В чем роль осмоса для жизни на Земле. Благодаря осмосу растения

Экспериментальное исследование: "Осмос на кухне"

Разделы: Химия

Введение

Почему срезанная ветка при погружении ее в воду оживает? Какие силы заставляют влагу проникать в растение и двигаться внутри него? Что удерживает воду в клетках и не даёт ей выходить наружу? Каким образом клетка растения оказывается проницаемой для воды только в одном направлении: снаружи - внутрь? Учёные очень давно пытались ответить на эти вопросы, но определённой ясности удалось добиться только в конце Х1Х века. Прошло ещё некоторое время, и в лабораториях сумели смоделировать (хотя и очень грубо) это таинственное природное явление. И это явление, при котором наблюдается одностороннее проникновение растворителя через полупроницаемую мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя, называется осмосом. Несомненно, что первым растворителем на земле явилась сама природа. Попробуй-ка с этим поспорить, если первую же свою травинку природа сумела напоить таким способом, который сегодня дал толчок возникновению нового метода опреснения. Что же это за таинственный метод, патент на который природа получила миллионы лет назад? Всё живое пользуется этим методом. И не мудрено — ведь без осмоса невозможно утолить жажду ни человеку, ни растению! Что значит хотеть пить?! Это значит, что клеткам нашего организма не хватает воды.      

А уже в наши дни успехи исследования осмоса заставили работать клетки в самых разных областях науки и техники.

Слово “осмос” имеет греческое происхождение и означает толчок, давление. Уникальные свойства живых организмов, которые позволяют их клеткам избирательно поглощать и переносить различные вещества, стали предметом исследования многих учёных. Им удалось создать синтетические плёнки - так называемые мембраны, непроницаемые для одних веществ и “прозрачные” для других. После этого такие “совершенные фильтры” начали завоёвывать самые разные области науки и техники. С их помощью очищают газы и нефтепродукты, опресняют морскую воду, обрабатывают молоко и фруктовые соки, производят лекарства и витамины и делают ещё многое - многое другое. Интерес исследователей к данной теме продиктован актуальностью вынесенной в заглавие проблемы.  Целью настоящей работы было - изучить явление осмоса, смоделировать его и подтвердить на опытах гипотезу, что жизнь без осмоса невозможна, так как питательные вещества поступают в организм благодаря осмотическому давлению. Осмос, на взгляд исследователей, имеет большое значение для растительных и животных организмов, способствуя достаточному обводнению клеток и межклеточных структур.

Методы, используемые в работе:

1) описательный метод, 2) метод наблюдения, 3) экспериментальный метод.

Объяснение осмоса

Собрались однажды математики на охоту. Но прежде чем отправиться в путь, они решили все обсудить. Вопрос стоял перед ними нешуточный: как поймать льва? Было над чем голову поломать.

Долго думали математики. Но вот, наконец, самый молодой из них произнес нижеследующее:

“Поймать льва — это так просто! Известно, что есть пустыня. Известно, что в пустыне имеется лев. Предположим, что существует полупроницаемая мембрана, которая пропускает через себя всё, кроме льва. Натягиваем мембрану поперёк пустыни — льва сдаём в зоопарк”.

Шутка математиков оказалась для водоснабженцев делом серьезным. Вооружившись полупроницаемыми мембранами, они тоже устроили охоту. Но ловили они не львов, а... соли. Соли, которые находятся в воде.

Чем пресная вода отличается от соленой?

В солёной воде, кроме молекул воды, находятся еще соли. Поэтому молекул воды в стакане с пресной водой больше, чем в стакане с солёной - часть объема в солёной воде занимает соль.

Посмотрим через микроскоп на пылинку в капле пресной воды и мы увидим, что она не стоит на месте — её двигают молекулы воды, которые находятся в постоянном движении.

Давление со стороны пресной воды возрастёт, и молекулы воды начнут переходить из пресной воды в солёную. Получается осмос.

Осмос - (от греч. “толчок”, “давление”), односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), обусловленная стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентрации растворов по обе стороны мембраны. Характеризуется осмотическим давлением. Это мы можем увидеть прямо сейчас, рассмотрев этот наглядный пример...       В 1748 году французский физик-экспериментатор Ж. А. Нолле, занимаясь изучением кипения жидкостей, столкнулся с неизвестным до тех пор явлением. В одном из своих опытов он герметично закрыл стакан со спиртом плёнкой бычьего пузыря и погрузил его на дно большого сосуда с водой. Через несколько часов пузырь сильно раздулся - вода проникла в стакан и увеличила давление в нём. Нолле не прошёл мимо этого удивительного факта и объяснил его следующим образом: “Животный пузырь может быть более проницаем для воды, чем для спирта; в таком случае скорость прохождения воды окажется больше скорости прохождения спирта”.   Вспомним, что происходит при растворении какого-нибудь вещества в растворителе. Молекулы вещества проникают в растворитель, а молекулы растворителя - в область, занятую раствором. Такая взаимная диффузия (проникновение) и приводит к выравниванию концентраций растворённого вещества и растворителя по всему объёму. Теперь представим себе ситуацию, при которой раствор и чистый растворитель разделены полупроницаемой перегородкой - она пропускает молекулы растворителя, но не пропускает молекулы растворённого вещества. Очевидно, что в этом случае выравнивание концентраций может происходить только за счёт односторонней диффузии растворителя. Молекулы растворителя будут перемещаться через мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный, вызывая в последнем повышение уровня жидкости. Другими словами можно сказать, что растворитель проникает в раствор под действием сил так называемого осмотического давления. Как только гидростатическое давление столба уравновесит осмотическое давление, процесс прекратится.

Полупроницаемая мембрана

Полупроницаемой мембраной называется плёнка, пропускающая молекулы растворителя и не пропускающая молекулы растворённого вещества. Такую мембрану можно вырастить самому. Для этого в раствор медного купороса нужно бросить кристаллик жёлтой кровяной соли. Кристаллик должен быть чистым - лучше всего его отколоть от большого кристалла перед самым опытом. В результате поверхность кристаллика покрывается полупроницаемой мембраной. Вода проникает через неё и вызывает рост “клетки”. Оболочка “клетки” расширяется, а в тех местах, где плёнка лопается под действием внутреннего давления, сразу же снова образуется полупроницаемая оболочка. Так происходит снова и снова. Таким образом “клетка” постепенно принимает ветвистую форму. Этот классический опыт требует терпения и аккуратности, красивые “растения” с первой попытки могут и не получиться.

Процессы разделения жидких систем играют важную роль во многих отраслях народного хозяйства. Для осуществления этих процессов уже давно применяют разнообразные способы: перегонку и ректификацию, абсорбцию и адсорбцию, экстракцию и др. Однако природа за миллионы лет эволюции живых организмов выработала наиболее универсальный и совершенный метод разделения с использованием полупроницаемых мембран. Действительно, биологические мембраны обеспечивают направленный перенос необходимых организму веществ из внешней среды в клетку, и наоборот. Без мембран невозможны были бы дыхание, кроветворение, синтез белка, усвоение пищи, удаление отходов и другие процессы.

Учёные давно стремились познать и обратить на пользу человека замечательное свойство полупроницаемых мембран - пропускать одни вещества и задерживать другие. Однако идея применения мембран для технологических целей стала реальной лишь в последнее время в связи с развитием наших знаний о природе и структуре веществ, с новыми достижениями в различных областях науки, а также в производстве синтетических полимерных материалов.

Обратный осмос

А что, если надавить на соленую воду так, чтобы она под давлением, превышающим осмотическое, двигалась в сторону пресной воды? Что тогда произойдет? Тогда получится “обратный осмос”, и из соленой воды через мембрану будет выжиматься пресная.

В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы растворителя начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее. Этот процесс называется “обратным осмосом”. По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса. В процессе обратного осмоса растворитель и растворённые в нём вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистый растворитель, а все загрязнения остаются по другую её сторону. Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки. На практике, мембрана не полностью задерживает растворённые в растворителе вещества. Они проникают через мембрану, но в ничтожно малых количествах.

Поэтому очищенный растворитель все-таки содержит незначительное количество растворённых веществ. Важно, что повышение давления на входе не приводит к росту содержания солей в растворителе после мембраны. Наоборот, большее давление растворителя не только увеличивает производительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Другими словами, чем выше давление растворителя на мембране, тем больше чистого растворителя лучшего качества можно получить.

Экспериментальное исследование

Осмос на кухне

Как выпитый глоток воды попадает в клетки нашего организма?

Отгадка, как и большинство научных открытий, будет базироваться на теории и научном эксперименте. Эксперимент ставится на кухне и включает в себя три опыта.

Все опыты посвящаются одному явлению природы — осмосу. Теоретические выкладки занимают три предложения.

Теория в трех предложениях

Если два раствора разной концентрации разделить перегородкой, пропускающей молекулы воды, но задерживающей молекулы растворенного в ней вещества, то молекулы воды будут переходить в более концентрированный раствор, все больше и больше разбавляя его.

Так распорядилась природа. Люди назвали это явление — “осмос”.

Нами была проведена практическая работа, целью которой было определение закономерностей изменения осмотического давления. Я подтверждала свои гипотезы с помощью опытов.

У нас возникло несколько вариантов насчёт того что, от чего зависит осмотическое давление:

• от рода растворяемого вещества;
• от температуры раствора.

Опыт первый, или плачущий лимон (смотреть рисунок №1)

Взяли лимон и порезали его на тонкие дольки. Если нож острый, то сока при этом почти не получится. Но посыплем лимонные дольки сахаром— и понаблюдаем: спустя некоторое время из долек, как по волшебству, потечет сок.

Конечно, это никакое не волшебство. Просто тут начал действовать осмос: сок потек из лимона наружу, как бы стремясь как можно сильнее разбавить образовавшийся на его поверхности концентрированный раствор сахара.

А если мама когда-нибудь солила капусту (и мы, конечно, при этом присутствовали!), то должны были заметить следующий факт: после того как нашинкованную капусту перетрут с солью, ее объем резко уменьшается, а сама капуста становится влажной. Мама говорит: капуста пустила сок. А мы теперь можем сказать: это осмос. Ведь неважно, какое растворимое в воде вещество находится снаружи: клетки — сахар или соль.

Опыт второй, или своенравная картошка (смотреть рисунок №2)

Мы вырезали из сырой картошки три одинаковых кубика и каждый из них опустили в банку с водой, но только в одной банке воду слегка подсолили, в другой растворили как можно больше соли, а в третью - ничего не добавляли.

Спустя час-два заметили, что кубики стали различаться: первый из них (тот, что был в слабо соленой воде) остался прежнего размера,

второй (он находился в сильно соленой воде) съежился и стал значительно меньше, а третий, наоборот, разбух.

Стало понятно, что и тут сработал осмос. Первый кубик находился в слабом соляном растворе — его концентрация была примерно равна концентрации солей в картофельном соке. Второй кубик окружал раствор большей концентрации, чем концентрация солей в его собственном соке, и в результате осмоса кубик начал обезвоживаться и уменьшаться в размерах. Ну, а кубик, оставленный в водопроводной воде? С ним произошла обратная история: концентрация солей в его соке была выше, чем в воде, и вода начала переходить в кубик. Вот он и “вырос”!

