El agua y la fotosíntesis

Water and photosynthesis
El riego es la acción más importante para nuestras plantas. Muchas veces, nuestros cuidados amorosos les hacen más mal que bien e incluso las matan.

Intentaré explicar unos cuantos detalles sobre el el papel que el agua tiene en el funcionamiento de una planta.

 Watering is the most important action towards our plants. Many times, our extreme loving care does more harm than good and may even kill them.

I'll try to explain a few details about the role that water plays on the operation of a plant.
Una planta está formada principalmente por agua. Desde un 80% en las hojas y raíces, hasta un 50% en otras partes como el tronco. Pero el agua no está en forma estática, sino que circula por el interior de la planta. A plant is mainly water. From about 80% content of water in the leaves and roots to about 50% in other parts, as the stems. But water does not stay still inside a plant. It circulates in large quantities in its inside.

Circulación del agua

El agua es captada por las zonas pilíferas de las raíces (Ver fotos). Éstas originan una presión que "empuja" el agua hacia las hojas.

Las hojas, cuando los estomas están abiertos, evaporan agua a través de ellos. Ésto se denomina transpiración. Este vapor de agua se dispersa en la atmósfera. La falta de agua en las hojas origina una presión interna menor, que "tira" del agua proveniente de las raíces.

El principal motor para el ascenso del agua radica en la transpiración. El "empuje" desde las raíces tiene una relevancia algo menor como causa de esta circulación. Por lo tanto, en el fondo de la cuestión se encuentran los estomas, abiertos o cerrados.

Durante la noche los estomas se cierran y la hoja no transpira. Sin embargo, las raíces siguen creando la presión que "empuja" el agua hacia arriba y un poco de agua exuda por las hojas para aliviar el exceso de presión. Si la atmósfera es húmeda, se observan unas gotitas en los bordes de las hojas. Ésto se denomina "gutación" y tiene una importancia secundaria.

Cuando no llega suficiente agua a las hojas, éstas se marchitan (disminuye la presión interna del agua) y los estomas se cierran total o parcialmente. Éste es un mecanismo de autodefensa de resultados limitados. Si a una planta le falta un poco de agua, se protege automáticamente contra más pérdidas. Si le falta mucha, la planta finalmente sufrirá o morirá.

La temperatura elevada, el viento y la baja humedad atmosférica aceleran la evaporación del agua. En días con estas condiciones hay que estar más atento a las necesidades de agua de las plantas. Aunque el terreno contenga suficiente agua, puede ser que ésta no llegue con suficiente rapidez a las hojas. Habrá que crear un microclima de humedad alrededor de la planta (rociar).

El agua circulante cumple tres finalidades:

  • Refrigeración de las hojas: Cada gramo de agua, para pasar de estado líquido a vapor, necesita absorber, de una vez,  540 calorías de las hojas, con lo que éstas se enfrían. Hagamos un experimento: Córtese una hoja y déjese colgando encarada al sol. Al cabo de pocos minutos a pleno sol de verano, tóquese una hoja de la planta y la hoja cortada: se apreciará una notable diferencia de temperaturas, la hoja cortada está caliente mientras la hoja de la planta permanece más fría.
  • Transporte interno de nutrientes captados en las raíces. Los elementos, Nitrógeno (N), Fósforo (P) y Potasio (K) más otros como el Hierro (Fe), viajan disueltos en el agua que proviene de las raíces y llegan a todas las partes vivas de la planta. Los productos creados en la fotosíntesis también circulan disueltos en agua en el interior de la planta.
  • Fotosíntesis:
    El agua es imprescindible, como se verá más adelante. La cantidad de agua que interviene en la fotosíntesis viene a ser del orden del 2% del total utilizado, el resto se usa para refrigeración (transpiración).

Water circulation

Water is absorbed in the hairy areas of the roots (See pictures). These produce a pressure that "pushes" the water towards the leaves.

The leaves evaporate water through the stomata when these are open. This is called transpiration. This water vapor is dispersed in the atmosphere. The shortage of water on the leaves creates an internal lower pressure that "pulls" the required water from the roots.

Transpiration is the main factor causing water to ascend. The "push" from the roots has a more limited influence on the circulation of water inside the plant. Consequently, behind the whole circulation is the status of open or closed of the stomata.

During the night the stomata are closed and the leave does not transpire. The roots, however, continue creating the pressure "pushing" the water upwards and a little water exudes from the leaves to release the excess pressure. If the atmosphere is damp, one can see droplets on the leave edge. This is called "gutation" and it has a secondary importance.

