Stosunki wodne w komórkach roślinnych

Potencjał wody

R1OLBFpQNsMAM1

Na schemacie zilustrowana jest osmoza – dyfuzja wody przez błonę półprzepuszczalną. Błona półprzepuszczalna to membrana biologiczna lub syntetyczna, przepuszczalna dla niewielkich cząsteczek rozpuszczalnika (wody) i nieprzepuszczalna dla większych cząsteczek lub jonów substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku. Jest ona zobrazowana na ilustracji jako pionowa, przerywana linia. Po jej lewej stronie znajdują się niewielkie cząsteczki w postaci połączonych ze sobą okręgów – jeden, większy, czerwony z literą O oraz dwa białe, mniejsze z literą H. Przez przerywaną linię prowadzą poziome strzałki skierowane w prawą stronę. Po prawej stronie przerywanej linii znajdują się niewielkie cząsteczki w postaci połączonych ze sobą okręgów – jeden, większy, czerwony z literą O oraz dwa białe, mniejsze z literą H, a także duże, pojedyncze, szare cząsteczki w postaci okręgów z napisem Na indeks górny plus.

Osmoza to szczególny rodzaj dyfuzji, polegający na samorzutnym przenikaniu cząsteczek wody przez błonę półprzepuszczalnąbłona półprzepuszczalnabłonę półprzepuszczalną. W układzie osmotycznym, w którym błona półprzepuszczalna rozdziela dwa rozwory wodne różniące się stężeniem substancji rozpuszczonej, przemieszczanie się wody następuje od roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym stężeniu. 

W tej samej objętości roztworu stężonego (np. 80%) i rozcieńczonego (np. 5%) liczba cząsteczek wody jest różna — większa w roztworze rozcieńczonym. W rezultacie całkowita energia cząsteczek wody jest większa w roztworze rozcieńczonym niż stężonym. Wartość energii wnoszonej do roztworu przez 1 mol wody nazywa się potencjałem wody. 

Symbolem potencjału wody jest grecka litera psi – Ψpsi, a jednostką paskal – Pa. Potencjał czystej wody w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego (o wartości 1013 hPa) i temperatury 25°C wynosi 0. 

Ważne!

1. Roztwór o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej ma wyższy potencjał wody (wartość mniej ujemną).

2. Roztwór o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej ma niższy potencjał wody (wartość bardziej ujemną).

3. Przepływ wody przez błonę półprzepuszczalną zawsze odbywa się zgodnie z gradientem potencjału wody, czyli z miejsca o wyższym potencjale wody do miejsca o niższym potencjale wody.

RD33D7X5DM3XL

Na schemacie zobrazowany jest przepływ wody przez błonę półprzepuszczalną zgodnie z gradientem potencjału wody. Na ilustracji widoczna jest półokrągła błona półprzepuszczalna w postaci cienkiej, brązowej linii. Po jej lewej stronie znajduje się niebieska powierzchnia z dwoma zielonymi, niewielkimi punktami obrazującymi substancję rozpuszczoną. Do tej powierzchni przyporządkowany jest podpis: roztwór wodny A o stężeniu C indeks dolny 1 i potencjale Psi indeks dolny 1. Niebieska strzałka z podpisem: kierunek przenikania wody prowadzi w prawą stronę, do niebieskiej powierzchni z podpisem: roztwór wodny B o stężeniu C indeks dolny 2 i potencjale Psi indeks dolny 2. Na powierzchni tej znajdują się liczne, zielone, niewielkie punkty obrazujące substancję rozpuszczoną. Pod ilustracją znajduje zapis: C indeks dolny 1 jest mniejszy od C indeks dolny 2, a pod nim zapis: Psi indeks dolny 1 jest większy od Psi indeks dolny 2. Woda przenika z roztworu A do roztworu B, ponieważ roztwór A ma wyższy potencjał wody a roztwór B ma niższy potencjał wody. Osmotyczny przepływ wody trwa do czasu wyrównania potencjałów wody w roztworach po obu stronach błony półprzepuszczalnej.

Potencjał osmotyczny i potencjał ciśnienia

Wartość potencjału wody w komórce roślinnej zależy od potencjału osmotycznego i potencjału ciśnienia turgorowego. Zależność tę opisuje równanie:

$\mathrm{\Psi }w=\mathrm{\Psi }s+\mathrm{\Psi }p$

gdzie:
ΨpsiIndeks dolny w_w to potencjał wody
ΨpsiIndeks dolny s_s to potencjał osmotyczny
ΨpsiIndeks dolny p_p to potencjał ciśnienia turgorowego

Potencjał osmotyczny (ΨpsiIndeks dolny s_s) to potencjał wody w roztworze obniżony względem czystej wody przez obecność substancji rozpuszczonych. Im więcej rozpuszczonej substancji, np. soli lub cukru, tym niższy (bardziej ujemny) jest potencjał osmotyczny. 