Опыт третий, или морковка-насос (смотреть рисунок №3)

Взяли морковку. Самую обыкновенную. Отрезали от нее зеленый хвостик, а вместо него вставили стеклянную трубку. Получилась пика: морковка — наконечник, а трубка — древко. Если налить в трубку соленую морскую воду, а морковку поставить в стакан с водопроводной водой, то спустя некоторое время можно заметить, что уровень воды в трубке начинает ползти вверх. Это тоже осмос.

А знаете, с какой силой водопроводная вода будет давить на морковку? Она будет давить с такой силой, что сможет уравновесить столб воды высотой добрых десять метров. Такое давление называется осмотическим.

Отгадки

Когда морковка находится не в стакане с водой, а растет на огороде, то вода попадает в ее ткани точно так же. Ведь в ее соке концентрация солей выше, чем в воде, которой поливают огород.

Когда мы пьем, вода проникает в наш организм через стенки желудка благодаря осмосу – концентрация солей в крови выше, чем в воде, вот вода и просачивается в кровь.

Когда хозяйка варит суп, она солит воду сразу, чтобы из мяса и овощей вышло как можно больше сока. Но если нам надо приготовить отварное мясо, то следует его варить сначала в несоленой воде, чтобы сок не вышел. Посолить-то ведь всегда успеется!

Когда... Впрочем, здесь лучше остановиться, потому что осмос так часто встречается в нашей жизни, что всех примеров все равно не перечислишь.

Вывод: осмотическое давление зависит от концентрации растворённого вещества.

Осмос в природе

Было подтверждено, что у клетки оболочка обладает свойствами полупроницаемой мембраны. Если поместить клетки в дистиллированную воду, происходит набухание, затем разрыв оболочек. Например, эритроциты окрасят воду в красный цвет. В растворах с высокой концентрацией солей происходит сморщивание клеток из-за потери воды. Это явление используется, например, при консервировании пищевых продуктов путём добавления больших количеств соли или сахара. Микроорганизмы при этом становятся не жизнедеятельными. Осмотическое давление крови, лимфы и тканевых жидкостей человека равно 7,7 атм. при 37 градусов. У лягушек осмотическое давление меньше, а у морских животных больше. В тканях растений осмотическое давление составляет 5-20 атм., а у растений в пустынях доходит до 170 атмосфер. Для роста и развития растительных организмов имеет большое значение соотношение между осмотическими давлениями почвенного раствора и клеточного сока. Растение может нормально развиваться лишь тогда, когда осмотическое давление клеточного сока больше осмотического давления почвенного раствора.

Полезно отметить, что осмотическое давление - главная сила, обеспечивающая движение воды в растениях и её подъём от корней до вершины. Клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают её из клеток стебля, а последние из клеток корня, берущих воду из почвы. Высокоорганизованные животные и человек отличаются постоянным осмотическим давлением крови. Нарушение её губительно. Понижение осмотического давления при введении больших количеств воды или в результате потери солей вызывает рвоту, судороги и т.п. вплоть до гибели.

Повышение осмотического давления введением больших количеств солей приводит к перераспределению воды. Она скапливается в тех тканях, где откладывается избыток солей, - возникают отёки.

С явлением осмоса мы часто сталкиваемся под водой. Если нырнуть в речную воду и открыть глаза, то под веками быстро возникает чувство рези. Внутри глазных клеток концентрация растворённых веществ значительно выше, чем в пресной воде, и вода начинает проникать внутрь клеток, болезненно растягивая их. Когда мы раскрываем глаза в солёной морской воде, то, как ни странно на первый взгляд, таких болевых ощущений не испытываем, поскольку концентрации соли в морской воде и клетках ткани довольно близки. Осмотическое давление в этом случае себя не проявляет, и этому можно только радоваться.

Грустное зрелище чахлых растений, поникших листьев, засыхающих деревьев в немалой степени обязано своим происхождением отсутствию осмотического давления внутри клеток погибающих растений. Если по каким-либо причинам молекулярный насос клеточных оболочек перестаёт перекачивать воду внутрь клеток, чтобы поддержать осмотическое давление жидкости на достаточном уровне, то клетки уменьшаются в размерах и гибнут.

Заключение

В основе работы лежал экспериментальный метод исследования, который позволил доказать выдвинутую в начале работы гипотезу.

В ходе исследования осмоса, используя знания теоретического материала, связанные с изучением проблемы, вынесенной в заглавии работы, в результате практических опытов нами было установлено: осмос имеет большое значение для растительных и животных организмов, способствуя достаточному обводнению клеток и межклеточных структур, осмотическое давление зависит от концентрации растворённого вещества. Возникающее после этого осмотическое давление обеспечивает тургор клеток, т.е. их упругость. Наличие воды необходимо для нормального течения различных процессов. Поэтому данная тема актуальна для любого жителя Земли.

Многочисленными примерами мы ещё раз доказываем, что без осмоса невозможна жизнь на Земле.

Цели исследования достигнуты, гипотеза подтверждена.

Данная работа может быть интересна ученикам средних классов, опыты, проведенные исследователями интересны и показательны, не требуют особой подготовки, безопасны для жизни человека. Данную работу можно предложить для проведения содержательного классного часа, а также использовать при проведении недели естественных наук.

xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai

В чем роль осмоса для жизни на Земле

Сразу отвечаю на вопрос заголовка — эта роль неоценима. Без осмоса не было бы жизни в том виде, в каком она есть сейчас — благодаря этому процессу осуществляется питание и дыхание организмов. Наглядный пример осмоса — как цветы вянут без воды, но после полива оживают и набухают вновь.

Что такое осмос?

Осмос — это процесс, при котором растворитель (чаще всего вода) проходит через полунепроницаемую мембрану (проницаемую для растворителя и непроницаемую для растворенных веществ) в направлении большей концентрации растворенного вещества (и меньшей концентрации растворителя). Чтобы понять, как это происходит — представьте кусочек сахара, брошенный в стакан с водой. Система, состоящая из растворителя (воды) и растворяемых веществ (сахара) стремится уравновесить себя. Через какое-то время этот кусочек сахара полностью исчезнет — он будет растворен в воде.

Представим, что перед тем, как бросить сахар в стакан мы поместили его в пакетик, непроницаемый для крупных молекул — сахара, но проницаемый для небольших молекул — воды. Вода, стремясь растворить сахар проходит сквозь пакетик, наполняя и расправляя его. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока мешочек не наполнится водой до такой степени, что давление раствора в нем не будет препятствовать проникновению воды внутрь.

Роль осмоса

На самом деле, все клетки снабжены подобным мешочком - клеточной мембраной. Такая мембрана пропускает только воду, газы, и некоторые питательные вещества. Для больших белковых молекул, находящихся в растворенном состоянии внутри клетки она непроницаема, поэтому белки, необходимые для процессов клетки остаются внутри, а газы, питательные вещества и вода проникают внутрь, позволяя клетке поддерживать жизнь. Осмос также участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Обратите внимание, на заглавной иллюстрации изображены клетки растений: слева — растения пресных водоемов находятся в гипотонической среде. Поступающая вода оказывает давление на протопласт и клеточные стенки, вызывая напряженное состояние клетки — тургор. Справа — если поместить такое растение в гипертоническую среду, например, морскую воду, клетки будут терять воду, и плазматическая мембрана отодвинется от клеточной стенки.

Осмос и растения

При поливе растений именно осмос позволяет им поглощать воду — в клетках растений растворено больше солей и минералов, чем в почве, и вода всасывается через мембраны. Этот процесс не произойдет, если около корней есть большие запасы солей, которые создадут насыщенный раствор. Именно поэтому нельзя удобрять растения близко к корням.

У растений достаточно прочная мембрана, выдерживающая большие давления, поэтому даже мягкие травянистые растения обладают упругостью — тургором.

В молодых клетках тургорное давление является движущей силой растяжения клеточных стенок и обеспечивает возможности роста клетки. В отдельных случаях это давление сильно возрастает. Этим и объясняется то «чудо», когда нежные стебельки растений взламывают асфальт, пробиваясь к свету.

Осмотическое давление в биологии

На мембране, разделяющей растворы с разной концентрацией в виду осмоса возникает давление. Если клетку поместить в раствор с низкой концентрацией растворенных веществ (это называется гипотоническая среда) — вода будет проникать через мембрану и раздувать клетку. Этот эффект используется вьющимися растениями для создания высокого внутриклеточного давления, позволяющего делать прочные «усики». Этот же эффект может разрушить красные кровяные тельца (эритроциты), если их поместить в дистиллированную воду, так так у них ослаблена мембрана для лучшей проницаемости кислорода.

Если клетку поместить в раствор с такой же концентрацией растворенных веществ (изотонический раствор или среда), то эффект осмоса не будет проявляться: вода через мембрану проходить не будет. Этим иногда пользуются врачи при высоких кровопотерях, вливая так называемый физраствор — 0.9% раствор поваренной соли.

Если клетку поместить в высококонцентрированный раствор, то она съежится, отдав свою воду. У многоклеточных есть специальные рецепторы, которые следят и регулируют осмотическое давление в организме с помощью органов, которые обеспечивают выделение воды и солей из тела.

Формула осмотического давления

Осмотическое давление p численно равно давлению, которое оказало бы растворённое вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму раствора. Для весьма разбавленных растворов недиссоциирующих веществ найденная закономерность с достаточной точностью описывается уравнением: pV = νRT, где ν - число молей растворённого вещества в объёме раствора V; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

Осмотическое давление в технике

Давление, создаваемое осмосом достаточно велико (формула осмотического давления похожа по форме на закон Бойля-Мариотта). Например, норвежская компания Starkraft построила прототип электростанции, работающей на давлении осмоса, возникающем на мембране между речной и морской водой. Это давление соответствует по силе давлению 120 метрового столба воды — как в достаточно крупной гидроэлектростанции!

nezna.li

Специфичность

Специфичность - высокая избирательность действия ферментов:

- реакционная/каталитическая специфичность (по отношению к катализируемой реакции) - фермент катализирует определенный тип каталитических превращенийодного или нескольких субстратов по одному из возможных путей,

- субстратная специфичность (по отношению к соответствующим субстратам) - способность каждого фермента взаимодействовать только с одним или несколькимиопределенными субстратами; выделяют абсолютную,

групповую (относительную),

стереоспецифичность,

редко двойственную специфичность.

Стереоспецифичность – катализ только одного из стереоизомеров, например:

• специфичность к L- или D-аминокислотам – например, почти все ферменты человека взаимодействуют с L-аминокислотами,

• ферменты метаболизма углеводов имеют специфичность к D-, а не кL-моносахаридам,

• специфичность к цис- и транс-изомерам. Например, аспартаза реагирует только с транс-изомером – фумаровой кислотой, но не с малеатом (цис-изомер).

Стереоспецифичность аспартазы к транс-изомеру субстрата

3.Групповая специфичность– катализ субстратов с общими структурными особенностями, т.е. при наличии определенной связи или химической группы:

• пепсин катализирует разрыв пептидной связи, образованной карбоксильными группами ароматических аминокислот (тромбин расщепляет пептидную связь только между аргинином и глицином).

