ОСМОТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ

Изучение осмоса в растительной клетке началось давно. В 1826 г. французский ботаник Г. Дютроше смастерил для этого очень про­стое приспособление: к кончику стеклянной трубки он привязывал мешочек из пергамента, заполненный раствором соли или сахара, и опускал его в стакан с водой. При этом вода поступала в мешо­чек и раствор немного поднимался по трубке. Это была простей­шая модель клетки, которую назвали осмометром Дютроше.

В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер создал более совер­шенную модель растительной клетки (рис. 3.3), названную осмо­метром Пфеффера. Роль клеточной стенки играл пористый фарфо­ровый сосуд. Полупроницаемую мембрану получили, налив внутрь фарфорового сосуда раствор медного купороса и погрузив этот со­суд в другой, — с раствором ферроцианида калия. В результате в порах фарфорового сосуда, где оба раствора соприкасались, воз­никла полупроницаемая мембрана из ферроцианида меди — Cu₂[Fe(CN)₆]. Затем фарфоровый сосуд наполнили раствором саха-

pa, играющим роль клеточного сока, и поместили в цилиндр с во­дой. Вода стала поступать в фарфоровый сосуд. То же самое на­блюдается и в клетке: если поместить ее в воду, вода поступает в вакуоль.

Таким образом, было показано, что клетка представляет собой осмотическую систему. Теперь мы хорошо знаем, что более концен­трированный раствор — это клеточный сок, менее концентрирован­ный находится в свободном пространстве клеточной стенки, а роль полупроницаемой мембраны выполняют сообща плазмалемма, то-нопласт и расположенная между ними цитоплазма (см. рис. 3.3). Поскольку в цитоплазме находится очень много разных органелл, окруженных мембранами, то всю ее в данном случае тоже можно считать полупроницаемой. Однако это слишком упрощенное пред­ставление о клетке как об осмотической системе. Любая органелла цитоплазмы, окруженная мембраной, представляет собой осмотиче­скую ячейку. В результате осмотическое передвижение воды проис­ходит также между отдельной органеллой и цитозолем.

Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекул растворенного вещества. Сопротив­ление движению воды зависит от липидного бислоя и от конфигу­рации (строения и расположения) белковых глобул. Маленькие мо­лекулы воды легко диффундируют через плазмалемму в обоих на­правлениях: в клетку и из нее. Проницаемость плазмалеммы для воды достаточно велика. Например, если внести тяжелую воду в среду, окружающую корни, то через 1 — 10 мин процент этой воды в клетках корня будет таким же, как во внешнем растворе. Вещест­ва, разрыхляющие плазмалемму (например, пипольфен, вытесняю­щий кальций из мембран), увеличивают ее проницаемость для воды, а также для ионов.

Как долго вода может поступать в вакуоль? Теоретически по­ступление воды должно прекратиться, когда концентрация раство­ров по обе стороны полупроницаемой мембраны сравняется. Одна­ко это не так. Соединив свой прибор, имитирующий клетку, ^с трубкой, В. Пфеффер установил, что в результате поступления воды в фарфоровый сосуд с раствором сахара концентрация рас­твора уменьшается и движение воды замедляется. Поступление воды в более концентрированный раствор приводит к увеличению объема жидкости, поднятию ее по трубке осмометра. Вода будет подниматься по трубке до тех пор, пока давление водяного столба в ней не станет равным силе, с которой молекулы воды поступают в осмометр. В достигнутом состоянии равновесия полупроницаемая мембрана в единицу времени пропускает в обоих направления* одинаковые количества воды. То дополнительное давление, кото-

рое необходимо приложить к раствору, чтобы помешать односто­роннему току растворителя (воды) в раствор через полупроницае­мую мембрану, назвали осмотическим давлением (я). Давление столба жидкости в трубке служит мерой осмотического давления раствора.

