Урок розрахований на 80-90 хв. Тема уроку дозволяє продемонструвати учням взаємозв'язок таких предметів як біологія, географія, хімія, фізика. У дужках наведено варіанти відповіді питання, які мені хотілося б отримати від учнів.

Цілі:ознайомлення учнів з даними про вміст води в клітинах різних тканин та водний обмін у різних організмів, з сучасними уявленнями про структуру та властивості води, її біологічними функціями; вдосконалення навичок логічного мислення.

Обладнання:фізична мапа Землі, пробірки, склянки, капілярні трубки; кухонна сіль, етиловий спирт, сахароза, олія, парафін, яєчний білок, шлунковий сік, лід; довідники з фізики та хімії.

Організаційний момент

Вчитель повідомляє учням тему та цілі уроку та порядок його проведення.

Перевірка знань учнів на тему «Елементний і хімічний (молекулярний) склад клітини». Троє учнів працюють біля дошки, інші (за варіантами) працюють за картками.

Робота біля дошки

1. На дошці написано перелік елементів: F, Zn, N, Ca, J, Cl, Na, H, Mn, Cu, P, C, K, Fe, O, Mg, Co, з яких потрібно вибрати органогенні (біогенні) , макроелементи, мікроелементи. Вказати процентний вміст їх у клітині.

(Відповідь учнів:а) органогенні: N, H, C, O; б) макроелементи: Са, Сl, Na, Mn, P, K, Fe, Mg; в) мікроелементи: F, Zn, J, Cu, Co).

2. Надати характеристику органогенних елементів. Пояснити, чому під час розвитку життя Землі ці елементи виявилися «зручними» для хімії життя.

3. Записати на дошці відомості про хімічний (молекулярний) склад клітини із зазначенням відсоткового вмісту основних класів речовин.

Робота за картками

Письменно дайте відповідь на запитання.

Варіант 1Як впливає недолік якогось із необхідних елементів(органогенного, макроелемента, мікроелемента) на життєдіяльність клітини, організму? У чому це може виявитися? Наведіть приклади.

Варіант 2Який висновок можна зробити з того, що клітини мають подібний елементний та хімічний (молекулярний) склад?

Варіант 3.Яке наукове значення мають дані про схожість та відмінності елементного складу (якісного та кількісного) живої та неживої природи?

Вивчення нового матеріалу

Вміст води в клітинах та організмах

1. Прочитайте віршовані рядки Михайла Дудника і скажіть, чи вони вірні з біологічної точки зору. (Вірш записано на дошці.)

Кажуть, що з вісімдесяти відсотків води складається людина,
З води, додам, рідних його річок,
З води, додам, – дощів, що його напоїли,
З води, додам, із давньої води, джерел.
З яких його діди та прадіди пили...

(Відповідь учнів. Віршовані рядки вірні, т.к. більш ніж на 2/3 людина складається із води.)

2. Дивлячись на фізичну картку, Згадайте, яке співвідношення площ суші і Світового океану на нашій планеті.

(Відповідь учнів. Світовий океан, тобто. вода, що оточує материки та острови, займає близько 71% земної поверхні.)

Коментар вчителя. Вода як покриває більшу частину земної поверхні, а й становить більшість всіх живих істот: мікроорганізмів, рослин, тварин, людини.

3. Чи велике значення води у житті людини?

(Відповідь учнів. Людина п'є воду, миється нею, використовує в різних виробництвах, сільському господарстві. Зараз багато країн світу відчувають нестачу прісної води, Для її отримання доводиться будувати спеціальні заводи, очисні споруди.)

Коментар вчителя. Вода, така звична речовина, має зовсім дивовижні властивості. Тільки завдяки цим властивостям води стало можливим життя на Землі. При пошуку життя на інших планетах один з найважливіших питань- Чи є там достатньо води. Унікальне значення води для біологічних систем обумовлено навіть просто кількісним вмістом її у живих організмах.

4. Наведіть приклади вмісту води у клітинах різних організмів, їх тканинах та органах, відомі вам з курсів ботаніки, зоології, анатомії та фізіології людини.

(Відповідь учнів. Вода становить 80% маси клітини в молодому організмі людини або тварини та 60% – у клітинах старого. У клітинах головного мозку її 85%, а в клітинах зародка, що розвивається, - 90%. Якщо людина втрачає 20% води, настає смерть. Щоправда, не у всіх клітинах людини вміст води такий великий. Скажімо, у клітинах емалі зубів її лише 10–15%. Багато води в клітинах м'якоті соковитих плодів і листі рослин, але її дуже мало в клітинах сухого насіння або спорах рослин і мікроорганізмів, тому вони можуть зберігатися дуже довго, поки знову не обводяться в умовах, що сприяють їх проростанню.)

5. Чим визначаються відмінності у вмісті води у клітинах?

(Відповідь учнів. Води більше у тих клітинах, у яких обмін речовин протікає інтенсивніше.)

