Absorption of water, Ascent of sap and Concept of water potential

Absorption of Water (जल का अवशोषण):-

Water source (जल स्त्रोत):- Plants absorb water from the soil. Only the capillary water present in the soil can be absorbed by the roots of the plants.

(पौधे मृदा से जल अवशोषित करते हैं। मृदा में उपस्थित केशिका जल को ही पौधों की जड़ें अवशोषित कर सकती हैं।)

Water Absorption Organs (जल अवशोषण अंग):-

- In higher plants water is absorbed through root hairs. Millions of unicellular root hairs are found in the root hair zone, which remain in contact with soil water.

(उच्च पादपों में जल मूल रोमों के माध्यम से अवशोषित किया जाता है। मूल के  मूल रोम क्षेत्र में लाखों की संख्या में एककोशिकीय मूल रोम पाये जाते हैं जो मृदा जल के सम्पर्क में रहते हैं।)

- Pectin and cellulose are found in the cell wall of root hairs which are hydrophilic substances. Therefore, their cell wall is completely permeable for water.

(मूल रोमों की कोशिका भित्ति में पैक्टिन व सेलुलोज पाये जाते हैं जो जलस्नेही पदार्थ होते हैं। इसलिए इनकी कोशिका भित्ति जल के लिए पूर्णत: पारगम्य होती है।)

- Root hairs increase the surface area of the root for water absorption.

(मूल रोम जल अवशोषण के लिए मूल के पृष्ठीय क्षेत्रफल को बढ़ा देते हैं।)

Absorption mechanism (अवशोषण की क्रियाविधि):- 

There are two methods of water absorption –

(जल अवशोषण की दो विधियाँ हैं –)

1. Active Water Absorption (सक्रिय जल अवशोषण)

2. Passive Water Absorption (निष्क्रिय जल अवशोषण)

1. Active Water Absorption (सक्रिय जल अवशोषण):- When parent cells actively participate in the process of water absorption, it is called active water absorption. This occurs only when water is found in sufficient quantity in the soil. There are 2 main theories regarding this –

(जब जल अवशोषण की प्रक्रिया में मूल कोशिकाएं सक्रिय रूप से भाग लेती हैं तो इसे सक्रिय जल अवशोषण कहते हैं। यह तभी होता है जब मृदा में जल प्रयाप्त मात्रा में पाया जाता है। इसके सम्बंध में 2 मुख्य वाद हैं –)

a. Osmotic theory (परासरणिक वाद)

b. Non – osmotic theory (अपरासरणिक वाद)

a. Osmotic theory (परासरणिक वाद):-

- Mineral salts, sugars, organic acids, etc. are dissolved in large quantities in the vacuolar sap of root hairs, that is, its concentration is high. On the contrary, the concentration of soil solution is very less. Thus the osmotic pressure or DPD inside the root hair is higher than that of the soil solution.

(मूल रोमों के धानी रस में खनिज लवण शर्करायें, कार्बनिक अम्ल आदि काफी अधिक मात्रा में घुले रहते हैं अर्थात इसकी सांद्रता अधिक होती हैं। जबकि इसके विपरीत मृदा विलयन की सांद्रता बहुत कम होती हैं। इस प्रकार मूल रोम के अन्दर परासरण दाब या DPD मृदा विलयन की तुलना में अधिक होता है।)

- In osmosis, water always moves from a solution with lower osmotic pressure or DPD to a solution with higher osmotic pressure or DPD.

(परासरण में जल हमेशा कम परासरण दाब या DPD वाले विलयन से अधिक परासरण दाब या DPD वाले विलयन की ओर गति करता है।)

- Thus water enters the root hair cells from the soil solution through osmosis.

(इस प्रकार जल परासरण के द्वरा मृदा विलयन से मूल रोम कोशिकाओं में प्रवेश करने लग जाता है।)

- Osmotic Pressure Gradient or DPD Gradient (परासरण दाब प्रवणता या DPD प्रवणता):- 

Soil water < root hair < cortex cell < endodermal cell < pericycle cell < xylem

(मृदा जल < मूल रोम < वल्कुट कोशिका < अंतश्चर्म कोशिका < परिरंभ कोशिका < जाइलम)

- Thus water moves from cells with low osmotic pressure or DPD to cells with high osmotic pressure or DPD, and finally reaches the root xylem.

