С какими свойствами цитоплазмы связаны осмотические явления клетки

Тема: Осмотические явления в клетке

Материалы. Сочная чешуя луковицы лука, вода, 6-8% раствор соли.

Осмотическими называют явления, происходящие в системе, состоящей из двух растворов, разделенных полупроницаемой мембраной. В растительной клетке роль полупроницаемых пленок выполняют пограничные слои цитоплазмы: плазмалемма и тонопласт.

Плазмалемма — наружная мембрана цитоплазмы, прилегающая к клеточной оболочке. Тонопласт — внутренняя мембрана цитоплазмы, окружающая вакуоль. Вакуоли представляют собой полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком — водным раствором углеводов, органических кислот, солей, белков с низким молекулярным весом, пигментов.

Концентрация веществ в клеточном соке и во внешней среде (в почве, водоемах) обычно не одинаковы. Если внутриклеточная концентрация веществ выше, чем во внешней среде, вода из среды будет поступать в клетку, точнее в вакуоль, с большей скоростью, чем в обратном направлении. При увеличении объема клеточного сока, вследствие поступления в клетку воды, увеличивается его давление на цитоплазму, плотно прилегающую к оболочке. При полном насыщении клетки водой она имеет максимальный объем. Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку носит название тургора (рис. 4, А). Тургор обеспечивает сохранение органами формы (например, листьями, неодревесневшими стеблями) и положения в пространстве, а также сопротивление их действию механических факторов. С потерей воды связано уменьшение тургора и увядание.

Если клетка находится в гипертоническом растворе, концентрация которого больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки — происходит плазмолиз.

В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым (рис. 4, Б ).

Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называют вогнутым (рис. 4, В).

Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого (рис. 4, Г).

Если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Протопласт остается связанным с оболочкой многочисленными нитями Гехта. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 4, Д).

Если плазмолизированную клетку поместить в гипотонический раствор, концентрация которого меньше концентрации клеточного сока, вода из окружающего раствора будет поступать внутрь вакуоли. В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая начинает приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение — произойдет деплазмолиз.

Рис. 4. Плазмолиз растительной клетки:

А — клетка в состоянии тургора; Б — уголковый; В — вогнутый; Г — выпуклый; Д — судорожный.

1 — оболочка, 2 — вакуоль, 3 — цитоплазма, 4 — ядро, 5 — нити Гехта.

Ход работы

Задание 1. Приготовить временный микропрепарат эпидермы сочной чешуи лука в капле воды (рис. 3). Рассмотреть клетки лука, находящиеся в состоянии тургора и зарисовать.

Последовательность работы. Препарат рассмотреть при малом и большом увеличениях микроскопа. Обратить внимание на то, что цитоплазма прижата к клеточным стенкам. Клетки находятся в состоянии полного насыщения водой — состояние тургора. Зарисовать отдельную клетку, обозначив основные компоненты (рис. 4, А).

Задание 2. Пронаблюдать явление плазмолиза в клетках лука. Определить формы плазмолиза. Сделать рисунки.

Последовательность работы. Сняв препарат (из задания 1) со столика микроскопа, вплотную к покровному стеклу нанести на предметное стекло каплю 6-8% раствора соли — более концентрированного, чем раствор веществ, содержащихся в вакуолях. С другой стороны на предметное стекло вплотную к покровному стеклу положить полоску фильтровальной бумаги, которую нужно держать до тех пор, пока раствор соли не войдет под покровное стекло, заменив воду. Через 5-10 минут обратить внимание на отрыв цитоплазмы от оболочки клеток, т.е. плазмолиз. Зарисовать формы плазмолиза (уголковый, вогнутый выпуклый, судорожный) (рис. 4, Б-Д). Объяснить явление плазмолиза и его значение в жизни растений.

Задание 3. Пронаблюдать явление деплазмолиза в клетках лука, т.е. вернуть в первоначальное состояние плазмолизированную клетку.

Последовательность работы. Следует заменить раствор соли водой, оттянув раствор фильтровальной бумагой. Отметить возвращение цитоплазмы к оболочке клетки, т. е. в ее нормальное состояние. Деплазмолиз происходит медленнее, чем плазмолиз. Объяснить явление деплазмолиза.

Контрольные вопросы

1. С какими свойствами цитоплазмы и вакуоли связаны осмотические явления клетки?

2. Что такое тургор, плазмолиз, деплазмолиз?

