Лекарственные растения и травы

Меню сайта

Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Физиология растений. Осмотическое давление физиология растений


Осмотическое давление — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 1 января 2016; проверки требуют 16 правок. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 1 января 2016; проверки требуют 16 правок.

Осмотическое давление (обозначается π) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос). Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.

Мера градиента осмотического давления, то есть различия водного потенциала двух растворов, разделённых полупроницаемой мембраной, называется тоничностью. Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.

Взаимодействие эритроцитов с растворами в зависимости от их осмотического давления.

Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клетке крови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине лекарства, предназначенные для введения в кровь, растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия (поваренной соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношению к цитоплазме) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3—10 %,

ru.wikipedia.org

Осмотическое давление

Что такое осмотическое давление

Осмосом называют одностороннюю самопроизвольную диффузию молекул растворителя сквозь полунепроницаемую мембрану из наименее концентрированного в более концентрированный раствор. Полунепроницаемой мембраной является такая, которая проницаема для клеток растворителя и непроницаема для растворенных в нем частиц. По определению, осмотическое давление – это такое гидростатическое давление, приложение которого к данному раствору может прекратить диффузию частиц, то-есть осмос.

 

Осмос широко распространен в природе. Он свойственен всем биологическим организмам. Осмотическое давление возникает, если растворы разделены полупроницаемой мембраной. Например, возьмем находящиеся в клетках и межклеточном пространстве жидкости. В норме экстрацеллюлярное и интрацеллюлярное осмотическое давление одинаковы. Но если интерстициальная жидкость теряет воду, давление в ней возрастает. Под действием повышенного осмотического давления вода из клеток начинает диффундировать в межклеточное пространство. Диффузия прекратится только тогда, когда величины давления выровняются.

 

От чего зависит осмотическое давление

Давление при осмосе зависит от того, сколько растворенных частиц содержится в единице объема. Это могут быть молекулы, ионы или другие коллоидные частицы. Можно сказать, что осмотическое давление раствора связано с концентрацией всех частиц, активных осмотически, в единице объема. От химических свойств растворителя и растворенных в нем веществ оно не зависит.

 

Ученые выяснили, что осмотическое давление подчиняется тем же законам, что и давление газов. Его можно измерить с помощью приборов, называемых осмометрами. Они представляют собой особого рода манометры. В этих приборах используются полунепроницаемые мембраны животного и искусственного происхождения. Измерения давления показывают прямую зависимость его от концентрации раствора.

 

Закон осмотического давления, открытый Ван-Гоффом, утверждает, что его величина в числовом выражении равна такому давлению, которое оказывало бы вещество данного раствора, будучи при этой же температуре идеальным газом, с условием, что его объем был бы равен объему раствора.

Закон описывается уравнением: p=i C R T

i– значение изотонического коэффициента;

С – концентрация раствора, выраженная в молях;

R – величина универсальной газовой постоянной;

T – температура термодинамическая.

 

Значение осмотического давления для живых организмов

Осмос присущ живой природе, так как все клетки растений и животных организмов имеют мембраны, проницаемые для воды и непроницаемые для других веществ. В живых тканях, на границе клетки и межклеточной жидкости, постоянно действует осмотическое давление. Оно обеспечивает подъем питательных веществ и воды из земли к листьям растений и тургор растений, жизнедеятельность клеток.

 

Растворы, обладающие одинаковым осмотическим давлением, называют изотоническими. Те, в которых давление более высокое, называются гипертоническими, более низкое ‑ гипотоническими.

 

Осмотическое давление в человеческой крови составляет величину в 7,7 атм. Люди способны ощущать малейшие его колебания. Например, жажда после приема соленой пищи связана с его повышением. Местные отеки при воспалениях тоже возникают из-за повышения осмотического давления в месте воспаления.

 

Знание законов осмотического давления в медицине необходимо при проведении лечебных мероприятий. Так, медикам известно, что для внутривенных введений можно использовать только изотоничный плазме крови 0,9% раствор NaCl. Он не вызывает раздражения тканей. Напротив, гипертонический 3-5 % NaCl применяют для лучшего очищения гнойных ран от микроорганизмов и гноя.

Знание законов осмоса необходимо не только в медицине и биологии. Без него не обходятся многие виды человеческой деятельности, в том числе промышленность и энергетика.

fb.ru

Диффузия и осмос. Осмотическое давление — КиберПедия

Если поверх концентрированного раствора какого-либо вещества, помещённого в цилиндрический сосуд, осторожно налить, избегая перемешивания, слой более разбавленного раствора или растворителя, то через некоторое время концентрации растворённого вещества в любой части раствора сравняются. Такое постепенное выравнивание концентрации объясняется стремлением частиц обоих компонентов раствора – растворителя и растворённого вещества – к равномерному распределению по всему объёму раствора. При этом частицы, проявляя общую тенденцию к увеличению неупорядоченности, движутся от места с большей концентрацией к месту с меньшей концентрацией. Частицы растворённого вещества проникают в среду частиц растворителя, а частицы растворителя – в среду растворённого вещества. Это явление, обусловленное тепловым движением молекул, называется диффузией.

Рассмотрим случай диффузии, когда раствор и растворитель разделены перегородкой, которая проницаема только для молекул растворителя и непроницаема для молекул растворённого вещества. Такая перегородка называется полупроницаемой.

Полупроницаемая перегородка нашла своё применение в приборе, который называется осмометром.

Представим себе два сосуда, расположенных один в другом. Пусть дно внутреннего сосуда сделано из материала, который проницаем только для молекул воды (растворителя) и не пропускает молекулы растворённого вещества, имеющие большие размеры. Во внутренний сосуд нальём раствор сахара, а во внешний – воду.

Хотя молекулы воды могут проникать через полупроницаемую перегородку в обе стороны, но скорость её прохождения из наружного раствора во внутренний будет больше, чем в обратном направлении. Молекулы растворителя из объёма с их большей концентрацией (из чистой воды) будут диффундировать через полупроницаемую перегородку в водный раствор сахара, где их концентрация меньше. Это явление – самопроизвольный переход растворителя в раствор, отделённый от него полупроницаемой перегородкой, - называется осмосом.

Сила (на единицу площади), заставляющая растворитель переходить через полупроницаемую перегородку в раствор (находящийся при том же внешним давлении, что и растворитель), называется осмотическим давлением.

Вследствие осмоса уровень раствора в сосуде 1 повышается, создавая дополнительное давление, которое препятствует осмосу. При некоторой высоте h столба жидкости в сосуде 1 дополнительное давление достигнет такой величины, при которой осмос прекращается, т.е. устанавливается равновесие между раствором данной концентрации и чистым растворителем, разделёнными полупроницаемой перегородкой. Если увеличивать давление в сосуде 1, то можно заставить воду переходить из сосуда 1 во внешний сосуд 2. При этом концентрация раствора в сосуде 1 будет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения, соответствующего увеличенному давлению; установится новое равновесие между раствором и растворителем.

Таким образом,

равновесию между раствором заданной концентрации и чистым растворителем, разделёнными полупроницаемой перегородкой, соответствует определённое гидростатическое давление в сосуде с раствором.

Это давление равно осмотическому давлению и отличается от него только знаком.

Поскольку реально измеряемой величиной является именно гидростатическое давление, можно и само осмотическое давление определить, как дополнительное давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы предотвратить поступление (или удаление из него) растворителя через полупроницаемую перегородку.

В 1887 году Пфеффер экспериментально установил две закономерности, которым подчиняется осмотическое давление неэлектролита.

1) В разбавленных растворах неэлектролитов при данной температуре осмотическое давление прямо пропорционально концентрации

πосм = К1с.

2) При одной и той же концентрации С (моль/л) осмотическое давление разбавленного раствора прямо пропорционально абсолютной температуре

πосм = К2сТ

Оказалось, что в растворах, к которым применимо последнее уравнение, осмотическое давление совсем не зависит от вида растворённого вещества, ни от растворителя и коэффициент пропорциональности К в этом уравнении является универсальной постоянной, которая к тому же численно равна газовой постоянной R. Таким образом, зависимость осмотического давления от концентрации и температуры может быть представлена соотношениенм

πосм = сRT

Данное уравнение применимо к любым достаточно разбавленным раствором, за исключением растворов, в которых происходит электролитическая диссоциация. При диссоциации в растворе увеличивается число частиц растворённого вещества, что и вызывает увеличение осмотического давления. Уравнение по форме вполне совпадает с уравнением состояния идеальных газов (pv = nRT), так как связь между концентрацией и объёмом выражается соотношением с =n/V.

На основе этого в 1884 г. Вант-Гофф вывел уравнение πосм = cRT и пришел к заключению, что

осмотическое давление равно тому газовому давлению, которым обладало бы растворённое вещество, если бы, находясь в газообразном состоянии при той же температуре, оно занимало тот же объём, который занимает раствор.

Это положение известно в науке как закон Вант-Гоффа для осмотического давления. Закономерность, установленная Вант-Гоффом, так же как и законы Рауля, используются для определения молекулярных масс растворённых веществ. Осмотический метод оказался применимым также для определения молекулярной массы высокомолекулярных соединений. Соотношения Рауля для этой цели неприемлемы. Зависимость осмотического давления растворённого высокомолекулярного вещества от его концентрации описывается соотношением

πосм = + A∙

или

= + A∙g

где g – масса вещества в граммах.

Член ( A∙ ) учитывает специфику полимерных молекул. Экспериментальным путём находят зависимость величины πосм/g от весовой концентрации соединения. Экстраполируя осмотическое давление πосм/g к нулевой концентрации, определяют длину отрезка на оси ординат, которая численно равна величине RT/M.

Из этих данных рассчитывают молекулярную массу высокомолекулярного соединения.

Растворы, осмотические давления которых одинаковы, называются изотоническими (или изоосмотическими). Изотонические растворы содержат одинаковое количество осмотически активных частиц. Осмотическое давление крови равно 760-800 кПа при 370С. Изотоничными крови являются растворы хлорида натрия с массовой долей NaCl 0,85-0,90% (0,15 моль/л) или растворы глюкозы с массовой долей глюкозы 4,5-5% (0,30 моль/л). Эти растворы широко применяются в медицинской практике.

Если два раствора имеют различное осмотическое давление, то раствор с большим осмотическим давлением называется гипертоническим по отношению ко второму, а раствор с меньшим осмотическим давлением – гипотоническим по отношению к первому.

В клинической практике осмотическое давление биологических жидкостей (плазмы крови, мочи, слюны, молока) часто измеряют в единицах осмолярности или осмоляльности.

Под осмолярностью (и осмоляльностью)понимают суммарную концентрацию частиц (молекул, ионов, коллоидных частиц органических и неорганических веществ), не проникающих через полупроницаемую мембрану. Единицы измерения осмолярности совпадают с единицами измерения молярной концентрации (моль/л), а осмоляльности – с моляльностью (моль/кг). Для разбавленных растворов можно принять, что численные значения осмолярности и осмоляльности совпадают.

Осмос и клетки растений

Для иллюстрации роли осмоса в природе рассмотрим механизм поступления воды и минеральных солей в ствол дерева. Клетки корневой системы растений находятся в почве и соприкасаются с почвенной жидкостью. Содержание солей в ней обычно меньше, чем в соке клеток корневой системы (вернее, почвенная влага имеет меньшее осмотическое давление). Такие растворы называют гипотоническими. Из гипотонического раствора за счёт осмоса вода засасывается в первые клетки растений, разбавляя в них клеточный сок, который становится гипотоническим по отношению к соку в следующих клетках, расположенных выше, и поэтому вода переходит в эти клетки и т.д. Таким образом, от клетки к клетке вода подаётся по стволу дерева и может подниматься на многие десятки метров.

