Поступление воды в растительную клетку. Диффузия. Тургорное и осмотическое давление, сосущая сила. Активное поступление воды в клетку.

       Поглощение воды из внешней среды является обязательным условием существования любого живого организма. Поступление воды в клетки идет в результате осмоса, набухания биоколлоидов, а также благодаря увеличению степени их гидратации. В тургесцентных клетках центральная вакуоль плотно прижимает цитоплазму к клеточной стенке, тем самым способствуя поддержанию формы клетки в мягких органах растения, например, в листьях. При недостатке влаги вода выходит из вакуоли, что приводит к утрате тургора и увяданию.

Диффузия воды через полупроницаемую мембрану называется осмосом. Полупроницаемая мембрана – это мембрана, хорошо проницаемая для воды и непроницаемая или плохо проницаемая для растворенных в воде веществ. Осмотическое давление (диффузное давление) – термодинамический параметр, характеризующий стремление раствора к понижению концентрации при соприкосновении с чистым растворителем вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя. Если раствор отделен от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, то возможна лишь односторонняя диффузия – осмотическое всасывание растворителя через мембрану в раствор. В этом случае осмотическое давление становится доступной для прямого измерения величиной. Оно равно избыточному давлению, приложенному со стороны раствора при осмотическом равновесии. Осмотическое давление обусловлено понижением химического потенциала растворителя в присутствии растворённого вещества. Тенденция системы выравнивать химические потенциалы во всех частях своего объёма и переходить в состояние с более низким уровнем свободной энергии вызывает осмотический (диффузионный) перенос вещества. Осмотическое давление в идеальных и предельно разбавленных растворах не зависит от природы растворителя и растворённых веществ; при постоянной температуре оно определяется только числом «кинетических элементов» (ионов, молекул, ассоциатов или коллоидных частиц) в единице объёма раствора. Осмотическое давление (Р) численно равно давлению, которое оказало бы растворённое вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму раствора. Осмотическое давление измеряют с помощью специальных приборов (осмометров), определяя избыточное гидростатическое давление столба жидкости в трубке осмометра после установления осмотического равновесия. Осмос является основным механизмом поступления воды в растительную клетку. Благодаря осмотическому притоку воды в клетку там возникает гидростатическое давление, называемое тургорным. Это давление прижимает цитоплазму к клеточной стенке и растягивает ее. Клеточная стенка имеет ограниченную эластичность и оказывает равное противодавление. Эластическое растяжение ткани благодаря тургорному давлению ее клеток придает твердость неодревесневшим частям растений. Завядающие побеги становятся дряблыми, так как при потере воды тургорное давление падает. Тургорное давление противодействует притоку воды в клетку.

Итак, поступление воды в раствор через полупроницаемую мембрану обусловлено разностью между свободной энергией чистой воды и свободной энергией раствора. В 1960 г. был введен термин «водный потенциал клетки». Водный потенциал клетки (сосущая сила) — это разность между свободной энергией воды внутри и вне клетки при той же температуре и атмосферном давлении. Величина водного потенциала клетки определяется степенью ее насыщенности водой: чем больше клетка насыщена водой, тем менее отрицателен ее водный потенциал. Чем выше концентрация растворенных веществ в вакуоли или в другой осмотической ячейке, тем сильнее связывается вода, тем меньше энергии расходуется на движение, тем ниже водный потенциал в этой ячейке, тем больше разность потенциалов и тем быстрее поступает вода. Водный потенциал клетки — это мера энергии, с которой вода устремляется в клетку. Таким образом, водный потенциал клетки показывает, насколько энергия воды в клетке меньше энергии чистой воды, и характеризует способность воды диффундировать, испаряться или поглощаться.

Cосущая сила. Однако поступление воды в растительную клетку зависит не только от концентрации клеточного сока, но и от степени насыщенности клетки водой, обусловливающей величину тургорного давления, препятствующего поступлению воды в клетку. Разность между величинами осмотического потенциала и тургорного давлении называется — сосущей силой. Она обозначается формулой:    S=Р-Т

где S — сосущая сила, Р — осмотический потенциал, Т — тургорное давление.

Сосущая сила не является постоянной и может изменяться в зависимости от величины осмотического потенциала и тургорного давления. При отсутствии последнего сосущая сила будет максимальной и равной осмотическому потенциалу. При полной насыщенности клетки водой сосущая сила равна нулю, т. е. клетка не будет насасывать воду. Насасывание воды в клетку может возобновиться при повышении осмотического потенциала переводом в раствор осмотически недеятельных веществ в деятельные (например, крахмала в сахар). Сосущая сила не всегда больше в той клетке, в которой выше осмотический потенциал. Клетки, имеющие равный осмотический потенциал, могут сосать воду с различной силой, что связано с величиной их тургорного давления.

Активный транспорт – это транспорт, идущий против градиента электрохимического потенциала, т.е. по направлению от меньшего к большему его значению. А. тр. не может происходить самопроизвольно и требует затраты энергии, выделяющейся в процессе метаболизма. Активный процесс поглощения, который происходит главным образом при достаточном или высоком содержании воды в растении. Основой нагнетания служит корневое давление, т. е. активное выдавливание воды корнем в направлении от периферии к центру.