Mekanisme Transport Air pada Tumbuhan

Mekanisme Transport Air Pada Tumbuhan

Proses pengangkutan air dan mineral yang dilakukan tumbuhan dimulai dari diserapnya air dan mineral melalui permukaan akar, khususnya melalui rambut akar. Air dan mineral tersebut kemudian bergerak melewati korteks akar ke silinder pembuluh melalui kombinasi rute simplastik dan apoplastik. Pengambilan larutan tanah oleh dinding hidrofilik epidermis memberikan jalan masuk ke apoplas, sehingga air dan mineral dapat memasuki korteks di sepanjang matriks dinding sel. Saat larutan tanah bergerak di sepanjang apoplas, air dan mineral juga diangkut ke dalam sel epidermis dan korteks untuk kemudian masuk ke dalam melalui simplas. Air dan mineral yang semuanya bergerak ke endodermis di sepanjang dinding sel tidak dapat masuk ke dalam stele melalui rute apoplastik. Di dalam dinding masing-masing sel endodermal terdapat pita kasparian, yaitu suatu daerah penghalang yang mengandung bahan berlilin yang menghambat aliran air dan mineral yang terlarut. Hanya mineral yang berada dalam simplas yang dapat bergerak mengelilingi pita kasparian dan terus masuk ke dalam stele. Sel endodermal dan sel-sel parenkim di dalam stele melepaskan air dan mineral ke dalam dindingnya yang bersambungan dengan pembuluh xilem sebagai bagian dari apoplas. Air dan mineral yang diserap dari tanah sekarang siap diangkut ke atas menuju organ yang mebutuhkan.

Sel sel pengangkut air pada xilem adalah sel-sel panjang yang terdiri dari dua jenis: trakeid dan unsur pembuluh (Vessel element). Kedua sel tersebut mati pada kematangan fungsional, akan tetapi mereka menghasilkan dinding sekunder sebelum protoplas mati. Pada bagian tumbuhan yang masih tetap memanjang, dinding sekunder disimpan secara tidak merata dengan pola spiral atau cincin yang memungkinkan mereka meregang kembali seperti pegas ketika sel itu tumbuh. Penebalan dinding ini memperkuat sel-sel penghantar air pada tumbuhan. Trakeid dan unsur pembuluh yang terbentuk pada bagian tumbuhan tidak lagi memanjang umumnya memiliki dinding sekunder yang hanya diselingi oleh ceruk (pit), yaitu bagian yang lebih tipis dimana hanya terdapat dinding primer. Suatu trakeid atau unsur pembuluh menyelesaian diferensiasinya ketika protoplasnya hancur, sehingga meninggalkan suatu saluran yang tak hidup yang dapat dilewati oleh aliran air. Trakeid adalah sel panjang dan tipis dengan ujung yang runcing. Air bergerak dan mengalir dari stele sel terutama melalui ceruk, sehingga air tidak harus melewati dan menembus dinding sekunder yang tebal. Karena dinding sekundernya mengeras dengan lignin, trakeid berfungsi dalam penyokongan dan pengangkutan air. Unsur pembuluh adalah sel yang umumnya lebih lebar, lebih pendek, dindingnya lebih tipis, dan kurang runcing dibandingan dengan trakeid. Unsur pembuluh tersusun dari ujung ke ujung, membentuk pipa mikro yang panjang, yaitu pembuluh xilem (xylem vessel). Dinding ujung dari unsur pembuluh mempunyai perforasi (dinding yang berlubang), memunginkan air mengalir secara bebas melalui pembuluh xilem menuju organ yang membutuhkan.