Надходження води в організми тварин та рослин

Які ви знаєте способи одержання води різними організмами?

(Відповідь учнів. Шляхи надходження води в організм дуже різноманітні:

а) через поверхню тіла – у одноклітинних організмів, нижчих рослин, личинок деяких комах, жаб, риб та інших водних організмів;
б) з їжею та питтям – у більшості тварин;
в) є тварини, які майже не п'ють чи п'ють дуже мало. Це можливим з допомогою: метаболічної води, тобто. води, що утворюється в організмі при окисленні, головним чином жирів (при окисленні 1 г жиру утворюється 1,1 г води); економного витрачання води, яке в одних забезпечується наявністю водонепроникних покривів, в інших – високою концентрацією сечі (так, наприклад, у верблюдів сеча у 8 разів концентрованіша за плазму); запасів води (наприклад, у личинок);
г) рослини поглинають воду з ґрунту за допомогою кореневих волосків;
д) незвичайні способи одержання води мають: епіфіти - рослини, що поселяються, головним чином на стовбурах, гілках інших дерев - поглинають воду з повітря; багато парасолькових рослин затримують вологу в чашоподібних піхвах листя, звідки вона поступово всмоктується через епідерміс.

Будова молекули та властивості води

Численні біологічні функції, Виконувані водою, забезпечуються її унікальними властивостями, а унікальність властивостей води визначається структурою її молекули.

1. Згадайте відомі вам із курсу хімії особливості будови молекули води.

(Відповідь учнів. У молекулі води (емпірична формула H 2 O) один атом кисню ковалентно пов'язаний із двома водневими атомами. Молекула має форму трикутника, в одній із вершин якого знаходиться атом кисню, а в двох інших – по атому водню.

2. Який характер ковалентного зв'язку між атомом кисню та атомами водню?

(Відповідь учнів. Зв'язок між атомом кисню та атомами водню полярна, т.к. кисень притягує електрони сильніше, ніж водень.)

Коментар вчителя. Дійсно, атом кисню через свою більшу електронегативність притягує електрони сильніше, ніж атоми водню. Наслідком є ​​полярність молекули води. У цілому нині молекула води електронейтральна, але електричний заряд усередині молекули розподіляється нерівномірно, й у атомів водню переважає позитивний заряд, а області, де розташований кисень, – негативний заряд (рис. 1). Тому така молекула є електричним диполем.

Мал. 1. Молекула води, в якій один атом кисню ковалентно пов'язаний із двома атотмами водню. Молекула полярна

Негативно заряджений атом кисню однієї молекули води притягує позитивно заряджені атоми водню двох інших молекул, тому молекули води виявляються пов'язаними один з одним водневими зв'язками. З поняттям водневого зв'язку ви вже знайомі (рис. 2).

Мал. 2. Водневі зв'язки (лінії) між молекулами води; атоми кисню (білі кружки) несуть часткові негативні заряди, тому вони утворюють водневі зв'язки з атомами водню (чорні кружки) інших молекул, що несуть часткові позитивні заряди

У рідкій воді ці слабкі зв'язки швидко утворюються і також швидко руйнуються при безладних зіткненнях молекул. Саме завдяки здатності молекул води зв'язуватися один з одним за допомогою водневих зв'язків, вода має низку властивостей, що мають важливе значення для життя.

Завдання групам учнів

Клас ділиться п'ять груп, кожна з яких, використовуючи заздалегідь приготовлене устаткування, працює з інструктивної картці, що містить завдання.

Завдання 1-й групі

Вам запропонований ряд речовин: кухонна сіль, етиловий спирт, сахароза, олія, парафін. Спробуйте послідовно розчинити ці речовини у питній воді. Які із запропонованих речовин розчиняються у воді, а які ні? Спробуйте пояснити, чому одні речовини у воді можуть розчинятися, а інші не можуть. З якою властивістю води ви при цьому познайомились?

Завдання 2-й групі

У пробірку з білими пластівцями нерозчинного яєчного білка, нагріту на водяній бані до 37 ° С, додайте шлунковий сік. Що ви спостерігаєте? Яка реакція відбулася і завдяки якому ферменту шлункового соку? З якою властивістю води ви познайомились?

Завдання 3-й групі

Опустіть шматочки льоду у склянку з водою. Що ви спостерігаєте? Що ви можете сказати про щільність води та льоду? Конкретні відомості про щільність води та льоду можна отримати з «Довідника по елементарної фізики»(Єнохович). З якими особливостями води ви познайомились?

Завдання 4-й групі

Вам відомо, що вода закипає та переходить у пароподібний стан при температурі 100 °С. Використовуючи "Довідник з елементарної фізики", порівняйте температуру кипіння води з температурою кипіння інших рідин. Спробуйте пояснити отримані результати.

Завдання 5-й групі

Спробуйте налити воду в склянку з верхом. Чому можливо? У склянку з водою повільно опустіть скляну трубку малого діаметра. Що ви спостерігаєте? Поясніть результати досвіду. З якою властивістю води ви познайомились?