В 1877 г. В. Пфеффер измерил осмотическое давление несколь­ких растворов, приготовленных растворением одного и того же ко­личества вещества в разных объемах растворителя. Датский химик Я. Вант-Гофф обобщил его результаты и предложил уравнение для расчета осмотического давления (л):

π = RTc,

где R — газовая постоянная; Т— абсолютная температура; с — кон­центрация раствора в молях. Это уравнение оказалось примени­мым ко всем разбавленным растворам, кроме растворов электроли­тов. Электролитическая диссоциация приводит к образованию в растворе большего числа частиц растворенного вещества и этим вызывает увеличение осмотического давления. Поэтому в уравне­ние (1) был введен показатель /—изотонический коэффициент, равный 1 + а (п — 1), где а — степень электролитической диссо­циации, п — число ионов, на которые распадается молекула элек­тролита. В результате уравнение осмотического давления приняло следующий вид:

π = RTci. (2)

Таким образом, осмотическое давление разбавленного раствора при постоянной температуре определяется количеством молекул, Ионов растворенного вещества в единице объема. На величину ос­мотического давления влияет концентрация лишь растворенных в воде веществ. Эти вещества называются осмотически активными (осмотиками). К ним относятся органические кислоты, аминокис­лоты, сахара, соли. Суммарная концентрация этих веществ в кле­точном соке варьирует у большинства клеток от 0,2 до 0,8 М.

Осмотическое давление измеряют, определяя то внешнее давле­ние, которое следует приложить, чтобы предотвратить подъем воды ^по трубке осмометра. Оно выражается в атмосферах, барах или пас-калях (1 атм = 1,013 бара = 10⁵ Па; 10³Па = 1 кПа; 10⁶ Па = 1 МПа). "астворы с одинаковым осмотическим давлением называются изо-^т°ническими (изоосмотическими); между ними осмос не наблюда-^ется. Раствор, имеющий большее осмотическое давление, называ-^егся гипертоническим, меньшее — гипотоническим.

После работ В. Пфеффера поступление воды в клетку стали объяснять только разностью осмотических давлений клеточного сока и наружного раствора: если клетка находится в гипотониче­ском растворе, или в воде, вода входит в нее {эндосмос); если клетка находится в гипертоническом растворе, то вода выходит из клетки {экзосмос). В последнем случае вакуоль сжимается, объем прото­пласта уменьшается, и протопласт отделяется от клеточной стенки. Происходит плазмолиз (см. рис. 1.5).

Такое объяснение поступления воды в клетку в течение многих лет считалось единственно правильным. Однако в 1918 г. А. Урш-прунг и Г. Блюм (Германия) доказали, что поступление воды в клетку зависит не только от разности осмотического давления в разных компартментах клетки. Поступая в клетку, вода тем самым увеличивает объем вакуоли, которая давит на цитоплазму и застав­ляет протопласт прижиматься к клеточной стенке. Клеточная стен­ка растягивается, отчего клетка переходит в напряженное состоя­ние — тургор. Давление протопласта на клеточную стенку получи­ло название тургорного. Если бы клеточная стенка могла растяги­ваться неограниченно, то поступление воды в вакуоль шло бы до тех пор, пока концентрация растворов снаружи и внутри клетки не сравнялась. Но так как клеточная стенка имеет небольшую эла­стичность, она начинает давить на протопласт в противоположном направлении. Это давление клеточной стенки на протопласт назы­вается тургорным натяжением.

Тургорное натяжение в соответствии с третьим законом Ньюто­на равно по абсолютной величине тургорному давлению, но проти­воположно ему по знаку. Давление клеточной стенки на прото­пласт противодействует дальнейшему поступлению воды в клетку. Когда оно станет равным осмотическому давлению, поступление воды в клетку прекратится.

Таким образом, осмотическое поступление воды приводит к возникновению гидростатического (тургорного) давления. Разница между осмотическим давлением клеточного сока и противодавле­нием клеточной стенки определяет поступление воды в клетку в каждый данный момент.

В 1959 г. Т. А. Беннет-Кларк показал, что передвижение воды с помощью диффузии из одной системы в другую зависит от разни­цы в свободной энергии. Согласно молекулярно-кинетической тео­рии, молекулы всех веществ находятся в состоянии быстрого хао­тичного движения, скорость которого зависит от энергии этих М°' лекул, характеризуемой величиной их химического потенциала.

