Физиология растений

Таким образом, поступление воды в  раствор через полупроницаемую перегородку обусловливается разностью между свободной энергией чистой воды и раствора и происходит по градиенту свободной энергии воды или по градиенту водного потенциала. Движение молекул воды в раствор можно приостановить, приложив к раствору определенное внешнее давление.^/ Осмотическое давление раствора равно тому давлению, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление в нее воды.

Пфеффер, измеряя осмотическое давление разных растворов, установил, что его величина зависит от концентрации. Изучение свойств растворов крупным физико-химиком Вант-Гоффом показало, что осмотическое давление подчиняется законам, установленным для газов, прежде всего закону Бойля-Мариотта. Иначе говоря, осмотическое давление прямо пропорционально молярной концентрации раствора. Эквимолярные растворы педиссоциирующих веществ являются изоосмотическими или изотоническими, т. е. имеют одинаковое • осмотическое давление. Согласно правилу Авогадро, раствор грамм-молекулы недиссоциированного вещества имеет осмотическое давление, равное 2,24 МПа. Осмотическое давление подчиняется также закону Гей-Люссака, т. е. возрастает с повышением температуры. Наконец, величина осмотического давления может быть вычислена в атмосферах по формуле Клапейрона p = RTC, где R — газовая постоянная, равная 0,8821, Т — абсолютная температура (в °С) и С — концентрация в молях).

Говоря об осмотическом давлении, надо помнить, что оно проявляется не всегда, а только в системе раствор — растворитель полупроницаемая перегородка. Раствор, помещенный в стакан, не проявляет осмотического давления. Он имеет осмотический показатель, который проявляется лишь в определенных условиях.

2. КЛЕТКА КАК  ОСМОТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для  воды, так и для растворенных веществ. Однако плазмалемма и тонопласт  обладают полупроницаемостью, пропускают воду и слабопроницаемы, а в пекоторых случаях совсем непроницаемы для растворенных веществ. В этом можно убедиться, рассмотрев явления плазмолиза и тургора. Если поместить клетку в раствор более высокой концентрации, чем в клетке, то под микроскопом видно, что протоплазма отстает от клеточной оболочки. Это особенно хорошо проявляется па клетках с окрашенным клеточным соком. Клеточный сок остается внутри вакуоли, а между протоплазмой и оболочкой образуется пространство, заполненное внешним раствором. Явление отставания протоплазмы от клеточной оболочки получило название плазмолиза. Плазмолиз происходит в результате того, что под влиянием концентрированного внешнего раствора вода выходит из клетки, тогда как растворенные вещества остаются в клетке. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор, вода поступает в клетку. Количество воды в клетке увеличивается, объем вакуоли возрастает, клеточный сок давит на цитоплазму и прижимает ее к клеточной оболочке. Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка растягивается,.в результате клетка переходит в напряженное состояние  (тургор).

Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют изучить многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и протоплазма сохранила полупроницаемость. По' скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости протоплазмы (см. выше). Наконец, явление плазмолиза позволяет определить величину осмотического давления (плазмолитический метод). Этот метод основан па подборе изоосмотического, или изотонического, раствора, т. е. раствора, имеющего осмотическое давление, равное осмотическому давлению клеточного сока. Окружающий раствор, который вызывает плазмолиз данной клетки, а следовательно имеет более высокое осмотическое давление, называется гипертоническим. Раствор, при котором в клетке начался плазмолиз, имеет осмотическое давление, примерно равное осмотическому давлению клетки. Зная концентрацию этого наружного раствора в молях, можно по формуле (см. с. 47) вычислить его осмотическое давление, а следовательно^ осмотическое давление клетки. Необходимо учесть, что эта формула справедлива, если для определения осмотического давления был взят раствор неэлектролита, например сахарозы. В том случае, когда для определения осмотического давления берется раствор электролита, например какой-либо соли, в формулу определения осмотического давления необходимо вводить дополнительный изотонический коэффициент (г). Это связано с тем, что осмотическое давление пропорционально числу частиц, находящихся в определенном объеме раствора. При диссоциации число частиц, естественно, возрастает, следователыю, в этом случае осмотическое давление нужно рассчитывать по формуле p^RTCi.

Определение осмотического давления может быть основано и на прямом определении концентрации клеточного сока. В большинстве случаев при этом клеточный сок выжимается. Наиболее точно концентрация клеточного сока может быть определена криоскопическим методом по понижению его точки замерзания или по повышению точки кипения. Известно, что если к воде прибавить некоторое количество растворимых веществ, то давление ее паров уменьшается. Чем ниже давление пара воды, тем ниже точка замерзания и выше точка кипения раствора. Молярный раствор недиссоциированпого вещества снижает точку замерзания на 1,86°С.