(इस प्रकार जल कम परासरण दाब या DPD वाली कोशिकाओं से से अधिक परासरण दाब या DPD वाली कोशिकाओं की ओर गति करता हुआ अंत में मूल के जाइलम में पहुँच जाता है।)

Root Pressure (मूल दाब):- When the absorbed water reaches the root xylem, a pressure develops here which lift the water up to some height in the xylem. This is called the root pressure. It develops when the water content of the soil is high and the rate of transpiration is low. The root pressure develops when active absorption occurs at night.

(जब अवशोषित जल मूल के जाइलम में पहुंचता है तो यहाँ एक दाब विकसित होता है जो जल को जाइलम में कुछ ऊंचाई तक ले जाता है। इसे मूल दाब कहते हैं। यह तब विकसित होता है जब मृदा में जल की मात्रा अधिक होती है और वाष्पोत्सर्जन की दर कम होती है। रात में सक्रिय अवशोषण होने पर मूल दाब विकसित होता है।)

 b. Non – osmotic theory (अपरासरणिक वाद):-

- This theory was given by Thiman (1951) and Kramer (1959).

[यह वाद थिमन (1951) व क्रेमर (1959) के द्वारा प्रस्तुत किया गया था।]

- According to this theory, water absorption occurs from a solution with high osmotic pressure or DPD to a solution with low osmotic pressure or DPD.

(इस वाद के अनुसार जल अवशोषण अधिक परासरण दाब या DPD वाले विलयन से कम परासरण दाब या DPD वाले विलयन की ओर होता है।)

- This requires energy which is obtained from the respiration of root cells.

(इसके लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है जो मूल कोशिकाओं के श्वसन से प्राप्त होती है।)

- Evidences (प्रमाण):-

i. Factors that inhibit respiration reduce the rate of water absorption.

(श्वसन को रोकने वाले कारक जल अवशोषण की दर को कम कर देते हैं।)

ii. The toxin that inhibits the metabolic activities of root cells, also reduces the rate of water absorption.

(विष जो मूल कोशिकाओं की मेटाबोलिक क्रियाओं को रोकता है, जल अवशोषण की दर को कम कर देता है।)

iii. Auxin is a growth hormone that increases the metabolic activity of cells, also increasing the rate of water absorption.

(Auxin एक वृद्धि हार्मोन है जो कोशिकाओं की मेटाबोलिक क्रियाओं को बढ़ा देते हैं, जल अवशोषण की दर को भी बढ़ता है।)

2. Passive Water Absorption (निष्क्रिय जल अवशोषण ):- When the root cells does not participate in the process of water absorption, it is called passive water absorption. 

(जब जल अवशोषण की प्रक्रिया में मूल कोशिकाएं निष्क्रिय बनी रहती हैं तो इसे निष्क्रिय जल अवशोषण कहते हैं। यह तभी होता है जब मृदा में जल प्रयाप्त मात्रा में उपस्थित नहीं होता है।)

- This occurs due to the high rate of transpiration.

(यह वाष्पोत्सर्जन की दर उच्च होने के कारण होता है।)

- The rapid evaporation of water causes a suction tension in the xylem of the leaf. This suction tension starts from the xylem of the leaf and goes down through the xylem of the stem and reaches the xylem of the root.

(जल का तीव्र वाष्पीकरण पर्ण के जाइलम में एक खिंचाव उत्पन्न कर देता है। यह खिंचाव पर्ण के जाइलम से शुरू होकर नीचे की ओर तने के जाइलम से होता हुआ मूल के जाइलम में पहुँच जाता है।)

- This suction tension from the root xylem reaches the soil water.

(मूल के जाइलम से यह खिंचाव मृदा जल तक पहुँच जाता है।)

- As a result, water left the soil solution through the root hair and reaches the root xylem. From here it passes through the xylem of the stem and reaches the xylem of the leaf.

