Физики объяснили морщинистую форму листьев водных растений
Ученые создали модель роста водных растений, которая позволила прояснить формирование листьев в зависимости от того, лежат ли они на воде или подвешены в воздухе. В итоге разнообразие морфологий листьев удалось объяснить теоретически, а также подтвердить в эксперименте. Результаты могут пригодиться при разработке разворачиваемых биомиметических структур, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.
Многие органы и ткани живых организмов приобретают сложную форму или окраску по мере роста. Закономерности появления таких особенностей можно описывать с помощью математических моделей, иногда даже не вдаваясь в биологические детали протекающих процессов. Классический пример успешности подобного подхода — это работа Алана Тьюринга 1952 года, в которой получена математическая модель, способная воспроизводить рисунки на шкуре животных.
Другой ситуацией из биологии, в которой одинаковые по внутренним свойствам ткани оказываются внешне различны, является рост листьев некоторых растений, таких как лилии и лотосы. Если листья этих видов вырастают на поверхности воды, то они обладают плоской формой с мелкой извилистостью по периметру. Однако у этого же растения некоторые листья могут нависать над водой, и тогда они приобретают изогнутую форму чаши с плавной волнистостью по краю.
Ключевой работой по росту мягких тканей и получающейся в результате форме органа является статья 1994 года, в которой построен общий математический формализм описания подобной задачи, он сводится к одновременному описанию разрастания ткани и возникающих в ней растяжений и смещений.
Фань Сюй (Fan Xu) и его коллеги из Фуданьского университета дополнили полученную ранее модель роста листьев, которая правильно описала возникающую форму. Двумя ключевыми новшествами оказались учет возможной механической поддержки со стороны водной поверхности и возможность неоднородной скорости роста, из-за которой, в частности, возможно общее изгибание листа, так как противоположная Солнцу сторона может расти быстрее.
Численные симуляции в новой модели смогли правильно воспроизвести разнообразие форм листьев лотоса. Также ученые решили экспериментально проверить выводы, для чего изготовили из распухающего при контакте с водой материала искусственные листья. Опыты с селективным смачиванием мест наиболее интенсивного роста или наблюдения изменения формы лежащего на воде заменителя листа показали соответствие с теоретическими оценками и реальными растениями.
Согласно теоретическим оценкам, во всех случаях форма листа объясняется минимизацией энергии листа, края которого растут недостаточно быстро по сравнению с его основной частью, из-за чего отношение периметра к площади должно падать. Если лист лежит на воде, то она фактически к нему прилипает, и изгиб края также приводит к поднятию воды — в такой ситуации оказывает энергетически выгодно сформировать множество неровностей небольшой амплитуды. Вместе с тем, рост находящегося в воздухе листа в меньшей степени ограничен, из-за чего доступно возникновение крупных колебаний, которые оказываются менее энергетически затратными в отсутствии воды. При этом механические свойства ткани могут влиять на этот процесс: листья с более жесткими жилками изгибаются слабее.
Ранее ученые выяснили, что окраску ящериц можно описать с помощью клеточного автомата фон Неймана, а ключевым фактором, определяющим размер листьев, является вероятность замерзнуть ночью.
Источник
Стебли, корни и листья водных растений
Стебель является проводником питательных веществ от корня к листьям и служит опорой для листьев. Стебли цветковых растений отличаются значительным разнообразием по форме поперечного сечения. У водных растений они чаще всего цилиндрические, но встречаются также трехгранные, четырехгранные, плоские. По форме роста стебли бывают прямостоячими, восходящими, приподнимающимися, ползучими и др. У некоторых растений стебель внутри полый. У многих водных растений стебель очень укорочен, а листья собраны в так называемую прикорневую розетку.
Корень водных растений служит в основном для укрепления растения в грунте, а также для извлечения из внешней среды растворенных минеральных веществ. Корневая система у водных растений не отличается большим разнообразием, у многих из них корни слабые или отсутствуют вовсе. Такие растения не укрепляются в грунте, а функцию всасывания минеральных веществ, растворенных в воде, берут на себя стебли и листья.
Листья водных растений разнообразны по форме и способу прикрепления к стеблю. Листья многих водных растений имеют только одну часть – листовую пластинку. Такие листья называют сидячими.