When not enough water reaches the leaves, these become marcid (the internal water pressure becomes lower) and the stomata close, partially or fully. This is a self defense mechanism of limited results. If a plant only lacks a little water, the automatic protection will avoid further losses. If water is missing for a long time, the plant will be damaged and will die, at the end.

The high temperatures, the wind and the low relative humidity of the air accelerate the evaporation of water. Under these conditions one has to be more alert about the needs of water of the plants. It may happen that the soil has enough water but this does not reach the leaves quickly enough. An artificial damp microclimate around the plant would then be advisable (in other words, this is the time for a water spray).

The circulating water has three purposes:

  • Cooling of the leaves: One gram of water, to change its phase from liquid to vapor, needs 540 calories at once. These calories are "stolen" from the leaves, so the leaves are cooled. Let's make an experiment: Cut one leave off a plant and leave it hanging and facing the sun. After a few minutes of summer sun, touch a normal leave from the plant and the cut-off leave: you will appreciate a temperature difference. The leave "connected" to the water supply of the plant is much cooler.
  • Internal transportation of nutrients
    taken from the soil. The elements Nitrogen (N), Phosphor (P), Potassium (K) and other such as Iron (Fe), travel dissolved in the water coming from the roots and reach all the live parts of the plant. The products created in the leaves by photosynthesis travel inside the plant, also dissolved in water.
  • Photosynthesis:
    Water is a necessity, as it will be seen below. The amount of water used in photosynthesis is about the 2% of the total ammount of water used, the remainder is used for cooling (transpiration).

El proceso

The process
 

ENTRADAS:
Desde la atmósfera: Oxígeno para respirar y anhídrido carbónico para la fotosíntesis.
Desde las raíces: Agua y elementos, este agua se utiliza para diversas finalidades.
SALIDAS:
A la atmósfera: Oxígeno de la fotosíntesis, anhídrido carbónico de la respiración y gran cantidad de agua de la transpiración. Un poco de agua como solvente de los productos de la fotosíntesis va a otras partes de la planta

  

INPUTS: 
From the air: Oxygen for breathing and Carbon dioxide for the photosynthesis. 
From the roots: Water and elements, this water being used for several purposes.
OUTPUTS: 
To the atmosphere: Oxygen from photosynthesis, Carbon dioxide and Water from breathing, a lot of Water from transpiration and a little Water as solvent of photosynthesis products, these going to other parts of the plant.

Fotosíntesis

La fotosíntesis es un fenómeno muy complejo que no es necesario describir aquí con el máximo detalle. Además, todavía hoy quedan algunas zonas obscuras en su conocimiento. Lo más importante es lo siguiente:

Con la ayuda imprescindible de la energía lumínica y de la clorofila, en las hojas y partes verdes de una planta se sintetizan azúcares (glucosa), hidratos de carbono (almidón) y otras substancias, a partir del CO2 (anhídrido carbónico o dióxido de carbono) que se encuentra en el aire (y penetra en la planta a través de los estomas) y del H2O (agua) que viene de las raíces. Si los estomas están cerrados no puede entrar el CO2, por lo tanto no hay crecimiento. Recordemos que la madera no es más que un compuesto de carbono. Este carbono no proviene de la tierra, proviene del CO2 del aire.

El crecimiento de una planta depende de la optimización de los siguientes parámetros que están interrelacionados y que además, suelen tener expresiones no lineales:

  • Tamaño de la planta - Una planta bien desarrollada puede originar crecimientos mayores porque su "zona de producción" es mayor (algunas substancias producidas en hojas adultas son las que alimentan el nuevo crecimiento).
  • Aprovechamiento del agua - Las raíces deben poder absorber agua a la velocidad requerida.
  • Apertura de los estomas: Los estomas se abren si hay luz y agua suficientes
  • Intensidad de la luz - Aunque con excesiva luz (un límite diferente para cada planta) se reduce la fotosíntesis.
  • Temperatura - Temperaturas demasiado altas dañan substancias internas de la planta necesarias para la fotosíntesis. También muchas plantas detienen su crecimiento en pleno verano.
  • Disponibilidad de CO2 - Ni mucho, ni poco; el necesario.

Como se dijo, estos parámetros están interrelacionados. Si hay mucha agua y falta luz o los estomas están abiertos y falta CO2 la planta no alcanza sus condiciones óptimas. Además las curvas de muchos de estos parámetros tienen la forma del gráfico siguiente, lo cual significa que existe un punto por encima del cual las condiciones ya no son óptimas.