• например, наличие ОН-группы:алкогольдегидрогеназа окисляет до альдегидов одноатомные спирты (этанол, метанол, пропанол).

• Гексокиназа катализирует присоединение фосфатной группы к ряду шестиуглеродных сахаров: глюкозе, маннозе, фруктозе, галактозе и др.

4. Двойственная специфичность – фермент взаимодействует с резко различающимися по структуре субстратами. Например, ксантиноксидаза окисляет не только гипоксантин и ксантин, но и альдегиды.

21. Клетка как осмотическая система. Осмос. Уравнение осматического давления.

Растительная клетка представляет собой осмотическую систему. Пектоцеллюлозная оболочка хорошо проницаема как для воды, так и для растворенных веществ. Однако плазмалемма и тонопласт обладают избирательной проницаемостью, легко пропускают воду и менее проницаемы, а в некоторых случаях непроницаемы для растворенных веществ. В этом можно убедиться, рассмотрев явления плазмолиза и тургора. Если поместить клетку в раствор более высокой концентрации, чем в клетке, то под микроскопом видно, что цитоплазма отстает от клеточной оболочки. Это особенно хорошо проявляется на клетке с окрашенным клеточным соком. Клеточный сок остается внутри вакуоли, а между цитоплазмой и оболочкой образуется пространство, заполненное внешним раствором. Явление отставания цитоплазмы от клеточной оболочки получило на­звание плазмолиза. Плазмолиз происходит в результате того, что под влиянием более концентрированного внешнего раствора вода выходит из клетки (от своего большего химического потенциала к меньшему), тогда как растворенные вещества остаются в клетке. При помещении клеток в чистую воду или в слабо концентрированный раствор вода поступает в клетку. Количество воды в клетке увеличивается, объем вакуоли возрастает, клеточный сок давит на цитоплазму и прижимает ее к клеточной оболочке. Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка растягивается, в результате клетка переходит в напряженное состояние — тургор.

Наблюдения за явлениями плазмолиза и тургора позволяют изучить многие свойства клетки. Явление плазмолиза показывает, что клетка жива и цитоплазма сохранила полупроницаемость. В мертвых клетках мембрана не обладает полупроницаемостью, не контролирует потоки веществ, и осмотический выход воды не происходит. По скорости и форме плазмолиза можно судить о вязкости цитоплазмы. Наконец, явление плазмолиза позволяет определить величину ос­мотического потенциала в клетке (плазмолитический метод). Этот метод основан на подборе изоосмотического, или изотонического, раствора, т. е. имеющего осмотический потенциал (Ψосм. р-ра) , равный осмотическому потенциалу кле­точного сока (Ψосм. кл.). Раствор, при котором в клетке начался плазмолиз, имеет осмотический потенциал, примерно равный осмотическому потенциалу клетки. Зная концентрацию этого наружного раствора в молях, можно вычислить его осмотический потенциал, а следовательно, осмотический потенциал клетки (Ψосм. р-ра = Ψосм. кл.).

Определение величины осмотического потенциала имеет большое значение, в частности для экологических исследований. Величина осмотического потенциала позволяет судить о максимальной способности растения поглощать воду из почвы и удерживать ее, несмотря на иссушающее действие атмосферы. Осмотический потенциал колеблется в широких пределах, от —5 до —200 бар. Осмотический потенциал около —1 бара наблюдается у водных растений. Осмотический потенциал, равный —200 бар, обнаружен у выжатого сока талофта Atriplex confertifolia. В 1 л сока этого растения содержится 67,33 г хлоридов. У большинства растений средней полосы осмотический потенциал колеблется от —5 до —30 бар. Вместе с тем необходимо отметить, что факторы, действующие на изменение осмотического потенциала, чрезвычайно разнообразны. Даже соседние, рядом расположенные клетки могут отличаться по величине осмотического потенциала. Обычно отрицательная величина осмотического потенциала больше у мелких клеток по сравнению с крупными. Установлены определенные градиенты осмотического потенциала в пределах одной ткани. 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 элементах стебля и корня, как правило, отрицательная величина осмотического потенциала очень низка (от —1 до —1,5 бара). В листьях осмотический потенциал колеблется от -10 до -18 бар. Осмотический потенциал различен у разных жизненных форм. У древесных Пород он более отрицателен, чем у кустарников, а у кустарников более отрицателен, чем у травянистых растении. Разные экологические группы различаются по величине осмотического потенциала. У растений пустынь осмотический потенциал более отрицателен, чем у степных растений; у степных более отрицателен, чем у луговых. Еще меньше осмотическая концентрация у растений болотных и водных местообитаний (соответственно наименее отрицательный осмо­тический потенциал). У светолюбивых растений осмотический потенциал более отрицательный, чем у теневыносливых. На величину осмотического потенциала влияет концентрация растворенных веществ в клеточном соке — это осмотически активные вещества (органические кислоты, соли, аминокислоты, сахара). Растение в определенной степени регу­лирует величину осмотического потенциала. Ферментативное превращение сложных нерастворимых веществ в растворимые (крахмала в сахара, белков в аминокислоты) приводит к возрастанию концентрации клеточного сока и повышению отрицательной величины осмотического потенциала. Увеличенное накопление растворимых солей также делает более отрицательным осмотический потенциал. Несмотря на то, что осмотический потенциал меняется в зависимости от внешних условий, все же для каждого вида эти изменения происходят в своих определенных пределах. Величину осмотического потенциала многие физиологи считают одной из характеристик данного вида растений.

Водный потенциал клетки.

Величина осмотического потенциала имеет большое значение для определения силы, которая вызывает поступление воды в клетку. Однако надо учесть, что клеточная оболочка, свободно пропуская воду и питательные вещества, обладает ограниченной растяжимостью. При поступлении в клетку воды, в ней развивается гидростатическое давление, которое заставляет плазмалемму прижиматься к клеточной оболочке. Клеточная оболочка растягивается и, в свою очередь, оказывает противодавление — это потенциал давления; он тем больше, чем больше поступает воды в клетку. Благодаря ог­раниченной растяжимости клеточной оболочки наступает такой момент, когда давление оболочки целиком уравновешивает силу осмотического поступления воды. С термодинамической точки зрения направление движения воды определяется величиной водного потенциала. Водный потенциал — это мера энергии, с которой вода поступает в клетку. Водный потенциал показывает, насколько активность воды в системе (клетке) меньше активности чистой воды. Водный потенциал чистой воды равен нулю. Присутствие растворимых веществ в водном растворе или в клетке уменьшает концентрацию воды, снижает ее активность. Когда на водный раствор действует давление (в случае клетки противодавление оболочки, или Ψдавл) молекулы воды сближаются друг с другом, и это приводит к увеличению энергии системы, к возрастанию активности воды.

Относительное изменение объема клетки.

Таким образом водный потенциал клетки зависит прежде всего от концентрации осмотически действующих веществ — осмотического потенциала, который всегда отрицателен, и от потенциала давления в большинстве случаев положительного. Сказанное можно выразить следующим образом: Иначе говоря, водный потенциал показывает, насколько энергия воды в клетке меньше энергии чистой воды. В состоянии плазмолиза или завядания вода не давит на клеточную оболочку. Противодавление клеточной оболочки равно 0. Водный потенциал равен осмотическому потенциалу. По мере поступления воды в клетку появляется противодавление клеточной оболочки. В этом случае водный потенциал клетки будет равен разности между осмотическим потенциалом и противодавлением оболочки (потенциалом давления). Чем больше поступает воды в клетку, тем больше возрастает тургор и противодавление оболочки. Наконец наступает такой момент, при котором клеточная оболочка растягивается до предела, осмотический потенциал целиком уравновешивается противодавлением клеточной оболочки, а водный потенциал становится равным нулю. Из сказанного видно, что при переходе клетки из состояния плазмолиза к тургору водный потенциал меняется очень резко — от всей величины осмотического потенциала до нуля. Вместе с тем нельзя не отметить, что при наступлении полного тургора величина осмотического потенциала в результате поступления воды также несколько изменяется, он становится менее отрицательным. Однако это изменение составляет всего 15—20%. В обычных условиях осмотический потенциал клетки не уравновешен полностью противодавлением. Это показывает, что клеточная оболочка еще не полностью растянута и вода может поступать в клетку. Разница между осмотическим потенциалом клеточного сока и противодавлением клеточной оболочки определяет поступление воды в каждый данный момент. Вода всегда поступает в сторону более отрицательного водного потенциала: от той системы, где ее энергия больше, к той, где ее энергия меньше. Необходимо еще раз подчеркнуть, что именно водный потенциал определяет направление передвижения воды. Так, если рядом находятся две клетки А и Б, то вода будет поступать по градиенту не осмотического, а водного потенциала, в сторону более отрицательной величины последнего, т. е. из клетки А в клетку Б. Это будет происходить до того момента, пока водные потенциалы соседних клеток не выравняются. При завядании в клетках листа цитоплазма не отстает от клеточной стенки, как при плазмолизе, а сжимается и тянет ее за собой. При этом клеточная оболочка прогибается (циторриз). Развивается натяжение, или отрицательное давление, и потенциал давления приобретает отрицательное значение.

Таким образом, клетка проявляет себя как саморегулирующаяся система. Величина водного потенциала определяется степенью насыщенности клетки водой: чем меньше клетка насыщена водой, тем более отрицателен ее водный потенциал. Существует ряд методов, позволяющих определить. Наиболее простой метод заключается в том, что подбирается раствор, в котором размер клетки не меняется, а следовательно, вода не уходит из клетки и не поступает в нее. Зная молярную концентрацию раствора, можно рассчитать водный потенциал клетки. Говоря о поступлении воды в клетку, надо учитывать, что наряду с осмотическими силами в клетках существуют силы набухания. Набухание связано со способностью гидрофильных коллоидов притягивать к себе молекулы воды. Набухание может рассматриваться как особый вид диффузии, так как движение воды также идет по градиенту концентрации. Водный потенциал клеток ста­новится более отрицательным благодаря присутствию органических веществ, связывающих воду. Силу набухания обозначают термином «матричный потенциал» ). Матричный потенциал определяется влиянием на поступление воды высокомолекулярных компонентов клетки: белков цитоплазмы, полисахаридов клеточной стенки, и особенно пектиновых веществ. Матричный по­тенциал всегда отрицателен. Хорошо известно, что если сухие семена положить в воду, то они будут увеличиваться в размере. Сила набухания у сухих семян достигает —1000 бар. Большое значение имеет не только для семян, но и для молодых меристематических клеток, в которых отсутствуют вакуоли и которые заполнены цитоплазмой. При поднятии воды на относительно большую высоту (например, у высоких деревьев) на величину давления оказывает влияние сила тяжести. В этом случае в уравнение водного потенциала вводят гравитационный потенциал Ψграв. Поскольку действие силы тяжести снижает активность воды, гравитационный потенциал всегда отрицателен. Возможным механизмом поступления воды является также электроосмос. Секреция воды является следствием разности электрических потенциалов, возникающих с наружной и внутренней стороны мембраны (тонопласта). При этом движение воды может быть вызвано накоплением катионов (К+, Na+), что в свою очередь происходит под влиянием разности электрических потенциалов. Может иметь значение также заглатывание воды клеткой в процессе пиноцетоза.