Mekanisme transport air ditinjau dari segi biologi

Permeabilitas dari suatu membran plasma suatu sel tumbuhan mengontrol pergerakan zat terlarut antara sel tersebut dan larutan ektraseluler. Zat terlarut cenderung berdifusi menuruni gradien konsentrasinya, dan ketika ini terjadi melewati membran, proses itu disebut transpor pasif (pasif  karena proses tersebut tejadi tanpa pengeluaran energi metabolik oleh sel secara langsung). Namun demikian, proses sebagian besar zat terlarut yang menembus membran berjalan sangat lambat terkecuali zat-zat tersebut berhasil melalui protein-protein transpor yang tertanam di dalam membran itu. Beberapa dari protein-protein ini merubah difusi dengan cara mengikatkan diri secara selektif ke suatu zat terlarut pada salah satu sisi membran dan membebaskan  zat tersebut  pada sisi membran yang berlawanan. Pemindahan zat terlarut melewai membran melibatkan perubahan bentuk oleh protein transpor. Beberapa protein transpor berfungsi sebagai saluran selektif (selective channel), yang tidak lain adalah koridor-koridor seletiktif untuk dapat menembus membran tersebut. Misalnya, membran sebagian besar sel tumbuhan memiliki saluran kalium yang akan membiaran ion kalium (K⁺) lewat, akan tetapi tidak melewatkan ion yang mirip dengan kalium, seperti natrium (Na⁺). Beberapa saluran memiliki gerbang: artinya dapat membuka dan menutup karena rangsangan lingkungan. Transpor aktif adalah pemompaan zat terlarut melewati membran melawan gradien elektrokimia zat tersebut, pengaruh gabungan akibat perbedaan konsentrasi zat terlarutnya dan tegangan (selisih muatan) pada membran tersebut. Disebut aktif karena sel harus mengeluarkan energi metabolis, umumnya dalam bentuk ATP, untu mengangkut suatu zat terlarut “mendai bukit”-dengan kata lain, melawan arah difusi dari zat terlarut tersebut. Protein transpor yang memudahkan proses difusi,  seperti saluran selektif, tida dapat melaksankan transpor aktif. Transporter aktif adalah suatu kelas protein yang terdiri dari membran-membran tertentu, dimana masing-masing membran bertanggungjawab atas pemompaan zat terlarut yang spesifik.

Molekul air bergerak relatif lebih bebas melewati lapisan rangkap lemak (lipid bilayer), meskipun zona bagian tengah dari lipid bilayer itu hidrofobik, transport air yang cepat ini dibantu dengan adanya saluran selektif, yaitu akuaporin (aquaporin). Akuaporin tidak dapat mengangkut air secara aktif namun sebaliknya, akuaporin mempermudah difusi air (osmosis), meningkatkan laju transport air melebihi laju yang disebabkan hanya oleh aliran air yang melintasi lipid bilayer. Keberadaan akuaporin memungkinkan suatu sel dapat mengatur laju pengambilan dan pengeluaran air yang berbeda dari potensial air potensial air dari larutan disekitarnya. Akuaporin bisa membentuk saluran bergerbang yang dapat membuka dan menutup sebagai tanggapan terhadap tekanan turgor dari sel itu. Dinding sel, sitosol, dan vakuola adalah tiga kompartemen pada sebagian besar sel-sel tumbuhan dewasa. Membran yang mengikat vakuola disebut tonoplas, berfungsi untuk mengatur lalu lintas molekul antara sitosol dan isi-isi vakuolanya, yang disebut cairan sel. Protein transpor spesifik yang terbenam dalam membran plasma dan tonoplaslah yang mengatur lalu lintas molekul diantara tiga kompartemen tersebut. pada tingkat jaringan, terdapat dua kompartemen, simplas dan apoplas. Simplas adalah kontinum sitosol yang didasarkan pada plasmodesmata, yaitu saluran yang menghubungakan protoplas melalui dinding. Apoplas adalah rangkaian dinding sel dan ruangan ekstraseluler. Anatomi ini memberikan tiga rute untuk transport lateral dalam jaringan atau organ tumbuhan. Dalam suatu rute transmembran, zat terlarut dan air bergerak memenembus suatu organ melalui penembusan membran plasma dan dinding sel secara berulang disepanjang lintasan tersebut.. dalam rute simplastik, bahan-bahan yang telah melewati suatu sel bergerak melewati suatu organ melalui rangkaian sitosolik. Struktur plasmodesmata yang kompleks itu mengatur transpor melalui simplas, bahkan mengalirkan protein tertentu  dan molekul besar lainnya antar sel. Dalam rute apoplastik, air dan zat terlarut berjalan melewati jaringan atau organ melalui dinding sel dan ruangan ekstraseluler.

Mekanisme transport air ditinjau dari segi fisika

Pengambilan atau pengeluaran air oleh suatu sel terjadi melalui osmosis, yaitu transpor pasif air melalui membran. Dalam kasus sel tumbuhan, kehadiran dinding sel menjadi faktor yang mempengaruhi osmosis tersebut: adanya tekanan fisik. Pengaruh gabungan dari kedua faktor ini; konsentrasi zat terlarut dan tekanan disebut potensial air (water potensial), disingkat dengan huruf Yunani psi (ᴪ). Hal yang paling penting dari potensial air adalah air akan bergerak melewati membran dari larutan dengan potensial air yang tinggi air yang tinggi ke larutan dengan potensial air yang lebih rendah. Komponen  Potensial  dalam potensial air mengacu pada energi potensial, yaitu kapasitas untuk melaksanakan kerja ketika air bergera dari daerah dengan ᴪ yang lebih tinggi ke daerah dengan ᴪ yang lebih rendah. Keadaan ini adalah suatu kasus khusus mengenai kecenderungan umum pada sistem untuk berubah secara spontan menuju pada keadaan energi terendah.