Определение величины осмотического  давления имеет большое значение, в частности, для экологических  исследований. В известной мере величина осмотического давления позволяет  судить о способности растения поглощать воду из почвы и удерживать ее, несмотря па иссушающее действие атмосферы. Осмотическое давление колеблется в широких пределах от 0,1 до 20,0 МПа. Осмотическое давление около 0,1 МПа наблюдается у водных растений. Осмотическое давление, равное 20,0 МПа, обнаружено у выжатого сока галофита Atrip-lex Confertifolia. В 1 л сока этого растения содержится 67,33 г хлоридов. У большинства растений средней полосы осмотическое давление колеблется от 0,5 до 3 МПа. Вместе с тем необходимо отметить, что факторы, действующие на изменение осмотического давления, чрезвычайно разнообразны. Даже соседние, рядом расположенные клетки могут отличаться по величине осмотического давления. Обычно величина осмотического давления больше у мелких клеток по сравнению с крупными. Установлены определенные градиенты осмотического давления в пределах одной ткани. Так, в тканях стебля осмотическое давление возрастает от периферии к центру и от основания к верхушке. В корне осмотическое давление, наоборот, постепенно снижается от основания к верхушке. В проводящих элементах стебля и корня, как правило, осмотическое давление очень низкое (0,1—0,15 МПа). Сопоставление осмотического давления в разных органах показывает, что в листьях оно выше по сравнению с корнями.

Осмотическое давление различно у разных жизненных форм. У древесных пород оно выше, чем у кустарников, а у кустарников выше, чем у травянистых растений. Разные экологические группы различаются по величине осмотического давления. Особенное значение имеет снабжение растений водой. У растений пустынь осмотическое давление больше, чем у степных растений. У степных — больше, чем у луговых. Еще меньше осмотическое давление у растений болотных и водных местообитаний. У светолюбивых растений осмотическое давление больше, чем у теневыносливых. •

Растение в определенной степени  регулирует величину осмотического давления. Ферментативное превращение сложных нерастворимых веществ в растворимые (крахмала в сахара, белков в аминокислоты) приводит к возрастанию концентрации клеточного сока и повышению осмотического давления. Увеличенное накопление растворимых солей также повышает осмотическое давление. Несмотря па то что осмотическое давление меняется в зависимости от внешних условий, все же для каждого вида эти изменения происходят в своих определенных пределах. Величину осмотического давления многие физиологи считают одной из характеристик данного вида растений.

Сосущая сила клетки. Величина осмотического  давления имеет большое значение для определения силы, которая  вызывает поступление воды в клетку. Однако надо учесть, что клеточная оболочка, свободно пропуская воду и питательные вещества, обладает ограниченной растяжимостью. При Поступлении в клетку воды в ней развивается гидростатическое давление, которое заставляет плазмалемму прижиматься к клеточной оболочке. Его называют тургорным давлением (Т). Клеточная оболочка растягивается и, в свою очередь, оказывает противодавление (w); оно тем больше, чем больше поступает воды в клетку. Благодаря ограниченной растяжимости клеточной оболочки наступает такой момент, когда давление оболочки целиком уравновесит силу осмотического поступления воды. При этом p = T = w. Насыщенная водой клетка находится в максимально растянутом состоя [тин. Однако у наземных растений такое состояние насыщенности крайне редко. В обычных условиях осмотическое давление яе уравновешено полностью противодавлением (p>w). Это показывает, что клеточная оболочка еще не полностью растянута и вода может поступать в клетку. Разница между осмотическим давлением клеточного сока и противодавлением клеточной оболочки определяет сосущую силу (5) — это сила, с которой клетка притягивает воду в каждый данный момент. Именно сосущая сила определяет поступление воды в клетку. Лишь в состоянии плазмолиза клетка всасывает воду с силой, равной всей величине осмотического давления 5 = р. Это происходит потому, что в состоянии плазмолиза или завядания вода не давит на клеточную оболочку. Тургорное давление (7) =0 я соответствующее противодавление клеточной оболочки также равно 0. По мере поступления воды в клетку появляется тургорное давление, а следовательно, развивается и противодавление клеточной оболочки. В этом случае сосущая сила клетки будет равна разности между осмотическим давлением и противодавлением оболочки S = p—w. Чем больше поступает воды в клетку, тем больше растет тургорное давление и противодавление оболочки. Наконец, наступает такой момент, при котором клеточная оболочка растягивается до предела. В этом случае осмотическое давление целиком уравновешивается противодавлением оболочки p = T = w, а сосущая сила становится равной нулю.