(इसके फलस्वरूप जल मृदा विलयन से निकलकर मूल रोम से होता हुआ मूल के जाइलम में पहुँच जाता है। यहाँ से तने के जाइलम में होता हुआ पर्ण के जाइलम में पहुँच जाता है।)

Difference between Active and Passive Water Absorption (सक्रिय व निष्क्रिय जल अवशोषण में अन्तर):-

Path of Water (जल का मार्ग):- 

There are two routes of water absorption -

(जल अवशोषण के दो मार्ग होते हैं –)

i. Apoplast (एपोप्लास्ट):- When absorbed water moves through the cell wall and inter-cellular spaces. In this route, water does not enter the cytoplasm inside the cell.

(जब अवशोषित जल कोशिका भित्ति व अंतराकोशिकीय अवकाशों से होकर आगे बढ़ता है। इसमें जल कोशिका के अंदर कोशिकाद्रव्य में प्रवेश नहीं करता है।)

ii. Symplast (सिमप्लास्ट):- When absorbed water moves through plasma membrane and plasmodesmata. In this route, water enters the cytoplasm inside the cell.

(जब अवशोषित जल प्लाज्मा झिल्ली व प्लाज्मोडेस्माटा से होकर आगे बढ़ता है। इसमें जल कोशिका के अंदर कोशिकाद्रव्य में प्रवेश करता है।)

 5. Important terms (महत्वपूर्ण शब्द):-

Soil Water (मृदा जल):- 

It is of 4 types –

(यह 4 प्रकार का होता है –)

i. Hygroscopic Water (क्लेदन जल)

ii. Capillary Water (केशिका जल):- Only water which is available to plant roots for absorption.

(केवल यही जल पौधों की जड़ों को अवशोषण के लिए उपलब्ध होता है।)

iii. Gravitational Water (गुरुत्वीय जल):- The water which percolates deep in the soil, due to gravity is called 'gravitational water'.

(गुरुत्वाकर्षण के कारण जो जल मृदा में गहराई तक रिसता है, उसे 'गुरुत्वीय जल' कहा जाता है।)

iv. Combined Water (संयुक्त जल)

Field Capacity (क्षेत्र धारिता):- The water present in the soil except the gravitational water is called field capacity.

(किसी भी मृदा में गुरुत्वीय जल को छोड़कर उपस्थित शेष जल को क्षेत्र धारिता कहते हैं।)

Water Holding Capacity (जल धारण क्षमता):- The percent amount of water that remains in the capillaries against the gravitational force in the soil is called water holding capacity.

(मृदा में गुरुत्वाकर्षण बल के विपरीत केशिकाओं में रह जाने वाले जल की प्रतिशत मात्रा को जल धारण क्षमता कहते हैं।)

Clay > Silt > Sand

(चिकनी > गाद > रेत)

Permanent Wilting Point (स्थायी मुरझान बिन्दु):- The percent amount of water present in the soil at the time of the appearance of first sign of permanent wilting of the plant is called permanent wilting point.

(पादप की स्थायी मुरझान के प्रथम लक्षण के समय मृदा में जल की प्रतिशत मात्रा को स्थायी मुरझान बिन्दु कहते हैं।)

Tensiometer (टेंसिओमीटर):- It is a device for measuring soil water tension.

(यह मृदा के जल तनाव को मापने के लिए एक उपकरण है।)

Ascent of Sap (रसारोहण):- The upward movement of water from roots to the aerial parts of a plant is known as an ascent of sap.

(पौधे की जड़ों से पौधे के वायवीय भागों तक जल की ऊपर की ओर गति को रसारोहण के रूप में जाना जाता है।)

Theories of Ascent of Sap (रसारोहण के वाद):- 

1. Vital Force Theory (जैविक बल वाद)

2. Root-pressure Theory (मूल दाब वाद)

3. Physical Force Theory (भौतिक बल वाद)

1. Vital Force Theory (जैविक बल वाद):- Ascent of sap was brought about by the living cells of the stem.

(रसारोहण तने की जीवित कोशिकाओं द्वारा किया जाता है।)

a. Relay-Pump Hypothesis (रिले-पम्प परिकल्पना):-

- It was proposed by Godlewski (1884).