Penambahan zat terlarut akan menurunkan potensial air, karena potensial air berbanding lurus dengan tekanan, sehingga peningkatan tekanan akan menaikkan potensial air. Potensial air dapat mengukur kecenderungan relatif air untuk meninggalkan suatu lokasi ke lokasi lain. Jika suatu larutan dipisahkan dari air murni oleh suatu membran yang memiliki permeabilitas selektif, tekanan eksternal pada larutan itu akan dapat menghalangi kecenderungan larutan untuk mengambil air akibat kehadiran zat terlarut. Air akan bergerak melewati suatu membran yang selktif permeabel dari tempat yang potensial airnya lebih tinggi ke tempat yang potensial airnya lebih rendah.

Air dan mineral dapat naik ke atas tubuh tumbuhan karena adanya dorongan dari bawah atau tarikan dari atas. Pada tumbuhan yang tinggi air tidak dapat naik dengan dorongan dari bawah, karena dorongan dari bawah hanya dapat menaikkan air dan mineral sampai hanya beberapa meter saja. Oleh karenanya tumbuhan tinggi membutuhkan tarikan dari atas yang dapat membantu air dan mineral dapat naik, hal inilah yang kemudian disebut pembangkitan daya tarik transpirasi pada daun. Uap air berdifusi dari ruangan udara yang lembab pada daun ke udara yang lebih kering melalui stomata. Penguapan dari lapisan tipis air yang melapisi sel-sel mesofil mempertahankan kelembaban tinggi ruangan udara itu. Kehilangan air ini menyebabkan lapisan tipis air itu membentuk menikus, yang semakin lama semakin cekung ketika laju transpirasi meningkat. Suatu menikus memiliki suatu tegangan yang berbanding terbalik  dengan radius permukaan air yang melengkung itu. Setelah lapisan tipis air itu surut dan menikusnya menjadi lebih cekung, tegangan lapisan tipis air itu akan meningkat. Tegangan adalah tekanan negatif; suatu gaya yang menarik air dari lokasi dimana tekanan hidrostatik lebih besar. Tekanan negatif (tegangan) air yang melapisi ruangan udara daun itu adalah dasar fisik gaya tarik transpirasional, yang menarik air keluar dari xilem melalui jaringan mesofil menuju permukaan dekat stomata. Kohesi dan adhesi air. Tarikan transpirasi pada cairan xilem dihantarkan secara menyeluruh dari daun hingga ujung akar dan bahkan ke dalam larutan tanah. Kohesi air akibat pengikatan hidrogen memungkinkan suatu penarikan kolom getah dari bagian atas tanpa memisahkan air. Hanya dengan satu rantai molekul air yang tidak terputus , molekul air yang keluar dari xilem pada daun akan menarik molekul air di sebelahnya, dan tarikan ini akan diteruskan, molekul demi molekul, menuju ke bawah sampai ke seluruh kolom air pada xilem. Adhesi molekul air yang kuat ke dinding hidrofilik sel-sel xilem juga membantu melawan gravitasi. Diameter yang sangat kecil dari trakeid dan unsur pembuluh ikut memberi kontribusi terhadap peran penting yang dimainkan oleh adhesi dalam mengatasi gaya tarik ke bawah akibat gravitasi. Tarikan ke atas pada getah yang kohesif tersebut akan menimbulkan tegangan di dalam xilem. Tekanan  akan menyebabkan pembuluh elastis membengkak, akan tetapi tegangan akan menarik dinding pembuluh itu ke arah dalam. Adanya cincin dinding sekunder mencegah pembuluh xilem tidak kempes. Tarikan transpirasi akan menempatkan xilem berada di bawah tegangan di sepanjang saluran tersebut sampai ke ujung akar, bahkan ke pohon yang paling tinggi. Tegangan ini akan menurunkan potensial air pada xilem akar hingga mencapai keadaan dimana air mengalir secara pasif dari tanah, melewati korteks akar, dan masuk ke dalam stele. Pada kenyataannya , daya tarik transpirasi dengan bantuan kohesi air, dihantarkan dari akar ke seluruh daun. Aliran massal air ke puncak suatu pohon digerakkan tenaga surya, karena penyerapan cahaya matahari oleh daun yang menyebabkan penguapan yang bertanggungjawab atas daya tarik transpirasional itu.