Рис. 19. Посадка растения в грунт: а – правильная посадка; б – неправильная посадка; в – уплотнение грунта вокруг растения после посадки
По форме листовой пластинки листья бывают округлые, овальные, яйцевидные, продолговатые, ланцетовидные, линейные, мечевидные. По характеру основания листовой пластинки – сердцевидные, округлые, клиновидные, стреловидные, копьевидные, нисбегающие. По характеру верхушки – тупые, острые, заостренные, выемчатые. По характеру края листа – цельнокрайние, зубчатые, пильчатые, городчатые, выемчатые, двоекопильчатые, извилистые. Лист может быть в той или иной мере расчлененным. Лопастные листья имеют выемки не более четверти ширины листовой пластинки. Раздельные листья – с выемками в одну треть пластинки и более. У рассеченных листьев выемки достигают центральной жилки листа.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Источник
Особенности анатомического строения водных растений
Строение листа. При небольшой массе необходимо иметь как можно большую поверхность, получающую солнечный свет и извлекающую из воды необходимые вещества. У одних видов листовая пластинка очень тонкая, у других листья сильно рассечены – листья-жабры (рдесты). Листья у погруженных гидрофитов лишены кутикулы, что облегчает процесс всасывания. Эпидермис водных растений обладает способностью ослизняется. Слизь способствует уменьшению трения при движении листьев и стеблей в текучей воде. Механические ткани не развиты, проводящая система слабая. Устьица (по́ры в эпидермиса листа, через которые происходит испарение воды и газообмен с окружающей средой) в воде теряют смысл, поэтому они отсутствуют либо недоразвиты.
Процесс фотосинтеза идет по всей освещенной поверхности тела. Все ткани тонких рассеченных листьев содержат хлоропласты. Продукт ассимиляции у водных растений чаще всего крахмал. В хлоропластах большое содержание хлорофилла. В листе хорошо развита система воздушных полостей.
Листья гидрофитов, плавающих на поверхности, контактируют с водной и с воздушной средой. В одном листе совмещаются черты, свойственные листьям наземных растений и погруженных гидрофитов. Верхняя поверхность листа покрыта слоем кутикулы. Устьица расположены только на верхней поверхности листа. Нижняя поверхность листа лишена кутикулы, устьица отсутствуют либо сильно редуцированы (кубышка желтая, кувшинка).
Рдест злаковый имеет листья двух типов – подводные и надводные. Они различаются по облику и строению. Подводные листья рассечены на узкие доли. В средней части стебля, где затопление непостоянно, можно видеть листья переходной формы – рассеченные, но с довольно широкими долями (герофиллия).
Механические ткани в стеблях и листьев представлены немногочисленными толстостенными волокнами с неодревесневающей оболочкой. Это придает гибкость стеблям и листьям при движении и волнении воды. У водных растений, укореняющихся на дне водоема, большое значение имеет аэренхима.
Аэренхимой называют паренхиму со значительно развитыми межклетниками. Она хорошо развита в разных органах водных растений. Назначение аэренхимы — снабжение тканей кислородом или углекислым газом. У водных растений она служит также для обеспечения плавучести побегов и листьев. В стеблях и листьях гидрофитов существуют клетки-идиобласты, поддерживающие воздушные полости и не дающие им сжиматься.
Стебель служит опорой для листьев и одновременно транспортирует питательные вещества от корня к листьям. Стебель также выносит листья растений и цветки к свету: так называемая компенсаторная реакция растений — удлинение стебля или черенков листьев.
По направлению роста стебли подразделяются на прямостоячие, ползучие и восходящие. По форме поперечного разреза: округлые, двух-, трех-, четырехранные или сплюснутые. Стебли также бывают заполненными тканью или полыми.
Места прикрепления листьев к стеблю называются узлами, а промежутки между ними — междоузлия. На стебле растут почки (ростовые или вегетативные, несущие зачаток нового побега, или цветочные, несущие зачаток цветка), листья, цветки и плоды. Если повредить стебель выше почек, то они образуют новые побеги.
Видоизменение стебля — клубни, корневища и луковицы отличаются от корней наличием побегов и листовых следов. Кроме того, они накапливают и хранят питательные вещества и способны к размножению. Растут они за счет обновления листьев. Листья на данных видоизменениях стебля недоразвиты и имеют вид маленьких чешуек.
Корень — орган прикрепления растения в грунте и орган питания.
Корневая система растения бывает стержневой или мочковатой. Если у растения сильно развит главный корень, значительно превосходящий по длине и толщине все остальные корневые отростки, такая корневая система называется стержневой. Однако большинство растений имеет мочковатую корневую систему: главный корень или совсем не развит или развит крайне слабо и не превосходит остальные корни по длине и толщине. Корень водного растения имеет в подавляющем большинстве случаев нитевидную или цилиндрическую форму.
Корень растения поглощает из грунта необходимые минеральные и органические вещества. Корень всасывает их в виде растворов очень низкой концентрации. Корень, как и другие органы растения, постоянно дышит — поглощает из воды кислород и выделяет углекислый газ. Кислород, растворенный в воде, поступает в корневую систему через грунт, поэтому грунт должен быть достаточно рыхлым.
Корни некоторых растений доходят до самой глубины грунта, других — располагаются в основном в поверхностной части грунта. Некоторые аквариумные растения совсем не имеют корней.
Источник