О́смос (от греч. ὄσμος — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.

Более широкое толкование явления осмоса основано на применении Принципа Ле Шателье — Брауна: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос черезполупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества (см. Рис. 1). Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими. Если принять меры, чтобы концентрации не менялись, осмотическое давление достигнет постоянной величины, когда обратный поток молекул воды сравняется с прямым.

Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу — экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Это осмотическое давление возникает соответственно Принципу Ле Шателье из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя.

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров иколлоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.

Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводныепростейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.

Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Первая в мире электростанция — прототип, использующая для выработки электричества явление осмоса, запущена компанией Statkraft 24 ноября 2009 года в Норвегии вблизи города Тофте. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделенымембраной. Так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной водой моря и пресной водой фьорда развивается явление осмоса — постоянный поток молекул воды через мембрану в сторону солёного раствора, в результате чего образуется давление пресной воды на мембрану.[1] Это давление соответствует давлению столба воды в 120 метров высотой, то есть достаточно высокому водопаду. Поток воды достаточен, чтобы приводить в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию.[2] Производство носит ограниченный характер, основная цель — тестирование оборудования. Самый проблематичный компонент электростанции — мембраны. По оценкам специалистов Statkraft мировое производство может составить от 1 600 до 1 700 TWh, что сравнимо с потреблением Китая в 2002. Ограничение связано с принципом действия — подобные электростанции могут быть построены только на морском побережье.[3] Это не вечный двигатель, источником энергии является энергия солнца. Солнечное тепло отделяет воду от моря при испарении и посредством ветра переносит на сушу. Потенциальная энергия используется на гидроэлектростанциях, а химическая энергия долго оставалась без внимания.

Осмос-это самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану из разбавленного раствора или чистого растворителя в концентрированный раствор. Это явление можно продемонстрировать с помощью прибора, схематически изображенного на рис. 6.39. Широкий конец трубки, закрытый мембраной животного происхождения (например, бычьим пузырем), наполняют раствором сахара и погружают в стакан с водой. Через некоторое время вода переходит сквозь мембрану в раствор сахара.

Мембрана, пропускающая частицы растворителя, но не пропускающая частицы растворенного вещества, называется полупроницаемой мембраной. Полупроницаемая мембрана пропускает частицы растворителя в обоих направлениях. Однако, поскольку с той стороны мембраны, где концентрация раствора выше, концентрация растворителя, наоборот, ниже, происходит результирующий переход растворителя в концентрированный раствор. Это приводит к установлению разности давлений по обе стороны мембраны. Давление, которое необходимо приложить к концентрированному раствору, чтобы воспрепятствовать переносу растворителя через мембрану, называется осмотическим давлением. Его обозначают греческой буквой п.

Осмотическое давление является коллигативным свойством, поскольку оно зависит только от концентрации растворенных частиц, а не от их химического состава.

Осмотическое давление играет важную роль в биологических процессах. Например, в организме животных некоторые типы клеток, например эритроциты, содержат солевой раствор. Эти клетки ограничены плазматической мембраной. В водной среде эритроциты подвергаются осмосу, набухают и лопаются. Однако, если они попадают в более концентрированный раствор соли, клетки сморщиваются.

Модули установки для получения сверхчистой воды на основе обратного осмоса. Такая вода необходима в полупроводниковой промышленности.

Амеба-одноклеточное существо. Вода непрерывно поступает в ее тело благодаря осмосу.

Растительные клетки содержат солевые растворы в особых полостях - вакуолях. Вакуоль окружена тонким слоем цитоплазмы, который обладает свойствами полупроницаемой мембраны и контролирует поглощение воды растительной клеткой.

Если давление, приложенное к концентрированному раствору, превышает осмотическое давление, растворитель переходит из концентрированного раствора через мембрану в разбавленный раствор. Этот процесс называется обратный осмос. Он находит промышленное применение с целью получения питьевой воды из морской воды.

Эксперименты, подобные описанному выше с сахарным раствором, показывают, что: 1) при постоянной температуре осмотическое давление прямо пропорционально разности концентраций в растворах, разделенных мембраной; 2) при фиксированной разности концентраций осмотическое давление прямо пропорционально абсолютной температуре.

Соотношение между осмотическим давлением и температурой аналогично уравнению состояния идеального газа (см. разд. 3.1). Оно называется уравнением Вант-Гоффа:

 (11)

В этом уравнении тс - осмотическое давление, К-объем раствора, и-число молей растворенного вещества, T-абсолютная температура, Л-молярная газовая постоянная. Уравнение (11) может быть представлено в другой форме:

Уравнение Вант-Гоффа является приближенным и справедливо только для разбавленных растворов.

Определение относительной молекулярной массы растворенного вещества по осмотическому давлению раствора

Уравнение Вант-Гоффа может использоваться для определения относительной молекулярной массы растворенного вещества по создаваемому им осмотическому давлению, которое устанавливают экспериментальным путем. Этот метод особенно удобен для определения средней относительной молекулярной массы полимеров и других макро-молекулярных веществ.

studfiles.net

Растворы осмос, фото /

Явление осмоса было открыто в начале 19 века. Еще в то время было установлено, что при разделении воды и разбавленного вещества мембраной, сквозь нее будет совершаться диффузия молекул жидкости в сторону растворенного вещества. Если же разделить мембраной растворы с разной концентрацией, то растворитель устремится к объему с большим количеством находящихся в нем веществ.

Понимание процесса односторонней диффузии можно дополнить принципом Ле-Шатенье-Брауна, а именно: при внешнем воздействии на уравновешенную систему, при котором меняется одно из необходимых для равновесия условий, внутри нее начинают происходить процессы, компенсирующие воздействие извне.

Также данное явление порождает процесс, именуемый осмотическим давлением. Оно возникает благодаря тому, что молекулы веществ, которые не прошли через полупроницаемую мембрану, ударяются об ее стенки.

Впоследствии голландцем Я.Г. Вант-Гоффом было установлено, что осмотическое давление раствора увеличивается пропорционально концентрированности вещества. Если же температура начинает повышаться, давление увеличивается согласно степени температуры.

Объяснить явление осмоса можно на примере куриного яйца. К его скорлупе изнутри прилегает мембрана, которая свободно позволяет пройти сквозь себя молекулам воды, но не пропускает частицы сахара. Если же разделить этой пленкой два раствора сахара, концентрация одного из которых будет 5%, а другого 10%, сквозь нее будут перемещаться только водные молекулы, причем, в оба направления. Таким образом, разбавленный раствор осмос превратит в насыщенный, а концентрированный станет, наоборот, слабее. Вода будет перемещаться до тех пор, количество растворенного вещества в двух растворах не станет одинаковым, то есть пока система не придет в равновесие. Такие уравновешенные растворы носят название изотонических.

Если же сделать так, чтобы уровень концентрации растворенного вещества оставался одинаковым, осмотическое давление раствора станет постоянным, при этом прямой и обратный поток молекул воды сравняются между собой.

Роль осмоса в жизни живых существ

Осмотический процесс играет весомую роль в жизнедеятельности всех живых существ.

Если говорить о клетках организмов, то именно благодаря осмосу они получают из крови все необходимое, не выпуская из своей структуры жизненно важные вещества. Мембрана клетки проницаема только для молекул воды и кислорода, но она не пропускает сквозь себя клеточные белковые соединения.

Жидкости внутри организма человека также являются растворами воды, в которых сосредоточены ионы различных веществ. Следовательно, такие жидкости также создают осмотическое давление. В течение всей жизни оно не меняется и составляет около 7,7 атмосфер. Способность сохранять осмотическое давление именуется изосомией организма и является очень важным фактором, который есть часть гомеостаза.

Если осмотическое давление возрастает, человеческий организм восстанавливает его с помощью ликвидации из крови избытка растворенных частиц. Если же оно уменьшается, организм, наоборот, старается их приумножить. За изосомию организма, в первую очередь, отвечают почки, нервная система, а также железы внутренней секреции.

Стоит отметить, что изменение осмотического давления не проходит для организма бесследно. Его повышение сопровождается такими состояниями, как рвота, судороги и даже потеря сознания. Пониженное давление вызывает отечность и проблемы с сердечным ритмом.

Особенную роль процессы осмоса играют в медицине. В данном случае следует разделить растворы на две разновидности. Объем раствора с большим осмотическим давлением носит название гипертонического, с меньшим – гипотонического. Если поместить живые клетки в гипотонический раствор, жидкость переходит в клетку, что может спровоцировать ее разрыв.

Подобные процессы нашли свое применение в хирургии для обработки гнойных ран. На поврежденную поверхность помещают смоченную в гипертоническом растворе хлорида натрия повязку. Таким образом, гной выводится наружу и очищает рану. Повязки с раствором хлорида натрия называются гипертоническими.

Если говорить об обмене веществ у растений, то и здесь осмос крайне важен для питания. С помощью него питательные вещества способны циркулировать по стволам высоких деревьев, там, где с их переносом не справляются капилляры. В данном случае это осуществляется при помощи осмотического давления. Благодаря нему сок растения может подниматься от земли до его вершин. Осмотическое давление раствора воды и минералов, необходимых растению, порой, настолько велико, что позволяет питать стволы 100-метровых секвой. Именно благодаря осмосу увядшие цветы, поставленные в воду, оживают. Также величиной осмотического давления растения могут регулировать свою упругость, меняя объем вакуоли. При его увеличении, клеточные стенки вакуоли распирают и делают стебли жестче, что существенно повышает их стойкость к внешним воздействиям, например, ветру. Прорастание растений через асфальт, которое связывают с силой живых организмов, также происходит под осмотическим давлением. С помощью явления осмоса растения могут сделать запасы необходимой им сахарозы. Кроме того, они способны менять и сам осмос с помощью изменения объема сахарозы.

Процесс диффузии раствора в сторону растворенного вещества играет важную роль не только в жизни отдельных живых существ, но и в целых экосистемах. Но данное явление в некоторых случаях может привести к плачевным для экологии последствиям. Так, если водоем каким-то образом изменит свою концентрацию соли и прочих веществ, это приведет к вымиранию живых существ, обитающих в нем.

Процесс осмоса и промышленность

Об осмосе догадывались еще в древние времена. Египтяне применяли данный процесс для того чтобы отломить кусок от горы. Сделав в отверстие в скале, египтяне вбивали в него клин из дерева и поливали его жидкостью. Дерево разбухало и начинало раздвигать скальные породы. Таким образом, с помощью осмоса были созданы знаменитые египетские строения.

В современной промышленности и науке закон осмоса применяют для определения молярных характеристик различных полимеров и исследования биологических образцов.

С каждым годом осмотические процессы применяются все в большем количестве проектов. В 2009 году одна известная норвежская энергетическая компания познакомила мир с проектом солевого генератора, который функционирует при помощи смешивания вод разной солевой концентрации, а именно соленой и пресной. Генератор не имеет аналогий и предположительно должен вырабатывать мощность в 5 кВТ. Энергетическая станция будет работать за счет обратноосмотического процесса: чтобы привести системы в равновесие, жидкость будет перетекать из резервуара с пресной водой в отсек с морской водой. За счет производимого давления и будет вырабатываться электрический ток.

