Розділ II ВОДООБМІН РОСЛИН

Тема 1.РОСЛИННА КЛІТИНА ЯК ОСМОТИЧНА СИСТЕМА (частина 1)

Мета. Дослідити основні  властивості рослинної клітини як осмотичної системи, умови поглинання води клітиною в залежності від фізіологічного стану рослини, оволодіти основними засобами визначення  осмотичного тиску та  всисної сили клітини. 

Питання до обговорення.

1.	Водний потенціал. Хімічний потенціал.
2.	Осмотичний тиск, тургорний тиск.
3.	 Всисна сила клітини.

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 (μw). Точкою відліку рівня вільної енергії молекул води береться її рівень у молекул чистої води в стандартних умовах (μ0w). 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
         
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 (ψосм).
 	Осмотичний потенціал — компонент водного потенціалу розчину, який визначається присутністю розчинених речовин, що знижують хімічний потенціал води. Тому (ψосм) 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 (ψосм) вище (тобто менш негативна величина), в розчин з більшою концентрацією, в якому (ψосм) 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 (ψтиску) Загальний водний потенціал клітини  залежить від осмотичного потенціалу (ψосм) і потенціалу тиску (ψтиску).
       
При розміщенні клітини в чистій воді остання входитиме в клітину до тих пір, поки ψосм в клітині не буде урівноважений ψтиску, який збільшується.. Збільшення ψтиску відбувається через опір клітинної стінки збільшенню об'єму протопласта під час надходження до нього води.
Якщо клітину помістити у водний розчин, ψосм якого буде більш негативним, ніж, ψкл, то вода виходитиме з клітини в цей зовнішній розчин. При цьому ψкл зменшуватиметься через зменшення в клітині як ψосм, так і ψтиску. Вихід води з клітини відбуватиметься доти, поки ψ клітини і зовнішнього розчину не зрівняються.

Лабораторна робота 1.  Явище осмосу. Переміщення води за градієнтом водного потенціалу в штучній «клітинці» Траубе
«Клітинка» Траубе — модель клітини, запропонована дослідником Траубе. Її одержують, поміщаючи кристал гексоцианоферату (II) калію K4[Fe (CN)6] або гексоцианоферату (III) калію K4[Fe (CN)6] у водний розчин СuSO4.
Навкруги кристала в результаті взаємодії солей утворюється осадкова мембрана гексоцианоферату (II) або (III)  міді:
K4[Fe (CN)6]+ 2СuSO4 = Cu2[Fe (CN)6]+ 2K2SO4.
Ця мембрана проникна тільки для молекул води, але не для розчинених в ній речовин, тобто має властивість напівпроникності.

Матеріали і обладнання: 1) 0,5 % водний розчин СuSO4; 2) кристали гексоцианоферату (II) калію; 3) пробірки на 10 мл.
Хід роботи
В невеликий циліндр або пробірку наливають на 3/4 об'єму 0,5 % розчину СuSO4 і потім на дно цієї судини опускають кристал K4[Fe (CN)6].
Мембрана утворює замкнутий мішечок - штучну клітину. Напівпроникна плівка K4[Fe(CN)6] розподіляє два розчини різної концентрації: усередині мішечка знаходиться концентрований розчин фероцианіду калію (що утворюється при розчиненні кристала солі), а зовні — розчин сульфату міді. Виникає струм води всередину мішечка, об'єм розчину фероцианіду калію збільшується, внаслідок чого мембрана розтягується. Будучи дуже тонкою, мембрана в окремих місцях розривається під дією гідростатичного тиску. В цих місцях солі знову взаємодіють, виникають нові ділянки мембрани, що призводить до нерівномірного збільшення розміру мішечка. Мішечок ростиме, поки увесь кристал не розчиниться. Подальше надходження води в мішечок призведе до розриву плівки, і вона осяде у вигляді пластівців на дно стаканчика.
Для дистанційного навчання: подивитись відео https://youtu.be/L8uzq2Yu4GI

Завдання: описати дослід, зробити малюнок, сформулювати висновок про механізм переміщення води через напівпроникну мембрану.

Лабораторна робота2. Визначення осмотичного тиску клітинного соку плазмолітичним методом (за де-Фрізом)
Концентрацію клітинного соку, в якому розчинена велика кількість різноманітних органічних і мінеральних речовин, частіше за все визначають за його потенційним осмотичним тиском. Плазмолітичний метод визначення осмотичного тиску клітинного соку полягає в тому, що зрізи досліджуваної тканини занурюють в ряд розчинів відомої концентрації, а потім розглядають в мікроскоп. Виходячи з того, що плазмоліз здатні викликати тільки гіпертонічні розчини, знаходять такий розчин, в якому спостерігається початковий (кутковий) плазмоліз не менше ніж у 50% клітин досліджуваної тканини. Ізотонічний розчин знаходитиметься між цим розчином і наступним (більш слабим), який не викликає плазмолізу. Концентрація ізотонічного розчину дорівнює (з відомою часткою погрішності) середньому арифметичному між концентраціями вказаних сусідніх розчинів.

