Поступление веществ в клетку

Обмен веществ совершается постоянно не только между организмом и внешней средой, но и между отдельными клетками, тканями и органами внутри растения. Наличие плотной оболочки, окружающей каждую растительную клетку, препятствует поглощению ею твёрдых пищевых частиц, и вследствие этого клетки растительных организмов могут питаться исключительно за счёт веществ, растворенных в воде. Поступление в клетку из окружающей среды различных веществ, необходимых для её жизнедеятельности, осуществляется на основе диффузии, осмоса и адсорбции.

Диффузия и осмос. Эти явления связаны с движением молекул, свойственным всем веществам - твёрдым, жидким и газообразным. Основное различие между этими веществами сводится лишь к различной быстроте движения их молекул: наименьшей подвижностью обладают молекулы твёрдых тел, способные только колебаться, наиболее быстро движутся молекулы газов. Растворённые в воде вещества являются молекулярно-дисперсными; отдельные их молекулы и ионы, рассеянные среди молекул растворителя, утрачивают силы сцепления друг с другом и находятся в состоянии непрерывного движения, подобного движению газовых частиц. Для молекул жидкостей и газов характерна способность диффундировать, т. е. перемещаться во всех направлениях до тех пор, пока они не распределятся равномерно по всему доступному пространству. Процесс диффузии лежит в основе многих биологических явлений.

Проникновение молекул в клетку из окружающей среды осуществляется через клеточную оболочку и внутриклеточные мембраны. Однако не все растворённые вещества переходят в клетку одинаково легко. Возможность прохождения вещества через перепонку зависит от величины его молекул, от электрического заряда диффундирующей частицы, от сцепления её с молекулами воды и от растворимости частиц в жирах. Способность перепонки пропускать то или иное вещество зависит от её структуры и размера пор.

Проницаемая перепонка пропускает свободно любые вещества; непроницаемая не пропускает никаких веществ; полупроницаемая обладает избирательной проницаемостью, т. е. легко пропускает газы и растворители и с трудом - растворённые в них вещества. Клеточная оболочка представляет собой проницаемую перепонку, через которую могут проходить почти все вещества, тогда как мембраны, находящиеся на поверхности цитоплазмы (плазмалемма), вакуоли (тонопласт) и ядра, обладают полупроницаемостью.

Проникновение молекул одного вещества в другое при непосредственном соприкосновении или через проницаемую перепонку называется диффузией. Явление диффузии можно наблюдать, если мешочек, сделанный из материала с достаточно крупными порами (пергамент, целлофан) наполнить сахаром, завязать и поместить в сосуд с водой. Сначала вода быстро проникнет в мешочек, но затем молекулы сахара начнут диффундировать в окружающую воду, и этот свободный обмен молекулами будет происходить до тех пор, пока концентрации жидкостей не уравняются.

Проникновение молекул вещества через полупроницаемую перепонку получило название осмоса. Молекулы растворителя при наличии полупроницаемой мембраны всегда передвигаются в направлении более концентрированного раствора. От концентрации раствора зависит величина осмотического давления, и чем она выше, тем выше осмотическое давление.

Осмотическое давление в клетках растений различно и зависит от многих факторов - вида растения, условий внешней среды и др. Особенно высокое осмотическое давление наблюдается в клетках растений, обитающих на засолённых почвах и в степях.

Адсорбция. Молекулы и ионы веществ, проникающих в клетку, прежде всего адсорбируются на поверхностном слое цитоплазмы - плазмалемме. Следовательно, первым этапом в поступлении вещества в клетку из окружающей среды является адсорбция. Затем вещество, поглощённое плазмалеммой, передается в мезоплазму. При этом происходит непрерывный обмен между имеющимися в клетке ионами и прежде всего между образующимися при дыхании ионами угольной кислоты (Н+ и НСО^-) и поступающими внутрь клетки анионами и катионами различных электролитов. Таким образом, поступление в клетку различных веществ представляет собой сложный биологический процесс, тесно связанный с различными физико-химическими явлениями.

Тургор и плазмолиз. Клеточный сок, находящийся в вакуолях, содержит различные растворенные вещества и имеет определённую концентрацию, являясь осмотически деятельным раствором. Если клеточный сок имеет более высокую концентрацию, чем окружающий раствор, то, обладая более высоким осмотическим давлением, он притягивает воду, которая будет проникать в клетку через оболочку в цитоплазму и вакуоль. При этом, увеличиваясь в объёме, клеточный сок оказывает давление на цитоплазму, прижимая её к оболочке, которая в силу своей упругости давит на содержимое клетки. Создается напряжённое состояние клеточной оболочки, называемое тургором. Давление, возникающее при этом в клетке, называется тургорным. По мере поступления в клетку воды тургорное давление будет возрастать до тех пор, пока клеточная оболочка не достигнет предела растяжения. После этого всасывание клеткой воды прекращается. Тургор является нормальным физиологическим состоянием растительной клетки. Степень тургора зависит от разности концентраций и, следовательно, осмотического давления внутри и вне клетки, а также от упругости оболочки. Благодаря тургору растение может сохранять прямое положение, поддерживать массу листьев, противостоять механическим воздействиям и т. д.

Если концентрация клеточного сока станет ниже, чем в окружающей среде, вода устремится в сторону более концентрированного раствора и, следовательно, будет выходить из клетки, что вызовет падение тургорного давления. При этом объём вакуоли сократится, а содержимое клетки, сжимаясь, начнет отставать от оболочки и постепенно соберется в виде комочка в центре клетки (рис. 23). Наступает плазмолиз, который представляет собой состояние, обратное тургору. При плазмолизе клетки несколько уменьшаются в размерах, и все растение вянет. Длительный и сильный плазмолиз может вызвать гибель клетки. Клетку, сохранившую жизнеспособность, можно из плазмолиза снова вернуть в тургорное состояние, понизив концентрацию окружающего раствора. Возвращение плазмолизированной клетки в состояние тургора называется деплазмолизом.