[यह गोडलेव्स्की (1884) द्वारा प्रस्तावित की गई थी।]

- According to this theory, the upward movement of water is due to the pumping activity of the living cells of the xylem parenchyma and medullary rays.

(इस वाद के अनुसार जाइलम मृदूत्तक और मज्जा शिराओं की जीवित कोशिकाओं की पंपिंग गतिविधि के कारण जल की ऊपर की ओर गति होती है।)

b. Pulsatory Movement Theory (स्पंदन गति वाद):-

- This theory was proposed by Sir J.C. Bose (1923).

[यह वाद सर जे सी बोस (1923) द्वारा प्रस्तावित किया गया था।]

- According to this theory, the upward conduction of water is provided by pulsatory motion of the innermost living cortical cells of the root.

(इस वाद के अनुसार, जल का ऊपर की ओर प्रवाहित होना जड़ की आंतरिक जीवित वल्कुट कोशिकाओं की स्पंदनात्मक गति के कारण होता है।)

2. Root-Pressure Theory (मूल दाब वाद):-

- This theory was put forward by Priestley (1916).

[इस वाद को प्रिस्टले (1916) ने प्रतिपादित किया था।]

- According to this theory, the upward movement of water is due to root pressure. All plants absorb excess water by an active process and tend to build up a positive hydrostatic pressure within the root system called root pressure.

(इस वाद के अनुसार जल का ऊपर की ओर गति मूल दाब के कारण होती है। सभी पौधे एक सक्रिय प्रक्रिया द्वारा अतिरिक्त जल को अवशोषित करते हैं और जड़ तंत्र के भीतर एक सकारात्मक हाइड्रोस्टेटिक दाब उत्पन्न करते हैं जिसे मूल दाब कहा जाता है।)

3. Physical Force Theory (भौतिक बल वाद):- As per this theory, the ascent of sap takes place through the dead xylem vessels. 

(इस वाद के अनुसार, मृत जाइलम वाहिकाओं के माध्यम से रसारोहण होता है।)

a. Capillary Force Theory (केशिका बल वाद):-

- This theory was proposed by Boehm (1809).

(यह वाद बोहेम (1809) द्वारा प्रस्तावित किया गया था।)

- He believed that the normal atmospheric pressure and the capillarity of the xylem vessels are responsible for the ascent of sap.

(उनका मानना ​​​​था कि सामान्य वायुमंडलीय दाब और जाइलम वाहिकाओं का केशिकात्व रसारोहण के लिए उत्तरदायी होते हैं।)

- The cohesive force that is present among the water molecules pulls the water upwards through the xylem vessels.

(जल के अणुओं के बीच उपस्थित ससंजन बल जाइलम वाहिकाओं के माध्यम से जल को ऊपर की ओर खींचता है।)

b. Imbibition Theory (अंत:शोषण वाद):-

- This theory was proposed by Sachs(1878).

[यह वाद सैक (1878) द्वारा प्रस्तावित किया गया था।]

According to this theory, water is imbibed through the cell wall materials and translocated upwards.

(इस वाद के अनुसार, कोशिका भित्ति सामग्री के माध्यम से जल को अंत:शोषित किया जाता है और ऊपर की ओर स्थानांतरित किया जाता है।)

c. Atmospheric Pressure Theory ( वायुमंडलीय दाब वाद):-

- According to this theory, atmospheric pressure is responsible for the ascent of sap.

(इस वाद के अनुसार रसारोहण के लिए वायुमंडलीय दाब उत्तरदायी होता है।)

- Due to active transpiration, a vacuum is created in the xylem vessels, and to fill this vacuum, and water moves upward from below so as to equalise the pressure.

(सक्रिय वाष्पोत्सर्जन के कारण, जाइलम वाहिकाओं में एक निर्वात बनाया जाता है, और इस निर्वात को भरने के लिए जल नीचे से ऊपर की ओर बढ़ता है ताकि दाब को बराबर किया जा सके।)

- But atmospheric pressure can lift the water up to a height of 10 meters, and the operation of atmospheric pressure depends on the free surface at the base, which does not exist in the plants.