Звіт 1-ї групи

У воді із запропонованих речовин розчиняються: кухонна сіль, етиловий спирт, сахароза (тростинний цукор). Не розчиняються: рослинна олія та парафін. З отриманих результатів можна зробити висновок, що речовини з іонною хімічним зв'язком(кухонна сіль), а також неіонні сполуки (цукри, спирти), у молекулах яких, напевно, присутні заряджені (полярні) групи, у воді розчиняються. Вода одна із найбільш універсальних розчинників: майже всі речовини розчиняються у ній, хоча у слідових кількостях.

Коментар вчителя. Якщо енергія тяжіння між молекулами води та молекулами будь-якої речовини більша, ніж енергія тяжіння між молекулами води, то речовина розчиняється. Розчинні у воді речовини називаються гідрофільними (солі, луги, кислоти та ін.). Неполярні (що не несуть заряду) з'єднання у воді практично не розчиняються. Їх називають гідрофобними (жири, жироподібні речовини, каучук та ін.).

Звіт 2-ї групи

Нерозчинні пластівці яєчного білка під впливом пепсину шлункового соку розчиняються. Наявна реакція ферментативного гідролізу (розщеплення) білків на амінокислоти з приєднанням молекули води при розриві кожної пептидного зв'язку. Подібні реакції протікають у шлунково-кишковому трактілюдини та тварин:

Таким чином, вода може вступати в хімічні реакції, тобто. є реагентом.

1. Яку будову має вода?

Відповідь. Молекула води має кутову будову: ядра, що входять до її складу, утворюють рівнобедрений трикутник, в основі якого знаходяться два водні, а у вершині – атом кисню. Міжядерні відстані О-Нблизькі до 0,1 нм, відстань між ядрами атомів водню дорівнює 0,15 нм. З шести електронів, що становлять зовнішній електронний шар атома кисню в молекулі води, дві електронні пари утворюють ковалентні зв'язку О-Н, а інші чотири електрони є дві неподілені електронні пари.

Молекула води є маленьким дипольом, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. У ядер водню є недолік електронної щільності, але в протилежному боцімолекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної густини. Саме така структура визначає полярність молекули води.

2. Яка кількість води (в %) міститься у різних клітинах?

Кількість води неоднакова в різних тканинах та органах. Так, у людини в сірій речовині головного мозку її вміст становить 85%, а в кістковій тканині – 22%. Найбільший вміст води в організмі спостерігається в ембріональний період (95%) та з віком поступово зменшується.

Зміст води у різних органах рослин коливається у досить широких межах. Воно змінюється залежно від умов довкілля, віку та виду рослин. Так, вміст води у листі салату становить 93-95%, кукурудзи – 75-77%. Кількість води неоднакова у різних органах рослин: у листі соняшника води міститься 80-83%, у стеблах – 87-89%, у корінні – 73-75%. Вміст води, що дорівнює 6-11%, характерно головним чином для повітряно-сухого насіння, в якому процеси життєдіяльності загальмовані. Вода міститься у живих клітинах, у мертвих елементах ксилеми та у міжклітинниках. У міжклітинниках вода перебуває у пароподібному стані. Основними органами, що випаровують рослини є листя. У зв'язку з цим природно, що найбільше води заповнює міжклітини листя. У рідкому станівода знаходиться в різних частинахклітини: клітинної оболонки, вакуолі, цитоплазми. Вакуолі – найбільш багата водою частина клітини, де вміст її досягає 98%. При найбільшій обводненості вміст води у цитоплазмі становить 95%. Найменший змістВода характерна для клітинних оболонок. Кількісне визначення вмісту води в клітинних оболонках утруднене; мабуть, воно коливається від 30 до 50%. Форми води в різних частинахрослинні клітини також різні.

3. Яка роль води у живих організмах?

Відповідь. Вода – переважний компонент всіх живих організмів. Вона має унікальні властивості завдяки особливостям будови: молекули води мають форму диполя і між ними утворюються водневі зв'язки. Середній вміст води у клітинах більшості живих організмів становить близько 70%. Вода в клітині присутня у двох формах: вільної (95% усієї води клітини) та пов'язаної (4-5% пов'язані з білками).

Функції води:

1. Вода як розчинник. Багато хімічних реакцій у клітині є іонними, тому протікають лише у водному середовищі. Речовини, що розчиняються у воді, називаються гідрофільними (спирти, цукру, альдегіди, амінокислоти), що не розчиняються - гідрофобними ( жирні кислоти, целюлоза).

2. Вода як реагент. Вода бере участь у багатьох хімічних реакціях: реакціях полімеризації, гідролізу, у процесі фотосинтезу.

3.Транспортна функція. Пересування організмом разом із водою розчинених у ній речовин до різних його частин і виведення непотрібних продуктів з організму.