Осмосом легко объясняется плохое произрастание растений на засолённых почвах. На солончаках вблизи моря (или солёных озёр) почва имеет высокую влажность и содержит вполне достаточное количество необходимых для жизни растений минеральных солей. Однако, если осмотическое давление почвенной жидкости выше осмотического давления клеточного сока, эта жидкость становится недоступной для растений. Осмос в этом случае идёт в обратном направлении: вода переходит из клеточного сока в почвенную жидкость. Такой переход воды из клеточного сока в почвенную жидкость называется экзоосмосом. А переход воды из из почвенной жидкости в клетку называют эндоосмосом. Вследствие экзоосмоса на солончаках растения погибают, так как почва «высасывает» из них влагу.

Осмосом объясняется также упругость тканей живых растений и животных, или так называемый тургор.

cyberpedia.su

Почвенный осмотическое давление

Почвенный раствор имеет огромное значение в генезисе почв и их плодородии. Он участвует в процессах преобразования (разрушение и синтез) минеральных и органических соединений; в составе его по профилю почв перемещаются разнообразные продукты почвообразования. Исключительно велика роль почвенного раствора в питании растений. Поэтому важно знать его состав, свойства (реакция, буферность, осмотическое давление) и динамику.[ ...]

Осмотическое давление почвенного раствора имеет важное значение для растений. Если оно равно или выше осмотического давления клеточного сока растений, то поступление воды в растение прекращается, и оно погибает. Осмотическое давление зависит от концентрации почвенного раствора и степени диссоциации растворенных веществ. Наиболее высокое осмотическое давление почвенного раствора у засоленных почв, особенно тяжелых по механическому составу, с высокой поглотительной способностью.[ ...]

Осмотическое давление почвенного раствора существенно отличается в разных типах почв и в отдельных горизонтах одной и той же почвы (табл. 42).[ ...]

Осмотическое давление почвенного раствора любой почвы зависит от влажности и интенсивности биологических процессов, поэтому его величина довольно динамична.[ ...]

Осмотическое давление раствора определяется количеством частиц (ионов, молекул или коллоидных частиц), находящихся в единице объема раствора. Поэтому растворы почв, содержащие легкорастворимые соли, обладают высоким осмотическим давлением. В засоленных почвах осмотическое давление в 3—4 раза выше, чем в незаселенных. Если осмотическое давление почвенного раствора больше, чем клеточного сока, то прекращается поступление воды в корневые клетки и растение погибает от физиологической сухости.[ ...]

Осмотические силы в почве обусловливаются взаимодействием ионов растворенных веществ (включая и обменные катионы) с молекулами воды. Конкретным выражением осмотических сил является осмотическое давление почвенного раствора (с. 247).[ ...]

Третья группа: передвижение почвенного воздуха под влиянием меняющихся давления и температуры; диффузное передвижение газов и водяного пара, передвижение почвенного раствора под действием силы тяжести, капиллярных, сорбционных и осмотических сил; передвижение почвенной массы роющими животными, под влиянием давления корней и др.[ ...]

Разные типы почв отличаются по осмотическому давлению почвенных растворов, так как концентрация этих растворов неодинаковая. Растворы незасоленных почв имеют осмотическое давление обычно около 10 МПа, но оно может повышаться от избыточных доз минеральных удобрений и снижения влажности почв в засушливые периоды года, что отрицательно сказывается на развитии растений, урожае и его качестве.[ ...]

Результаты опытов по изучению роли почвенной влажности в чувствительности растений к S02 аналогичны данным, полученным при газации озоном. Показано, что устойчивость к озону увеличивается при снижении влажности почвы и повышении осмотического давления (Oertli, 1959). Предположение об ослаблении реакций вследствие уменьшения степени открывания устьиц было подтверждено порометрическими измерениями (Seid-mann, Robert, 1963; Seidmann et al., 1965). У растений, лишенных воды за несколько недель до газации, устьица открывались только в утренние часы при оптимальном снабжении водой (MacDowall, 1965). Доказательства изменения устойчивости растений под влиянием снабжения водой могут быть получены лишь путем точного измерения количества загрязнителя, поглощенного растением.[ ...]

Клеточный сок растений обычно имеет осмотическое давление, равное 5—15 атмосферам (иногда гораздо выше). Поэтому вода почвенного раствора устремляется в растение с огромной силой, которая и производит всю работу по передвижению воды в растении и также держит в напряжении все его ткани. В этом легко убедиться. Так, если поместить корень растения в какой-нибудь безвредный раствор (нанример, раствор сахара) такой концентрации, которая соответствует концентрации его клеточного сока (или если таким раствором полить почву около растения), то при этом сравняются концентрации раствора внутри и вне корня и исчезнет сила, заставляющая воду поступать в растение; сразу же упадет напряжение его тканей — тургор; растение опустит листья и быстро завянет, хотя бы почва была мокрая.[ ...]

От концентрации воднорастворимых солей зависит осмотическое давление почвенного раствора и поглощение воды из него корнями. Осмотическое давление почвенного раствора не превышает 3 атм., в то время как в клеточном соке корней оно значительно выше. В противном случае корневая система вместо поглощения воды из почвы выделяла бы ее иэ растения. На засоленных почвах пустынных областей с высоким осмотическим давлением их растворов культурные растения гибнут даже при достаточном количестве влаги. Здесь обитают «солянки» — дикие растения с необычайно высоким осмотическим давлением клеточного сока (десятки и даже сотни атмосфер), что и позволяет им поглощать воду (когда она бывает в почве).[ ...]

Вода из почвы поступает в корни растений благодаря действию осмотических сил, обусловленных концентрацией в растворе соединений. Концентрация клеточного сока, как правило, значительно выше концентрации почвенной влаги. Помимо осмотических сил корневых клеток, всасывающая способность растений увеличивается осмотическим давлением клеточного сока листьев, постоянно теряющих воду вследствие транспирации.[ ...]

Для жизнедеятельности растений большое значение имеет также осмотическое давление почвенных растворов, которое зависит от их концентрации и степени диссоциации растворенных веществ. Сосущая сила корней большинства сельскохозяйственных культур не превышает 100—120 МПа. Если осмотическое давление клеточного сока растений равно или ниже осмотического давления почвенных растворов, то поступление воды и питательных веществ в растения прекращается и они погибают.[ ...]

Но мы напрасно пытались бы использовать это свойство почвы для устройства «почвенного насоса». Устроив почвенную колонку и погрузив ее нижний конец в воду, мы бы подняли ее на большую высоту, но получить воду из почвы не так легко, и, во всяком случае, выливаться из капилляров она не будет. Нужно затратить некоторое усилие, чтобы преодолеть капиллярную силу, удерживающую воду в капиллярах. Растеиия извлекают эту воду из капилляров силой осмотического давления. Солнце может испарять эту воду и сушить почву силой своей лучистой энергии, а почва будет постоянно пополнять эту убыль непрерывной работой капиллярных сил.[ ...]

Большое влияние на развитие азотобактера оказывает влажность почвы. Клетки азотобактера имеют меньшее осмотическое давление, чем клетки грибов и актиномицетов; потребность во влаге аналогична потребности высших растений. Азотобактер распространен в пресных водоемах, илах, затопляемых рисовых полях, сточных водах, сильно увлажненных почвах, на водных растениях в прудах и водохранилищах. Это свидетельствует о его высокой степени гидрофильности. На основании высокой потребности во влаге почвенных форм азотобактера предполагается, что предки некоторых морских и почвенных видов азотобактера могли быть общими.[ ...]

Неблагоприятное влияние легкорастворимых солей на рост и развитие растений вызывается в основном повышением осмотического давления почвенного раствора по отношению к осмотическому давлению клеточного сока растений. В результате затрудняется поступление воды и растворенных в ней питательных веществ в корневую систему и ткани растения. Под влиянием засоления изменяются проницаемость и свойства клеточной плазмы, зольный состав растений, может увеличиваться поступление и избыточное накопление вредных легкорастворимых солей и уменьшаться поступление необходимых для нормального развития и роста питательных веществ. Вследствие изменения обмена веществ у растений на засоленных почвах может снизиться продуктивность фотосинтеза и т. д.[ ...]

В отличие от галофитов растения, произрастающие не на засоленных почвах, называют гликофитами. Галофиты имеют высокое осмотическое давление, позволяющее им использовать почвенные растворы, так как сосущая сила корней превосходит сосущую силу почвенного раствора. Некоторые галофиты выделяют излишки солей через листья или накапливают их в своем организме. Поэтому иногда их используют для получения соды и поташа.[ ...]

Запасание и экономное расходование воды —главное приспособление суккулентов к поддержанию устойчивого водного баланса. Использование глубокой почвенной влаги для них недоступно из-за низкого осмотического давления клеточного сока (порядка 3—8 атм). Корневая система суккулентов расположена поверхностно и не отличается густотой ветвления. Суккулентам свойственно интенсивное насасывание влаги осадков из самых верхних горизонтов почвы; объемистые запасы влаги дают возможность этим растениям-«оппор-тунистам» нормально переживать сухие периоды между осадками.[ ...]

У хорошо известного вида спорообразующих бактерий — Вас. тусо1с1ез установлено наличие эколого-географических разновидностей, характерных для отдельных почвенно-климатических зон. Выявлено, что у культур этих бактерий с удалением от севера к югу положение оптимальной и максимальной температур развития соответственно повышается. Южные культуры бактерий интенсивнее размножаются и обладают гораздо более высоким осмотическим давлением в клетках, нежели северные. У других видов спороносных бактерий такой приспособительной реакции к температурным условиям среды не отмечено.[ ...]

Кроме того, даже самые высокие дозы труднорастворимых, но хорошо усвояемых азотных удобрений не создают избыточно вредных концентраций подвижного азота и высокого осмотического давления почвенного раствора, к которому чувствительны очень многие растения, особенно в начале своего развития. Создание удобрения, отвечающего указанным требованиям, — важная задача агрохимиков и технологов.[ ...]

Неблагоприятное влияние легкорастворимых солей на рост и развитие растений исключительно резко проявляется в изменении их водного режима. Это вызывается в основном несоответствием осмотического давления ( и сосущей силы) клеточного сока растений и почвенного раствора.[ ...]

В нормально увлажненных районах, наоборот, может образоваться (как считал Д. Н. Прянишников) очень много зерна, но из-за ограниченного азотного питания содержание белка в нем будет небольшое. Концентрация и осмотическое давление почвенного раствора в увлажненных районах низкие.[ ...]

Для приготовления питательного раствора необходима хорошая вода с низкой концентрацией солей. Наиболее пригодна дождевая вода, потому что она не содержит ненужные растениям соли, которые сильно затрудняют поддержание правильного осмотического давления питательного раствора. Если нет дождевой воды и приходится применять воду, содержащую в 1 л свыше 200 мг сухих веществ, рекомендуется полностью менять питательный раствор один раз в месяц. В этом случае старые растворы используют для полива обычных почвенных культур.[ ...]

Физиологическая сухость почвы — явление более сложное. Она возникает в результате физиологической недоступности физически доступной воды. Растения при физиологической сухости страдают даже на влажных почвах, когда низкая температура почвенного покрова или другие неблагоприятные условия препятствуют нормальному функционированию корневой системы. Например, на сфагновых болотах, несмотря на большое количество влаги, вода оказывается недоступной для многих растений из-за высокой кислотности почвы, плохой аэрации ее и наличия токсических веществ, которые нарушают нормальную физиологическую функцию корневой системы. Физиологически сухими являются и сильно засоленные почвы. Из-за высокого осмотического давления почвенного раствора вода засоленных почв для многих растений оказывается недоступной.[ ...]