Photosynthesis

Photosynthesis is a very complex process that is not required to be explained in full detail here. Besides, there are yet some obscure areas on its knowledge. The most important facts interesting us are the following:

With the imperative cooperation of light energy and chlorophyll, on the leaves and green parts of a plant sugars (glucose), carbon hidrates (starch) and other substances are synthesized from the CO2 (carbon dioxide) found on the air (and entering the leaves through the stomata), and the H2O (water) coming from the roots.
If the stomata are closed, the CO2 cannot enter the leaves, so there is no growth.
Remember that wood is nothing else than a carbon compound. This carbon does not come from the soil, it comes from the CO2 of the air.

The growth of a plant depends on the optimization of the following parameters that are interrelated and that, besides, usually have a non linear expression:

  • Size of the plant
    A well developed plant may originate higher growths because his "area of production" is larger (some substances produced on adult leaves are responsible of feeding the new growth)
  • Efficient use of water
    Water absorbed by the roots should reach the leaves at the required speed
  • Stomata being fully open and for a long time under conditions of light and enough water.
  • Intensity of light
    Too much light slows down photosynthesis (a different limit for every plant)
  • Temperature
    Too high temperatures harm internal substances of the plant, required for photosynthesis. This is why many plants halt their growth in summer.
  • Availability of CO2
    Neither too much, nor too little.

As it was mentioned, these parameters are interrelated. A lot of water and too little light, or if there is not enough or too much CO2, the plant will not have optimal growth.
Besides, the curves of many of these parameters have the shape of the following graph, meaning that there is an optimal point and one cannot go further.

En la fotosíntesis existen varias etapas:
  • Fotólisis del agua (el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno).
  • Combinación del hidrógeno del agua con el CO2 del aire
  • Trasformación en glucosa (con ayuda del fosfato proveniente del suelo)

Más adelante volveré sobre los balances en la fotosíntesis y en toda la planta

 Several stages in photosynthesis:
  • Photolisis of water (water decomposed into hydrogen and oxygen)
  • Combination of hydrogen of water with the CO2 of air
  • Transform into glucose (with assistance of   phosphate coming from the soil)

The balances in the photosynthesis and in the plant will be seen below.

Respiración

Además de los fenómenos anteriores de transpiración y fotosíntesis, todas las partes de la planta (incluídas las raíces) necesitan respirar. Para ello toman O2 (oxígeno) del aire y desprenden CO2 y H2O. Por ello es esencial que las raíces se encuentren en un substrato poroso, que deje entrar el aire y que no esté largo tiempo inundado con agua que no dejaría entrar el aire. 

No tener en cuenta la respiración de las raíces conduce a muchos fracasos. Las macetas de cerámica porosa tienen mejor comportamiento que las de plástico. Sin embargo no son recomendables si no se pueden regar con mayor frecuencia. Excepción: plantas xerófitas.

Respiration

Besides the above mentioned processes of transpiration and photosynthesis, all parts of a plant (including roots) need to breathe. They take O2 from the air and they return CO2 and H2O. This is why it is essential that the roots are in a porous substrate, letting the air to go into it and not being waterlogged as this water would not let the air in. 

Not considering the respiration of the roots leads to many failures. The porous ceramic pots have a better behaviour than the plastic ones. They are, however, not recommended if frequency of watering cannot be increased. With the exception of xerophite plants.

Balances

En una hoja entran, a través de los estomas, O2 y CO2 procedentes de la atmósfera y H2O (con nutrientes) a través de las raíces. Salen O2, CO2 y H2O que van a parar a la atmósfera. Se devuelve al resto de la planta una pequeña cantidad de agua como disolvente de los productos de síntesis que se acaban de producir.

Hemos visto que el O2 entrante se utiliza para la respiración, las 24 horas del día. El carbono y el oxígeno del CO2 entrante se utiliza para la fotosíntesis mientras haya luz. El O2 que sale proviene de la fotólisis del agua causada por la fotosíntesis. El CO2 que sale proviene de la respiración. El H2O que sale proviene de la transpiración y de la respiración; no tiene prácticamente nada que ver con la fotosíntesis.

La suma de volúmenes de O2 + CO2 entrantes es prácticamente igual a la suma de volúmenes de los mismos gases salientes, pero con la peculiaridad que el volumen del O2 saliente es algo mayor que el volumen del CO2 entrante. De ahí que las plantas tengan un claro efecto "purificador" del aire.