4. Вода як термостабілізатор та терморегулятор. Ця функція обумовлена ​​такими властивостями води, як висока теплоємність – пом'якшує вплив на організм значних перепадів температури у навколишньому середовищі; висока теплопровідність – дозволяє організму підтримувати однакову температуру у всьому його обсязі; висока теплота випаровування - використовується для охолодження організму при потовиділенні у ссавців та транспірації у рослин.

5. Структурна функція. Цитоплазма клітин містить від 60 до 95 % води, і саме вона надає клітинам їхньої нормальної форми. У рослин вода підтримує тургор (пружність ендоплазматичної мембрани), у деяких тварин служить гідростатичним скелетом (медузи)

Питання після § 7

1. У чому особливість будови молекули води?

Відповідь. Унікальні властивості води визначаються структурою молекули. Молекула води складається з атома, пов'язаного з двома атомами Н полярними. ковалентними зв'язками. Характерне розташування електронів у молекулі води надає їй електричної асиметрії. Більше негативний атом кисню притягує електрони атомів водню сильніше, в результаті загальні пари електронів зміщені в молекулі води в його бік. Тому, хоча молекула води загалом не заряджена, кожен із двох атомів водню має частково позитивним зарядом (позначається 8+), а атом кисню несе частково негативний заряд (8-). Молекула води поляризована і є диполем (має два полюси).

Частково негативний заряд атома кисню однієї молекули води частково притягується позитивними атомами водню інших молекул. Таким чином кожна молекула води прагне зв'язатися водневим зв'язком з чотирма сусідніми молекулами води.

2. Яке значення води як розчинника?

Відповідь. Завдяки полярності молекул та здатності утворювати водневі зв'язки вода легко розчиняє іонні сполуки (солі, кислоти, основи). Добре розчиняються у воді деякі неіонні, але полярні сполуки, т. е. у молекулі яких присутні заряджені (полярні) групи, наприклад цукру, прості спирти, амінокислоти. Речовини, добре розчинні у воді, називаються гідрофільними (від грец. Hygros - вологий і Philia - дружба, схильність). Коли речовина перетворюється на розчин, її молекули чи іони можуть рухатися вільніше і, отже, реакційна здатність речовини зростає. Це пояснює, чому вода є основним середовищем, в якому протікає більшість хімічних реакцій, а всі реакції гідролізу та численні окислювально-відновні реакції йдуть за безпосередньою участю води.

Речовини, погано чи зовсім нерозчинні у воді, називаються гідрофобними (від грец. phobos – страх). До них відносяться жири, нуклеїнові кислоти, деякі білки та полісахариди. Такі речовини можуть утворювати з водою поверхні розділу, на яких протікає багато хімічних реакцій. Отже, те що, що вода не розчиняє неполярні речовини, для живих організмів також дуже важливий. До важливих у фізіологічному відношенні властивостей води належить її здатність розчиняти гази (О2, СО2 та ін).

3. Що таке теплопровідність та теплоємність води?

Відповідь. Вода має високу теплоємність, тобто здатність поглинати теплову енергіюпри мінімальному підвищенні температури. Велика теплоємність води захищає тканини організму від швидкого та сильного підвищення температури. Багато організмів охолоджуються, випаровуючи воду (транспірація у рослин, потовиділення у тварин).

4. Чому вважають, що вода є ідеальною рідиною для клітин?

Відповідь. Високий вміст води в клітині - найважливіша умоваїї діяльності. При втраті більшої частини води багато організмів гинуть, а ряд одноклітинних і навіть багатоклітинних організмівтимчасово втрачає всі ознаки життя. Такий стан називається анабіозом. Після зволоження клітини прокидаються і стають знову активними.

Молекула води електронейтральна. Але електричний заряд усередині молекули розподілений нерівномірно: в області атомів водню (точніше, протонів) переважає позитивний заряд, в області, де розташований кисень, вища за щільність негативного заряду. Отже, частка води – це диполь. Дипольною властивістю молекули води пояснюється здатність її орієнтуватися в електричному полі, приєднуватися до різних молекул і ділянок молекул, що несуть заряд. Внаслідок цього утворюються гідрати. Здібністю води утворювати гідрати обумовлені її універсальні розчинні властивості. Якщо енергія тяжіння молекул води до молекул будь-якої речовини більша, ніж енергія тяжіння між молекулами води, речовина розчиняється. Залежно від цього розрізняють гідрофільні (грец. hydros - вода і phileo - люблю) речовини, добре розчинні у воді (наприклад, солі, луги, кислоти ін.), і гідрофобні (грец. hydros - вода і phobos - страх) речовини, важко чи зовсім не розчинні у воді (жири, жироподібні речовини, каучук та ін.). До складу клітинних мембранвходять жироподібні речовини, що обмежують перехід із зовнішнього середовища в клітини та назад, а також з одних частин клітини в інші.

