν υπάρχουν πολλές διαδικασίες που εξετάζουν τη μετακίνηση του νερού για αυτή την ηλικιακή ομάδα, οπότε πολλοί καθηγητές επιστημών θα καλοδεχτούν αυτό το άρθρο.

Υπάρχουν επίσης σχετικές ευκαιρίες για διεπιστημονική διδασκαλία που πιο συγκεκριμένα περιλαμβάνει τα μαθηματικά. Θα ήταν αρκετά ενδιαφέρον να χρησιμοποιηθεί αυτό το πείραμα ως μία αρχή για να εισαχθούν οι μαθητές στην ανάπτυξη μίας βάσης δεδομένων και στην μετέπειτα στατιστική τους ανάλυση (όχι πολύ περίπλοκη). Για παράδειγμα οι μαθητές μπορούν να εκτιμήσουν τα μέγιστα μήκη των αγγείων ξυλώματος και να μετρήσουν την υδραυλική αγωγιμότητα διαφορετικών φυτών και σε διαφορετικά χρονικά διαστήματα. (π.χ. χειμώνας έναντι καλοκαιριού). Αυτή η βάση δεδομένων μπορεί να επεκτείνεται χρόνο με το χρόνο με άλλους μαθητές. Μία τέτοια στρατηγική μπορεί να βοηθήσει του μαθητές να αντιληφθούν την επιστήμη σαν μία συλλογική δραστηριότητα – όχι μόνο μεταξύ διαφορετικών τομέων αλλά και μεταξύ διαφορετικών γενεών


Betina Lopes, Πορτογαλία




License

CC-BY-NC-SA