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Transpiración

Descripción general de la transpiración: El agua se transporta pasivamente hacia las raíces y luego hacia el xilema . Las fuerzas de cohesión y adhesión hacen que las moléculas ...

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Descripción general de la transpiración:
  1. El agua se transporta pasivamente hacia las raíces y luego hacia el xilema .
  2. Las fuerzas de cohesión y adhesión hacen que las moléculas de agua formen una columna en el xilema.
  3. El agua se mueve desde el xilema hacia las células del mesófilo, se evapora de sus superficies y sale de la planta por difusión a través de los estomas.
Transpiración del agua en el xilema
Estoma en una hoja de tomate , observado mediante microscopio electrónico de barrido coloreado.
Las nubes que aparecen en esta imagen de la selva amazónica son el resultado de la evapotranspiración .

La transpiración es el proceso de movimiento del agua a través de una planta y su evaporación desde las partes aéreas, como hojas , tallos y flores . Es un proceso pasivo que no requiere gasto de energía por parte de la planta. [ 1 ] La transpiración también enfría las plantas, cambia la presión osmótica de las células y permite el flujo masivo de nutrientes minerales . Cuando la absorción de agua por las raíces es menor que el agua que se pierde a la atmósfera por evaporación, las plantas cierran pequeños poros llamados estomas para disminuir la pérdida de agua, lo que ralentiza la absorción de nutrientes y disminuye la absorción de CO₂ de la atmósfera, limitando los procesos metabólicos, la fotosíntesis y el crecimiento. [ 2 ]

absorción de agua y nutrientes

El agua es necesaria para las plantas, pero solo una pequeña cantidad de la que absorben las raíces se utiliza para el crecimiento y el metabolismo. El 97-99,5% restante se pierde por transpiración y gutación . [ 3 ] El agua con nutrientes minerales disueltos es absorbida por las raíces por ósmosis , que viaja a través del xilema mediante la adhesión y cohesión de las moléculas de agua hasta el follaje y sale por pequeños poros llamados estomas (singular "estoma"). [ 4 ] Los estomas están rodeados por células guardianas y sus células accesorias estomáticas (conocidas en conjunto como complejo estomático) que abren y cierran el poro. [ 5 ] La teoría de la cohesión-tensión explica cómo las hojas extraen agua a través del xilema. Las moléculas de agua se adhieren entre sí o exhiben cohesión. Cuando una molécula de agua se evapora de la superficie de la hoja, tira de la molécula de agua adyacente, creando un flujo continuo de agua a través de la planta. [ 6 ]

Dos factores principales influyen en la velocidad del flujo de agua desde el suelo hasta las raíces: la conductividad hidráulica del suelo y la magnitud del gradiente de presión a través del suelo. Ambos factores influyen en la velocidad del flujo masivo de agua que se mueve desde las raíces hasta los estomas en las hojas a través del xilema. [ 7 ] El flujo masivo de agua líquida desde las raíces hasta las hojas es impulsado en parte por la acción capilar , pero principalmente por las diferencias de potencial hídrico . Si el potencial hídrico en el aire ambiente es menor que el del espacio aéreo de la hoja en el estoma, el vapor de agua se desplazará a lo largo del gradiente y se moverá desde el espacio aéreo de la hoja hacia la atmósfera. Este movimiento reduce el potencial hídrico en el espacio aéreo de la hoja y provoca la evaporación del agua líquida de las paredes celulares del mesófilo. Esta evaporación aumenta la tensión en los meniscos de agua en las paredes celulares y disminuye su radio, ejerciendo así tensión en el agua de las células. Debido a las propiedades cohesivas del agua, la tensión viaja a través de las células de la hoja hasta el xilema de la hoja y el tallo, donde se crea una presión negativa momentánea a medida que el agua asciende por el xilema desde las raíces. [ 8 ] En plantas y árboles más altos, la fuerza de la gravedad que atrae el agua hacia el interior solo puede ser contrarrestada por la disminución de la presión hidrostática en las partes superiores de las plantas debido a la difusión del agua desde los estomas hacia la atmósfera . [ 3 ]

Etimología

La palabra transpiración proviene de las palabras trans, una preposición latina que significa "a través", y spiration, que proviene del verbo latino spīrāre, que significa "respirar". El sufijo de movimiento añade el significado de "el acto de", creando el significado de "el acto de respirar a través".