Більшість реакцій, що протікають у клітині, можуть йти лише у водному розчині. Вода – безпосередній учасник багатьох реакцій. Наприклад, розщеплення білків, вуглеводів та інших речовин відбувається в результаті взаємодії їх з водою, що каталізується ферментами. Такі реакції називаються реакціями гідролізу (грец. hydros – вода та lysis – розщеплення).

Вода має високу теплоємність і водночас відносно високу для рідин теплопровідність. Ці властивості роблять воду ідеальною рідиною для підтримки теплової рівноваги клітини та організму.

Вода – основне середовище для протікання біохімічних реакцій клітини. Вона є джерелом кисню, що виділяється при фотосинтезі, і водню, який використовується для відновлення продуктів асиміляції вуглекислого газу. І нарешті, вода - основний засіб пересування речовин в організмі (струм крові та лімфи, висхідні та низхідні струми розчинів по судинах у рослин) та в клітці.

5. Яка роль води у клітці

Забезпечення пружності клітини. Наслідки втрати клітиною води в'янення листя, висихання плодів;

Прискорення хімічних реакцій з допомогою розчинення речовин, у воді;

Забезпечення переміщення речовин: надходження більшості речовин у клітину та видалення їх із клітини у вигляді розчинів;

забезпечення розчинення багатьох хімічних речовин (ряду солей, цукрів);

Участь у низці хімічних реакцій;

Участь у процесі теплорегуляції завдяки здатності до повільного нагрівання та повільного остигання.

6. Які структурні та фізико- хімічні властивостіводи визначають її біологічну рольу клітці?

Відповідь. Структурні фізико-хімічні властивості води визначають її біологічні функції.

Вода є добрим розчинником. Завдяки полярності молекул та здатності утворювати водневі зв'язки вода легко розчиняє іонні сполуки (солі, кислоти, основи).

Вода має високу теплоємність, тобто здатність поглинати теплову енергію при мінімальному підвищенні власної температури. Велика теплоємність води захищає тканини організму від швидкого та сильного підвищення температури. Багато організмів охолоджуються, випаровуючи воду (транспірація у рослин, потовиділення у тварин).

Вода має також високу теплопровідність, забезпечуючи рівномірний розподіл тепла по всьому організму. Отже, висока питома теплоємність і висока теплопровідність роблять воду ідеальною рідиною підтримки теплового рівноваги клітини і організму.

Вода практично не стискається, створюючи тургорний тиск, визначаючи об'єм та пружність клітин та тканин. Так, саме гідростатичний скелет підтримує форму у круглих хробаків, медуз та інших організмів.

Вода характеризується оптимальним для біологічних систем значенням сили поверхневого натягу, що виникає завдяки утворенню водневих зв'язків між молекулами води та іншими речовинами. Завдяки силі поверхневого натягу відбувається капілярний кровотік, висхідний і низхідний струм розчинів у рослинах.

У певних біохімічних процесах вода виступає як субстрат.

Вода - це найпоширеніша хімічна сполукана Землі, її маса найбільша у живому організмі. Підраховано, що вода становить 85 % від загальної маси середньостатистичної клітини. Тоді як у клітинах людини вода у середньому становить близько 64%. Однак вміст води в різних клітинах може суттєво коливатися: від 10% у клітинах емалі зубів до 90% у клітинах зародка ссавців. Причому молоді клітини містять більше води, ніж старі. Так, у клітинах немовляти вода становить 86%, у клітинах старої людини лише 50%.

У особин чоловічої статі вміст води в клітинах в середньому 63%, жіночої — трохи менше 52%. Чим це спричинено? Виявляється все просто. У жіночому тілі багато жирової тканини, у клітинах якої мало води. Тому вміст води в жіночому організмі приблизно на 6-10% нижче, ніж у чоловічому.

Унікальні властивості води зумовлені структурою молекули. З курсу хімії вам відомо, що різна електронегативність атомів водню та кисню є причиною виникнення ковалентного полярного зв'язку в молекулі води. Молекула води має форму трикутника (87), у якому електричні зарядирозташовані несиметрично, і є диполем (згадайте визначення цього терміну).

За рахунок електростатичного тяжіння атома водню однієї молекули води атома кисню іншої молекули між молекулами води виникають водневі зв'язки.

Розглянуто особливості структури та фізико-хімічні властивості води (здатність води бути універсальним розчинником, змінна щільність, висока теплоємність, великий поверхневий натяг, плинність, капілярність та ін.), що зумовлюють її біологічне значення.

Які функції виконує вода в організм? Вода - це розчинник. Полярна будова молекули води пояснює її властивості розчинника. Молекули води вступають у взаємодію з хімічними речовинами, Елементи яких мають електростатичні зв'язки, і розкладають їх на аніони та катіони, що призводить протікання хімічних реакцій. Як відомо, багато хімічних реакцій відбувається тільки у водному розчині. При цьому сама вода залишається інертною, тому може використовуватись в організмі неодноразово. Вода є середовищем для транспортування різних речовинусередині організму. Крім того, кінцеві продукти обміну речовин виводяться з організму переважно у розчиненому вигляді.