Химический потенциал воды называется водным потенциалом (ψ). Чем ниже энергия молекул воды, тем ниже водный потенциал. Добавление к воде растворимых веществ уменьшает ее химический потенциал, так как ионы связывают воду. Следовательно, химиче­ский потенциал чистой воды наибольший; условно при стандарт­ной температуре и стандартном давлении он принят равным нулю. Поэтому химический потенциал любого раствора — отрицатель­ная величина и с увеличением концентрации растворенных веществ становится все более отрицательным.

Согласно второму закону термодинамики, перенос энергии, как I и вещества, происходит самопроизвольно лишь от более высокого уровня химического потенциала к более низкому, т. е. по градиен­ту. Молекулы воды перемещаются всегда в направлении от более высокого водного потенциала к более низкому.

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 (Ψкл) — 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 погло-Щаться.

Ту компоненту водного потенциала клетки, которая определя­йся присутствием растворенного вещества, обозначают особым Термином — «осмотический потенциал» (Ψπ).

Осмотический потенциал раствора связан прямой зависимо­стью с концентрацией растворенного вещества. С увеличением этой концентрации осмотический потенциал становится все более отрицательной величиной. В менее концентрированных растворах осмотический потенциал соответственно менее отрицателен.

В том случае, когда раствор отделен от чистой воды полупрони­цаемой мембраной, вода поступает в раствор и вследствие этого воз­никает осмотическое давление, равное по величине, но противопо­ложное по знаку, исходному осмотическому потенциалу. Раствор обладает осмотическим потенциалом, за счет которого возникает та­кое давление, и его можно обнаружить, если, например, этот рас­твор поместить в осмометр. Численно по абсолютной величине ос­мотический потенциал равен тому давлению, т. е. осмотическому давлению, которое необходимо приложить к раствору в осмометре для того, чтобы предотвратить поступление в него воды. Осмотиче­ский потенциал есть у раствора всегда, даже если этот раствор в дей­ствительности и не развивает осмотического давления.

В отсутствие противодавления клеточной стенки (Ψр) поступле­ние воды в клетку определяется водным потенциалом клетки (Ψкл), в начальный момент времени, равным (сначала) осмотическому потенциалу раствора (Ψπ),заполняющего вакуоль. Если рядом ока­жутся две клетки с разными Ψкл,то вода через клеточную стенку будет переходить из клетки с более высоким (менее отрицатель­ным) укл в клетку с более низким (более отрицательным) Ψкл. Од­нако с поступлением воды в вакуоль ее объем увеличивается, вода разбавляет клеточный сок, и клеточная стенка начинает испыты­вать давление протопласта. С увеличением объема вакуоли прото­пласт прижимается к клеточной стенке и возникает тургорное дав­ление, а вместе с ним и равное ему по величине противодавление клеточной стенки на протопласт (Ψр), о чем мы уже говорили. Ко­гда Ψр достигает довольно большой величины, дальнейший приток воды в вакуоль прекращается. Устанавливается динамическое рав­новесие, при котором суммарный поток воды равен нулю, т. е. ко­личество воды в вакуоли не изменяется, хотя молекулы воды и продолжают быстро перемещаться через мембрану в обоих направ­лениях. При этом положительный потенциал гидростатического (тургорного) давления полностью уравновешивает отрицательный осмотический потенциал и клетка перестает поглощать воду; в та­ком состоянии ее водный потенциал равен нулю. Это состояние называется состоянием насыщения. В состоянии насыщения клетка уже не сможет поглотить воду ни из какого раствора, не сможет и отнять ее от другой клетки.

Итак, водный потенциал клетки зависит от осмотического по­тенциала (—Ψπ) и от потенциала гидростатического (тургорного) давления (─Ψр) и является алгебраической суммой:─Ψкл = Ψπ─Ψр

Поскольку осмотический потенциал равен разности между хи­мическим потенциалом раствора и химическим потенциалом чис-

той воды, который равен 0, то он всегда отрицателен. Осмотиче­ский потенциал показывает, насколько прибавление растворяемого вещества снижает активность молекул. Водный потенциал клетки (Ψкл) тоже отрицателен, так как присутствие растворенных веществ снижает активность молекул воды; потенциал гидростатического давления (Ψр) наоборот, — положителен. Это соотношение пара­метров можно записать в виде следующего уравнения: ■

−Ψкл =−Ψπ −Ψр (³)

В любой данный момент времени водный потенциал клетки определяется разностью между потенциалом тургорного давления и осмотическим потенциалом.

