Рослинна клітина як осмотична система

Вода рослинними клітинами поглинається за законами осмосу. Переміщення молекул води із зовнішнього середовища в клітину, а також від клітини до клітини відбувається за градієнтом рівня вільної енергії молекул води, який визначається їх хімічним потенціалом(μ _w). Точкою відліку рівня вільної енергії молекул води береться її рівень у молекул чистої води в стандартних умовах (μ ⁰_w). Хімічний потенціал води у водних розчинах і клітинах менше ніж у чистої води. Ця різниця, звана водним потенціалом (ψ), відображає здатність води в даній системі здійснювати роботу порівняно з роботою, яку за тих же умов здійснювала б чиста вода. Водний потенціал розраховується за рівнянням

(3.1)

де — парціальний мольний об'єм води.

Водний потенціал визначає здатність молекул води дифундувати, випаровуватися або поглинатися. Він має розмірність енергії, поділеної на об'єм, що співпадає з розмірністю тиску (атмосфери, бари, паскалі).

Молекули розчинених у воді речовин знижують рівень вільної енергії молекул води. Це зниження вимірюється осмотичним потенціалом (ψ _осм).

Осмотичний потенціал — компонент водного потенціалу розчину, який визначається присутністю розчинених речовин, що знижують хімічний потенціал води. Тому (ψ _осм) завжди величина негативна. Якщо два розчини з різними концентраціями розділити напівпроникною мембраною, проникною тільки для молекул води, то молекули води переміщатимуться за градієнтом ψ — з розчину з меншою концентрацією, в якому (ψ _осм) вище (тобто менш негативна величина), в розчин з більшою концентрацією, в якому (ψ _осм) нижче (тобто більш негативна величина).

У молекул води, що знаходяться під тиском, рівень вільної енергії підвищується. Тому величина водного потенціалу розчину або клітини збільшується при підвищенні в них гідростатичного (тургорного) тиску. Водний потенціал, залежний від гідростатичного тиску (величина завжди позитивна), називається потенціалом тиску (ψ _тиску) Загальний водний потенціал клітини залежить від осмотичного потенціалу (ψ _осм) і потенціалу тиску (ψ _тиску).

(3.2)

При переміщенні клітини в чисту воду остання входитиме в клітку до тих пір, поки ψ _осм в клітці не буде урівноважений. Збільшення ψ _тиску відбувається через опір клітинної стінки збільшенню об'єму протопласта під час надходження до нього води.

Якщо клітину помістити у водний розчин, ψ _осм якого буде більш негативним, ніж, ψ _кл, то вода виходитиме з клітини в цей зовнішній розчин. При цьому ψ _кл зменшуватиметься через зменшення в клітині як ψ _осм, так і ψ _тиску. Вихід води з клітини відбуватиметься до тих пір, поки ψ у клітині і у зовнішнього розчину не зрівняються.