У живих істот існує два основних типи розчинів. (Згадайте класифікацію розчинів.)

Так званий істинний розчинколи молекули розчинника збігаються за розмірами з молекулами розчинної речовини, вони розчиняють. В результаті відбувається дисоціація та утворюються іони. У цьому випадку розчин є гомогенним і, висловлюючись науковою мовою, Складається з однієї - рідкої фази. Типовими прикладами є розчини мінеральних солей, кислот або лугів. Оскільки в таких розчинах є заряджені частинки, то вони здатні проводити електричний струмі є електролітами, як і всі розчини, що зустрічаються в організмі, у тому числі кров хребетних тварин, де міститься багато мінеральних солей.

Колоїдний розчин це той випадок, коли молекули розчинника значно менші за розмірами молекул розчиненої речовини. У таких розчинах частинки речовини, які називаються колоїдними, вільно рухаються в товщі води, оскільки сила їхнього тяжіння не перевищує силу їх зв'язків з молекулами розчинника. Такий розчин вважається гетерогенним, тобто складається з двох фаз - рідкої та твердої. Всі біологічні рідини є сумішами, до складу яких входять справжні та колоїдні розчини, оскільки в них містяться як мінеральні солі, так і величезні молекули (наприклад білків), які мають властивості колоїдних частинок. Тому цитоплазма будь-якої клітини, кров або лімфа тварин, молоко ссавців одночасно містять іони та колоїдні частки.

Як ви, напевно, пам'ятаєте, біологічні системи підпорядковуються всім законам фізики та хімії, тому в біологічних розчинах спостерігаються фізичні явища, які відіграють значну роль у життєдіяльності організмів.

Властивості води

Дифузія (від лат. дифузіо - поширення, розтікання, розсіювання) в біологічних розчинах проявляє себе як тенденція до вирівнювання концентрації структурних частинок розчинених речовин (іонів і колоїдних частинок), що в кінцевому підсумку призводить до рівномірного розподілу речовини в розчині. Саме завдяки дифузії відбувається харчування багатьох одноклітинних істот, транспортування кисню та поживних речовин по тілу тварин за відсутності в них кровоносної та дихальної систем (згадайте, що це за тварини). Крім того, транспортування багатьох речовин до клітин здійснюється саме завдяки дифузії.

Ще одне фізичне явище- Осмос (від грец. Осмос - поштовх, тиск) - переміщення розчинника через напівпроникну мембрану. Осмос викликає переміщення води з розчину, що має низьку концентрацію розчинених речовин та високий вміст Н20 у розчині з високою концентрацією розчинених речовин та низьким вмістом води. У біологічних системахце ніщо інше, як транспортування води на рівні клітки. Саме тому осмос відіграє значну роль у багатьох біологічних процесах. Сила осмосу забезпечує рух води в рослинному і тваринному організмах, завдяки чому їхні клітини набувають поживних речовин і підтримують постійну форму. При цьому слід зазначити, що чим більша різниця в концентрації речовини, тим більший осмотичний тиск. Тому якщо клітини помістити в гіпотонічний розчин, вони за рахунок різкого надходження води набухнуть і розірвуться.

Життєдіяльність клітин, тканин та органів рослин обумовлена ​​наявністю води. Вода є конституційною речовиною. Визначаючи структуру цитоплазми клітин та її органел, завдяки полярності молекул вона є розчинником органічних і неорганічних сполук, що беруть участь в обміні речовин, і виступає фоновим середовищем, в якому відбуваються всі біохімічні процеси. Легко проникаючи через оболонки та мембрани клітин, вода вільно циркулює по всій рослині, забезпечуючи перенесення речовин і тим самим сприяючи єдності метаболічних процесів організму. Завдяки високій прозорості вода не перешкоджає поглинанню сонячної енергії хлорофілом.

Стан води в клітинах рослин

Вода в клітці представлена ​​в декількох формах, які принципово відрізняються. Основними з них є конституційна, сольватна, капілярна та резервна вода.

Частина молекул води, що входять до клітини, утворює водневі зв'язки з рядом радикалів молекул органічних речовин. Особливо легко водневі зв'язки утворюють такі радикали:

Цю форму води прийнято називати конституційної . Вона міститься клітиною із силою до 90 тис. бар.

Завдяки тому, що молекули води є диполями, вони утворюють із зарядженими молекулами органічних речовин цілісні агрегати. Така вода, пов'язана з молекулами органічних речовин цитоплазми силами електричного тяжіння, отримала назву сольватної . Залежно від типу рослинної клітини частку сольватної води припадає від 4 до 50% її загальної кількості. Сольватна вода подібно до конституційної не має рухливості і не є розчинником.

Значна частина води клітини є капілярної , оскільки вона розміщується у порожнинах між макромолекулами. Сольватна та капілярна вода утримується клітиною із силою, яку називають матричним потенціалом. Він дорівнює 15-150 бар.