Осмос для очистки воды

Отдельное место осмотический процесс играет в системах очищения воды для промышленности и бытовых нужд. В данном случае задействуется обратноосмотическая система. В резервуар помещают грязные воды, отделенные мембраной от чистой жидкости.

В установках обратного осмоса, которые применяются для фильтрации воды в быту, объем раствора будет перемещаться через специальную синтетическую пленку, размер пор которой всего 0.0001 микрон. Она осуществляет пропуск исключительно водных молекул и прочих веществ, чья структура еще меньше воды. А это значит, что за пленкой останется вся грязь, тяжелые металлы, железо и все микроорганизмы. Обычно обратноосмотический фильтр имеет пять ступеней очистки, причем, три модуля с активированным углем делают предочистку жидкости от грубых загрязнений и металлов. Данный объем раствора будет на следующем этапе проходить сквозь мембрану, где произойдет тонкая очистка от всех прочих веществ.

Считается, что обратноосмотическое устройство для очистки воды на данный момент лучшее из всего, что может предложить промышленность. Однако есть и противники этого метода, уверяя, что вода, прошедшая сквозь мембрану, скорее, вредная, чем полезная. Дело в том, что методом обратного осмоса жидкость очищается не только от вредных, но и от полезных веществ. За мембраной остаются все минералы, которые вода в идеале должна поставлять в организм человека. Такую воду многие называют «мертвой». Она не несет в себе ничего полезного.

Чтобы этого избежать, бытовые фильтры оснащают специальными минерализаторами, которые обогащают очищенную воду необходимыми элементами. Также к фильтрам с обратноосмотическим принципом работы можно дополнительно подсоединять биокерамический картридж, внутри которого находятся шарики турмалина. Данный материал излучает инфракрасные волны, благодаря которым вода вновь приобретает природную структуру.

Если резюмировать все процессы, в которых задействован осмос, то можно сказать, что он определенно занимает важное место в функционировании всех живых существ и целых экосистем. Научившись управлять данным процессом, человек приспособил его для своих собственных нужд и продолжает делать это до сих пор. С каждым годом появляется новая концепция внедрения системы осмоса, как прямого, так и обратного.

filtryivoda.ru

Осмос - Николай Третьяков - Я автор

avtor.tululu.org

Цвет растений на других планетах

Нэнси Цзян«В мире науки» №7, 2008

Поиски внеземной жизни больше не являются прерогативой научной фантастики или охотников за НЛО. Возможно, современные технологии еще не достигли требуемого уровня, однако с их помощью мы уже способны обнаружить физические и химические проявления фундаментальных процессов, лежащих в основе живого. Астрономы открыли более 200 планет, обращающихся вокруг звезд вне Солнечной системы. Пока мы не можем дать однозначный ответ о вероятности существования на них жизни, но это лишь вопрос времени. В июле 2007 г., проанализировав звездный свет, прошедший сквозь атмосферу экзопланеты, астрономы подтвердили наличие на ней воды. Сейчас разрабатываются телескопы, которые позволят искать следы жизни на планетах типа Земли по их спектрам.

Зеленые человечки уже устарели. На планетах у иных звезд растения могут быть красными, синими и даже черными

Одним из важных факторов, влияющих на спектр отраженного планетой света, может быть процесс фотосинтеза. Но возможно ли это в других мирах? Вполне! На Земле фотосинтез служит основой практически для всего живого. Несмотря на то что некоторые организмы и научились жить при повышенной температуре в среде метана и в океанских гидротермальных источниках, богатством экосистем на поверхности нашей планеты мы обязаны именно солнечному свету.

С одной стороны, в процессе фотосинтеза возникает кислород, который вместе с образующимся из него озоном можно обнаружить в атмосфере планеты. С другой стороны, цвет планеты может говорить о наличии на ее поверхности особых пигментов, таких как хлорофилл. Почти век назад, заметив сезонное потемнение поверхности Марса, астрономы заподозрили наличие на нем растений. Были попытки обнаружить признаки зеленых растений в спектре света, отраженного от поверхности планеты. Но сомнительность этого подхода увидел даже писатель Герберт Уэллс, который в своей «Войне миров» заметил: «Очевидно, растительное царство Марса, в отличие от земного, где преобладает зеленый цвет, имеет кроваво-красную окраску». Сейчас мы знаем, что на Марсе нет растений, а возникновение более темных участков на поверхности связано с пылевыми бурями. Сам Уэллс был убежден, что цвет Марса не в последнюю очередь определяется покрывающими его поверхность растениями.

Даже на Земле фотосинтезирующие организмы не ограничиваются зеленым цветом: некоторые растения имеют красные листья, а различные водоросли и фотосинтезирующие бактерии переливаются всеми цветами радуги. А пурпурные бактерии кроме видимого света используют инфракрасное излучение Солнца. Так что же будет преобладать на других планетах? И как мы можем это увидеть? Ответ зависит от механизмов, с помощью которых инопланетный фотосинтез усваивает свет своей звезды, отличающейся по характеру излучения от Солнца. Кроме того, иной состав атмосферы также влияет на спектральный состав падающего на поверхность планеты излучения.

Выращивая свет

Чтобы представить, каким будет фотосинтез в других мирах, необходимо для начала понять, как растения осуществляют его на Земле. Энергетический спектр солнечного света имеет пик в сине-зеленой области, что заставило ученых долго ломать голову, почему же растения не поглощают наиболее доступный зеленый свет, а напротив — отражают его? Оказалось, что процесс фотосинтеза зависит не столько от общего количества солнечной энергии, сколько от энергии отдельных фотонов и числа фотонов, составляющих свет.

Каждый синий фотон несет больше энергии, чем красный, но Солнце преимущественно излучает красные. Растения используют синие фотоны из-за их качества, а красные — из-за их количества. Длина волны зеленого света лежит как раз между красным и синим, но зеленые фотоны не отличаются ни доступностью, ни энергией, поэтому растения их не используют.

В процессе фотосинтеза для фиксации одного атома углерода (полученного из углекислого газа, CO2) в молекуле сахара требуется не менее восьми фотонов, а для расщепления водород-кислородной связи в молекуле воды (h3O) — всего один. При этом появляется свободный электрон, необходимый для дальнейшей реакции. Всего же для образования одной молекулы кислорода (O2) нужно разорвать четыре таких связи. Для второй реакции образования молекулы сахара требуется еще как минимум четыре фотона. Надо отметить, что фотон должен обладать некоторой минимальной энергией, чтобы принять участие в фотосинтезе.

То, каким образом растения усваивают солнечный свет — поистине одно из чудес природы. Фотосинтетические пигменты не встречаются в виде отдельных молекул. Они образуют кластеры, состоящие как бы из множества антенн, каждая из которых настроена на восприятие фотонов определенной длины волны. Хлорофилл в основном поглощает красный и синий свет, а каротиноидные пигменты, придающие осенней листве красный и желтый цвет, воспринимают другой оттенок синего. Вся собранная этими пигментами энергия доставляется к молекуле хлорофилла, находящейся в реакционном центре, где и происходит расщепление воды с образованием кислорода.

Комплекс молекул в реакционном центре может осуществлять химические реакции, только если он получает красные фотоны или эквивалентное количество энергии в какой-то другой форме. Чтобы использовать синие фотоны, пигменты «антенны» превращают их высокую энергию в более низкую, подобно тому как ряд понижающих трансформаторов уменьшает 100 тыс. вольт линии электропередач до 220 вольт стенной розетки. Процесс начинается, когда синий фотон попадает на пигмент, поглощающий синий свет, и передает энергию одному их электронов его молекулы. Когда электрон возвращается в исходное состояние, он испускает эту энергию, но из-за тепловых и колебательных потерь меньше, чем поглотил.

Однако молекула пигмента отдает полученную энергию не в форме фотона, а в форме электрического взаимодействия с другой молекулой пигмента, которая способна поглотить энергию более низкого уровня. В свою очередь второй пигмент выделяет еще меньшее количество энергии, и этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия исходного синего фотона не понизится до уровня красного.

Реакционный центр как приемный конец каскада приспособлен к тому, чтобы поглощать доступные фотоны с минимальной энергией. На поверхности нашей планеты красные фотоны — самые многочисленные и при этом обладают самой низкой энергией среди фотонов видимого спектра.

Но для подводных фотосинтезаторов красные фотоны не обязательно должны быть самыми многочисленными. Область света, используемая для фотосинтеза, меняется с глубиной, т. к. вода, растворенные в ней вещества и находящиеся в верхних слоях организмы фильтруют свет. В результате получается четкое расслоение живых форм в соответствии с их набором пигментов. Организмы из более глубоких слоев воды имеют пигменты, настроенные на свет тех цветов, которые не были поглощены слоями, лежащими выше. Например, водоросли и цианеи имеют пигменты фикоцианин и фикоэритрин, поглощающие зеленые и желтые фотоны. У аноксигенных (т. е. не производящих кислород) бактерий есть бактериохлорофилл, поглощающий свет дальней красной и ближней инфракрасной (ИК) областей, который только и способен проникать в мрачные водные глубины.

Организмы, приспособившиеся к слабой освещенности, обычно растут медленнее, поскольку им приходится прикладывать больше усилий для поглощения всего доступного им света. На поверхности планеты, где свет в изобилии, растениям было бы невыгодно производить лишние пигменты, поэтому они избирательно используют цвета. Такие же эволюционные принципы должны работать и в других планетных системах.

Так же как водные существа приспособились к свету, отфильтрованному водой, обитатели суши адаптировались к свету, отфильтрованному атмосферными газами. В верхней части земной атмосферы самые многочисленные фотоны — желтые, с длиной волны 560–590 нм. Количество фотонов постепенно уменьшается в сторону длинных волн и круто обрывается в сторону коротких. По мере прохождения солнечного света сквозь верхние слои атмосферы водяной пар поглощает ИК в нескольких полосах длиннее 700 нм. Кислород дает узкий ряд линий поглощения вблизи 687 и 761 нм. Всем известно, что озон (О3) в стратосфере активно поглощает ультрафиолет (УФ), но он также немного поглощает и в видимой области спектра.

Итак, наша атмосфера оставляет окна, через которые излучение может достигнуть поверхности планеты. Диапазон видимого излучения ограничен с синей стороны резким обрывом солнечного спектра в коротковолновой области и поглощением УФ озоном. Красная граница определяется линиями поглощения кислорода. Пик количества фотонов сдвинут от желтого к красному (примерно к 685 нм) из-за обширного поглощения озоном в видимой области.

Растения приспособлены к этому спектру, который в основном определяется кислородом. Но нужно помнить, что кислород в атмосферу поставляют сами растения. Когда первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле, кислорода в атмосфере было мало, поэтому растения должны были использовать иные пигменты, а не хлорофилл. Только по прошествии времени, когда фотосинтез изменил состав атмосферы, хлорофилл стал оптимальным пигментом.