(लेकिन वायुमंडलीय दाब जल को केवल 10 मीटर की ऊंचाई तक उठा सकता है, और वायुमंडलीय दाब का संचालन आधार पर मुक्त सतह पर निर्भर करता है, जो पौधों में उपस्थित नहीं होती है।)

d. Transpiration Pull or Cohesion-Tension Theory (वाष्पोत्सर्जन-खिंचाव अथवा ससंजन-तनाव वाद):- 

- This theory was put forward by Dixon and Joly in 1894.

(इस वाद को डिक्सन और जोली ने 1894 में सामने रखा था।)

- But it was further improved by Dixon in 1914, so this theory is also known as Dixon’s theory of the ascent of sap.

(परंतु 1914 में डिक्सन द्वारा इसमें और सुधार किया गया था, इसलिए इस वाद को डिक्सन का रसारोहण का वाद के रूप में भी जाना जाता है।)

- This is the most accepted theory for the study of the ascent of sap.

(रसारोहण के अध्ययन के लिए यह सर्वाधिक स्वीकृत वाद है।)

- In the water column, the water molecules remain attracted by the cohesive force and cannot be separated easily from one another.

(जल स्तंभ में, जल के अणु ससंजक बल से आकर्षित रहते हैं और एक दूसरे से आसानी से अलग नहीं हो सकते हैं।)

- There is an attraction between water molecules and the inner wall of xylem ducts, due to which the water column cannot be pulled away from the walls of the xylem ducts.

(जल के अणुओं और जाइलम वाहिकाओं की आंतरिक भित्ति के बीच एक आकर्षण होता है, जिसके कारण जाइलम वाहिकाओं की भित्ति से जल के स्तंभ को दूर नहीं किया जा सकता है।)

- Hence, due to strong cohesive and adhesive forces, the continuity of the water column from roots to leaves is maintained.

(इसलिए, सशक्त ससंजक और आसंजक बलों के कारण, जड़ों से पत्तियों तक पानी के स्तंभ की निरंतरता बनी रहती है।)

- Water lost from the mesophyll cells of the leaves creates a strong negative water potential that leads to a negative pressure in the water column. This pressure exerts an upward pull over the water column, which is known as transpiration pull.

(पत्तियों की पर्ण मध्योत्तक कोशिकाओं से जल की हानि एक सशक्त ऋणात्मक जल विभव उत्पन्न करती है जिससे जल स्तंभ में ऋणात्मक दाब बनता है। यह दाब जल स्तंभ को ऊपर की ओर खींचता है, जिसे वाष्पोत्सर्जन खिंचाव के रूप में जाना जाता है।)

- This tension or pull is transmitted up to the roots in search of more water.

(यह तनाव या खिंचाव अधिक जल की तलाश में जड़ों तक पहुंच जाता है।)

- The water column (formed in the xylem elements of roots) now moves upwards under the influence of transpiration pull.

[जल स्तंभ (जड़ों के जाइलम घटकों में निर्मित) अब वाष्पोत्सर्जन खिंचाव के प्रभाव में ऊपर की ओर बढ़ता है।]

- Thus, the cohesive, adhesive forces and transpiration pull all together help in lifting up water through xylem elements.

(इस प्रकार, ससंजक बल, आसंजक बल और वाष्पोत्सर्जन खिंचाव सभी एक साथ जाइलम घटकों के माध्यम से जल को ऊपर उठाने में सहायता करते हैं।)

- Because of the critical role of cohesion, the transpiration pull is also called the cohesion-tension transpiration pull model of water transport.

(ससंजन की क्रांतिक भूमिका के कारण, वाष्पोत्सर्जन खिंचाव को जल परिवहन का संसजन-तनाव वाष्पोत्सर्जन खिंचाव मॉडल भी कहा जाता है।)

- The water inside the xylem vessels forms a continuous column from top to bottom.

(जाइलम वाहिकाओं के अंदर का जल ऊपर से नीचे तक एक सतत स्तंभ बनाता है।)

- The tension may cause a break in the water column but due to the adhesive and cohesive property of water, the continuous column of water does not break.