Для клеток деревьев в состав этого уравнения включают еще одно слагаемое — гравитационный потенциал (−Ψg), отражающий влияние на активность воды силы тяжести, заметно сказывающий­ся только при подъеме воды на большую высоту. Он тоже является отрицательной величиной.

Вода всегда поступает в сторону более отрицательного водного по­тенциала: из той системы, где ее энергия больше, в ту, где ее энергия меньше. Если рядом находятся две клетки, вода будет поступать в ту клетку, у которой отрицательнее водный потенциал. Направление движения воды зависит от градиента водного потенциала.

В обычных условиях осмотический потенциал клетки не урав­новешен полностью давлением клеточной стенки. Следовательно, клеточная стенка растянута не до конца, и вода может поступать в клетку. Чем больше в клетку поступает воды, тем больше растут тургорное (гидростатическое) давление и противодавление клеточ­ной стенки. Наконец, наступает такой момент, при котором кле­точная стенка растягивается до предела, осмотический потенциал целиком уравновешивается противодавлением клеточной стенки, а водный потенциал клетки становится равным нулю (состоянием насыщения) (—Ψπ= — Ψ_p). После этого клетка уже не сможет погло­тить воду ни из какого раствора, не сможет она и отнять ее от дру­гой клетки. Это состояние наблюдается в клетках при достаточной влажности почвы и воздуха.

Если влажность почвы достаточна, а испарение не слишком ин­тенсивно, клеточная стенка насыщена водой. В этом случае вод­ный потенциал клеточной стенки выше, чем в вакуоли, и вода по­ступает в вакуоль. Если подача воды к клетке уменьшается, напри­мер при недостатке влаги в почве или при усилении ветра, то вна­чале возникает водный дефицит в клеточных стенках, водный по-^Тенциал которых становится ниже, чем в вакуолях, и вода поступа-^ет из них в клеточные стенки. Отток воды из вакуоли снижает тур-

горное давление в клетках и, следовательно, уменьшает их водный потенциал. При длительном недостатке воды большинство клеток теряет тургор и растение увядает. В этих условиях протопласт не давит на клеточную стенку; противодавление клеточной стенки равно нулю; водный потенциал клетки равен ее осмотическому по­тенциалу (−Ψкл = −Ψπ).

В условиях водного дефицита, например при суховее, в молодых тканях резкое усиление потери воды может произойти в результате испарения воды в клетке, но протопласт, сокращаясь в объеме, не отстает от клеточной стенки, а тащит ее за собой. При этом кле­точная стенка волнообразно изгибается и не только не давит на протопласт, а, наоборот, стремится его растянуть. Это состояние назвали циторризом.

Таким образом, из всего сказанного можно сделать вывод: по­ступление воды в клетку за счет осмотических сил подготавливает постепенно условия для прекращения поступления воды. Следова­тельно, поступление воды в клетку — саморегулируемый процесс. Однако если испарение воды продолжается, то опять возникает градиент водного потенциала. Между вакуолью, цитоплазмой и клеточной стенкой после каждого изменения содержания воды ус­танавливается равновесие.

У не имеющих центральной вакуоли меристематических клеток тоже происходит осмотическое поступление воды, причем избира­тельно проницаемой мембраной является плазмалемма, а осмоти­чески действующим раствором — цитозоль.