Надежные ископаемые доказательства фотосинтеза имеют возраст около 3,4 млрд лет, но и в более ранних ископаемых остатках есть признаки протекания данного процесса. Первые фотосинтезирующие организмы должны были быть подводными отчасти потому, что вода — хороший растворитель для биохимических реакций, а также потому, что она обеспечивает защиту от солнечного УФ-излучения, что было важно при отсутствии атмосферного озонового слоя. Такими организмами были подводные бактерии, которые поглощали инфракрасные фотоны. Их химические реакции включали водород, сероводород, железо, но не воду; следовательно, они не выделяли кислород. И только 2,7 млрд лет назад цианобактерии в океанах начали оксигенный фотосинтез с выделением кислорода. Количество кислорода и озоновый слой постепенно увеличивались, позволяя красным и бурым водорослям подниматься к поверхности. А когда для защиты от УФ достаточным оказался уровень воды на мелководьях, появились зеленые водоросли. В них было мало фикобилипротенов, и они были лучше приспособлены к яркому свету у поверхности воды. Спустя 2 млрд лет после того как кислород начал накапливаться в атмосфере, потомки зеленых водорослей — растения — появились и на суше.

Растительный мир претерпел значительные изменения — стремительно возросло разнообразие форм: от мхов и печеночников до сосудистых растений с высокими кронами, которые поглощают больше света и приспособлены к разным климатическим зонам. Конические кроны хвойных деревьев эффективно поглощают свет в высоких широтах, где солнце почти не поднимается над горизонтом. Тенелюбивые растения для защиты от яркого света вырабатывают антоцианин. Зеленый хлорофилл не только хорошо приспособлен к современному составу атмосферы, но и помогает поддерживать его, сохраняя нашу планету зеленой. Не исключено, что следующий шаг эволюции даст преимущество организму, живущему в тени под кронами деревьев и использующему фикобилины для поглощения зеленого и желтого света. Но обитатели верхнего яруса, видимо, так и останутся зелеными.

Раскрашивая мир красным

Занимаясь поиском фотосинтетических пигментов на планетах в иных звездных системах, астрономам следует помнить, что данные объекты находятся на разных стадиях эволюции. Например, им может встретиться планета, похожая на Землю, скажем, 2 млрд лет назад. Необходимо также учитывать, что инопланетные фотосинтезирующие организмы могут обладать свойствами, не характерными для их земных «родственников». Например, они в состоянии расщеплять молекулы воды, используя фотоны большей длины волны.

На Земле самым «длинноволновым» организмом является пурпурная аноксигенная бактерия, использующая инфракрасное излучение с длиной волны около 1015 нм. Рекордсмены среди оксигенных организмов — морские цианобактерии, поглощающие при 720 нм. Не существует верхнего предела длины волны, который определялся бы законами физики. Просто фотосинтезирующей системе приходится использовать большее число длинноволновых фотонов по сравнению с коротковолновыми.

Ограничивающим фактором служит не разнообразие пигментов, а спектр света, достигающего поверхности планеты, который в свою очередь зависит от типа звезды. Астрономы классифицируют звезды на основании их цвета, зависящего от их температуры, размера и возраста. Далеко не все звезды существуют достаточно долго для того, чтобы на соседних с ними планетах могла возникнуть и развиться жизнь. Долгоживущими являются звезды (в порядке уменьшения их температуры) спектральных классов F, G, K и М. Солнце относится к классу G. Звезды класса F больше и ярче Солнца, они горят, излучая более яркий голубой свет и сгорают примерно за 2 млрд лет. Звезды классов К и М меньше в диаметре, более тусклые, они краснее и относятся к категории долгоживущих.

Вокруг каждой звезды существует так называемая «зона жизни» — диапазон орбит, находясь на которых, планеты имеют температуру, необходимую для существования жидкой воды. В Солнечной системе такой зоной является кольцо, ограниченное орбитами Марса и Земли. У горячих F-звезд зона жизни находится дальше от звезды, а у более холодных К- и М-звезд она ближе. Планеты, находящиеся в зоне жизни F-, G- и К-звезд, получают примерно столько же видимого света, сколько Земля получает от Солнца. Вполне вероятно, что на них могла возникнуть жизнь на основе такого же оксигенного фотосинтеза, что и на Земле, хотя цвет пигментов может быть сдвинут в пределах видимого диапазона.

Звезды М-типа, так называемые красные карлики, представляют особый интерес для ученых, поскольку это наиболее распространенный тип звезд в нашей Галактике. Они излучают заметно меньше видимого света, чем Солнце: пик интенсивности в их спектре приходится на ближний ИК. Джон Равен (John Raven), биолог из Университета Данди в Шотландии, и Рэй Уолстенкрофт (Ray Wolstencroft), астроном Королевской обсерватории в Эдинбурге, предположили, что оксигенный фотосинтез теоретически возможен и при использовании фотонов ближнего ИК. При этом организмам придется использовать три или даже четыре ИК-фотона, чтобы разорвать молекулу воды, тогда как земные растения используют всего два фотона, которые можно уподобить ступеням ракеты, сообщающим энергию электрону для осуществления химической реакции.

Молодые М-звезды демонстрируют мощные УФ-вспышки, губительного действия которых можно избежать только под водой. Но водные толщи поглощают и прочие части спектра, поэтому находящимся на глубине организмам будет катастрофически не хватать света. Если так, то фотосинтез на этих планетах может и не развиться. По мере старения М-звезды уменьшается количество испускаемого ультрафиолета, на поздних стадиях эволюции его становится меньше, чем испускает наше Солнце. В этот период необходимость в защитном озоновом слое отсутствует, и жизнь на поверхности планет может процветать, даже если она не производит кислород.

Таким образом, астрономам следует рассматривать четыре возможных сценария в зависимости от типа и возраста звезды.

Анаэробная океаническая жизнь. Звезда в планетной системе молодая, любого типа. Организмы могут не вырабатывать кислород. Атмосфера может состоять из других газов, таких как метан.

Аэробная океаническая жизнь. Звезда уже не молодая, любого типа. С момента возникновения оксигенного фотосинтеза прошло достаточно времени для накопления кислорода в атмосфере.

Аэробная сухопутная жизнь. Звезда зрелая, любого типа. Суша покрыта растениями. Жизнь на Земле находится как раз на этой стадии.

Анаэробная сухопутная жизнь. Тусклая М-звезда со слабым УФ-излучением. Растения покрывают сушу, но могут и не производить кислород.

Естественно, проявления фотосинтезирующих организмов в каждом из этих случаев будут различными. Опыт съемки нашей планеты со спутников говорит о том, что заметить жизнь в глубинах океана с помощью телескопа невозможно: два первых сценария не обещают нам цветовых признаков жизни. Единственный шанс ее обнаружить — это поиск атмосферных газов органического происхождения. Поэтому исследователям, применяющим цветовые методы поиска инопланетной жизни, придется сосредоточиться на изучении сухопутных растений с оксигенным фотосинтезом на планетах вблизи F-, G- и K-звезд, либо на планетах М-звезд, но уже с любым типом фотосинтеза.

Черный — это новый зеленый

Вне зависимости от особенностей планеты фотосинтетические пигменты должны удовлетворять тем же требованиям, что и на Земле: поглощать фотоны с наименьшей длиной волны (высокоэнергичные), с наибольшей длиной волны (которые использует реакционный центр) или наиболее доступные. Чтобы понять, как тип звезды определяет цвет растений, пришлось объединить усилия исследователей разных специальностей.

Мартин Коэн (Martin Cohen), астроном из Калифорнийского университета в Беркли, собрал данные об F-звезде (сигма Волопаса), К-звезде (эпсилон Эридана), активно вспыхивающей М-звезде (AD Льва) и гипотетической спокойной М-звезде с температурой 3100°К. Астроном Антигона Сегура (Antigona Segura) из Национального автономного университета в Мехико провела компьютерное моделирование поведения землеподобных планет в зоне жизни вокруг этих звезд. Используя модели Александра Павлова из Аризонского университета и Джеймса Кастинга (James Kasting) из Пенсильванского университета, Сегура изучила взаимодействие излучения звезд с вероятными компонентами атмосфер планет (полагая, что вулканы на них выбрасывают те же газы, что и на Земле), пытаясь выяснить химический состав атмосфер как лишенных кислорода, так и с его содержанием, близким к земному.

Используя результаты Сегура, физик из Лондонского университетского колледжа Джованна Тинетти (Giovanna Tinetti) рассчитала поглощение излучения в атмосферах планет с помощью модели Дэвида Криспа (David Crisp) из Лаборатории реактивного движения в Пасадене (Калифорния), применявшейся для оценки освещения солнечных панелей марсоходов. Интерпретация этих вычислений потребовала совместных усилий пяти специалистов: микробиолога Джанет Сиферт (Janet Siefert) из Университета Райса, биохимиков Роберта Бланкеншипа (Robert Blankenship) из Университета Вашингтона в Сент-Луисе и Говинджи (Govindjee) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне, планетолога Виктории Медоуз (Victoria Meadows) из Университета штата Вашингтон и меня — биометеоролога из Годдардовского института космических исследований NASA.

Мы пришли к выводу, что вблизи звезд класса F поверхности планет преимущественно достигают голубые лучи с пиком на 451 нм. Около К-звезд пик находится на 667 нм, это красная область спектра, что напоминает ситуацию на Земле. При этом важную роль играет озон, делая свет F-звезд более голубым, а свет К-звезд более красным, чем он есть на самом деле. Получается, что пригодное для фотосинтеза излучение в данном случае лежит в видимой области спектра, как и на Земле.

Таким образом, растения на планетах вблизи F- и K-звезд могут иметь почти тот же цвет, что и земные. Но у F-звезд поток богатых энергией голубых фотонов слишком интенсивен, поэтому растения должны хотя бы частично их отражать, используя экранирующие пигменты наподобие антоцианина, что придаст растениям голубоватую окраску. Впрочем, они могут использовать для фотосинтеза только голубые фотоны. В этом случае отражаться должен весь свет в диапазоне от зеленого до красного. Это приведет к характерному голубому обрыву в спектре отраженного света, что несложно будет заметить с помощью телескопа.

Широкий диапазон температур у звезд класса М предполагает разнообразие цвета их планет. Обращаясь вокруг спокойной М-звезды, планета получает вдвое меньше энергии, чем Земля от Солнца. И хотя для жизни этого, в принципе, достаточно — это раз в 60 больше, чем требуется тенелюбивым растениям на Земле, — большинство фотонов, идущих от этих звезд, относятся к ближней ИК-области спектра. Но эволюция должна способствовать появлению разнообразных пигментов, способных воспринимать весь спектр видимого и инфракрасного света. Поглощающие практически все излучение растения могут выглядеть даже черными.

Маленькая фиолетовая точка

История развития жизни на Земле показывает, что ранние морские фотосинтезирующие организмы на планетах вблизи звезд классов F, G и K могли бы жить в первичной бескислородной атмосфере и развить систему оксигенного фотосинтеза, что позже привело бы к появлению наземных растений. Со звездами класса М ситуация сложнее. Результаты наших вычислений свидетельствуют о том, что оптимальное место для фотосинтезаторов находится на 9 м под водой: слой такой глубины задерживает губительный ультрафиолет, но пропускает достаточно видимого света. Конечно, мы не заметим эти организмы в наши телескопы, но именно они могли бы стать основой сухопутной жизни. В принципе, на планетах вблизи М-звезд растительная жизнь, используя различные пигменты, может быть почти столь же разнообразной, как и на Земле.

