§15. Водный потенциал

Цель изучения этой темы: объяснить понятие «водный потенциал».

Что такое осмос, диффузия, концентрация веществ в растворах?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? Предыдущий параграф.

  Причины изучения водных показателей состояния растительных объектов обусловлены не только научным интересом, но и практической пользой. Из курса физики вам известно, что по законам диффузии молекулы жидкостей и газов всегда будут пассивно перемещаться из области большей концентрации в область меньшей. Вода является важнейшим веществом для всех живых организмов, а ее перемещение в телах растений по законам диффузии является одним из фундаментальных физиологических показателей. Вспомните, что ни белки, ни молекулы ДНК, ни даже растворы сахарозы, не двигаются в организме растений на такие расстояния (от корня до листа, цветка, плодов и т. д.), как вода (ее солевые растворы). Причем, как правило, движение более крупных органических молекул (даже в виде растворов) происходит путем активного транспорта, а не путем диффузии. В то же время вода, составляющая значительный процент от массы живых клеток, постоянно курсирует по организмам многоклеточных растений. По примерным оценкам физиологов растений, около 99% воды, поглощенной корнем, испаряется в ходе транспирации. И только 1% поглощенной растениями воды включается в состав их собственных клеток. Но при этом нужно понимать, что даже если молекула воды попала в цитоплазму или клеточный сок вакуоли, она не останется там «навечно». Вероятно, в течение какого-то времени (для молодых зеленых клеток мезофилла листа быстрее, чем для иных живых клеток) она может тоже выйти в межклеточное пространство (апопласт) и испариться в ходе транспирации. Следовательно, молекулы воды и неорганические растворы постоянно перемещаются в организме растений по физическим законам: диффузии, осмоса, поверхностного натяжения, когезии. Для описания состояния воды в организме растений используются определенные физиологические показатели.

  Водный потенциал – это сила, вызывающая осмос в биологических системах, т. е. преодоление водными молекулами (или молекулами водных растворов) определенного полупроницаемого барьера, например клеточной мембраны. Под влиянием водного потенциала молекулы стремятся проникнуть через границу, разделяющую растворы разной концентрации.
  Водный потенциал обозначается символом ψ или ψВ. Это относительно новый биологический термин, введенный в конце ХХ в. В современной литературе физиологи растений пользуются термином «водный потенциал», когда хотят описать тенденцию молекул воды к перемещению из одного места в другое.
  Чем больше концентрация воды в системе, тем быстрее и легче ее молекулы будут двигаться в направлении, где их меньше. Соответственно, самым высоким водным потенциалом обладает чистая вода. Принято считать, что водный потенциал чистой воды при нормальных условиях (t=25°С и нормальном атмосферном давлении) максимальный и равен 0. Все системы, в которых вода составляет не 100%, а меньше, имеют меньший водный потенциал, который обозначается отрицательными значениями – меньше 0 (табл. 3).

Таблица 3 Характеристика состояния воды в живой системе

  Чаще всего водный потенциал измеряют в тех же единицах, что и любое давление – в паскалях, ньютонах, барах, атмосферах и т. д.
  Любой водный раствор солей, сахаров или иных веществ будет обладать меньшим водным потенциалом, чем дистиллированная вода. Соответственно, вода всегда будет переходить из системы с более высоким водным потенциалом в область с более низким. Проще говоря, оттуда, где вода есть, она будет перетекать или испаряться (движение молекул газообразных веществ) туда, где воды нет или ее мало. Именно так почва постоянно испаряет воду в атмосферу. Политая почва делает это более интенсивно, чем сухая, но озеро испаряет воду более активно, чем даже политая почва.

  Термин «водный потенциал» удобный, но не единственный, используемый для характеристики состояния воды в живой системе.
  О растительных клетках, напитавшихся водой, говорят, что они находятся в состоянии тургора. Существует также понятие осмотического и гидростатического потенциалов. Тургор – напряженное состояние клеточной оболочки, создаваемое в растительных клетках гидростатическим давлением цитоплазмы (рис. 14). Клетки, лишенные тургора, характерны для увядающих, обезвоженных растительных тканей и организмов.

Рис. 14. Зависимость состояния растительных клеток от разницы в значениях водного потенциала клеточного сока, цитоплазмы и окружающей среды:

  а – клетка в состоянии тургора;
  б – клетка увядающего растения, испытывающего недостаток влаги.

Водный, осмотический, гидростатический потенциал, осмос, диффузия, тургор.

Знание и понимание
1. Что такое осмос, диффузия, тургор?
2. Объясните, почему водный потенциал дистиллированной воды равен 0.

Применение
1. Назовите причины, по которым важно поливать растения. Что произойдет с транспортом воды в организме растения, если клетки его корня будут обладать меньшим водным потенциалом, чем клетки листа? Возможно ли это?
2. Сравните водный потенциал различных систем, отметив их условные, гипотетические значения по следующей шкале:

1) 0 – максимальное;
2) ближе к максимальному;
3) выше среднего;
4) среднее;
5) близко к минимальному;
6) самое минимальное.
  а) Емкость (открытая) с физиологическим раствором.
  б) Песок, увлажненный 2 дня назад.
  в) Емкость (открытая) с дистиллированной водой.
  г) Политая почва.
  д) Емкость (открытая) с дождевой водой.
  е) Пакет соли с весом, соответствующим НЕТТО на упаковке.
  ж) Атмосферный воздух безоблачного летнего дня пустыни.
  з) Герметически закрытая емкость (запаянная ампула) с дистиллированной водой.

Анализ
1. Проанализируйте взаимосвязь понятий «водный потенциал» и «тургорное давление». Докажите их взаимозависимость.
2. Докажите на примерах, что продвижение воды в тканях и клетках растений зависит от показателей водного потенциала.

Синтез

1. Рассмотрите предложенные рисунки.

2. Порассуждайте, на каком из рисунков клетки находятся в состоянии максимального тургора.
3. Предположите, как будут выглядеть показатели, характерные для всех трех рисунков. Заполните таблицу, используя только обозначения «минимальный», «максимальный» и «средний».

Оценка
1. Обсудите, можно ли сравнить роль водного потенциала для организмов многоклеточных растений и животных, для отдельных клеток.
2. Используя дополнительные источники информации, сделайте сообщение о гидростатическом и осмотическом потенциалах.

×
×

Cart