Balance

The inputs to a leave are:
through the stomata, O2 and CO2 from the air;
from the roots, H2O (with nutrients).
The outputs are:
- to the atmosphere: O2, CO2 and H2O.
- to the plant: a small amount of H2O as a solvent of the photosynthesis products.

The input O2 is used for respiration 24 hours a day. The carbon and oxygen of the incoming CO2 are used in the photosynthesis, while there is light, to form new compounds. The output O2 comes from the photolisis of water caused by the photosynthesis. The output CO2 comes from respiration. The output H2O comes mainly from transpiration and has nothing to do with photosynthesis.

The sum of incoming volumes of O2 and CO2 is practically equal to the sum of same outgoing gases. The peculiarity is that the volume of the outgoing O2 is slightly larger than the volume of incoming CO2. This is why the plants have a clear effect of "purifying" the air.

Estomas

Los estomas (stoma = boca) son unas pequeñísimas aberturas que se encuentran principalmente en el envés de las hojas. Estos "poros" se abren mientras hay suficiente luz para dejar entrar el CO2 al interior de la hoja y dejar salir el vapor de agua de la transpiración. Se cierran cuando no hay suficiente luz o cuando la planta tiene riesgo de secarse por no llegar suficiente agua a las hojas. Si están cerrados, la planta "no funciona" y no crece. Si permanecen mucho tiempo abiertos, la planta crece más. Los estomas no son binarios, por lo que es posible que alcancen estados intermedios de apertura.

 

Nota 1:
Si no hay hojas, no hay estomas (casi). Si no hay estomas, no se evapora agua. Si no se evapora agua, no hay que regar. En invierno sólo hay que mantener la tierra ligeramente húmeda.

Nota 2:
Las plantas situadas en el interior de una casa tienen los estomas cerrados durante mucho tiempo porque hay poca luz. Hay que regar poco las plantas de interior (el agua encharcada no deja respirar las raíces y éstas llegan a morir).

Nota 3:
Es mejor regar las plantas situadas al aire libre a primera hora de la mañana, justo en el momento en que se van a abrir los estomas y la planta va a empezar a funcionar. Si se riega por la tarde, cuando los estomas se cierran, el agua permanece toda la noche en las raíces sin ser utilizada y durante este tiempo las raíces respiran con más dificultad, porque el agua no deja entrar aire. Ésto es incluso más importante en invierno que en verano, porque las noches son más largas.

Nota 4:
Un ambiente muy húmedo (tipo sauna) favorece el crecimiento de las plantas. A primera vista puede parecer contradictorio ya que si el ambiente es húmedo la velocidad de evaporación será menor y habrá menor transpiración y, con ella, el aporte de substancias nutritivas del suelo será menor. Ello no es así porque el principal factor de crecimiento no proviene de las substancias del suelo sino de la fotosíntesis y ésta se produce con los estomas abiertos. Si hay humedad elevada (y luz) los estomas no se cierran por temer que una atmósfera demasiado seca evapore demasiada agua.

Nota 5:
Rociar el suelo del jardín varias veces al día durante el verano (no rociar las plantas al sol por el riesgo de quemaduras en las hojas), además de crear un ambiente húmedo (nota anterior), baja la temperatura ambiente de forma considerable. Dependiendo de la humedad relativa atmosférica inicial, la bajada de temperatura después de rociar se sitúa entre 2 y 4ºC, valor a veces decisivo, sobre todo si la temperatura ambiente era superior a los 26ºC, que es cuando muchas plantas dejan de crecer. El rociado debe ser muy fino, formando una niebla si es posible.

Conviene situar un termómetro (de máxima y mínima) cerca de las plantas (donde no le dé el sol) para hacerse cargo de las temperaturas reales que éstas deben soportar. Nos encontraremos con muchas sorpresas.

Nota 6:
¿Qué hacer con una planta marchita? Sobre todo, no hay que atolondrarse y correr a regarla. Tómate tu tiempo para unas observaciones, piensa y actúa con sentido común.

Primero comprueba la humedad del suelo. Puede que tengas que hurgar con los dedos o, mejor, utiliza un medidor de humedad del suelo.