(तनाव से जल स्तंभ टूट सकता है परंतु जल के आसंजक और ससंजक गुण के कारण जल का निरंतर स्तंभ नहीं टूटता है।)

Importance of Ascent of Sap (रसारोहण का महत्व):- 

The ascent of sap serves the following functions:-

(रसारोहण निम्नलिखित कार्य करता है:-)

i. It helps in the upward movement of the water through the xylem vessels in the trees that are several meters high.

(यह कई मीटर ऊंचे वृक्षों में जाइलम वाहिकाओं के माध्यम से जल को ऊपर की ओर ले जाने में सहायता करता है।)

ii. It helps in the development of a suction force called transpiration pull that helps the root to absorb more and more water from the soil.

(यह एक चूषण बल के विकास में सहायता करता है जिसे वाष्पोत्सर्जन खिंचाव कहा जाता है जो जड़ को मृदा से अधिक से अधिक जल को अवशोषित करने में सहायता करता है।)

Concept of water potential (जल विभव की अवधारणा) (Ψw):-

- Osmotic movement of water takes place by a driving force which is the difference between free energies of water on two sides of the semi-permeable membrane.

(जल की परासरणीय गति एक प्रेरक बल द्वारा होती है जो अर्ध-पारगम्य झिल्ली के दो ओर जल की मुक्त ऊर्जा के बीच का अंतर है।)

- Free energy for per mole of non-electrolyte is known as chemical potential. It is denoted by greek letter Psi (Ψ).

[गैर-इलेक्ट्रोलाइट के प्रति मोल के लिए मुक्त ऊर्जा को रासायनिक विभव के रूप में जाना जाता है। इसे ग्रीक अक्षर साई (Ψ) द्वारा निरूपित किया जाता है।]

- For water, chemical potential is known as water potential and denoted by Ψw. Free energy of water increases with increase in temperature.

(जल के लिए, रासायनिक विभव को जल विभव के रूप में जाना जाता है और इसे Ψw द्वारा दर्शाया जाता है। तापमान में वृद्धि के साथ जल की मुक्त ऊर्जा बढ़ती है।)

Ψw = Ψ_P  + Ψg  - ΨS

Ψw = Water potential (जल विभव)

Ψ_P = Pressure potential (दाब विभव)

Ψg = Gravity potential (गुरुत्वीय विभव)

ΨS = Solute potential (विलेय विभव या परासरणीय विभव)

But at the cell level Ψg  is insignificant. Hence –

(परन्तु कोशिका स्तर पर Ψg महत्वहीन होता है। इसलिये -)

Ψw = Ψ_P  - ΨS

Ψw = Water potential (जल विभव)

Ψ_P = Pressure potential (दाब विभव)

ΨS = Solute potential (विलेय विभव या परासरणीय विभव)

- Water potential decreases with increase in concentration of solution.

(विलयन की सांद्रता में वृद्धि के साथ जल विभव और विलेय विभव दोनों कम होते जाते हैं।)

- Water potential of pure water is zero which is maximum.

(शुद्ध जल का जल विभव व परासरणीय विभव दोनों शून्य होते हैं जो अधिकतम होते हैं।)

- In osmosis water moves from high Ψw to low Ψw solution.

(परासरण में जल उच्च Ψw से निम्न Ψw विलयन की ओर गति करता है।)

Conditions (विशेष स्थितियाँ ):-

i. Fully plasmolysed cell or Fully flaccid cell (पूर्ण जीवद्रव्यकुंचित कोशिका या पूर्ण शथल कोशिका):- 

Ψ_P = 0

Ψw =  - ΨS

ii. Fully turgid cell (पूर्ण स्फीत कोशिका):- 

Ψ_P = ΨS

Ψw = 0

- Range of Water potential (जल विभव की परास) = - 1 to 0 MPa

Osmotic Adjustment (परासरणीय समायोजन):- The process of lowering of osmotic potential by net solute accumulation in response to water stress, is called osmotic adjustment. It has been considered to be a beneficial drought tolerance mechanism in some crop species.

(जल के तनाव की प्रतिक्रिया में शुद्ध विलेय संचय द्वारा परासरणीय विभव को कम करने की प्रक्रिया को परासरणीय समायोजन कहा जाता है। इसे कुछ फसली जातियों में एक लाभदायक सूखा सहिष्णुता तंत्र माना गया है।)