Acción capilar

La acción capilar es el proceso por el cual un líquido fluye en espacios estrechos sin la ayuda de fuerzas externas como la gravedad , e incluso en oposición a ellas. Este efecto se observa en la absorción de líquidos entre las cerdas de un pincel, en un tubo delgado, en materiales porosos como el papel y el yeso, en algunos materiales no porosos como la arena y la fibra de carbono licuada , o en una célula biológica . Ocurre debido a las fuerzas intermoleculares entre el líquido y las superficies sólidas circundantes. Si el diámetro del tubo es suficientemente pequeño, la combinación de la tensión superficial (causada por la cohesión dentro del líquido) y las fuerzas adhesivas entre el líquido y la pared del recipiente impulsan el líquido.

Regulación

Las plantas regulan la tasa de transpiración controlando el tamaño de las aberturas estomáticas. La tasa de transpiración también está influenciada por la demanda evaporativa de la atmósfera que rodea la hoja, como la conductancia de la capa límite, la humedad , la temperatura , el viento y la luz solar incidente. Junto con los factores aéreos, la temperatura y la humedad del suelo pueden influir en la apertura estomática, [ 9 ] y por lo tanto en la tasa de transpiración. La cantidad de agua que pierde una planta también depende de su tamaño y de la cantidad de agua absorbida en las raíces. Los factores que afectan la absorción de agua por las raíces incluyen: el contenido de humedad del suelo, la fertilidad excesiva del suelo o el contenido de sales, los sistemas radiculares poco desarrollados y aquellos afectados por bacterias y hongos patógenos como Pythium o Rhizoctonia .

Algunas plantas xerófitas reducen la superficie de sus hojas durante períodos de escasez de agua (izquierda). Si las temperaturas son lo suficientemente frescas y los niveles de agua son adecuados, las hojas vuelven a expandirse (derecha).

Durante una temporada de crecimiento, una hoja transpira muchas veces más agua que su propio peso. Un acre de maíz libera entre 3000 y 4000 galones estadounidenses (11 000 y 15 000 litros) de agua al día, y un gran roble puede transpirar 40 000 galones estadounidenses (150 000 litros) al año. La tasa de transpiración es la relación entre la masa de agua transpirada y la masa de materia seca producida; la tasa de transpiración de los cultivos suele estar entre 200 y 1000 ( es decir , las plantas cultivadas transpiran entre 200 y 1000  kg de agua por cada kg de materia seca producida). [ 10 ]

Las tasas de transpiración de las plantas se pueden medir mediante diversas técnicas, como potómetros , lisímetros , porómetros, sistemas de fotosíntesis y sensores termométricos de flujo de savia. Las mediciones isotópicas indican que la transpiración es el componente principal de la evapotranspiración . [ 11 ] Evidencia reciente de un estudio global [ 12 ] sobre isótopos estables del agua muestra que el agua transpirada es isotópicamente diferente del agua subterránea y de los arroyos. Esto sugiere que el agua del suelo no está tan bien mezclada como se suele suponer. [ 13 ]

Las plantas del desierto poseen estructuras especialmente adaptadas, como cutículas gruesas , áreas foliares reducidas, estomas hundidos y pelos, para disminuir la transpiración y conservar agua. Muchos cactus realizan la fotosíntesis en tallos suculentos , en lugar de hojas, por lo que la superficie del brote es muy reducida. Muchas plantas del desierto presentan un tipo especial de fotosíntesis, denominada metabolismo ácido de las crasuláceas o fotosíntesis CAM, en la que los estomas se cierran durante el día y se abren por la noche, cuando la transpiración es menor. [ 14 ]

Cavitación

Para mantener el gradiente de presión necesario para que una planta se mantenga sana, debe absorber agua continuamente con sus raíces. Necesita poder satisfacer las demandas de agua perdidas por transpiración. Si una planta no puede absorber suficiente agua para mantenerse en equilibrio con la transpiración, se produce un fenómeno conocido como cavitación . [ 15 ] La cavitación ocurre cuando la planta no puede suministrar a su xilema suficiente agua, por lo que en lugar de llenarse de agua, el xilema comienza a llenarse de vapor de agua. Estas partículas de vapor de agua se agrupan y forman obstrucciones dentro del xilema de la planta. Esto impide que la planta pueda transportar agua a través de su sistema vascular. [ 16 ] No existe un patrón aparente sobre dónde ocurre la cavitación en el xilema de la planta. Si no se trata eficazmente, la cavitación puede hacer que una planta alcance su punto de marchitamiento permanente y muera. Por lo tanto, la planta debe tener un método para eliminar esta obstrucción por cavitación o debe crear una nueva conexión de tejido vascular en toda la planta. [ 17 ] La planta hace esto cerrando sus estomas durante la noche, lo que detiene el flujo de transpiración. Esto permite que las raíces generen más de 0,05 mPa de presión, suficiente para destruir la obstrucción y rellenar el xilema con agua, reconectando el sistema vascular. Si una planta no puede generar suficiente presión para erradicar la obstrucción, debe evitar que esta se propague mediante el uso de peras de hueso y luego crear nuevo xilema que pueda reconectar el sistema vascular de la planta. [ 18 ]