Азотные удобрения, выпускаемые туковой промышленностью, хорошо растворимы в воде. Сильная растворимость и подвижность азотных удобрений в почве не всегда полезны. При внесении таких удобрений в больших дозах создается избыточно вредная концентрация и высокое осмотическое давление почвенного раствора, резко ослабляющие развитие молодых растений (лен, кукуруза). В районах достаточного увлажнения, особенно на легких почвах, возможно вымывание внесенного азота. В республиках Средней Азии в условиях орошаемого земледелия аммиачные и аммиачно-нитратные удобрения быстро нитрифицируются и нитратный азот с нисходящим током воды (при поливе) вымывается из корнеобитаемого слоя почвы или с восходящим током (после пол рва) выносится на поверхность. В результате этого снижается использование растениями азота из внесенных удобрений и их эффективность.[ ...]

При интенсивном ведении хозяйства для получения максимально возможных урожаев сельскохозяйственных культур необходимо вносить в почву высокие дозы азотных удобрений. Однако при использовании больших доз хорошо растворимых азотных удобрений возрастает концентрация почвенного раствора и увеличивается его осмотическое давление. Некоторые растения, например лен, хлопчатник, овощные культуры, очень чувствительны к повышению концентрации почвенного раствора, и при использовании под эти культуры высоких доз азотных удобрений нередко снижается урожай вместо его увеличения.[ ...]

Синтез азотистых веществ в растении зависит также от ряда других условий вегетации, помимо внесения в почву удобрений. Известно, что понижение влажности сопровождается увеличением процента белков в зернах пшеницы; умеренная засоленность почвы, соответствующая концентрации почвенного раствора в 11/а— 2 атм. осмотического давления, также увеличивает процент белков в зерне пшеницы. Отсюда понятно и резкое влияние климатических или географических условий на содержание азота в семенах пшеницы, выявленное Н. Н. Ивановым. Средний процент содержания белка в пшенице колеблется по районам СССР от 12 (Горки) до 21 (Красный Кут).[ ...]

Минеральные удобрения необходимы для дополнения органических удобрений. Поскольку овощные культуры выращиваются преимущественно на легких почвах, с малой емкостью поглощения, не следует вносить сразу большие дозы азота и калия, чтобы избежать чрезмерно высокой концентрации ионов в почвенном растворе (то есть опасного для растений повышения осмотического давления). Поэтому при необходимости внесения больших доз следует использовать сложные удобрения или удобрения типа мочевины, калийной селитры или фосфата аммония, которые при равном содержании элемент?Тв питания вносят в почву меньше балластных ионов.[ ...]

Влажность з а в я д а и и я (ВЗ) , или коэффициент завядания (КЗ) , соответствует пределу влажности почвы, при котором прекращается рост растений. Влажность завядания на супесчаных и легко-суглшшстых почвах составляет 3—6%, среднесуглинистых— 6—12% массы сухой почвы и зависит также от вида растений, фазы их развития и осмотического давления почвенного, раствора. Она равна обычно полуторной или двойной величине максимальной гигроскопичности. Количество влаги в почве при снижении до влажности завядания, когда вода становится недоступной для растений и они гибнут, называют мертвым запасом (М3). Разница между показателями наименьшей влагоемкости и влажности завядания обозначает количество влаги, доступной (ДВ) для растений, или продуктивной влаги. Однако оптимальной для растений является влажность, величина которой находится между FIB и влажностью разрыва капилляров (60—70 % НВ) .[ ...]

Содержание белка в пшенице одного и того же сорта возрастает по мере-продвижения ее с северо-запада на юго-восток. Например, по данным Государственной сети по сортоиспытанию, в зерне сорта Гордеиформе белка находилось: в Тульской области 14,4%, в Кустанайской — 24,1; зерно сорта Лютесценс 62 содержало белка в Минской области 9,8%, в Челябинской — 24,4. Н. М. Тулайков (1916) связывал это со значительным увеличением концентрации и осмотического давления почвенного раствора в засушливых районах. Сильное испарение создает дефицит воды в почве, что при обычно повышенной температуре благоприятствует повышению белковости зерна, но отрицательно сказывается на его урожае.[ ...]

Наиболее часто засоление происходит вследствие обогащения почвы солями, которые содержатся в грунтовых водах. Одновременно с повышением их уровня происходит подъем влаги по капиллярам в зону ризосферы, где и накапливаются соли по мере испарения воды в ней. Чем суше климат и чем тяжелее почва по гранулометрическому составу, тем в большей степени выражен этот процесс, тем сильнее проявляется токсичность солей по отношению к растениям. Повышенное содержание солей в почве вызывает увеличение осмотического давления почвенного раствора, что затрудняет водоснабжение растений, они хронически голодают, их рост ослабляется. Это прежде всего сказывается на корневой системе, которая теряет тургор и погибает. Особенно опасен для растений карбонат натрия. Если в почве обменного натрия содержится 10—15 % емкости поглощения, состояние растений оказывается угнетенным, при содержании его в пределах 20—35 % угнетение очень сильное.[ ...]

Жестколистные вечнозеленые леса — тип лесных экосистем, характеризующийся ксероморфной структурой (жесткими листьями, прутьевидными стеблями и др.) и распространенный на побережьях Средиземного моря, на южном берегу Крыма и черноморском побережье Кавказа, а в южном полушарии — на юго-западе Австралии и Африки. Здесь выпадает 500—1000 мм атмосферных осадков в год, при этом их максимум приходится на зимний период, а летом устанавливаются весьма засушливые условия. Распространены коричневые и своеобразные красноцветные почвы (типа терра-росса). Особенности климата и почвенного покрова привели к тому, что большинство растений средиземноморской зоны является типичными ксерофитами и обладает экологическими особенностями, позволяющими им пережить летний сухой период. Для уменьшения транспирации многие растения приобрели жесткие листья, часто слишком узкие и напоминающие хвою (кипарис, эрика, можжевельник), иногда листья имеют восковой налет. Одной из характерных особенностей растительности Средиземноморья является множество ароматических видов растений (мирт, ладанник, чабер, чистец, дубровник и пр.). Они, выделяя ароматические вещества, при испарении понижают собственную температуру и привлекают опыляющих насекомых. И, наконец, ряд растений в летнее время способны увеличивать осмотическое давление до 40—65 атм. (зимой оно составляет 10-20 атм.).[ ...]

ru-ecology.info

Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Физиология растений

Ганчарова О.С., Куравский М.Л.

Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии

Физиология растений

Задания по физиологии растений, как правило, попадаются на практическом туре 10-11-м классам. Обычно предлагают работы, связанные с осмотическими явлениями в растительных клетках (плазмолиз и деплазмолиз), работой устьиц или разделением фотосинтетических пигментов методом хроматографии.

Осмотические явления в растительной клетке. Плазмолиз

Осмос и осмотические явления. Осмотическое давление

Все биологические мембраны представляют собой полупроницаемые мембраны, так как в силу своей структуры они пропускают одни вещества (воду, газы), а другие (крупные заряженные молекулы, к примеру, глюкозу) – нет. На самом деле, конечно, в мембране клетки есть переносчики для глюкозы, но они строго регулируются и не позволяют веществу проходить в клетку бесконтрольно; то же самое можно сказать про каналы для ионов. Избирательность транспорта веществ через мембрану считается одним из признаков жизни на клеточном уровне. Мертвая клетка не контролирует поступление и веществ внутрь себя и выведение веществ наружу. Тем не менее, из-за липидной природы даже мембрана мертвой клетки остается полупроницаемой, хотя и менее «избирательной», чем мембрана живой.

Избирательность транспорта через проницаемую мембрану ведет к возникновению в клетке осмотических явлений. Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют: плазмалемма – мембрана, разделяющая цитоплазму и внеклеточную среду, и тонопласт – мембрана, разделяющая цитоплазму и клеточный сок, представляющий собой содержимое вакуоли растительной клетки.

Осмосом называют диффузию воды через полупроницаемую мембрану из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией растворенного вещества. Явление осмоса может быть продемонстрировано на классическом примере. Представим сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной, в одной половине сосуда находится более концентрированный раствор соли (к примеру, 1M NaCl), в другой – менее концентрированный (0,01 M NaCl). В начале опыта (рис. 12A) объем раствора в каждой из половин одинаков, а концентрация соли различается.

Рис. 12. Схема, демонстрирующая явление осмоса

Ионы Na+ и Cl-, на которые соль, будучи сильным электролитом, распадается сразу после попадания в раствор, не могут пройти через мембрану, в отличие от молекул воды. Неверно думать, что вода из отсека с большей концентрацией соли не переходит в отсек с меньшей концентрацией. Вода идет через мембрану в обе стороны, но интенсивность перехода разная. Известно, что ионы в воде гидратированы – покрыты гидратной «шубой». Вода распадается на ионы H+ и OH- которые электростатически связываются с ионами хлора и натрия, соответственно. Так как в «правой» половине сосуда (см. рис. 12) концентрация Na+ и Cl- больше, соответственно больше воды требуется для гидратирования этих ионов. В связи с этим вода интенсивнее переходит из отсека с малой концентрацией соли в отсек с большой концентрацией. Поскольку вода будет перетекать из разбавленного раствора в концентрированный быстрее, чем в обратном направлении, в целом движение воды между двумя растворами будет идти в одну сторону. В результате уровень раствора в первом понижается, а в последнем повышается; концентрация соли в отсеках выравнивается (рис 12B). Заметим, что изменение объема жидкости и концентрации соли связано с перераспределением только молекул воды, но не соли, так как мембрана непроницаема для ионов натрия и хлора.

Если приложить к столбу жидкости в отсеке с большей начальной концентрацией соли давление (красная стрелка на рисунке 12B), диффузия воды замедлится. Давление, при котором диффузия жидкости прекращается, называется осмотическим давлением. Описанным образом осмотическое давление измеряется для раствора, к которому прикладывается давление (то есть в описанном примере измерено осмотическое давление раствора с большей начальной концентрацией соли). Осмотическое давление – очень важная величина, характеризующая осмос. В физической химии осмотическое давление обозначается буквой π и вычисляется по простой формуле:

π = CRT,

где C – концентрация раствора, R – универсальная газовая постоянная (8,314 ), T – абсолютная температура (K). Попробуем проанализировать это выражение. R – просто постоянная величина, константа, которая никак не влияет на осмотическое давление. Температуру тоже можно принять за постоянную величину, поскольку мы рассматриваем живые системы, которые существуют в узком температурном диапазоне (мы не будем принимать во внимание бактерий-экстремальных термофилов). Следовательно, по большому счету, осмотическое давление раствора зависит только от его концентрации, причем зависимость линейная: чем больше концентрация соли (или сахара, или другого вещества, не проходящего через полупроницаемую мембрану – осмотически активного вещества) в растворе, тем больше его осмотическое давление. В нашем случае осмотическое давление раствора поваренной соли с концентрацией 0,01M гораздо меньше, чем осмотическое давление раствора с концентрацией 1M.

Обычно при описании живых систем, биологических жидкостей и других растворов не указывают значение осмотического давления, пользуясь относительной характеристикой. Принято описывать осмотическое давление растворов относительно интересующей нас жидкости (к примеру, крови, цитоплазмы, клеточного сока). Если осмотическое давление раствора больше, чем давление «нашей» жидкости, раствор называют гипертоническим; если меньше – гипотоническим, если такое же – изотоническим. В этом определении слова «осмотическое давление» смело можно заменить на «концентрация осмотически активного вещества», так как мы уже выяснили, что осмотическое давление раствора зависит от концентрации линейно. В приведенном выше примере раствор с концентрацией 0,01M NaCl является гипотоническим по отношению к раствору с концентрацией 1M NaCl. Широко используемый в медицинской практике физиологический раствор, является изотоническим по отношению к плазме крови. Концентрация солей в физиологическом растворе и плазме крови одинакова, а значит, одинаково и осмотическое давление. Заметим, что существует несколько типов физиологических растворов с одинаковым осмотическим давлением и немного отличающимся составом солей – растворы Рингера – Локка, Рингера – Тироде и Кребса – Рингера.

