Водный обмен растений: Часть 1

Видео

Конспект

Роль воды в жизни растений и термодинамика её движения

Перемещение воды в живых организмах подчиняется закономерностям термодинамики. Движущей силой для перемещения воды является изменение свободной энергии Гиббса (G). Свободная энергия Гиббса характеризует энергию, которую система может потратить на полезную работу. Процессы, при которых энергия Гиббса уменьшается (изменение отрицательное), являются самопроизвольными. Процессы, при которых энергия Гиббса увеличивается (изменение положительное), являются несамопроизвольными и требуют вложения энергии извне. Все процессы в природе стремятся к уменьшению свободной энергии Гиббса, что делает самопроизвольные процессы движением к более низкоэнергетическому состоянию.

В биологии изучают именно изменение энергии Гиббса, а не её абсолютное значение.

Осмометр и принцип осмоса

Осмометр - прибор для оценки способности жидкости перемещаться. Простой осмометр состоит из сосуда, разделенного полупроницаемой мембраной на две части. Полупроницаемая мембрана пропускает воду, но не растворенные вещества (например, сахарозу). При разделении чистой воды и раствора сахарозы полупроницаемой мембраной, вода самопроизвольно перемещается из чистой воды в раствор. Это происходит потому, что в чистой воде запасено больше свободной энергии Гиббса, чем в растворе (часть энергии в растворе уже затрачена на растворение). Перемещение воды продолжается до тех пор, пока разница энергии Гиббса не уравновесится возникающим давлением. Чем больше разница в концентрации растворов, тем больше изменение высоты столбов жидкости и разница энергии Гиббса. Осмометр является моделью осмотической ячейки - системы из полупроницаемой мембраны и растворов разного состава.

1.jpeg Водный потенциал ( \Psi )

Водный потенциал (обозначается \Psi ) - удобный инструмент для оценки направления перемещения воды.Водный потенциал измеряется в единицах давления (паскалях). Водный потенциал связан со свободной энергией Гиббса: самопроизвольное движение воды происходит в сторону уменьшения \Psi (к более отрицательным значениям). Чистая вода используется как стандарт с нулевым водным потенциалом. Водный потенциал растворов всегда отрицателен.

Вода всегда движется через полупроницаемую мембрану из области с более высоким водным потенциалом в область с более низким (более отрицательным) водным потенциалом.

Компоненты водного потенциала

Водный потенциал складывается из осмотического потенциала ( \Psi_{s} ) и гидростатического потенциала ( \Psi_{p} ).

\Psi=\Psi_{s}+\Psi_{p}. tab1.jpeg У чистой воды \Psi_{s}=0 . У растворов \Psi_{ s} всегда отрицателен. Чем выше концентрация, тем более отрицателен \Psi_{s} . \Psi s отражает потерю свободной энергии воды при растворении веществ. \Psi_{p} отражает запас энергии от гидростатического давления жидкости. Для жидкостей с открытой поверхностью (например, почвенный раствор) \Psi_{p}=0 . B замкнутых системах (как клетка) Чр может быть положительным (тургор) или отрицательным (натяжение). Водный потенциал в живых растительных тканях (кроме чистой воды) всегда \leq 0 .

Движение воды в растительной клетке

Растительная клетка может рассматриваться как осмотическая ячейка, окруженная полупроницаемыми мембранами (плазмолемма, тонопласт). Вода движется в клетку, из клетки или сохраняет объем в зависимости от разницы \Psi снаружи и внутри. Для нормальной жизнедеятельности клетка должна находиться под положительным гидростатическим давлением внутри.

Тургорное давление (тургор) - это положительное гидростатическое давление, с которым плазмолемма давит на клеточную стенку.

Тургорное давление может быть положительным, нулевым (как на поверхности открытой жидкости) или отрицательным (вакуумное натяжение при откачивании жидкости). Растения обычно находятся в состоянии тургесцентности (положительный тургор).

Плазмолиз - явление, при котором тургорное давление обнуляется или становится отрицательным, протопласт скукоживается из-за потери воды.