Но позволят ли будущие космические телескопы увидеть следы жизни на этих планетах? Ответ зависит от того, каково будет соотношение водной поверхности и суши на планете. В телескопы первого поколения планеты будут выглядеть как точки, о детальном изучении их поверхности не может быть речи. Все, что ученые получат — это суммарный спектр отраженного света. На основе своих вычислений Тинетти утверждает, что для идентификации растений по этому спектру не менее 20% поверхности планеты должны быть сушей, покрытой растениями и не закрытой облаками. С другой стороны, чем больше площадь морей, тем больше кислорода выделяют в атмосферу морские фотосинтезаторы. Поэтому чем ярче выражены пигментные биоиндикаторы, тем сложнее заметить кислородные биоиндикаторы, и наоборот. Астрономы смогут обнаружить либо те, либо другие, но не оба сразу.

Если космический телескоп зафиксирует темную полосу в спектре отраженного света какой-либо планеты, и эта полоса будет соответствовать одному из предсказанных цветов, то сидящий за монитором телескопа человек окажется первым, кто увидит следы живого на других планетах. Конечно, необходимо будет исключить все прочие интерпретации: например планета может быть покрыта цветными минералами. Сейчас мы ожидаем, что цвет растений на других планетах ограничивается зеленым, желтым и оранжевым. К сожалению, сказать что-либо точнее мы пока не можем. На Земле растения имеют характерную окраску благодаря хлорофиллу, что позволяет нам замечать с искусственных спутников области, покрытые растениями или водорослями. Будут ли растения на других планетах иметь столь же характерные свойства, мы пока не знаем.

Наличие жизни на других планетах — настоящей жизни, а не только ископаемых останков или микробов, с трудом выживающих в экстремальных условиях, — может быть обнаружено в самом ближайшем будущем. Но какие из звезд мы должны изучать в первую очередь? Сможем ли мы зарегистрировать спектры планет, расположенных близко к звездам, что особенно актуально в случае М-звезд? В каких диапазонах и с каким разрешением должны наблюдать наши телескопы? Понимание основ фотосинтеза поможет нам создать новые приборы и интерпретировать полученные данные. Проблемы такой сложности могут быть решены только на стыке различных наук. Пока мы находимся лишь в начале пути. Сама возможность поиска внеземной жизни зависит от того, насколько глубоко мы понимаем основы жизни здесь, на Земле.

Дополнительная литература:

1) Spectral Signatures of Photosynthesis II: Coevolution with Other stars and the atmosphere on Extrasolar Worlds (PDF). Nancy Y. Kiang, Antigona Segura, Giovanna Tinetti, Govindjee, Robert E. Blankenship, Martin Cohen, Janet Siefert, David Crisp and Victoria S. Meadows in Astrobiology, Special Issue on M Stars, Vol. 7, No. 1, pages 252–274; February 1, 2007.2) Water Vapour in the Atmosphere of a Transiting Extrasolar Planet. Giovanna Tinetti, Alfred Vidal-Madjar, Mao-Chang Liang, Jean-Philippe Beaulieu, Yuk Yung, Sean Carey, Robert J. Barber, Jonathan Tennyson, Ignasi Ribas, Nicole Allard, Gilda E. Ballester, David K. Sing and Franck Selsis in Nature, Vol. 448, pages 169–171; July 12, 2007.3) Виртуальная планетная лаборатория.4) Журнал Astrobiology.5) Тихов Г.А. Шестьдесят лет у телескопа. М.: Детгиз, 1959.6) Голдсмит Д., Оуэн Т. Поиски жизни во Вселенной. М.: Мир, 1983.7) Проблема поиска жизни во Вселенной. М.: Наука, 1986.8) Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М.: Экология и жизнь, 2006.9) Джонс Б.У. Жизнь в Солнечной системе и за ее пределами. М.: Мир, 2007.

Перевод: А.В. Сурдина

elementy.ru

Осмос и клетки растений - Справочник химика 21

    Плазматическая мембрана клеток растений — это полупроницаемая мембрана. Жидкость внутри клетки создает осмотическое давление. На рис. 9.8 показано, что происходит, когда клетка растения попадает в растворы с различными осмотическими давлениями. Осмос жизненно необходим для существования растений, поскольку благодаря ему корни растения получают воду. [c.203]

    Объяснение. Осмос имеет большое значение в процессах жизнедеятельности животных и растений. Он, как известно, обусловливает поднятие воды по стеблю растений, рост клетки и многие другие явления. Осмотическое давление, возникаюш,ее в клетках, сооб-ш,ает им своеобразную упругость и эластичность, а также способствует сохранению определенной формы органами растений и т. д. Каждая живая клетка имеет оболочку либо поверхностный слой протоплазмы, которые обладают свойством полупроницаемости. Так как клеточный сок — это раствор той или иной концентрации, то при погружении клеток во внешний раствор может оказаться, что  [c.53]

    Давлением, которое вызывается проникающей в клетки водой, объясняется упругость тканей растения, их плодов, листьев, стеблей, лепестков. Осмотическое давление в клетках зрелых плодов и овощей обычно колеблется от 0,49 до 0,98 МПа. В срезанных растениях в результате испарения воды объем внутриклеточной жидкости уменьшается, снижается давление и растение вянет. Увлажнение растений, погружение их в воду вызывает осмос и снова сообщает тканям упругость. [c.70]

    Явления осмоса играют очень важную роль в жизни животных и растительных организмов. Оболочки клеток представляют собой перепонки, легко проницаемые для воды, но почти непроницаемые для веществ, растворенных во внутриклеточной жидкости. Проникая в клетки, вода создает в них избыточное давление, которое слегка растягивает оболочки клеток и поддерживает их в напряженном состоянии. Вот почему такие мягкие органы растения, как травянистые стебли, листья, лепестки цветов, обладают упругостью. Если срезать растение, то вследствие испарения воды объем внутриклеточной жидкости уменьшается, оболочки клеток опадают, становятся дряблыми — растение вянет. Но стоит толь- [c.217]

    Осмос имеет большое значение в процессах жизнедеятельности животных и растений. Он обусловливает поднятие воды по стеблю растения, рост клетки и многие другие явления. Осмотическое давление в клетках обусловливает их своеобразную упругость и эластичность, а также способствует сохранению определенной формы стеблями и листьями растений. Каждая живая клетка имеет либо оболочку, либо поверхностный слой протоплазмы, обладающие свойством полупро-ницаемости. Если клетку поместить в раствор, концентрация которого равна концентрации клеточного сока, то состояние клетки не изменится, так как осмотическое давление в клетке и в растворе одинаково. [c.123]

    Поступление питательных веществ в растения через корни. Длительное время в физиологии растений и агрохимии господствовало представление о чуть ли не прямой пропорциональности между количеством испаренной растением воды и поглощенных им солей из почвы. Осмос (всасывание) солей вместе с водой в растительную клетку считался единственно возможным способом движения питательных веществ из почвы в растения. Теперь это представление уже недостаточно для объяснения процессов корневого питания высших растений. [c.40]

    Вода обычно поступает в концентрированный клеточный сок путем осмоса, через избирательно проницаемый тонопласт. В результате в клетке развивается тургорное давление и цитоплазма прижимается к клеточной стенке. Осмотическое поглощение воды играет важную роль при растяжении клеток во время роста, а также в общем водном режиме растения. [c.207]

    Основную роль в исследовании осмоса сыграли в это время работы ботаников. Именно ботаники первыми начали изучать живое, как теперь говорят, на клеточном уровне. И это естественно, потому что впервые клетки были обнаружены именно у растений они часто более крупные, чем животные клетки, и, главное, отделены друг от друга четко видимой под микроскопом перегородкой. [c.53]

    Клетки организмов регулируют водный баланс, изменяя внутреннюю концентрацию солей под действием осмоса. Осмотический потенциал морской воды (содержание соли 3,5%) составляет около 4,5 (в единицах рР). В растительных клетках содержание растворенных солей колеблется от рр = 4 до рр = 4,5. При высокой концентрации солей во внешней среде под действием осмоса вода выходит из клеток, что приводит к их обезвоживанию и гибели растения. Поэтому для большинства наземных растений не- [c.143]

    Клетки корней растут быстрее с повышением температуры потому, что они быстрее раздвигают почву. Но чем быстрее опи раздвигают почву, тем большее усилие требуется для этого. Т.е. с повышением температуры сначала должно увеличиваться усиливающее давление корней на почву, это ведет к ускорению роста корней и увеличению их биомассы, а не наоборот увеличение биомассы ведет к усилению раздвигающего действия корней. Чтобы корни росли им надо сначала создать больше усилие по раздвиганию почвы. А осмос больше усилие не дает, т.к. он не зависит от температуры. Сама по себе биомасса тоже не может увеличить давление, т.к. она только заполняет раздвинутый объем. Увеличение биомассы — увеличение количества клеток. Т.е. казалось бы чем больше клеток, тем большее давление они создают на почву, тем быстрее рост растения. Но хорошо известно, что этого не происходит. Само по себе увеличение биомассы не способствует ускорению роста корней. Надо, чтобы каждая клетка росла скорее. Чем они скорее растут, тем быстрее давят на ночву, но сила этого давления не изменяется Как бы быстро они не давили, но если сила давления не увеличилась, то и скорость раздвигания ночвы не увеличится  [c.445]

    Эти явления могут быть использованы и для определения осмотического давления в живых клетках, особенно в клетках растений. Внешняя проницаемая оболочка из клетчатки покрыта протоплазмой, которая играет роль полупроницаемой перегородки. Если такую клетку ввести в гипертонический раствор, то вода выходит изнутри через протоплазму. Протоплазменная оболочка морщится, отрываясь от оболочки из клетчатки,— происходит плазмолиз. Более разбавленный раствор, в котором плазмолиз прекращается, является изотоническим по отношению к жидкости, находящейся внутри клетки. При введении в гипотонические растворы клетки набухают за счет проникающей извне через протоплазменную оболочку воды. Поскольку в обычных условиях вода, поглощаемая растениями, содержит мало растворенных веществ, она проникает через оболочку и создает внутри клетки давление, которое действует на стенки клетки (тургесцентность). Это давление определяет упругость растений, особенно молодых, зеленых. Когда клетки при испарении теряют больше воды, чем проникает снаружи за счет осмоса, они теряют упругость, растение как бы увядает. [c.162]