Матеріали і обладнання: 1) цибулина синьої цибулі; 2) 1М розчин NаС1 або сахарози; 3) дистильована вода; 4) годинникове скло; 5) банки або бюкси для розчинів (7 шт.); 6) кришки або шматочки скла для закриття банок (7 шт.); 7) мікроскоп; 8) предметні і покривні скельця; 9) лезо бритви; 10) препарувальна голка; 11) скляна паличка; 12) стакан з кип'яченою водою; 13) шматочки фільтрувального паперу; 14) олівець по склу.
Хід роботи
Приготувати по 5 мл розчинів NаС1 або сахарози концентрацією від 0,1 до 0,7 моль/л, використовуючи 1М розчин NаС1 і дистильовану воду (табл. 3.1). Ретельно перемішавши розчини, закрити банки кришками або шматочками скла для захисту від випаровування.
Приготувати 14 проб рослинної тканини (шматочки епідермісу цибулі) і помістити їх у воду на годинникове скло (вода повинна бути кип'яченою, щоб не було пухирців повітря). При зануренні у воду віддаляється сік, що витікає з пошкоджених клітин, і досягається однаковий стан всіх зрізів. Через декілька хвилин витягнути зрізи з води, обсушити фільтрувальним папером і занурити по 2 в кожний розчин, починаючи з самого концентрованого. При цьому необхідно стежити за тим, щоб зрізи не плавали на поверхні, а були занурені в розчини (якщо зріз спливає, його слід «втопити» препаровальною голкою).

Концентрація дослідного розчину, моль/л	На 5 мл розчину	
	1М розчину NаС1, мл	Води, мл	
0,1	0,5	4,5	
0,2	1,0	4,0	
0,3	1,5	3,5	
0,4	2,0	3,0	
0,5	2,5	2,5	
0,6	3,0	2,0	
0,7	3,5	1,5	
Через 20-30 хв. розглянути зрізи в мікроскоп в краплі відповідного розчину в тій же послідовності. Скляну паличку, якій наносилася крапля розчину, пензлик, скельця після кожного розчину необхідно ополоснути водою і витерти серветкою або фільтрувальним папером.

Результати досліду записати формою:
Концентрація розчину, моль/л	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	
Ступінь плазмолізу								
Малюнок клітини								

В другому рядку вказати, в якому стані знаходиться більшість клітин зрізу (сильний плазмоліз, коли протопласт скорочується більш ніж на 1/3, слабкий плазмоліз — цитоплазма трохи відстає від клітинної стінки, кутковий плазмоліз або відсутність плазмолізу). В третьому рядку схематично замалювати одну клітину, характерну для даного зрізу.

Знайти ізотонічну концентрацію і обчислити осмотичний тиск клітинного соку за рівнянням Вант-Гоффа:

     де Росм — осмотичний тиск, МПа; 
R — універсальна газова постійна (0,00831 кДж/град-моль); 
Т — абсолютна температура (273,4 К); 
С — концентрація розчину, моль/л; 
i — ізотонічний коефіцієнт, що показує відношення числа частинок (молекул і іонів) в розчині до початкової кількості молекул розчиненої речовини.
Для неелектролітів, наприклад для сахарози, i == 1. Для розчинів електролітів i залежить від числа іонів, на які розпадається молекула, і ступені дисоціації. Значення i для розчинів NаС1 дані в таблиці:

Концентрація NаС1, моль/л	1,0	0,8	0,7	0,6	0,5	0,4	0,3	0,2	0,1	0,01	
Ізотонічний коефіцієнт	1,62	1,64	1,66	1,68	1,70	1,73	1,75	1,78	1,83	1,93	

Завдання: зробити висновок про залежність ступеню плазмолізу клітин від концентрації зовнішнього розчину (з відповідним поясненням).

Лабораторна робота 3. Визначення водного потенціалу рослинних тканин методом Уршпрунга (за зміною довжини брусків тканини)
 Цей метод заснований на підборі зовнішнього розчину відомої концентрації, водний потенціал якого виявиться рівним величині водного потенціалу кліток тканин (). Водний потенціал зовнішнього розчину визначається його осмотичним потенціалом (ψосм). При зануренні смужок досліджуваної тканини в розчин, ψосм якого менше, довжина смужок тканини зменшується. Якщо  менше ψосм розчину, то клітини поглинають воду з розчину, об'єм їх збільшується і довжина смужок тканини теж збільшується. Довжина смужок тканини залишається без зміни в тому розчині, у якого ψосм дорівнює ψосм тканини.
Матеріали і обладнання: 1) 1М розчин хлориду натрію; 2) дистильована вода; 3) пробірки; 6) ніж для вирізування смужок тканини; 7) лінійки або міліметрівка; 8) бульби та коренеплоди овочів, плоди фруктів.
Хід роботи
У пробірках готують по 20 мл розчинів хлориду натрію з концентрацією: 1,0; 0,8; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2 М, у восьму наливають дистильовану воду. Для приготування розчинів початковий 1М розчин NаС1 розбавляють дистильованою водою.
З органу рослини вирізають пластини завтовшки 5—10 мм і ділять на однакові бруски завширшки близько 5 мм і завдовжки 40—70 мм. Довжину кожного бруска точно виміряють за допомогою лінійки перед його зануренням в розчин і після витримки в розчині протягом 40—50 хв. Результати вимірювань записують в табл. 3.5.
Таблиця 3.5.
1	Концентрація NaCl, моль/л	1,0	0,8	0,6	0,4	0,2	0,1	0	
2	Всисна сила розчину, МПа								
3	Початкова довжина бруска								
4	Довжина після перебування в розчині								
5	Різниця, мм								
6	Тургор								
Примітка: в другому рядку таблиці записати всисну силу розчинів, яка чисельно дорівнює їх осмотичному тиску. Дані для п'ятого рядка отримати, віднявши з більшої величини меншу, причому збільшення довжини позначити знаком «+», а зменшення – знаком «-». В останньому рядку відзначити ступінь тургору тканини (сильний, середній, слабкий) або його відсутність; для визначення цього показника розкласти бруски на тарілці так, щоб вони наполовину звисали з її краю.

 Для дистанційного навчання: подивитись відео та проаналізувати отримані  результати  https://youtu.be/jTDATlaBV-o

Завдання: визначити величину водного потенціалу тканин бульб  методом Уршпрунга, пояснивши причини зміни розмірів брусків в розчинах різної концентрації, і визначити всисну силу клітин.