Los científicos han comenzado a utilizar la resonancia magnética (RM) para monitorizar el estado interno del xilema durante la transpiración, de forma no invasiva. Este método de imagen permite visualizar el movimiento del agua a lo largo de toda la planta. También permite observar la fase en la que se encuentra el agua dentro del xilema, lo que posibilita la visualización de eventos de cavitación. Los científicos pudieron observar que, tras 20 horas de luz solar, más de 10 vasos del xilema comenzaron a llenarse de partículas de gas, produciéndose la cavitación. La tecnología de RM también permitió observar el proceso de reparación de estas estructuras del xilema en la planta. Tras tres horas en la oscuridad, se observó que el tejido vascular se había reabastecido de agua líquida. Esto fue posible porque, en la oscuridad, los estomas de la planta se cierran y la transpiración se detiene. Cuando la transpiración se detiene, las burbujas de cavitación se destruyen por la presión generada por las raíces. Estas observaciones sugieren que las resonancias magnéticas son capaces de monitorear el estado funcional del xilema y permiten a los científicos ver eventos de cavitación por primera vez. [ 17 ]

Efectos sobre el medio ambiente

Enfriamiento

La transpiración enfría las plantas, ya que el agua que se evapora disipa la energía térmica debido a su elevado calor latente de vaporización de 2260 kJ por litro.

El enfriamiento por transpiración es el enfriamiento que se produce cuando las plantas transpiran agua. El exceso de calor generado por la radiación solar daña las células vegetales y se produce daño térmico durante la sequía o cuando hay una transpiración rápida que produce marchitamiento . [ 19 ] La vegetación verde contribuye a moderar el clima al ser más fresca que la tierra desnuda adyacente o las áreas construidas. Cuando las hojas de las plantas transpiran, utilizan energía para evaporar agua, acumulándose hasta un enorme volumen global cada día.