Осмотическое давление жидкостей живых организмов может быть очень значительным. К примеру, осмотическое давление жидкостей человеческого тела в среднем равно семи (!) атмосферам. Именно за счет осмотического давления вода из корней деревьев доходит до листьев.

Если приложить к столбу жидкости в указанном отсеке сосуда давление, большее осмотического, процесс осмоса «пойдет вспять» - начнется переход растворителя из отсека с большей концентрацией соли в отсек с меньшей концентрацией соли. Это явление носит название обратного осмоса. Обратный осмос находит широкое применение в производстве фильтров для очистки питьевой воды.

Тургор растительной клетки

Если взять клетки животных, например, эритроциты, и поместить их в физиологический раствор, морфология клеток не изменится, так как физиологический раствор изотоничен плазме крови (содержит физиологическое количество солей). Если же поместить эритроциты в гипертонический раствор, например, в раствор с концентрацией соли 10%, вода по закону осмоса будет выходить из цитоплазмы (как из жидкости с меньшей концентрацией соли) в окружающий раствор, в результате чего эритроциты сморщатся. При помещении эритроцитов в гипотоническую среду (дистиллированную воду), вода будет проникать внутрь клеток, «стараясь» уравновесить концентрации солей внутри и вне клетки. В конце концов, эритроциты лопнут, их содержимое высвободится в воду, превратив содержимое пробирки в так называемую «лаковую кровь» - прозрачную красную жидкость. Этот известный эксперимент показывает, что клетки животных не окружены плотной оболочкой и вынуждены существовать в очень ограниченном диапазоне концентраций солей. Клетки пресноводных простейших, не обладающих достаточно плотной оболочкой (амебы, инфузории) справляются с проблемой переизбытка воды с помощью сократительных вакуолей, постоянно «вычерпывающих» лишнюю воду за пределы клетки.

Если поместить взрослые клетки растений (в составе ткани, к примеру, эпидермиса) в гипотонические условия, они не лопнут, поскольку каждая клетка растения окружена более или менее толстой клеточной стенкой. Последняя служит ригидной структурой, не позволяющей притекающей воде разорвать клетку. Если бы клеточная стенка и плазматическая мембрана клетки могли растягиваться, вода входила бы в клетку до тех пор, пока концентрация осмотически активных веществ снаружи и внутри клетки не выровнялась бы. В реальности клеточная стенка – прочная нерастяжимая структура, и в гипотонических условиях входящая в клетку вода давит на клеточную стенку, плотно прижимая к ней плазмалемму. Давление протопласта изнутри на клеточную стенку называется тургорным давлением. Говорят, что клетки растений обладают тургесцентностью. Тургорное давление препятствует дальнейшему поступлению воды в клетку. Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку носит название тургора.

Заметим, что клетки растений обычно находятся в гипотонических условиях, поскольку содержимое растительной клетки богато осмотически активными веществами, большая часть которых (органические кислоты, сахара, солей, низкомолекулярных пигментов) входят в состав клеточного сока, расположенного внутри вакуоли. Вакуоли – органеллы, присущие растительным клеткам. Мембрана, ограничивающая вакуоль, называется тонопластом, и по своим свойствам сходна с плазмалеммой. Это мембрана, обладающая избирательной проницаемостью и способностью к активному транспорту. Осмотически активные вещества с целью запасения или утилизации переносятся в вакуоль с помощью белков-каналов и переносчиков, обратно эти вещества в большинстве своем не выходят. Таким образом, с помощью избирательного активного транспорта в клетке создается градиент осмолярности – клеточный сок гипертоничен по отношению к цитоплазме, а цитоплазма гипертонична по отношению к окружающей среде. Вода извне поступает в клетку, «стремясь» уравнять концентрации осмотически активных веществ, давит на клеточную стенку изнутри, обеспечивая тургор.

Тургор – показатель оводненности и состояния водного режима растений. Снижением тургора сопровождаются процессы, увядания и старения клеток. Именно за счет тургора органы растений находятся в выпрямлено, упругом состоянии. Увядание растения – не что иное, как понижение тургорного давления его клеток.

Неверно думать, что тургесцентность свойственна только клеткам растений или бактерий, обладающих клеточной стенкой. Тургор есть и у животных клеток, но он невелик из-за гораздо меньшей прочности плазмалеммы по сравнению с клеточной стенкой (именно из-за наличия тургора, а также из-за эластичности цитоплазматической мембраны, эритроциты в гипотонических условиях разрушаются не сразу, а после некоторого набухания). При разрушении клеточных стенок растительных клеток тургесцентность последних резко падает, и в гипотонических условиях обнаженные протопласты клеток растений ведут себя так же, как клетки млекопитающих.

Плазмолиз. Виды плазмолиза

Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора. Плазмолиз характерен главным образом для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой. Животные клетки при помещении в гипертонический раствор, как было указано выше, теряя воду, сморщиваются и уменьшаются в размерах. Плазмолиз растительной клетки аналогичен этому процессу, но сморщивание протопласта происходит внутри клеточной стенки. В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления. При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в котором больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки.

Известно, что живые ткани растения в какой-то мере могут быть рассмотрены как симпласты (синцитии), поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между собой через плазмодесмы – цитоплазматические нити, располагающиеся в канальцах, пронизывающих клеточную стенку. Плазмодесмы располагаются в клетке группами на месте так называемых первичных поровых полей. Роль плазмодесм заключается в обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке. Протопласт как бы закреплен на клеточной стенке в местах расположения плазмодесм, поэтому при уменьшении объема клетки в процессе плазмолиза протопласт дольше всего остается прикрепленным к клеточной стенке именно в местах плазмодесм.

Исследование плазмолиза позволяет сделать выводы о проницаемости мембран растительных клеток для различных веществ, о величине нормального тургорного давления. Плазмолиз чаще всего исследуют на препаратах, в которых клетки расположены в один или несколько слоев и удобны для изучения. К таким препаратам можно отнести кожицу лука, листья элодеи, эпидермис листьев высших растений.

В зависимости от вязкости цитоплазмы, от разницы между осмотическим давлением клетки и внешнего раствора, а, следовательно, от скорости и степени потери воды цитоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый.

Изучение форм плазмолиза на препарате листа элодеи

В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Рассмотрим плазмолиз клетки листа элодеи, помещенного в гипертонический раствор. Для наблюдения плазмолиза нужно сделать временный препарат листа элодеи, для начала поместив лист в воду и накрыв покровным стеклом. Клетки листа следует рассматривать на большом увеличении. Вода – гипотоничная относительно содержимого клетки среда, и пока лист элодеи находится в воде, клетки находятся в состоянии тургора, их протопласт плотно прижат тургорным давлением к клеточной стенке (рис. 8A). При этом на микропрепарате не видно мест, где находятся плазмодесмы (плазмодесмы – объект электронномикроскопического исследования, их средний диаметр составляет 0,3-0,4 нм). Для того чтобы вызвать плазмолиз в клетках, нужно сменить внеклеточную среду на гипертоничную. С этой целью препарат снимают со столика микроскопа, с одного бока покровного стекла, прикрывающего лист элодеи, помещают каплю гипертонического раствора так, чтобы она касалась покровного стекла. С другой стороны стекла аналогично помещают кусочек фильтровальной бумаги. Из-за возникающих капиллярных сил вода, находящаяся под стеклом, впитывается бумагой, втягивая гипертонический раствор под стекло. После замены раствора нужно немного подождать (5 минут), затем наблюдать формы плазмолиза, переходящие одна в другую.

В начале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым (рис. 13Б). Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называют вогнутым (рис. 13В). Места, в которых сохраняется связь протопласта с клеточной стенкой, отражают расположение групп плазмодесм в клетке. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого (рис. 13Г). Если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Протопласт остается связанным с оболочкой многочисленными нитями Гехта, прикрепляющимися к клеточной стенке в местах расположения групп плазмодесм. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 13Д).

Рис. 13. Плазмолиз растительной клетки: А – клетка в состоянии тургора; Б – уголковый; В – вогнутый; Г – выпуклый; Д – судорожный. 1 - оболочка, 2 - вакуоль, 3 - цитоплазма, 4 - ядро, 5 - нити Гехта.

Приготовить временный препарат кожицы лука, листа элодеи либо эпидермиса листа высшего растения. Вплотную к покровному стеклу нанести на предметное стекло каплю раствора соли - более концентрированного, чем раствор веществ, содержащихся в вакуолях. С другой стороны на предметное стекло вплотную к покровному стеклу положить полоску фильтровальной бумаги, которую нужно держать до тех пор, пока раствор соли не войдет под покровное стекло, заменив воду. Через 5-10 минут обратить внимание на отрыв цитоплазмы от оболочки клеток, т.е. плазмолиз.

Влияние разных агентов, вызывающих плазмолиз, на форму плазмолиза

Форма плазмолиза зависит не только и не столько от стадии процесса (очень редко удается проследить возникновение всех форм плазмолиза на одном и том же препарате), как от свойств цитоплазмы клетки: ее вязкости, гидрофильности, коллоидного состояния (гель или золь). Те или иные свойства цитоплазмы могут быть модулированы агентами, вызывающими плазмолиз.

Задание:

Исследовать влияние ионов натрия и кальция на форму плазмолиза.

Ход работы:

Взять два чистых предметных стекла, капнуть на одно из них 1M KNO3? на другое – 1M Ca(NO3)2, в каждую каплю поместить лист элодеи (или кожицу лука, или препарат эпидермиса листа растения), накрыть покровным стеклом. Через пять-десять минут рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом, потом на большом увеличении. Найти участки с плазмолизированными клетками, зарисовать клетки в состоянии плазмолиза.

Результат:

В растворе нитрата калия возникает главным образом выпуклый плазмолиз (см. рисунок 13Г), в растворе нитрата кальция – судорожный плазмолиз (см. рисунок 13Д).

Ион калия (очень медленно по сравнению с водой проходящий через мембрану за счет наличия калиевых каналов) уменьшает вязкость цитоплазмы, способствуя ее отделению от клеточной стенки, вследствие чего возникает выпуклый плазмолиз. Ион кальция, напротив, повышает вязкость цитоплазмы, увеличивая силы ее сцепления с клеточной стенкой, что вызывает преимущественно судорожный плазмолиз.

Оба описанных вида плазмолиза обычно предваряются вогнутым плазмолизом.

Исследование колпачкового плазмолиза в раствора роданида калия.

Задание:

Вызвать возникновение колпачкового плазмолиза в клетках растений. Объяснить, в связи с чем возникает указанный тип плазмолиза.

Ход работы:

На чистое предметное стекло капается 1M раствор роданида калия KSCN (или нитрата калия KNO3), в каплю кладется кожица лука или лист элодеи, препарат накрывается покровным стеклом и рассматривается под микроскопом на большом увеличении.

Результат: При длительном нахождении клеток в растворе роданида или нитрата калия (15 мин. и более) цитоплазма набухает, там, где протопласт не касается клеточных стенок, вокруг вакуолей образуются так называемые колпачки цитоплазмы (рис. 14).

Рис. 14. Колпачковый плазмолиз в клетке листа элодеи, длительно находящейся в растворе KNO3. Белым показана вакуоль, ограниченная коричневатыми колпачками цитоплазмы.

Вывод:

Колпачковый плазмолиз возникает при разной проницаемости плазмалеммы и тонопласта: ионы калия, медленно проникают в цитоплазму через калиевые каналы, вызывая ее набухание. В тонопласте таких каналов не имеется, и поэтому объем вакуоли не увеличивается.