Резервний називають воду, що усередині вакуолей. Вміст вакуолей є розчином цукрів, солей та ряду інших речовин. Тому резервна вода утримується клітиною із силою, яка визначається величиною осмотичного потенціалу вакуолярного вмісту.

Поглинання води клітинами рослин

Оскільки для молекул води в клітинах немає активних переносників, то її переміщення в клітини і клітин, а також між сусідніми клітинами здійснюється тільки за законами дифузії. Тому градієнти концентрації розчинених речовин є основними двигунами для молекул води.

Рослинні клітини залежно від їхнього віку та стану поглинають воду, використовуючи послідовне включення трьох механізмів: імбібіція, сольватації та осмосу.

Імбібіція . При проростанні насіння починає поглинати воду завдяки механізму імбібіції. При цьому заповнюються вакантні водневі зв'язки органічних речовин протопласту, і вода активно надходить з навколишнього середовищау клітину. Порівняно з іншими силами, що діють у клітинах, імбібіційні сили колосальні. Для деяких водневих зв'язків вони досягають величини 90 тис. бар. При цьому насіння може набухати і проростати в порівняно сухих ґрунтах. Після заповнення всіх вакантних водневих зв'язків імбібіція зупиняється та вмикається наступний механізм поглинання води.

Сольватація . У процесі сольватації поглинання води відбувається шляхом побудови гідратаційних шарів довкола молекул органічних речовин протопласту. Загальна обводненість клітини продовжує підвищуватися. Інтенсивність сольватації суттєво залежить від хімічного складупротопласту. Чим більше клітини гідрофільних речовин, тим повніше використовуються сили сольватації. Гідрофільність зменшується у ряду: білки -> вуглеводи -> жири. Тому найбільша кількість води на одиницю ваги шляхом сольватації поглинає білкове насіння (горох, боби, квасолю), проміжну – крахмалисту (пшеницю, жито), а найменшу – олійне (льон, соняшник).

Сили сольватації поступаються потужністю силам імбібіція, але вони все одно досить значні і досягають 100 бар. До кінця процесу сольватації обводненість клітини настільки велика, що утворюється капілярна волога, починають виникати вакуолі. Однак з моменту їх утворення сольватація припиняється і подальше поглинання води можливе тільки за рахунок осмотичного механізму.

Осмос . Осмотичний механізм поглинання води діє лише у клітинах, що мають вакуоль. Напрямок руху води при цьому визначається співвідношенням осмотичних потенціалів розчинів, що входять до осмотичної системи.

Осмотичний потенціал клітинного соку, позначається через Р,визначається за формулою:

Р = iRcT,

де Р -осмотичний потенціал клітинного соку

R -газова постійна, рівна 0,0821;

Т -температура за шкалою Кельвіна;

i- ізотонічний коефіцієнт, що вказує на характер електролітичної дисоціаціїрозчинених речовин.

Ізотонічний коефіцієнт сам по собі дорівнює

і= 1 + α ( n + 1),

де α - ступінь електролітичної дисоціації;

п -кількість іонів, куди дисоціює молекула. Для неелектролітів п = 1.

Осмотичний потенціал ґрунтового розчину зазвичай позначають грецькою буквою π.

Молекули води завжди переміщаються із середовища з меншим осмотичним потенціалом у середу з більшим осмотичним потенціалом. Отже, якщо клітина знаходиться в ґрунтовому (зовнішньому) розчині при Р>π, то вода надходить у клітини. Надходження води в клітину припиняється при повному вирівнюванні осмотичних потенціалів (вакуолярний сік на вході поглинання води розбавляється) або при досягненні клітинної оболонкою межі розтяжності.

Таким чином, клітини отримують воду з навколишнього середовища лише за однієї умови: осмотичний потенціал клітинного соку повинен бути вищим, ніж осмотичний потенціал навколишнього розчину.

Якщо Р< π, має місце відтік води із клітини у зовнішній розчин. Під час водовіддачі обсяг протопласту поступово зменшується, він відходить від оболонки, і в клітці виникають невеликі порожнини. Такий стан називають Плазмоліз . Етапи плазмолізу показані на рис. 3.18.

Якщо співвідношення осмотичних потенціалів відповідає умові Р = π, дифузії молекул води взагалі не відбувається.

Великий фактичний матеріал свідчить, що осмотичний потенціал клітинного соку рослин коливається у досить широких межах. У сільськогосподарських рослин у клітинах коренів він зазвичай лежить в амплітуді 5-10 бар, у клітинах листя може підніматися до 40 бар, а у клітинах плодів – до 50 бар. У рослин солончаків осмотичний потенціал клітинного соку досягає 100 бар.

Мал. 3.18.