Un árbol individual puede transpirar cientos de litros de agua al día. Por cada 100 litros de agua transpirados, el árbol se enfría en 70 kWh. [ 20 ] [ 21 ] Los efectos de isla de calor urbana pueden atribuirse a la sustitución de la vegetación por superficies construidas. Las áreas deforestadas presentan una temperatura más alta que los bosques intactos adyacentes. Los bosques y otros ecosistemas naturales contribuyen a la estabilización del clima.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Reddy, SM (2007). Botánica Universitaria- III  : (Taxonomía Vegetal, Embriología Vegetal, Fisiología Vegetal) . New Age International. ISBN 978-81-224-1547-6.
  2. ↑ Runkle, Erik (septiembre de 2023). "La importancia de la transpiración". GPN Green House Product News . 33 (9): 12– 13.
  3. 1 2 Sinha, Rajiv Kumar (2004). Fisiología vegetal moderna . CRC Press. ISBN 978-0-8493-1714-9.
  4. ↑ Bhattacharya, A. (25 de febrero de 2022). Procesos fisiológicos en plantas bajo estrés por bajas temperaturas . Springer Nature. ISBN 978-981-16-9037-2.
  5. ↑ Cummins, Benjamin (2007). Ciencias biológicas (3.ª ed.). Freeman, Scott. pág. 215.  
  6. ↑ Graham, Linda E. (2006). Biología vegetal . Upper Saddle River, Nueva Jersey, EE. UU.: Pearson Education, Inc. págs. 200–202 . ISBN  0-13-146906-1.
  7. ↑ Taiz, Lincoln (2015). Fisiología y desarrollo de las plantas . Sunderland, Massachusetts, EE. UU.: Sinauer Associates, Inc. pág. 101. ISBN  978-1-60535-255-8.
  8. ↑ Freeman, Scott; Quillin, Kim; Allison, Lizabeth (2014). Ciencias biológicas: La célula, la genética y el desarrollo . Boston, Massachusetts, EE. UU.: Pearson. págs. 765–766 . ISBN  978-0-321-74367-1.
  9. ↑ Mellander, Per-Erik; Bishop, Kevin; Lundmark, Tomas (28 de junio de 2004). "La influencia de la temperatura del suelo en la transpiración: una manipulación a escala de parcela en un joven rodal de pino silvestre". Forest Ecology and Management . 195 (1): 15– 28. Bibcode : 2004ForEM.195...15M . doi : 10.1016/j.foreco.2004.02.051 . ISSN 0378-1127 . 
  10. ↑ Martin, J.; Leonard, W.; Stamp, D. (1976), Principios de la producción de cultivos de campo (3.ª ed.), Nueva York: Macmillan Publishing Co., ISBN  978-0-02-376720-3
  11. ↑ Jasechko, Scott; Sharp, Zachary D.; Gibson, John J.; Birks, S. Jean; Yi, Yi; Fawcett, Peter J. (3 de abril de 2013). "Flujos de agua terrestres dominados por la transpiración". Nature . 496 ( 7445): 347– 50. Bibcode : 2013Natur.496..347J . doi : 10.1038/nature11983 . PMID 23552893. S2CID 4371468 .  
  12. ↑ Evaristo, Jaivime; Jasechko, Scott; McDonnell, Jeffrey J. (2015-09-03). "Separación global de la transpiración de las plantas del agua subterránea y el flujo de los arroyos". Nature . 525 (7567): 91– 94. Bibcode : 2015Natur.525...91E . doi : 10.1038/nature14983 . ISSN 0028-0836 . PMID 26333467 . S2CID 4467297 .   
  13. ↑ Bowen, Gabriel (2015-09-03). "Hidrología: La economía diversificada del agua del suelo". Nature . 525 (7567): 43– 44. Bibcode : 2015Natur.525...43B . doi : 10.1038/525043a . ISSN 0028-0836 . PMID 26333464 . S2CID 205086035 .   
  14. ↑ Ingram, David S.; Vince-Prue, Daphne; Gregory, Peter J. (15 de abril de 2008). Ciencia y jardín: La base científica de la práctica hortícola . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-99533-4.
  15. ↑ Zhang, Yong-Jiang (diciembre de 2016). "Colapso reversible del xilema foliar: un potencial "interruptor de circuito" contra la cavitación" . Plant Physiology . 172 (4): 2261– 2274. doi : 10.1104/pp.16.01191 . PMC 5129713. PMID 27733514 .  
  16. ↑ Hochberg, Uri (junio de 2017). "El cierre estomático, la embolia foliar basal y la caída protegen la integridad hidráulica de los tallos de la vid" . Plant Physiology . 174 (2): 764– 775. doi : 10.1104/pp.16.01816 . PMC 5462014. PMID 28351909 .  
  17. 1 2 Holbrook, Michele (mayo de 2001). "Observación in vivo de la cavitación y reparación de embolias mediante resonancia magnética" . Plant Physiology . 126 (1): 27– 31. doi : 10.1104/pp.126.1.27 . PMC 1540104. PMID 11351066 .  
  18. ↑ Tiaz, Lincoln (2015). Fisiología y desarrollo de las plantas . Massachusetts: Sinauer Associates, Inc. pág. 63. ISBN  978-1605352558.
  19. ↑ Forbes, James C.; Watson, Drennan (20 de agosto de 1992). Las plantas en la agricultura . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-42791-3.
  20. ^ Ellison, David; Morris, Cindy E.; Locatelli, Bruno; Sheil, Douglas; Cohen, Jane; Murdiyarso, Daniel; Gutiérrez, Victoria; Noordwijk, Meine van; Credo, Irena F.; Pokorny, enero; Gaveau, David; Spracklen, Dominick V.; Tobella, Aída Bargués; Ilstedt, Ulrik; Teuling, Adriaan J. (1 de marzo de 2017). "Árboles, bosques y agua: ideas interesantes para un mundo caliente" . Cambio ambiental global . 43 : 51– 61. doi : 10.1016/j.gloenvcha.2017.01.002 . ISSN 0959-3780 . 
  21. ↑ Pokorny, Jan (2019-01-01), "Evapotranspiración☆" , en Fath, Brian (ed.), Enciclopedia de Ecología (Segunda edición) , Oxford: Elsevier, pp. 292–303 , ISBN  978-0-444-64130-4, consultado el 21/11/2022
  • USGS El ciclo del agua: evapotranspiración
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