Деплазмолиз

Плазмолизированные клетки обычно остаются живыми, особенно если клетка провела в состоянии плазмолиза короткое время. При помещении живой плазмолизированной клетки в воду или гипотонический раствор происходит деплазмолиз – клетка вернется в состояние тургора и приобретет нормальный вид.

В условиях гипотонического раствора, концентрация осмотических веществ в котором меньше, чем в клеточном соке, вода из внеклеточной среды будет поступать внутрь клетки (а там – внутрь вакуоли, «стараясь» уменьшить концентрацию клеточного сока). В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая, в свою очередь, которая начнет приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение. Деплазмолиз обычно происходит медленнее, чем плазмолиз.

Сравнение проницаемости клеточных мембран для различных веществ

По интенсивности плазмолиза и по времени наступления деплазмолиза можно оценить проницаемость мембраны для тех или иных веществ.

Задание:

исследовать проницаемость мембран растительной клетки для сахарозы и мочевины (карбамида).

Ход работы:

Взять два чистых предметных стекла, на одно капнуть 1M раствор сахарозы, на другое – 1M мочевину, в каждую каплю поместить лист элодеи (или кожицу лука, или препарат эпидермиса листа растения), накрыть покровным стеклом. Через пять минут рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом, потом на большом увеличении. Найти участки с плазмолизированными клетками, зарисовать клетки в состоянии плазмолиза. Отметить время начала плазмолиза. Оставить препараты на полчаса, затем снова рассмотреть их под микроскопом. Отметить, в каком препарате произошел деплазмолиз, зарисовать клетки из обоих препаратов.

Вывод:

В условиях гипертонического раствора как сахарозы, так и мочевины в клетках возникает плазмолиз, поскольку оба указанных вещества растворимы в воде и осмотически активны. В растворе сахарозы деплазмолиз не возникает, так как плазмалемма непроницаема для крупных молекул сахаров и раствор сахарозы остается гипертоничным относительно содержимого клетки с течением времени. В растворе мочевины по прошествии некого промежутка времени происходит деплазмолиз, так как плазмалемма обладает проницаемостью для мочевины (хотя меньшей, чем для воды, поэтому плазмолиз изначально возникает), и постепенно мочевина проходит в клетку. За ней внутрь клетки следует вода, обеспечивающая тургорное давление – возникает деплазмолиз.

Для сравнительной оценки плазмолиза в тканях существует 2 метода: пограничного плазмолиза и плазмометрический. Первый метод, разработанный Гуго Де Фризом (1884), заключается в погружении тканей в растворы с различной концентрацией осмотичнески активного вещества и установлении той концентрации, при которой плазмолизируется 50% клеток. При плазмометрическом методе после плазмолиза измеряют относительный объем клетки и протопласта и по концентрации раствора вычисляют осмотическое давление клетки (по соответствующим формулам).

Разделение фотосинтетических пигментов методом тонкослойной хроматографии

Задание:

Разделить фотосинтетические пигменты, входящие в состав предложенной вытяжки, методом тонкослойной хроматографии (на бумаге), определить пигменты на полученной хроматограмме.

Что делать:

Провести разделение, следуя предложенной методике. На полученной хроматограмме обвести карандашом и подписать пятна пигментов, отметить линию фронта и вычислить значения Rf. Объяснить полученный результат.

Методика проведения тонкослойной хроматографии (на бумаге)

Полоску хроматографической бумаги шириной 2-3 см и длиной, соответствующей высоте хроматографической камеры, положить на чистую поверхность стола и нанести карандашом линию старта на расстоянии 2 см от края. Аккуратно перенести небольшую порцию вытяжки с помощью шприца или капилляра на линию старта (диаметр пятна на должен превышать 1 см). После полного высыхания повторить процедуру 3-4 раза с целью повышения концентрации пигментов. Поместить полоску хроматографической бумаги в хроматографическую камеру, на дне которой налит неполярный растворитель (бензин, гексан). При этом пятно пигментов должно находится выше уровня растворителя. Плотно закрыть хроматографическую камеру (для предотвращения высыхания растворителя с хроматографической бумаги, которое приводит к увеличеснию размытости пятен), подождать, пока расстояние между фронтом растворителя и верхним краем полоски бумаги не достигнет 2-3 см. Вынуть полученную хроматограмму из хроматографической камеры и сразу же отметить на ней карандашом положение фронта растворителя и пятнен пигментов.

Механизм разделения пигментов

Разделение пигментов основано на различие их растворимостей в подвижной и неподвижной фазах. В качестве подвижной фазы обычно используют неполярные растворители (бензин, гексан), в качестве подвижной фазы выступает полярный растворитель – вода, адсорбированная на волокнах целлюлозы, из которой состоит бумага. При проведении хроматографии подвижная фаза движется по бумаге под действием капиллярных сил. Чем выше отношение растворимостей пигмента в подвижной и неподвижной фазах, тем большее расстояние он проходит.

Таким образом, наибольший пробег соответствует неполярным пигментам, наименьший – полярным. Фотосинтетические пигменты распределяются в следующем порядке (начиная от фронта растворителя): каротины (светло-желтые), ксантофиллы (желтые), феофитин (серый), хлорофилл a (сине-зеленый), хлорофилл b (желто-зеленый), лютеин (один из ксантофиллов, ярко-желтый) – рис. 15-17. Феофитин является ассоциированным со II фотосистемой переносчиком электронов, но в значительно большем количестве образуется при разрушении хлорофиллов. Большое количество феофитина на хроматограмме говорит о том, что предложенная вытяжка пигментов была несвежей.

Расстояние, пройденной пигментом, характеризуется величиной Rf, которая представляет собой отношение расстояния, пройденного пигментом, к расстоянию, пройденному фронтом растворителя подвижной фазы. В стандартных условиях эта величина является постоянной для каждого пигмента и приводится в справочниках.

А.

Б.

В.

Г.

Рис. 16. Некоторые дополнительные фотосинтетические пигменты Высших растений.

А. β-каротин. Б, В. Ксантофиллы (криптоксантин и лютеин соответственно). Г. Феофитин.

А.

Б.

Рис. 17 (А, Б). Хлорофилл a (А) и хлорофилл b (Б).

Наблюдение за движением устьиц

Задание:

1. Приготовить препарат эпидермиса листа растения (в воде), рассмотреть его и зарисовать состояние устьиц.

2. Заменить воду на раствор осмотически активного вещества низкой концентрации (5% глицерин или 0.1М сахароза). Наблюдать за происходящими изменениями, зарисовать состояние устьиц.

3. Заменить раствор осмотически активного вещества на воду, наблюдать за происходящими измененииями.

4. Заменить воду на раствор осмотически активного вещества в высокой концентрации (20% глицерин или 1М сахароза), наблюдать за происходящими изменениями.

5. Объяснить происходившие изменения.

Что делать:

Для приготовления препарата необходимо надломить лист и подцепить лоскут эпидермиса препаровальной иглой. Если лист достаточно тонкий (например, лист злака), достаточно резко разорвать его в направлении, параллельном жилкованию. По краю разрыва под микроскопом будут видны участки эпидермиса (рис. 18).

Полученный препарат поместить в каплю воды под покровное стекло. Для того, чтобы сменить воду на раствор осмотически активного вещества, необходимо нанести каплю раствора на край покровного стекла и убрать воду, прикоснувшись фильтровальной бумагой к противоположному краю покровного стекла. При этом раствор осмотически активного вещества будет затянут под покровное стекло.

При помещении препарата эпидермиса в раствор осмотически активного вещества вода начинает покидать вакуоли замыкающих клеток устьиц, что приводит к уменьшению в них внутриклеточного давления и закрывание устьичной щели (см. главу, посвященную плазмолизу). При помещении в воду происходят обратные процессы.

Для осуществления повторного закрывания устьичной щели необходимо поместить препарат в раствор более высокой концентрации. Это связано с тем, что некоторое количество осмотически активного вещества ранее проникло внутрь вакуолей замыкающих клеток, повысив осмотическое давление внутри них.

устьице

устьице

побочная клетка

Рис. 18 (А, Б). Эпидермис листа ириса (А) и листа кукурузы (Б).

Строение и механизм работы устьиц

Устьице состоит из двух замыкающих клеток, ограничивающих устьичную щель. Внутренные стенки замыкающих клеток утолщены значительно сильнее, чем наружние. Неодинаковая толщина стенок устьиц приводит к тому, что при изменении внутриклеточного давления они способны менять свою форму, вызывая открывание или закрывание устьичной щели. При увеличении внутриклеточного давления тонкие наружние стенки растягиваются, что приводит к деформации и расхождению более жестких внутренних стенок (устьичная щель открывается). При уменьшении внутриклеточного давления растяжение наружних стенок ослабевает, и внутренние стенки возвращаются в недеформированное состояние (устьичная щель закрывается).

Различают три типа движения устьиц: гидропассивные, гидроактивные и фотоактивные.

Гидропассивные движения. Насыщение водой клеток, прилежащих к устьицам, вызывает увеличение их объема. Это приводит к механическому сдавливанию замыкающих клеток устьица и закрыванию устьичной щели.

Гидроактивные движения. При повышении водного дефицита в замыкающих клетках синтезируется абсцизовая кислота, подавляющая работу H+-насосов. Это приводит к снижению осмотического давления внутри клеток и закрыванию устьичной щели.

Фотоактивные движения. Понижение интенсивности освещения вызывает закрывание устьичной щели. Механизм фотоактивных движений окончательно не установлен. Существует гипотеза, утверждающая, что при уменьшении освещенности падает интенсивность фотосинтеза. Это вызывает понижение концентрации сахаров в цитоплазме и, как следствие, снижение осмотического давления и закрывание устьичной щели.

Особое строение устьиц злаков

У А

Бстьица злаков имеют гантелевидую форму, причем утолщены не только стенки замыкающих клеток, обращенные в сторону устьичной щели, но и стенки, примыкающие к соседним клеткам эпидермиса. Замыкающие клетки окружены ромбовидной побочной клеткой. Механизм открывания и закрывания устьиц при изменении внутриклеточного давления связан с изменением объема концевых утолщений замыкающих клеток (рис. 19).

замыкающие клетки

побочная клетка

устьичная щель

Рис. 19 (А, Б). Строение устьичного аппарата злаков.

А. Устьичная щель закрыта. Б. Устьичная щель открыта.

- -

koledj.ru

Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии Физиология растений

Ганчарова О.С., Куравский М.Л.

Методическое руководство к выполнению практических заданий всероссийских олимпиал школьников по биологии

Физиология растений

Задания по физиологии растений, как правило, попадаются на практическом туре 10-11-м классам. Обычно предлагают работы, связанные с осмотическими явлениями в растительных клетках (плазмолиз и деплазмолиз), работой устьиц или разделением фотосинтетических пигментов методом хроматографии.

Осмотические явления в растительной клетке. Плазмолиз

Осмос и осмотические явления. Осмотическое давление

Все биологические мембраны представляют собой полупроницаемые мембраны, так как в силу своей структуры они пропускают одни вещества (воду, газы), а другие (крупные заряженные молекулы, к примеру, глюкозу) – нет. На самом деле, конечно, в мембране клетки есть переносчики для глюкозы, но они строго регулируются и не позволяют веществу проходить в клетку бесконтрольно; то же самое можно сказать про каналы для ионов. Избирательность транспорта веществ через мембрану считается одним из признаков жизни на клеточном уровне. Мертвая клетка не контролирует поступление и веществ внутрь себя и выведение веществ наружу. Тем не менее, из-за липидной природы даже мембрана мертвой клетки остается полупроницаемой, хотя и менее «избирательной», чем мембрана живой.

Избирательность транспорта через проницаемую мембрану ведет к возникновению в клетке осмотических явлений. Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют: плазмалемма – мембрана, разделяющая цитоплазму и внеклеточную среду, и тонопласт – мембрана, разделяющая цитоплазму и клеточный сок, представляющий собой содержимое вакуоли растительной клетки.