Potencjałowi osmotycznemu odpowiada liczbowo ciśnienie osmotyczne, czyli wartość ciśnienia jakie należy przyłożyć, aby przeciwdziałać osmotycznemu przepływowi wody przez błonę półprzepuszczalną. W przeciwieństwie do potencjału osmotycznego, ciśnienie osmotyczne ma zawsze wartość dodatnią, np. w roztworze o potencjale osmotycznym równym −0,3 MPa ciśnienie osmotyczne wynosi +0,3 MPa. 

Toniczność roztworów a ich potencjał osmotyczny.

Roztwór hipertoniczny

Roztwór hipertoniczny

Roztwór hipertoniczny to roztwór o wyższym stężeniu substancji osmotycznie czynnych niż wewnątrz komórki. Ma niższy potencjał osmotyczny niż komórka. Komórka umieszczona w takim roztworze oddaje osmotycznie wodę do otoczenia, tracąc turgor. Następuje zmniejszenie objętości wakuoli oraz kurczenie się protoplastu. Jej błona przestaje ściśle przylegać do ściany komórkowej. Komórka ulega plazmolizie.

R6sRIgVAb3QhD

Ilustracja przedstawia komórkę roślinną umieszczoną w roztworze hipertonicznym, w którym stężenie substancji na zewnątrz komórki jest większe niż wewnątrz komórki. Widać na niej komórkę zbliżoną kształtem do prostokąta. Wewnątrz niej widoczne są żółte linie, niewielkie, niebieskie pole sąsiadujące z większym, pomarańczowym punktem i trzema małymi, białymi punktami. Ze środka prostokąta na zewnątrz prowadzą dwie niebieskie strzałki z napisem H indeks dolny 2 O.

Roztwór izotoniczny

Roztwór izotoniczny

Roztwór izotoniczny to roztwór o takim samym stężeniu substancji osmotycznie czynnych jak wewnątrz komórki. Ma taki sam potencjał osmotyczny jak znajdująca się w nim komórka. Oznacza to, że komórka pozostaje w równowadze − napływa do niej osmotycznie tyle samo wody, ile z niej ubywa.

RX8B4635JGueF

Ilustracja przedstawia komórkę roślinną umieszczoną w roztworze izotonicznym, w którym stężenie substancji na zewnątrz komórki jest takie samo jak wewnątrz komórki. Wewnątrz komórki zbliżonej kształtem do prostokąta widoczne jest żółte pole z większym pomarańczowym punktem i trzema mniejszymi, białymi punktami. W środku żółtego pola znajduje się niebieska powierzchnia, na której znajduje się napis H indeks dolny 2 O. Ze środka prostokąta na zewnątrz prowadzi niebieska strzałka do napisu H indeks dolny 2 O, a od niego do wewnątrz komórki czerwona strzałka. Pomiędzy żółtym polem a ścianą komórkową znajduje się biała powierzchnia.

Roztwór hipotoniczny

Roztwór hipotoniczny

Roztwór hipotoniczny to roztwór o niższym stężeniu substancji osmotycznie czynnych niż wewnątrz komórki. Ma wyższy potencjał osmotyczny niż komórka, do której napływa woda. Komórka pęcznieje i zwiększa się jej turgor. Ściana komórkowa zabezpiecza komórkę przed pęknięciem od nadmiaru wody. Po pewnym czasie ciśnienie turgorowe jest równe ciśnieniu osmotycznemu. Komórka nie może już zwiększyć swojej objętości i przyjmować więcej wody. Umieszczenie w takim roztworze komórki splazmolizowanej powoduje jej deplazmolizę (proces odwrotny do plazmolizy).

R1UZbrR1pHK8C

Ilustracja przedstawia komórkę roślinną umieszczoną w roztworze hipotonicznm, w którym stężenie substancji na zewnątrz komórki jest mniejsze niż wewnątrz komórki. Wewnątrz komórki zbliżonej kształtem do prostokąta widoczne jest ściśle ją wypełniające żółte pole z większym pomarańczowym punktem i trzema mniejszymi, białymi punktami. W środku żółtego pola znajduje się niebieska powierzchnia, na której znajduje się napis H indeks dolny 2 O. Z zewnątrz do środka komórki prowadzą dwie czerwone strzałki.

