Осмос и живые организмы
Движение воды через плазматическую мембрану из гипотонического раствора в гипертонический создает немалые проблемы для живых организмов, особенно обитающих в водной среде. Сложность проблем зависит от того, гипотоничен, изотоничен или гипертоничен организм по отношению к окружающей среде. Многие одноклеточные организмы, живущие в соленой воде, как правило, изотоничны среде обитания, что и решает проблему. Аналогично клетки высших животных изотоничны окружающей их крови и лимфе. Многие типы клеток окружены гипотонической средой. У некоторых пресноводных одноклеточных организмов, например у эвглены, содержимое клетки гипертонично по отношению к окружающей воде. Следовательно, вода стремится внутрь клетки. Если в клетку поступит избыток воды, она может разбавить клеточное содержимое и даже разорвать плазматическую мембрану. Избыток воды удаляется с помощью сократительной вакуоли, которая собирает воду со всех частей клетки и выкачивает ее наружу, ритмично сокращаясь.
Тургор
Если растительную клетку помещают в гипотонический раствор, то протопласт увеличивается в объеме, плазматическая мембрана растягивается, и возрастает давление на клеточную оболочку. Клетка, однако, не разрывается, поскольку ограничивающая ее клеточная стенка достаточно прочна.
В вакуолях растительных клеток, как правило, содержатся крепкие растворы солей, сахара, органические кислоты и аминокислоты. В результате этого клетки растений постоянно осмотически поглощают воду и создают внутреннее гидростатическое давление. Это давление, направленное на клеточную оболочку, делает клетку упругой или тургесцентной. Поэтому гидростатическое давление в растительных клетках обычно называют тургорным давлением. Тургорное давление можно определить как давление, которое развивается в растительной клетке в результате осмоса и (или) имбибиции. Имбибиция (от лат. imbibere – впитывать) – это поступление молекул воды в вещества, подобные древесине или желатине, которые в результате этого набухают и увеличиваются в объеме. Давления, развивающиеся вследствие имбибиции, могут быть удивительно велики. Говорят, что камень для древнеегипетских пирамид добывали, забивая деревянные колышки в отверстия скал и затем смачивая их водой. Разбухающая древесина создавала силу, которая разламывала каменную плиту. В живых растениях Имбибиция происходит, в частности, в семенах, которые в результате могут увеличиваться в объеме во много раз.
Тургорному давлению противостоит равное ему по величине механическое давление клеточной стенки, направленное внутрь клетки. Оно называется давлением клеточной стенки.
Тургор особенно важен для поддержания неодревесневших частей растения. Рост растительной клетки в значительной степени определяется поступлением воды, поскольку основное увеличение размера клетки происходит за счет увеличения вакуоли. Гормон ауксин, по-видимому, способствует поступлению воды, ослабляя клеточную стенку и уменьшая этим ее сопротивление тургорному давлению.
Рис. 2. Плазмолиз в эпидермалъной клетке листа.
А. В нормальных условиях протоплазма заполняет пространство, ограниченное клеточной оболочкой.
Б. Если клетку поместить в концентрированный раствор сахарозы, вода начинает выходить из клетки в гипертоническую среду, а плазматическая мембрана сокращаться.
В. Перенесенная в более концентрированный раствор сахарозы, клетка теряет больше воды, и ее протопласт сжимается сильнее
Большинство тургесцентных растительных клеток существуют в гипотонической среде. Если, однако, тургесцентную клетку поместить в гипертонический раствор, то вода в результате осмоса начнет выходить из клетки, вакуоль и протопласт сожмутся, что приведет к отделению плазматической мембраны от клеточной оболочки — плазмолизу (рис. 2). Этот процесс обратим, если клетку перенести в чистую воду.