Осмосом называют диффузию воды через полупроницаемую мембрану из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией растворенного вещества. Явление осмоса может быть продемонстрировано на классическом примере. Представим сосуд, разделенный на две части полупроницаемой мембраной, в одной половине сосуда находится более концентрированный раствор соли (к примеру, 1M NaCl), в другой – менее концентрированный (0,01 M NaCl). В начале опыта (рис. 12A) объем раствора в каждой из половин одинаков, а концентрация соли различается.

Рис. 12. Схема, демонстрирующая явление осмоса

Ионы Na+ и Cl-, на которые соль, будучи сильным электролитом, распадается сразу после попадания в раствор, не могут пройти через мембрану, в отличие от молекул воды. Неверно думать, что вода из отсека с большей концентрацией соли не переходит в отсек с меньшей концентрацией. Вода идет через мембрану в обе стороны, но интенсивность перехода разная. Известно, что ионы в воде гидратированы – покрыты гидратной «шубой». Вода распадается на ионы H+ и OH- которые электростатически связываются с ионами хлора и натрия, соответственно. Так как в «правой» половине сосуда (см. рис. 12) концентрация Na+ и Cl- больше, соответственно больше воды требуется для гидратирования этих ионов. В связи с этим вода интенсивнее переходит из отсека с малой концентрацией соли в отсек с большой концентрацией. Поскольку вода будет перетекать из разбавленного раствора в концентрированный быстрее, чем в обратном направлении, в целом движение воды между двумя растворами будет идти в одну сторону. В результате уровень раствора в первом понижается, а в последнем повышается; концентрация соли в отсеках выравнивается (рис 12B). Заметим, что изменение объема жидкости и концентрации соли связано с перераспределением только молекул воды, но не соли, так как мембрана непроницаема для ионов натрия и хлора.

Если приложить к столбу жидкости в отсеке с большей начальной концентрацией соли давление (красная стрелка на рисунке 12B), диффузия воды замедлится. Давление, при котором диффузия жидкости прекращается, называется осмотическим давлением. Описанным образом осмотическое давление измеряется для раствора, к которому прикладывается давление (то есть в описанном примере измерено осмотическое давление раствора с большей начальной концентрацией соли). Осмотическое давление – очень важная величина, характеризующая осмос. В физической химии осмотическое давление обозначается буквой π и вычисляется по простой формуле:

π = CRT,

где C – концентрация раствора, R – универсальная газовая постоянная (8,314 ), T – абсолютная температура (K). Попробуем проанализировать это выражение. R – просто постоянная величина, константа, которая никак не влияет на осмотическое давление. Температуру тоже можно принять за постоянную величину, поскольку мы рассматриваем живые системы, которые существуют в узком температурном диапазоне (мы не будем принимать во внимание бактерий-экстремальных термофилов). Следовательно, по большому счету, осмотическое давление раствора зависит только от его концентрации, причем зависимость линейная: чем больше концентрация соли (или сахара, или другого вещества, не проходящего через полупроницаемую мембрану – осмотически активного вещества) в растворе, тем больше его осмотическое давление. В нашем случае осмотическое давление раствора поваренной соли с концентрацией 0,01M гораздо меньше, чем осмотическое давление раствора с концентрацией 1M.

Обычно при описании живых систем, биологических жидкостей и других растворов не указывают значение осмотического давления, пользуясь относительной характеристикой. Принято описывать осмотическое давление растворов относительно интересующей нас жидкости (к примеру, крови, цитоплазмы, клеточного сока). Если осмотическое давление раствора больше, чем давление «нашей» жидкости, раствор называют гипертоническим; если меньше – гипотоническим, если такое же – изотоническим. В этом определении слова «осмотическое давление» смело можно заменить на «концентрация осмотически активного вещества», так как мы уже выяснили, что осмотическое давление раствора зависит от концентрации линейно. В приведенном выше примере раствор с концентрацией 0,01M NaCl является гипотоническим по отношению к раствору с концентрацией 1M NaCl. Широко используемый в медицинской практике физиологический раствор, является изотоническим по отношению к плазме крови. Концентрация солей в физиологическом растворе и плазме крови одинакова, а значит, одинаково и осмотическое давление. Заметим, что существует несколько типов физиологических растворов с одинаковым осмотическим давлением и немного отличающимся составом солей – растворы Рингера – Локка, Рингера – Тироде и Кребса – Рингера.

Осмотическое давление жидкостей живых организмов может быть очень значительным. К примеру, осмотическое давление жидкостей человеческого тела в среднем равно семи (!) атмосферам. Именно за счет осмотического давления вода из корней деревьев доходит до листьев.

Если приложить к столбу жидкости в указанном отсеке сосуда давление, большее осмотического, процесс осмоса «пойдет вспять» - начнется переход растворителя из отсека с большей концентрацией соли в отсек с меньшей концентрацией соли. Это явление носит название обратного осмоса. Обратный осмос находит широкое применение в производстве фильтров для очистки питьевой воды.

Тургор растительной клетки

Если взять клетки животных, например, эритроциты, и поместить их в физиологический раствор, морфология клеток не изменится, так как физиологический раствор изотоничен плазме крови (содержит физиологическое количество солей). Если же поместить эритроциты в гипертонический раствор, например, в раствор с концентрацией соли 10%, вода по закону осмоса будет выходить из цитоплазмы (как из жидкости с меньшей концентрацией соли) в окружающий раствор, в результате чего эритроциты сморщатся. При помещении эритроцитов в гипотоническую среду (дистиллированную воду), вода будет проникать внутрь клеток, «стараясь» уравновесить концентрации солей внутри и вне клетки. В конце концов, эритроциты лопнут, их содержимое высвободится в воду, превратив содержимое пробирки в так называемую «лаковую кровь» - прозрачную красную жидкость. Этот известный эксперимент показывает, что клетки животных не окружены плотной оболочкой и вынуждены существовать в очень ограниченном диапазоне концентраций солей. Клетки пресноводных простейших, не обладающих достаточно плотной оболочкой (амебы, инфузории) справляются с проблемой переизбытка воды с помощью сократительных вакуолей, постоянно «вычерпывающих» лишнюю воду за пределы клетки.

Если поместить взрослые клетки растений (в составе ткани, к примеру, эпидермиса) в гипотонические условия, они не лопнут, поскольку каждая клетка растения окружена более или менее толстой клеточной стенкой. Последняя служит ригидной структурой, не позволяющей притекающей воде разорвать клетку. Если бы клеточная стенка и плазматическая мембрана клетки могли растягиваться, вода входила бы в клетку до тех пор, пока концентрация осмотически активных веществ снаружи и внутри клетки не выровнялась бы. В реальности клеточная стенка – прочная нерастяжимая структура, и в гипотонических условиях входящая в клетку вода давит на клеточную стенку, плотно прижимая к ней плазмалемму. Давление протопласта изнутри на клеточную стенку называется тургорным давлением. Говорят, что клетки растений обладают тургесцентностью. Тургорное давление препятствует дальнейшему поступлению воды в клетку. Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку носит название тургора.

Заметим, что клетки растений обычно находятся в гипотонических условиях, поскольку содержимое растительной клетки богато осмотически активными веществами, большая часть которых (органические кислоты, сахара, солей, низкомолекулярных пигментов) входят в состав клеточного сока, расположенного внутри вакуоли. Вакуоли – органеллы, присущие растительным клеткам. Мембрана, ограничивающая вакуоль, называется тонопластом, и по своим свойствам сходна с плазмалеммой. Это мембрана, обладающая избирательной проницаемостью и способностью к активному транспорту. Осмотически активные вещества с целью запасения или утилизации переносятся в вакуоль с помощью белков-каналов и переносчиков, обратно эти вещества в большинстве своем не выходят. Таким образом, с помощью избирательного активного транспорта в клетке создается градиент осмолярности – клеточный сок гипертоничен по отношению к цитоплазме, а цитоплазма гипертонична по отношению к окружающей среде. Вода извне поступает в клетку, «стремясь» уравнять концентрации осмотически активных веществ, давит на клеточную стенку изнутри, обеспечивая тургор.

Тургор – показатель оводненности и состояния водного режима растений. Снижением тургора сопровождаются процессы, увядания и старения клеток. Именно за счет тургора органы растений находятся в выпрямлено, упругом состоянии. Увядание растения – не что иное, как понижение тургорного давления его клеток.

Неверно думать, что тургесцентность свойственна только клеткам растений или бактерий, обладающих клеточной стенкой. Тургор есть и у животных клеток, но он невелик из-за гораздо меньшей прочности плазмалеммы по сравнению с клеточной стенкой (именно из-за наличия тургора, а также из-за эластичности цитоплазматической мембраны, эритроциты в гипотонических условиях разрушаются не сразу, а после некоторого набухания). При разрушении клеточных стенок растительных клеток тургесцентность последних резко падает, и в гипотонических условиях обнаженные протопласты клеток растений ведут себя так же, как клетки млекопитающих.

Плазмолиз. Виды плазмолиза

Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора. Плазмолиз характерен главным образом для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой. Животные клетки при помещении в гипертонический раствор, как было указано выше, теряя воду, сморщиваются и уменьшаются в размерах. Плазмолиз растительной клетки аналогичен этому процессу, но сморщивание протопласта происходит внутри клеточной стенки. В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления. При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в котором больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки.

Известно, что живые ткани растения в какой-то мере могут быть рассмотрены как симпласты (синцитии), поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между собой через плазмодесмы – цитоплазматические нити, располагающиеся в канальцах, пронизывающих клеточную стенку. Плазмодесмы располагаются в клетке группами на месте так называемых первичных поровых полей. Роль плазмодесм заключается в обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке. Протопласт как бы закреплен на клеточной стенке в местах расположения плазмодесм, поэтому при уменьшении объема клетки в процессе плазмолиза протопласт дольше всего остается прикрепленным к клеточной стенке именно в местах плазмодесм.

Исследование плазмолиза позволяет сделать выводы о проницаемости мембран растительных клеток для различных веществ, о величине нормального тургорного давления. Плазмолиз чаще всего исследуют на препаратах, в которых клетки расположены в один или несколько слоев и удобны для изучения. К таким препаратам можно отнести кожицу лука, листья элодеи, эпидермис листьев высших растений.

В зависимости от вязкости цитоплазмы, от разницы между осмотическим давлением клетки и внешнего раствора, а, следовательно, от скорости и степени потери воды цитоплазмой, различают плазмолиз выпуклый, вогнутый, судорожный и колпачковый.

Изучение форм плазмолиза на препарате листа элодеи

В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Рассмотрим плазмолиз клетки листа элодеи, помещенного в гипертонический раствор. Для наблюдения плазмолиза нужно сделать временный препарат листа элодеи, для начала поместив лист в воду и накрыв покровным стеклом. Клетки листа следует рассматривать на большом увеличении. Вода – гипотоничная относительно содержимого клетки среда, и пока лист элодеи находится в воде, клетки находятся в состоянии тургора, их протопласт плотно прижат тургорным давлением к клеточной стенке (рис. 8A). При этом на микропрепарате не видно мест, где находятся плазмодесмы (плазмодесмы – объект электронномикроскопического исследования, их средний диаметр составляет 0,3-0,4 нм). Для того чтобы вызвать плазмолиз в клетках, нужно сменить внеклеточную среду на гипертоничную. С этой целью препарат снимают со столика микроскопа, с одного бока покровного стекла, прикрывающего лист элодеи, помещают каплю гипертонического раствора так, чтобы она касалась покровного стекла. С другой стороны стекла аналогично помещают кусочек фильтровальной бумаги. Из-за возникающих капиллярных сил вода, находящаяся под стеклом, впитывается бумагой, втягивая гипертонический раствор под стекло. После замены раствора нужно немного подождать (5 минут), затем наблюдать формы плазмолиза, переходящие одна в другую.