¿Quizás el suelo está húmedo? Si es así, ¿quizás no sube bastante agua a causa de una enfermedad por hongos del suelo o cuello de la planta? Pon la planta en la sombra y no la riegues hasta que el suelo lo necesite. ¿La causa es un viento seco? Rocía las hojas con agua a menos que le dé el sol (riesgo de quemar las hojas). Algunas plantas (incluso las amantes del sol como Bougainvilleas) se marchitan en días calurosos cuando les da el fuerte sol aunque haya suficiente agua en el suelo (incluso si se han regado unas horas antes). Ésto sucede porque las hojas evaporan mucha agua y ésta no es reemplazada con suficiente rapidez. Un poco más tarde, la planta se recupera sola.

¿Está seco el suelo? No riegues todavía. Primero, rocía con agua las hojas (a menos que les dé el sol). ¿Es por la tarde? Entonces espera a la mañana siguiente para continuar. ¿Es durante el día? Entonces, media hora después de rociar, riega normalmente. La planta ¿está en un tiesto y éste está caliente por el sol? Antes de regar, deja enfriar el tiesto y evita que se vuelva a calentar otro día.

Stomata

The stomata (stoma = mouth) are very small openings found mainly on the backs of the leaves. These "pores" are open while there is enough light, in order to let the CO2 from the air to go into the leaves and to allow the exit of water vapour from the transpiration. They are closed when there is not enough light or when the plant has the risk of drying out because not enough water reaches the leaves. If they are closed, the plant "does not operate" and does not grow. If they are open a long time, the plant has a better growth. The stomata are not binary, so intermediate states of opening are possible.

 

Remark 1:
If there are no leaves, there are no stomata (almost), water does not evaporate. If water does not evaporate, the plant should not be watered. In winter, soil is to be kept only slightly moist.

Remark 2:
The plants inside a house have the stomata closed most of the time, as there is not enough light. The indoors plants should be watered very little (the waterlogged water does not let the roots to breathe and they die.

Remark 3:
It is better to water the outdoor plants early in the morning, just when the stomata are about to open for their daily work and the plant is beginning its operation. If one waters in the evening, when the stomata are closing, the water stays the whole night wetting the roots and without being used; during this time the roots have more difficulties to breathe because the water does not let the air in. This is even more important in winter, when the nights are longer.

Remark 4:
A damp atmosphere (sauna type) helps the growth of many plants. At first sight this may appear to be contradictory as with a damp atmosphere the speed of evaporation is lower, there will be less transpiration and less water will come up from the ground, carrying nutrients. This is not so as the main growth factor does not come from the substances from the soil but from the photosynthesis and this is produced when the stomata are open. With a highly damp atmosphere (and enough light) the stomata open fully, not afraid of a dry atmosphere evaporating water too quickly.

Remark 5:
To spray the garden several times in a day (do not spray plants in the sun as there is risk of sun burns in the leaves), besides creating a damp atmosphere (Remark 4), it lowers the ambient temperature. Depending of the initial atmospheric relative humidity, the temperature decrease, after spraying, is between 2 and 4ºC, this being sometimes a crucial value, specially if the ambient temperature was higher than 25-26ºC, when many plants halt their growth. The spray ought to be very fine, like a mist.

It is illustrative to have a max-min thermometer near the plants (where the sun does not hit the thermometer), so one really knows the temperatures the plants are withstanding. We will learn a lot from it and will find many surprises.

Remark 6:
What to do to a wilted plant? Above everything, do not panic and do not run to water the plant immediately. Take a little time for some observations, think and use common sense.

First, check the moisture of the soil. You may have to poke with your fingers into the soil or, better, use a soil moisture meter.

Perhaps the soil is moist enough? If this is the case, perhaps not enough water reaches the leaves because of a disease originated by soil fungi? Put the plant on the shade and do not water the soil until it really needs it. Or the cause is a dry wind? Spray the leaves with water unless the sun is hitting them (as there is risk of burns). Some plants (even the sun-loving Bougainvilleas) look wilted in hot days when the strong sun is striking them and there is enough water in the ground (even if they have been generously watered a few hours ago). This happens because the leaves evaporate a lot of water and this is not replaced fast enough). A while later, when the sun is not so strong, the plant recovers automatically.

Is the soil dry? Do not water the soil yet. First, spray the leaves with water (unless hit by the sun). Is it in the evening? Then wait until tomorrow early morning to continue. Is it during the day? Then, half an hour after the spray you may water the soil normally. Is the plant on a pot and the pot is warm because of the sun? Before watering, leave the pot to cool down and avoid further exposure of the pot to the sun.
Julio Guri
Primera versión / First version: 11 SEP 98
Actualizaciones / Updates:
11 ENE 99 - Gutación - Gutation
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