Таким образом, клетка проявляет себя как саморегулирующаяся система. Величина сосущей силы определяется степенью насыщенности клетки: чем меньше клетка насыщена водой, тем больше ее сосущая сила. Изменения осмотических величин клетки в зависимости от •ее насыщенности водой представлены па графике (рис. 19). Здесь •по горизонтали отложеп объем клетки, по вертикали — величина осмотического давления. В левой части графика клетка имеет наименьший объем (состояние плазмолиза). Осмотическое давление клеточного сока при этом наивысшее, сосущая сила (5) равна всей величине осмотического давления. Тургорное давление (Т) и противодавление клеточной оболочки (w) равны нулю. При поступлении воды в клетку объем ее возрастает. Появляется тургорное давление и•равное ему противодавление клеточной оболочки, сосущая сила уменьшается. В правой части схемы клетка занимает наибольший объем, осмотическое давление несколько уменьшается, поскольку в клеточный сок поступает вода и его концентрация снижается. Тургорное давление и противодавление клеточной оболочки возрастают и становятся равными всей величине осмотического давления. Сосущая сила клетки в состоянии наивысшего тургора равна нулю. В некоторых случаях сосущая сила может быть больше осмотического давления. Это проявляется при завядапии клетки, тогда вся клетка уменьшается в объеме, цитоплазма не отстает от оболочки, клеточная оболочка прогибается внутрь. Это явление называется цитор-ризом.

Как уже упоминалось с термодинамической  точки зрения, паправ-лепие движепия воды определяется величиной водного потенциала (я|)_в). Когда данная система (клетка) находится в равновесии с чистой водой, то ее водный потенциал (г|5_в) будет равен 0.

Присутствие растворимых веществ в водном растворе пли в клетке уменьшает концентрацию воды, снижает ее активность. По мере увеличения количества растворенных веществ водный потенциал (i|i_B) становится все более отрицательным. Когда па водный раствор действует давление     (в случае клетки противодавление оболочки), молекулы воды сближаются друг с другом и это приводит к увеличению энергии системы, к возрастанию активности воды. Водный потенциал клетки при этом возрастает. Таким образом г|)_в клетки зависит прежде всего от концентрации осмотически действующих веществ — осмотического потенциала (гросм), который всегда отрицателен, и от потенциала давления (г|?_Л), в большинстве случаев положительного. Сказанное можно выразить следующим образом: —"ф_в = = —'фосм + 'фд. В состоянии полного тургора г|)_в = 0, в состоянии плазмолиза — 1|)_в = —фосм-

Следовательно, водный потенциал —  это и есть сила, которая вызывает поступление воды в клетку при данных условиях, по величине он равен сосущей силе, по противоположен ей по знаку. В этой связи направление движения воды определяется нарастанием сосущей силы или увеличением отрицательного водного потенциала.

Таким образом, энергетическое состояние  воды, способность совершать работу и ее подвижность определяются водным потенциалом. Водный потенциал чистой воды приравнивается к нулю. Всякое присутствие растворенных веществ в клеточном соке уменьшает способность воды производить работу. Водный потенциал клеточного сока всегда меньше потенциала чистой воды. При этом вода передвигается в сторону меньшего (более отрицательного) водного потенциала. Тургорное давление увеличивает водный потенциал внутри клетки и при максимальном растяжении клеточной оболочки делает его равным нулю  (как в чистой воде); вода перестает поступать в клетку.

Говоря о поступлении воды в  клетку, надо учитывать, что наряду с осмотическим давлением в клетках существует давление набухания. Давление набухания связано со способностью гидрофильных коллоидов притягивать к себе молекулы воды. Сила, с которой коллоиды притягивают воду, и представляет собой давление набухания. Хорошо известно, что если сухие семена положить в воду, то они будут всасывать воду и увеличатся в размере. Сила набухания у сухих семян достигает 100 МПа. Большое значение давление набухания имеет не только для семян, но и для молодых меристематических клеток, в которых отсутствуют вакуоли и которые заполнены коллоидным веществом.

Наконец, имеется мнение, что наряду с осмотическим давлением и давлением  набухания существует еще активное поступление воды в клетки. Оно связано с затратой энергии и идет против градиента свободной энергии воды в системе или против градиента химического потенциала.

Основанием к предположению  о существовании активного поступления послужили опыты английского ученого Беннет-Кларка. Было установлено, что у клеток, помещенных в раствор, концентрация которого была значительно выше концентрации клеточного сока, плазмолиз не обнаруживался. На этом основании было установлено, что протоплазма активно секретирует определенное количество воды в вакуоль (против градиента концентрации).

Важно отметить, что поступление  воды в клетку уменьшается при  недостатке кислорода или введения дыхательных ядов (динитрофенола, цианистых соединений), т. е. во всех тех случаях, когда заторможены процессы обмена. Это тоже может служить доказательством наличия активного поступления воды в клетку. Возможным механизмом является электроосмос. Секреция воды является следствием разности электрических потенциалов, возникающих с наружной и внутренней стороны мембраны (тонопласта). Возможно, что движение воды может быть вызвано накоплением катионов (К+, Na+), которое, в свою очередь, происходит под влиянием разности электрических потенциалов. Может иметь значение также заглатывание воды клеткой в процессе пипоцитоза.