В начале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым (рис. 13Б). Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называют вогнутым (рис. 13В). Места, в которых сохраняется связь протопласта с клеточной стенкой, отражают расположение групп плазмодесм в клетке. Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого (рис. 13Г). Если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Протопласт остается связанным с оболочкой многочисленными нитями Гехта, прикрепляющимися к клеточной стенке в местах расположения групп плазмодесм. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 13Д).

Рис. 13. Плазмолиз растительной клетки: А – клетка в состоянии тургора; Б – уголковый; В – вогнутый; Г – выпуклый; Д – судорожный. 1 - оболочка, 2 - вакуоль, 3 - цитоплазма, 4 - ядро, 5 - нити Гехта.

Приготовить временный препарат кожицы лука, листа элодеи либо эпидермиса листа высшего растения. Вплотную к покровному стеклу нанести на предметное стекло каплю раствора соли - более концентрированного, чем раствор веществ, содержащихся в вакуолях. С другой стороны на предметное стекло вплотную к покровному стеклу положить полоску фильтровальной бумаги, которую нужно держать до тех пор, пока раствор соли не войдет под покровное стекло, заменив воду. Через 5-10 минут обратить внимание на отрыв цитоплазмы от оболочки клеток, т.е. плазмолиз.

Влияние разных агентов, вызывающих плазмолиз, на форму плазмолиза

Форма плазмолиза зависит не только и не столько от стадии процесса (очень редко удается проследить возникновение всех форм плазмолиза на одном и том же препарате), как от свойств цитоплазмы клетки: ее вязкости, гидрофильности, коллоидного состояния (гель или золь). Те или иные свойства цитоплазмы могут быть модулированы агентами, вызывающими плазмолиз.

Задание:

Исследовать влияние ионов натрия и кальция на форму плазмолиза.

Ход работы:

Взять два чистых предметных стекла, капнуть на одно из них 1M KNO3? на другое – 1M Ca(NO3)2, в каждую каплю поместить лист элодеи (или кожицу лука, или препарат эпидермиса листа растения), накрыть покровным стеклом. Через пять-десять минут рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом, потом на большом увеличении. Найти участки с плазмолизированными клетками, зарисовать клетки в состоянии плазмолиза.

Результат:

В растворе нитрата калия возникает главным образом выпуклый плазмолиз (см. рисунок 13Г), в растворе нитрата кальция – судорожный плазмолиз (см. рисунок 13Д).

Ион калия (очень медленно по сравнению с водой проходящий через мембрану за счет наличия калиевых каналов) уменьшает вязкость цитоплазмы, способствуя ее отделению от клеточной стенки, вследствие чего возникает выпуклый плазмолиз. Ион кальция, напротив, повышает вязкость цитоплазмы, увеличивая силы ее сцепления с клеточной стенкой, что вызывает преимущественно судорожный плазмолиз.

Оба описанных вида плазмолиза обычно предваряются вогнутым плазмолизом.

Исследование колпачкового плазмолиза в раствора роданида калия.

Задание:

Вызвать возникновение колпачкового плазмолиза в клетках растений. Объяснить, в связи с чем возникает указанный тип плазмолиза.

Ход работы:

На чистое предметное стекло капается 1M раствор роданида калия KSCN (или нитрата калия KNO3), в каплю кладется кожица лука или лист элодеи, препарат накрывается покровным стеклом и рассматривается под микроскопом на большом увеличении.

Результат: При длительном нахождении клеток в растворе роданида или нитрата калия (15 мин. и более) цитоплазма набухает, там, где протопласт не касается клеточных стенок, вокруг вакуолей образуются так называемые колпачки цитоплазмы (рис. 14).

Рис. 14. Колпачковый плазмолиз в клетке листа элодеи, длительно находящейся в растворе KNO3. Белым показана вакуоль, ограниченная коричневатыми колпачками цитоплазмы.

Вывод:

Колпачковый плазмолиз возникает при разной проницаемости плазмалеммы и тонопласта: ионы калия, медленно проникают в цитоплазму через калиевые каналы, вызывая ее набухание. В тонопласте таких каналов не имеется, и поэтому объем вакуоли не увеличивается.

Деплазмолиз

Плазмолизированные клетки обычно остаются живыми, особенно если клетка провела в состоянии плазмолиза короткое время. При помещении живой плазмолизированной клетки в воду или гипотонический раствор происходит деплазмолиз – клетка вернется в состояние тургора и приобретет нормальный вид.

В условиях гипотонического раствора, концентрация осмотических веществ в котором меньше, чем в клеточном соке, вода из внеклеточной среды будет поступать внутрь клетки (а там – внутрь вакуоли, «стараясь» уменьшить концентрацию клеточного сока). В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая, в свою очередь, которая начнет приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение. Деплазмолиз обычно происходит медленнее, чем плазмолиз.

Сравнение проницаемости клеточных мембран для различных веществ

По интенсивности плазмолиза и по времени наступления деплазмолиза можно оценить проницаемость мембраны для тех или иных веществ.

Задание:

исследовать проницаемость мембран растительной клетки для сахарозы и мочевины (карбамида).

Ход работы:

Взять два чистых предметных стекла, на одно капнуть 1M раствор сахарозы, на другое – 1M мочевину, в каждую каплю поместить лист элодеи (или кожицу лука, или препарат эпидермиса листа растения), накрыть покровным стеклом. Через пять минут рассмотреть препараты под микроскопом, сначала на малом, потом на большом увеличении. Найти участки с плазмолизированными клетками, зарисовать клетки в состоянии плазмолиза. Отметить время начала плазмолиза. Оставить препараты на полчаса, затем снова рассмотреть их под микроскопом. Отметить, в каком препарате произошел деплазмолиз, зарисовать клетки из обоих препаратов.

Вывод:

В условиях гипертонического раствора как сахарозы, так и мочевины в клетках возникает плазмолиз, поскольку оба указанных вещества растворимы в воде и осмотически активны. В растворе сахарозы деплазмолиз не возникает, так как плазмалемма непроницаема для крупных молекул сахаров и раствор сахарозы остается гипертоничным относительно содержимого клетки с течением времени. В растворе мочевины по прошествии некого промежутка времени происходит деплазмолиз, так как плазмалемма обладает проницаемостью для мочевины (хотя меньшей, чем для воды, поэтому плазмолиз изначально возникает), и постепенно мочевина проходит в клетку. За ней внутрь клетки следует вода, обеспечивающая тургорное давление – возникает деплазмолиз.

Для сравнительной оценки плазмолиза в тканях существует 2 метода: пограничного плазмолиза и плазмометрический. Первый метод, разработанный Гуго Де Фризом (1884), заключается в погружении тканей в растворы с различной концентрацией осмотичнески активного вещества и установлении той концентрации, при которой плазмолизируется 50% клеток. При плазмометрическом методе после плазмолиза измеряют относительный объем клетки и протопласта и по концентрации раствора вычисляют осмотическое давление клетки (по соответствующим формулам).

Разделение фотосинтетических пигментов методом тонкослойной хроматографии

Задание:

Разделить фотосинтетические пигменты, входящие в состав предложенной вытяжки, методом тонкослойной хроматографии (на бумаге), определить пигменты на полученной хроматограмме.

Что делать:

Провести разделение, следуя предложенной методике. На полученной хроматограмме обвести карандашом и подписать пятна пигментов, отметить линию фронта и вычислить значения Rf. Объяснить полученный результат.

Методика проведения тонкослойной хроматографии (на бумаге)

Полоску хроматографической бумаги шириной 2-3 см и длиной, соответствующей высоте хроматографической камеры, положить на чистую поверхность стола и нанести карандашом линию старта на расстоянии 2 см от края. Аккуратно перенести небольшую порцию вытяжки с помощью шприца или капилляра на линию старта (диаметр пятна на должен превышать 1 см). После полного высыхания повторить процедуру 3-4 раза с целью повышения концентрации пигментов. Поместить полоску хроматографической бумаги в хроматографическую камеру, на дне которой налит неполярный растворитель (бензин, гексан). При этом пятно пигментов должно находится выше уровня растворителя. Плотно закрыть хроматографическую камеру (для предотвращения высыхания растворителя с хроматографической бумаги, которое приводит к увеличеснию размытости пятен), подождать, пока расстояние между фронтом растворителя и верхним краем полоски бумаги не достигнет 2-3 см. Вынуть полученную хроматограмму из хроматографической камеры и сразу же отметить на ней карандашом положение фронта растворителя и пятнен пигментов.

Механизм разделения пигментов

Разделение пигментов основано на различие их растворимостей в подвижной и неподвижной фазах. В качестве подвижной фазы обычно используют неполярные растворители (бензин, гексан), в качестве подвижной фазы выступает полярный растворитель – вода, адсорбированная на волокнах целлюлозы, из которой состоит бумага. При проведении хроматографии подвижная фаза движется по бумаге под действием капиллярных сил. Чем выше отношение растворимостей пигмента в подвижной и неподвижной фазах, тем большее расстояние он проходит.

Таким образом, наибольший пробег соответствует неполярным пигментам, наименьший – полярным. Фотосинтетические пигменты распределяются в следующем порядке (начиная от фронта растворителя): каротины (светло-желтые), ксантофиллы (желтые), феофитин (серый), хлорофилл a (сине-зеленый), хлорофилл b (желто-зеленый), лютеин (один из ксантофиллов, ярко-желтый) – рис. 15-17. Феофитин является ассоциированным со II фотосистемой переносчиком электронов, но в значительно большем количестве образуется при разрушении хлорофиллов. Большое количество феофитина на хроматограмме говорит о том, что предложенная вытяжка пигментов была несвежей.

Расстояние, пройденной пигментом, характеризуется величиной Rf, которая представляет собой отношение расстояния, пройденного пигментом, к расстоянию, пройденному фронтом растворителя подвижной фазы. В стандартных условиях эта величина является постоянной для каждого пигмента и приводится в справочниках.

А.

Б.

В.

Г.

Рис. 16. Некоторые дополнительные фотосинтетические пигменты Высших растений.

А. β-каротин. Б, В. Ксантофиллы (криптоксантин и лютеин соответственно). Г. Феофитин.

А.

Б.

Рис. 17 (А, Б). Хлорофилл a (А) и хлорофилл b (Б).

Наблюдение за движением устьиц

Задание:

1. Приготовить препарат эпидермиса листа растения (в воде), рассмотреть его и зарисовать состояние устьиц.

2. Заменить воду на раствор осмотически активного вещества низкой концентрации (5% глицерин или 0.1М сахароза). Наблюдать за происходящими изменениями, зарисовать состояние устьиц.

3. Заменить раствор осмотически активного вещества на воду, наблюдать за происходящими измененииями.

4. Заменить воду на раствор осмотически активного вещества в высокой концентрации (20% глицерин или 1М сахароза), наблюдать за происходящими изменениями.

5. Объяснить происходившие изменения.

Что делать:

Для приготовления препарата необходимо надломить лист и подцепить лоскут эпидермиса препаровальной иглой. Если лист достаточно тонкий (например, лист злака), достаточно резко разорвать его в направлении, параллельном жилкованию. По краю разрыва под микроскопом будут видны участки эпидермиса (рис. 18).

Полученный препарат поместить в каплю воды под покровное стекло. Для того, чтобы сменить воду на раствор осмотически активного вещества, необходимо нанести каплю раствора на край покровного стекла и убрать воду, прикоснувшись фильтровальной бумагой к противоположному краю покровного стекла. При этом раствор осмотически активного вещества будет затянут под покровное стекло.