Osmotyczny napływ wody do wnętrza komórki roślinnej sprawia, że roztwór wewnątrzkomórkowy zwiększa swoją objętość. W efekcie protoplast komórki naciska na ścianę komórkową, wywierając tzw. ciśnienie turgorowe. Początkowo elastyczna ściana komórkowa ulega rozciągnięciu, jednak z czasem pojawiające się napięcia i mechaniczna wytrzymałość powodują, że ściana komórkowa wywiera nacisk na protoplast komórki, przeciwdziałając osmotycznemu napływowi wody. Stan napięcia ściany komórkowej nazywa się turgorem, a nacisk, jaki  ściana wywiera na protoplast komórki, to potencjał ciśnienia turgorowego (lub potencjałem turgorowym). Potencjał ciśnienia turgorowego przyjmuje:

• wartość dodatnią – dla komórek w pełni uwodnionych;

• wartość zerową – dla komórek odwodnionych, splazmolizowanych;

• wartość ujemną – dla komórek przewodzących wodę w drewnie (ksylemie).

Właściwy turgor i potencjał ciśnienia turgorowego są niezwykle ważny dla rośliny, ponieważ:

• Turgor pełni funkcje szkieletu hydraulicznego - u roślin zielnych, które nie posiadają zdrewniałych pni, odpowiada za utrzymanie pionowej postawy. Gdy komórki tracą turgor łodygi i liście wiotczeją.

• Ciśnienie turgorowe jest siłą napędową wzrostu objętościowego komórek. Rozciąga ono ścianę komórkową, pozwalając komórce trwale się powiększyć.

• Zmiany turgoru w komórkach szparkowych pozwalają na otwieranie i zamykanie aparatów szparkowych, co reguluje wymianę gazową i parowanie wody. Odpowiadają też za niektóre ruchy roślin, takie jak składanie się liści mimozy pod wpływem dotyku.

Komórka roślinna jako układ osmotyczny

Komórka roślinna stanowi układ osmotyczny, w którym roztwór wewnątrzkomórkowy – czyli silnie uwodniony cytozol i sok wakuolarny – jest oddzielony selektywnie przepuszczalną błoną komórkową od roztworu zewnątrzkomórkowego. Dla pojedynczej komórki roślinnej roztworem zewnątrzkomórkowym może być:

• roztwór glebowy – jeśli komórka styka się z glebą, np. komórka skórki korzenia;

• roztwór obecny w przestrzeniach międzykomórkowych – jeśli dana komórka współtworzy tkankę;

• protoplast innej komórki – jeśli dana komórka sąsiaduje z drugą komórką roślinną.

Kierunek przepływu wody między komórką, a jej otoczeniem zależy od wszystkich składowych potencjału wody.

Podsumowanie

• Osmoza to szczególny rodzaj dyfuzji, polegający na samorzutnym przenikaniu cząsteczek wody przez błonę półprzepuszczalną. 

• Potencjał wody to wartość energii potencjalnej wnoszonej do roztworu przez 1 mol wody wyrażana w paskalach (Pa). Potencjał czystej wody wynosi 0 MPa; potencjał wody w roztworze ma z reguły wartość ujemną.

• Roztwór o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej ma wyższy potencjał wody (wartość mniej ujemną). Roztwór o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej ma niższy potencjał wody (wartość bardziej ujemną). 

• Przepływ osmotyczny wody przez błonę półprzepuszczalną odbywa się zgodnie z gradientem potencjału wody, czyli z miejsca o wyższym potencjale wody do miejsca o niższym potencjale wody.

• Potencjał wody jest sumą potencjału osmotycznego i potencjału ciśnienia turgorowego (potencjału turgorowego).

• Potencjał osmotyczny, to potencjał wody w roztworze, natomiast potencjał ciśnienia turgorowego, to nacisk jaki wywiera ściana komórkowa na protoplast w wyniku osmotycznego napływu do komórki. 

• Komórka roślinna stanowi układ osmotyczny, w którym roztwór wewnątrzkomórkowy – czyli silnie uwodniony cytozol i sok wakuolarny – jest oddzielony selektywnie przepuszczalną błoną komórkową od roztworu zewnątrzkomórkowego. Kierunek przepływu wody między komórką, a jej otoczeniem zależy od wszystkich składowych potencjału wody     

Ćwiczenia utrwalające