А – клітина в стані тургору; Б – кутовий; В - увігнутий; Г - опуклий; Д - судомний; Е – ковпачковий. 1 – оболонка; 2 – вакуоль; 3 – цитоплазма; 4 – ядро; 5 - нитки Гехта

Зміст води у різних органах рослин коливається у досить широких межах. Воно змінюється залежно від умов довкілля, віку та виду рослин. Так, вміст води у листі салату становить 93-95%, кукурудзи – 75-77%. Кількість води неоднакова у різних органах рослин: у листі соняшника води міститься 80-83%, у стеблах – 87-89%, у корінні – 73-75%. Вміст води, що дорівнює 6-11%, характерно головним чином для повітряно-сухого насіння, в якому процеси життєдіяльності загальмовані.

Вода міститься у живих клітинах, у мертвих елементах ксилеми та у міжклітинниках. У міжклітинниках вода перебуває у пароподібному стані. Основними органами, що випаровують рослини є листя. У зв'язку з цим природно, що найбільше води заповнює міжклітини листя. У рідкому стані вода знаходиться у різних частинах клітини: клітинній оболонці, вакуолі, цитоплазмі. Вакуолі – найбільш багата водою частина клітини, де вміст її досягає 98%. При найбільшій обводненості вміст води у цитоплазмі становить 95%. Найменший вміст води притаманно клітинних оболонок. Кількісне визначення вмісту води в клітинних оболонках утруднене; мабуть, воно коливається від 30 до 50%.

Форми води у різних частинах рослинної клітини також різні. У вакуолярному клітинному соку переважає вода, яка утримується порівняно низькомолекулярними сполуками (осмотично пов'язана) і вільна вода. В оболонці рослинної клітини вода пов'язана, головним чином, високополімерними сполуками (целюлозою, геміцелюлозою, пектиновими речовинами), тобто колоїдно-пов'язана вода. У самій цитоплазмі є вода вільна, колоїдно-і осмотично пов'язана. Вода, що знаходиться на відстані до 1 нм від поверхні білкової молекули, міцно пов'язана і не має правильної гексагональної структури (колоїдно-пов'язана вода). Крім того, в цитоплазмі є певна кількість іонів, а отже частина води осмотично пов'язана.

Фізіологічне значення вільної та зв'язаної води по-різному. Як вважає більшість дослідників, інтенсивність фізіологічних процесів, у тому числі й темпів зростання залежить в першу чергу від вмісту вільної води. Є пряма кореляція між вмістом зв'язаної води та стійкістю рослин проти несприятливих зовнішніх умов. Зазначені фізіологічні кореляції не завжди.

Для свого нормального існування клітини та рослинний організм загалом повинні містити певну кількість води. Однак це легко можна здійснити лише для рослин, що ростуть у воді. Для сухопутних рослин це завдання ускладнюється тим, що вода в рослинному організмі безперервно втрачається в процесі випаровування. Випаровування води рослиною досягає великих розмірів. Можна навести такий приклад: одна рослина кукурудзи випаровує за вегетаційний період до 180 кг води, а 1 га лісу Південній Америцівипаровує в середньому за добу 75 тис. кг води. Величезна витрата води пов'язана з тим, що більшість рослин має значну листову поверхню, що знаходиться в атмосфері, не насиченою парамиводи. Разом з тим розвиток великої поверхні листя необхідний і виробився в процесі тривалої еволюції для забезпечення нормального живлення вуглекислим газом, що міститься в повітрі в незначній концентрації (0,03%). У своїй знаменитій книзі «Боротьба рослин із посухою» К.А. Тимірязєв ​​вказував, що протиріччя між необхідністю вловлювати вуглекислий газі скорочувати витрати води наклало відбиток на будову всього рослинного організму.

Для того щоб відшкодувати втрати води при випаровуванні, рослина повинна безперервно надходити велику її кількість. Безперервно йдуть у рослині два процеси - надходження та випаровування води - називають водним балансом рослин.Для нормального росту та розвитку рослин необхідно, щоб витрата води приблизно відповідала приходу, або, інакше кажучи, щоб рослина зводила свій водний балансбез величезного дефіциту. Для цього у рослині в процесі природного відбору виробилися пристосування до поглинання води (колосально розвинена коренева система), до пересування води (спеціальна провідна система), до скорочення випаровування (система покривних тканин і система устьичних отворів, що автоматично закриваються).

Незважаючи на всі зазначені пристрої, в рослині часто спостерігається водний дефіцит, тобто надходження води не врівноважується її витрачанням у процесі транспірації.

Фізіологічні порушення настають у різних рослин за різного ступеня водного дефіциту. Є рослини, які виробили у процесі еволюції різноманітні пристосування до перенесення зневоднення (посухостійкі рослини). З'ясування фізіологічних особливостей, визначальних стійкість рослин до нестачі води,- найважливіше завдання, дозвіл якої має велике як теоретичне, а й сільськогосподарське практичне значення. Разом з тим, для того, щоб її вирішити, необхідне знання всіх сторін водообміну рослинного організму.