При помещении препарата эпидермиса в раствор осмотически активного вещества вода начинает покидать вакуоли замыкающих клеток устьиц, что приводит к уменьшению в них внутриклеточного давления и закрывание устьичной щели (см. главу, посвященную плазмолизу). При помещении в воду происходят обратные процессы.

Для осуществления повторного закрывания устьичной щели необходимо поместить препарат в раствор более высокой концентрации. Это связано с тем, что некоторое количество осмотически активного вещества ранее проникло внутрь вакуолей замыкающих клеток, повысив осмотическое давление внутри них.

устьице

устьице

побочная клетка

Рис. 18 (А, Б). Эпидермис листа ириса (А) и листа кукурузы (Б).

Строение и механизм работы устьиц

Устьице состоит из двух замыкающих клеток, ограничивающих устьичную щель. Внутренные стенки замыкающих клеток утолщены значительно сильнее, чем наружние. Неодинаковая толщина стенок устьиц приводит к тому, что при изменении внутриклеточного давления они способны менять свою форму, вызывая открывание или закрывание устьичной щели. При увеличении внутриклеточного давления тонкие наружние стенки растягиваются, что приводит к деформации и расхождению более жестких внутренних стенок (устьичная щель открывается). При уменьшении внутриклеточного давления растяжение наружних стенок ослабевает, и внутренние стенки возвращаются в недеформированное состояние (устьичная щель закрывается).

Различают три типа движения устьиц: гидропассивные, гидроактивные и фотоактивные.

Гидропассивные движения. Насыщение водой клеток, прилежащих к устьицам, вызывает увеличение их объема. Это приводит к механическому сдавливанию замыкающих клеток устьица и закрыванию устьичной щели.

Гидроактивные движения. При повышении водного дефицита в замыкающих клетках синтезируется абсцизовая кислота, подавляющая работу H+-насосов. Это приводит к снижению осмотического давления внутри клеток и закрыванию устьичной щели.

Фотоактивные движения. Понижение интенсивности освещения вызывает закрывание устьичной щели. Механизм фотоактивных движений окончательно не установлен. Существует гипотеза, утверждающая, что при уменьшении освещенности падает интенсивность фотосинтеза. Это вызывает понижение концентрации сахаров в цитоплазме и, как следствие, снижение осмотического давления и закрывание устьичной щели.

Особое строение устьиц злаков

У

А

Б

стьица злаков имеют гантелевидую форму, причем утолщены не только стенки замыкающих клеток, обращенные в сторону устьичной щели, но и стенки, примыкающие к соседним клеткам эпидермиса. Замыкающие клетки окружены ромбовидной побочной клеткой. Механизм открывания и закрывания устьиц при изменении внутриклеточного давления связан с изменением объема концевых утолщений замыкающих клеток (рис. 19).

замыкающие клетки

побочная клетка

устьичная щель

Рис. 19 (А, Б). Строение устьичного аппарата злаков.

А. Устьичная щель закрыта. Б. Устьичная щель открыта.

- 41 -

refdb.ru

Физиология растений - часть 3

В процессе биосинтеза из простых веществ образуются сложные, из низкомолекулярных — высокомолекулярные. Происходит синтез белков, углеводов, жиров, нуклеиновых кислот. Реакции идут с поглощением энергии. Совокупность биосинтетических реакций — ассимиляция, или пластический обмен .

В реакциях расщепления сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные — на низкомолекулярные. Крахмал превращается в глюкозу, затем СО2 и Н2 О, белки — в смесь аминокислот, нуклеиновые кислоты — в смесь нуклеотидов. Реакции расщепления сопровождаются освобождением энергии. Совокупность реакций расщепления — диссимиляция , или энергетический обмен . Диссимиляция — переход веществ, энергетически более богатых, в вещества, бедные энергией.

Ассимиляция и диссимиляция находятся в неразрывной связи. Реакции биосинтеза для своего осуществления нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. В ходе диссимиляции возникают продукты, используемые как исходные для ассимиляции.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое избирательная проницаемость?

2. В чем различие между активным и пассивным поступлением веществ в клетку?

3. Что такое осмос, осмотическое давление?

4. Каковы физиологический механизм, лежащий в основе тургорного натяжения, и роль тургора в жизни растения?

5. Что такое сосущая сила?

6. Каким путем осуществляется взаимосвязь энергетического и пластического обмена?

Рекомендуемая литература: [ 3 ] , [ 4 ] , [ 6 ] , [ 11 ] , [ 12 ] , [ 13 ] .

Тема 2. ВОДНЫЙ РЕЖИМ РАСТЕНИЙ

Вода является основной составной частью растительных организмов. Ее содержание доходит до 90 % от массы организма, и она участвует прямо или косвенно во всех жизненных проявлениях. Вода — это та среда, в которой протекают все процессы обмена веществ. Она составляет основную часть цитоплазмы, поддерживает ее структуру, устойчивость входящих в состав цитоплазмы коллоидов, обеспечивает определенную конформацию молекул белка. Высокое содержание воды придает содержимому клетки (цитоплазме) подвижный характер. Вода — непосредственный участник многих химических реакций. Все реакции гидролиза, многочисленные окислительно-восстановительные реакции идут с ее участием.

Водный ток обеспечивает связь между отдельными органами растений. Питательные вещества передвигаются по растению в растворенном виде. Насыщенность водой (тургор) обеспечивает прочность тканей, сохранение структуры травянистых растений, определенную ориентировку органов растений в пространстве. Рост клеток в фазе растяжения идет главным образом за счет накопления воды в вакуоли.

Таким образом, вода обеспечивает протекание процессов обмена, коррелятивные взаимодействия, связь организма со средой. Для нормальной жизнедеятельности клетка должна быть насыщена водой.

Растение получает воду из почвы. Вода в растении находится как в свободном, так и связанном состоянии. Свободная вода легко передвигается, вступает в различные биохимические реакции, испаряется в процессе транспирации и замерзает при низких температурах. Связанная вода имеет измененные физические свойства вследствие взаимодействия с неводными компонентами. Эти взаимодействия представляют собой процессы гидратации, вследствие чего связанную воду называют гидратной водой. Различают два основных процесса гидратации: 1) притяжение диполей воды к заряженным частицам; 2) образование водородных связей с полярными группами органических веществ — между водородом воды и атомами О и N .

Воду, гидратирующую коллоидные частицы (прежде всего белки), называют коллоидно-связанной, а гидратирующую растворенные вещества (минеральные соли, сахара, органические кислоты и др.) — осмотически связанной.

Использование воды растением зависит также от структуры почвы. Мелкокомковатая структура с хорошим воздушно-водным режимом является наилучшей. В ней хорошо растут корневые волоски, через которые вода поступает в растение. Чтобы проникнуть внутрь клетки корневого волоска, вода должна пройти через его стенку.

Поглощение воды корневой системой происходит главным образом клетками зоны растяжения и зоны корневых волосков. Из корневого волоска вода передвигается по клеткам первичной коры в центральный цилиндр.

В сосуды вода поступает под определенным давлением, которое можно обнаружить благодаря следующему опыту. Если весной, когда листья еще не появились, срезать стебель, надеть на него резиновую трубку с вставленной в нее стеклянной трубочкой, то через некоторое время в ней появится жидкость. Ее нагнетают корни. С помощью манометра можно определить величину давления, под которым жидкость входит в сосуды. Это выделение воды благодаря корневому давлению называется плачем растения. Его легко обнаружить весной у винограда и березы, если сломить веточку. Выделяющийся сок называется пасокой. В нем содержится сахар (1,5—3 %), органические кислоты, азотистые и зольные вещества.

Выделение капель воды листьями под влиянием корневого давления можно наблюдать в теплую влажную погоду у земляники, манжетки, настурции и некоторых других растений. На зубчиках листьев образуются капли воды, которая выделяется через гидатоды (водные устьица). Это явление называется гуттацией .

Если поставить под стеклянный колпак проростки злаков, хорошо полив их, то вскоре можно будет видеть на кончиках листьев капли воды, выделяющиеся под влиянием корневого давления.

Итак, корневое давление является нижним двигателем водного тока в растении. Величина его небольшая (23 атмосферы). У деревьев корневое давление можно обнаружить лишь весной, когда в почве много воды, а листья еще не образовались.

Со всякой водной поверхности происходит испарение — переход воды из жидкого состояния в парообразное. Это физическое явление. Листья растения пропитаны водой. С их поверхности (особенно через устьица) вода постоянно испаряется, но это будет явление биологическое, связанное с растительным организмом, его особенностями. Оно называется транспирацией. Благодаря транспирации в поверхностных клетках листа возникает сосущая сила (равная примерно 0,1 атм), которая потянет воду из рядом расположенных клеток, и так далее, вплоть до сосудов. Таким образом, в растении создается верхний двигатель тока воды. У деревьев сосущая сила листьев достигает 20 атм, у травянистых растений 2—3 атм. Эта сосущая сила заставляет воду из корней подниматься по ксилеме, в основном по сосудам — полым трубкам. Столбики воды в сосудах не разрываются благодаря силе сцепления частиц воды между собой и со стенками сосудов. Эта сила может достичь 300 атм.

Таким образом, движение воды из почвы по растению обусловливается тремя силами: корневым давлением, сосущей силой листьев и силой сцепления частиц воды. Транспирация происходит и летом, и зимой; опадение листьев осенью — это приспособительная особенность растений для уменьшения транспирации, так как зимой подача воды корнями из замерзшей почвы сильно затруднена. Ветер усиливает транспирацию.

Различают устьичную и кутикулярную транспирацию. Первая раз в 20 интенсивнее, чем вторая.

Процесс устьичной транспирации можно подразделить на следующие этапы:

1) Переход воды из клеточных оболочек, где она находится в капельно-жидком состоянии, в межклетники. Это собственно процесс испарения. На этом этапе растение способно регулировать процесс транспирации (внеустьичная транспирация). Вода испаряется из капилляров. Когда воды в клетках достаточно, клеточные оболочки насыщены водой, силы поверхностного натяжения ослаблены. В этом случае молекулы воды легко отрываются и переходят в парообразное состояние, заполняя межклетники. При уменьшении содержания воды увеличиваются силы поверхностного натяжения, и вода с большей силой удержи-вается в клеточных оболочках. В результате интенсивность испарения сокращается. Таким образом, уже на первом этапе растение испаряет тем меньше воды, чем меньше ее содержится.

2) Выход паров воды из межклетников через устьичные щели. Как только часть паров воды выйдет из межклетников через устьичные щели, так сейчас же этот недостаток восполняется за счет испарения воды с поверхности клеток. Поэтому степень открытости устьиц является основным механизмом, регулирующим интенсивность транспирации. На этом этапе вступает в действие устьичная регулировка транспирации. При недостатке воды в листе устьица автоматически закрываются.

3) Диффузия паров воды от поверхности листа в более далекие слои атмосферы. Этот этап регулируется лишь условиями внешней среды.

Известно, что одно растение кукурузы за вегетационный период испаряет 150 кг воды, подсолнечника — 200 кг, гороха — 4 кг. Один гектар поля теряет за вегетационный период примерно 2000—2500 т воды.

Транспирация необходима растению, так как благодаря ей в растение поступают нужные ему минеральные вещества и не происходит перегрева листьев.

Количество воды, испаряемое с 1 м2 листовой поверхности за 1 ч, называется интенсивностью транспирации .

Очень небольшое количество воды, проходящей по растению, используется на образование органического вещества. Оно составляет всего 0,2 %, а 99,8 % испаряется. Количество воды, необходимое растению для создания 1 г сухого вещества, называется транспирационным коэффициентом . Его величина колеблется от 300 до 1000 г. У кукурузы он равен 233, у гороха — 416, гречихи — 578, картофеля — 636.

mirznanii.com