    Механическая прочность клеточной стенки позволяет клеткам растений выжить в окружающей среде, которая гипотонична по отношению к содержимом клетки. Внеклеточная жидкая среда высших растений включает водную фазу во всех клеточных стенках и в дополнение к ней жидкость в длинных трубочках, образуемых клеточными стенками отмерших клеток ксилемы (см. разд. 20.2.5). Эти трубочки несут воду (транспирационный ток) от корней к местам испарения, находящимся главным образом в листьях. Хотя внеклеточная жидкость содержит больше растворенных вешеств. чем менее концентрированный раствор в окружающей растение среде (например, в почве), она все равно остается гипотоничной по отношению к внутриклеточной жидкости. Это легко продемонстрировать, разрушив клеточную стенку с помощью целлюлаз и других ферментов и наблюдая за поведением такой, лишенной стенок, клетки, называемой протопластом (см. рис. 20-71). Если этот округлый протопласт некоторое время находится в гипотонических условиях, он осмотическим путем набирает воду и лопается (рис. 20-9). Клетка, сохранившая свою оболочку, в такой же ситуации лишь немного разбухнет. Дело в том, что клетка создает свое внутреннее гидростатическое давление, которое поддерживает клеточную стенку подобно тому, как внутренняя камера, наполненная воздухом, подпирает покрышку велосипедной шины. Такое гидростатическое давление приводит к осмотическому равновесию и препятствует дальнейшему проникновению воды (подробное изображение осмоса см на схеме 6-1). [c.389]

    Эксперименталъно осмотическое давление определяют путем измерения того давления, которое нужно приложить к раствору, чтобы не происходило движения растворителя через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемость мембраны может быть обусловлена тем, что ее поры слишком малы, чтобы через них могли проходить молекулы растворенного вещества. Измерения осмотического давления применяются при изз че-нии макромолекул (стр. 606). Осмос играет очень важную роль в движении воды в клетках растений и животных. [c.205]

    Но МДК-эффект в клетках растений и живых организмов создает осмос и регулирует избирательную проницаемость и полупропицаемость мембран. [c.384]

    Явление осмоса играет очень важную роль в жизнедеятельности животных и растений. Оболочки клеток представляют собой перепонки, легко проницаемые для воды, но почти непроницаемые для веществ, растворенных в клеточном соке. Поэтому пресноводные рыбы не могут жить в соленой воде (где 28 атм), а морские рыбы — в пресной. Этим же объясняется и то, что когда мы ныряем в реке, открыть глаза больно, в то время как в море, где концентрация солей выше и приближается к концентрации солей в клетках роговицы, эта боль ощущается гораздо слабее. Физиологический раствор (0,9%-ный водный раствор Na l) на человека и теплокровных животных оказывает благотворное действие, так как его осмотическое давление (- 7 атм) и солевой состав близки к осмотическому давлению и солевому составу плазмы крови. [c.161]

    Явления осмоса играют очень важную роль в жизни животных и растительных организмов. Оболочки клеток представляют собой перепонки, легко проницаемые для воды, но почти непроницаелпле для веществ, растворенных во внутриклеточной жидкости. Проникая в клетки, вода создает в них избыточное давление, которое слегка растягивает оболочки клеток и поддерживает их в напряженном состоянии. Вот почему такие мягкие органы растения, как травянистые стебли, листья, лепестки цветов, обладают упругостью. Если срезать растение, то вследствие испарения воды объе.м внутриклеточной жидкости уменьшается, оболочки клеток опадают, становятся дряблыми — растение вянет. Но стоит только начавшее вянуть растение поставить в воду, как начинается осмос, оболочки клеток снова напрягаются и растение принимает прежний вид. [c.227]

    В тканях растений осмотич. давление составляет 0,5-2 МПа (у растений в пустынях - более 10 МПа). Гидростатич. давление, возникшее яо внутриклеточных структурах в результате осмоса, наз. тургором. Это давление придает прочность и упругость тканям живых организмов. Если клетка отмирает, оболочка теряет св-во полупроницаемос-ти, тургор исчезает (растение вянет). Осмотич. давление-главная причина, обеспечивающая движение воды в растениях и ее подъем от корней до вершины. Клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают ее из клеток стебля, а последний-из клеток корня, берущих, в свою очередь, воду из почвы. Для роста и развития растений важно соотношение между осмотич. давлением почвенного р-ра и клеточного сока. Растение может нормально развиваться лишь тогда, когда осмотич. давление клеточного сока больше осмотич. давления почвенного р-ра. [c.419]

    Термин мембранао используется вот уже более 100 лет для обозначения клеточной границы, служащей, с одной стороны, барьером между содержимым клеткн н внешней средой, а с другой — полупроницаемой перегородкой, через которую могут проходить вода и некоторые из растворенных в ней веществ. В 1851 г. немецким физиолог X. фон Моль описал плазмолиз клеток растений, предположив, что клеточные стенки функционируют как мембраны. В 1855 г. ботаник К. фон Негели наблюдал различия в проникновении пигментов в поврежденные н неповрежденные растительные клетки и исследовал клеточную границу, которой он дал название плазматическая мембрана. Он предположил, что клеточная граница ответственна за осмотические свойства клеток. В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер опубликовал свой труд Исследование осмоса , где постулировал существование клеточных мембран, основываясь на сходстве между клетками и осмометрами, имевэщими искусственные полупроницаемые мембраны. В 80-х годах прошлого столетия датский ботаник X. де Фриз продолжил осмометрические исследования растительных клеток, предположив, что неповрежденный слой протоплазмы между плазмалеммой и тонопластом функционирует как мембрана. Его исследования послужили фундаментом при создании физико-химических теорий осмотического давления и электролитической диссоциации голландцем Я. Вант-Гоффом и шведским ученым С. Аррениусом. В 1890 г. немецкий физикохимик и философ В. Оствальд обратил внимание на возможную роль мембран в биоэлектрических процессах. Между 1895 и 1902 годами Э. Овертон измерил проницаемость клеточной мембраны для большого числа соединений и наглядно показал зависимость между растворимостью этих соединений в липидах и способностью их проникать через мембраны. Он предположил, что мембрана имеет липидную природу и содержит холестерин и другие липиды. Современные представления о строении мембран как подвижных липопротеиновых ансамблей были сформулированы в начале 70-х годов нашего столетня. [c.549]

    В растении сахароза, образовавшаяся при фотосинтезе, активно накачивается в ситовидные трубки мелких листовых жилок в ходе процесса, называемого загрузкой флоэмы. Этот процесс приводит к снижению водного потенциала ситовидных трубок, и вода начинает поступать в них путем осмоса. В результате возникает давление, что вынуждает раствор перемещаться к потребляющим клеткам по градиенту давления. Из места потребления саха1роза активно удаляется, что вызывает повышение водного потенциала ситовидных трубок. Затем вода диффундирует из ситовидных трубок по градиенту водного потенциала  [c.252]

    Существуют пористые перегородки, с помощью которых М0нМедленная диффузия растворителя и веществ через полупроницаемые перегородки (мембраны) называется осмосом. Осмос и осмотическое давление играют большую роль в биологических явлениях. Так, постоянный осмос воды внутрь клетки создает в растении повыщеииое гидростатическое давление, которое обусловливает прочность и упругость, тканей. Уравновешенное осмотическое давление клеточного сока составляет 405—2026 кПа. [c.105]

    Сила, с которой воздушно-сухие семена бобовых растений поглощают воду, достигает 1013 кПа и более. Способность сухих семян с огромнейшей силой поглощать воду и отнимать ее от других более влажных тел, например от почвы, имеет большое значение при их прорастании. До начала прорастания семя поглощает воду лишь вследствие набухания имеющихся в нем коллоидов, что приводит к разрыву семенной оболочки. С началом роста корешка и других эмбриональных частей появляются клетки с вакуолями, и далее насасывание воды прорастающим семенем обусловливается не только набуханием коллоидов, но и явлением осмоса. Клеточная оболочка растягивается ограниченно расширяясь от поступления воды, она проявляет эластичное противодавление на содержимое клетки н уравновешивает ее осмотическое давление. Наступает такой момент, когда противодавление клеточной оболочки уравновешивает гидростатическое давление клеточного сока. Это происходит при полном насыщении клеткн водой. Таким образом, благодаря-осмотическому притоку воды в вакуоль в клетке возникает гидростатическое давление клеточного сока, называемое тургоров Лебедоп С, И. 11  [c.113]

    Многие растворы поступают в клетку осмотически. Осмосом (от греч. озтов — давление) называется одностороннее проникновение воды через полупроницаемую оболочку. Его можно наблюдать, если два раствора различной концентрации разъединить полупроницаемой перегородкой, доступной для воды, но не пропускающей растворенного вещества. Вода с.определенной силой, зависящей от разности концентраций, станет притягиваться более насыщенным раствором из более разбавленного. Возникающее давление на полупроницаемую мембрану получило название осмотического давления. Начало исследованию осмотических свойств клеток положено крупным голландским ботаником Г. де Фризом (1848—1935), отрывшим тургор у растений. Опыты де Фриза, по заявлению ван Гоффа, легли в основу теории осмотического давления, разработанной этим известным физиком. [c.54]

    МДК-эффект создает также осмос путем вытягивания молекулами растворенных веществ тонких канатиков растворителя через микроноры органических мембран. А органические мембраны потому и легко создаются, что белковые молекулы имеют крупные размеры и при соединении их в виде биологических тканей всегда остаются дырки в виде микронор, которые и поддерживают перемещение веществ сквозь эти микропоры. А осмос — это регулятор поддержания определенного уровня водонасыщенностн в растениях и живых организмах. Как только они сильно слишком испаряют влагу, этим повышая концентрацию солей в биологической клетке, так сразу же осмос с силой притягивает воду в клетки через поры мембран. Испарение воды происходит путем перевода ее в газообразное состояние, когда осмос не действует, а нривнос воды осуществляет уже осмос. [c.285]

    Первый этап — это этап нормальной жизнедеятельности растений и живых организмов, когда МДК-эффект регулирует осмос и полупропицаемость мембран. В земной коре — это изохимический метаморфизм и перекристаллизация, образование контактовых роговиков. В клетках можно выделить два этапа деятельности МДК-эффекта 1) этап свободной деятельности, когда клетка способна делиться. 2) этап стесненной деятельности в составе тканей, когда клетка уже не способна делиться, т.к. зажата среди других клеток. [c.331]

    Силу роста корневой системы растений придает не осмотическое давление, а давление разуплотнения поверхностного слоя жидкости. Осмотическое давление придает только тургор растениям и поддерживает постоянной форму клетки. Но силу, необходимую для силового роста клетки и раздвигания корнями почвы п скальных трещпн придает давление разуплотнения. Клетка заключена в деревянную коробочку из целлюлозы. Сила осмоса способна только поддерживать эту коробочку в распрямленном натянутом состоянии, чтобы поддерживать тургор в листьях и корнях, но она не способна раздвинуть коробочку, чтобы клетка начала расти. Если бы это было так, то клетка росла бы в зависимости от осмоса чем больше осмотическое давление, тем больше сила давления, тем быстрее должна была бы расти клетка. Но в том то и дело, что клетки растут в зависимости от температуры чем выше температура, тем быстрее растут растения и их корни, тем сильнее они раздвигают ночву и больше создают на нее давление. Именно давление разуплотнения зависит от температуры и оно повышается с повышением температуры, т.к. ускоряется движение молекул при [c.412]

chem21.info

Смотрите также

• 
  Зимилискус растение уход
• 
  Пленэр карандашом растения
• 
  Огородные растения теневыносливые
• 
  Русская лаванда растение
• 
  Ситник растение фото
• 
  Сизаль фото растение
• 
  Сизаль растение фото
• 
  Растения узбекистана фото
• 
  Растение памела фото
• 
  Растение миндаль декоративный
• 
  Растение китайский мышецвет