Знание величины осмотического потенциала имеет большое
значение, в частности, для экологических исследований. Его вели­
чина позволяет судить о максимальной способности растения по­
лучать воду из почвы и удерживать ее, несмотря на засушливые ус­
ловия. Эта величина колеблется в широких пределах: от —0,1 до
—20 МПа. У большинства растений умеренной зоны осмотический
потециал колеблется от —0,5 до —3,0 МПа. У растений, живущих в
пресной воде, осмотический потенциал составляет около —0,1
МПа, у морских водорослей — от —3,6 до —5,5 МПа. Для наземных
однолетних растений характерна следующая закономерность: чем в
более сухих местах они обитают, тем у них ниже осмотический по­
тенциал. Так, у растений, живущих в условиях нормального водо­
снабжения, осмотический потенциал клеток равен —0,5... —3,0 МПа,
на засоленных почвах----- 6,0... —8,0 МПа, иногда даже —10. Осмо­
тический потенциал, равный —20,0 МПа был обнаружен у лебеды
скученнолистной, растущей на сухих и засоленных почвах пустынь
Мексики. Исключение из этого правила составляют суккуленты,
произрастающие в сухих местах, но запасающие воду в тканях. У

светолюбивых растений осмотический потенциал более отрица­тельный, чем у теневыносливых.

Обычно отрицательная величина осмотического потенциала больше у мелких клеток по сравнению с крупными. Однако даже соседние клетки одной ткани могут различаться по его величине. Так, в тканях стебля отрицательный осмотический потенциал воз­растает от периферии к центру и от основания к верхушке. В корне отрицательный осмотический потенциал, наоборот, постепенно снижается от основания к верхушке. В проводящих тканях стебля и корня осмотический потенциал колеблется от -0,1 до -0,15 МПа, а листьев — от —1,0 до −1,8 МПа.

Величина осмотического потенциала изменяется и в пределах

растения: у корней −0,5−1,0, у верхних листьев — до −4,0 МПа.

Это обусловливает существование градиента водного потенциала клеток от корней к листьям. У молодых растений осмотический потенциал меньше, чем у старых. У деревьев он отрицательнее, чем у кустарников; у кустарников более отрицателен, чем у трав. В поч­ве, атмосфере водный потенциал обычно отрицателен.

Величина осмотического потенциала зависит также от темпера­туры, интенсивности света. Они определяют ее годичные и суточ­ные колебания. Около полудня потеря воды в результате транспи-рации и накопление продуктов фотосинтеза в клетках листьев вы­зывают уменьшение осмотического потенциала. При хорошем во­доснабжении, в частности у водных растений, колебания осмоти­ческого потенциала зависят только от скорости фотосинтеза, свя­занного с изменением освещенности в течение дня.

Растение может регулировать величину осмотического и, сле­довательно, водного потенциала. Превращение сложных нерас­творимых веществ в растворимые (крахмала в сахар, белков в аминокислоты) приводит к возрастанию концентрации клеточно­го сока и понижению водного потенциала. Накопление раствори­мых солей в вакуоли также вызывает изменение его величины. Несмотря на то, что осмотический потенциал меняется в зависи­мости от внешних условий, для каждого вида растений изменения его величины происходят в определенных пределах. Величину ос­мотического потенциала некоторые экологи даже считают одной из характеристик вида.

Однако осмос в живой клетке нельзя считать просто односто­ронней диффузией, не зависящей от обмена веществ; для него не­обходима энергия. Факторы, стимулирующие дыхание, ускоряют поступление воды в клетку и, наоборот, факторы, ингибирующие его, уменьшают ее поступление. Следовательно, для поступления воды в клетки нужна энергия АТФ.

Почему для осмоса нужна энергия? Во-первых, нужно иметь растворы разной концентрации по обе стороны мембраны; энергия тратится на активный транспорт растворенных веществ в вакуоль и создание градиента концентрации. Во-вторых, осмотически актив­ные вещества, накапливающиеся в вакуоли, являются продуктами метаболизма, следовательно, для их образования тоже затрачивает­ся энергия. И, в-третьих, энергия необходима для сохранения из­бирательной проницаемости мембран. Стоит прекратить затрату энергии для поддержания структуры мембран, как они станут про­ницаемыми, что приведет к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны — в результате осмос прекратится.

Осмотические процессы лежат в основе многих процессов, на­пример поступления воды, движения органов растения, движения устьиц.