3. Может ли происходить плазмолиз в мертвой клетке?

4. Как можно вызвать плазмолиз в клетках чешуи лука?

Плазмалемма — наружная мембрана цитоплазмы, прилегающая к клеточной оболочке. Тонопласт — внутренняя мембрана цитоплазмы, окружающая вакуоль. Вакуоли представляют собой полости в цитоплазме, заполненные клеточным соком — водным раствором углеводов, органических кислот, солей, белков с низким молекулярным весом, пигментов.

Концентрация веществ в клеточном соке и во внешней среде (в почве, водоемах) обычно не одинаковы. Если внутриклеточная концентрация веществ выше, чем во внешней среде, вода из среды будет диффундировать в клетку, точнее в вакуоль, с большей скоростью, чем в обратном направлении, т. е. из клетки в среду. Чем больше концентрация содержащихся в клеточном соке веществ, тем сильнее сосущая сила — сила, с которой клетка «всасывает воду». При увеличении объема клеточного сока, вследствие поступления в клетку воды, увеличивается его давление на цитоплазму, плотно прилегающую к оболочке. При полном насыщении клетки водой она имеет максимальный объем. Состояние внутреннего напряжения клетки, обусловленное высоким содержанием воды и развивающимся давлением содержимого клетки на ее оболочку носит название тургора (рис. 1, А). Тургор обеспечивает сохранение органами формы (например, листьями, неодревесневшими стеблями) и положения в пространстве, а также сопротивление их действию механических факторов. С потерей воды связано уменьшение тургора и увядание.

Если клетка находится в гипертоническом растворе, (концентрация которого больше концентрации клеточного сока), то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки — происходит плазмолиз.

В ходе плазмолиза форма плазмолизированного протопласта меняется. Вначале протопласт отстает от клеточной стенки лишь в отдельных местах, чаще всего в уголках. Плазмолиз такой формы называют уголковым (рис. 1, Б).

Затем протопласт продолжает отставать от клеточных стенок, сохраняя связь с ними в отдельных местах, поверхность протопласта между этими точками имеет вогнутую форму. На этом этапе плазмолиз называют вогнутым (рис. 1, В).

Постепенно протопласт отрывается от клеточных стенок по всей поверхности и принимает округлую форму. Такой плазмолиз носит название выпуклого (рис. 1, Г ).

Если у протопласта связь с клеточной стенкой в отдельных местах сохраняется, то при дальнейшем уменьшении объема в ходе плазмолиза протопласт приобретает неправильную форму. Протопласт остается связанным с оболочкой многочисленными нитями Гехта. Такой плазмолиз носит название судорожного (рис. 1, Д).

При длительном нахождении клеток в растворе нитрата калия (15 мин. и более) цитоплазма набухает в удлиненных клетках, там, где протопласт не касается клеточных стенок, образуются так называемые колпачки цитоплазмы. Такой плазмолиз носит название колпачкового (рис. 1, Е).

Рис. 1. Плазмолиз растительной клетки:

А — клетка в состоянии тургора; Б — уголковый; В — вогнутый; Г — выпуклый; Д — судорожный; Е — колпачковый.

1 — оболочка, 2 — вакуоль, 3 — цитоплазма, 4 — ядро, 5 — нити Гехта.

Если плазмолизированную клетку поместить в гипотонический раствор, (концентрация которого меньше концентрации клеточного сока), вода из окружающего раствора будет диффундировать внутрь вакуоли. В результате увеличения объема вакуоли повысится давление клеточного сока на цитоплазму, которая начинает приближаться к стенкам клетки, пока не примет первоначальное положение – произойдет деплазмолиз.

Ход работы

^ (Elodea canadensis) или валлиснерии (Vallisneria spiralis), микроскоп, гипертонический раствор, растворы ксенобиотиков различной концентрации.

Задание 1. Рассмотреть клетки листа элодеи, находящиеся в состоянии тургора и зарисовать.

^ Целый лист элодеи (Elodea canadensis) положить на предметное стекло в каплю воды, накрыть его покровным стеклом. На препарате найти тонкий участок, где хорошо видны клетки. Препарат рассмотреть при малом и большом увеличениях микроскопа. Обратить внимание на то, что цитоплазма прижата к клеточным стенкам. Клетки находятся в состоянии полного насыщения водой – состояние тургора. Зарисовать отдельную клетку, обозначив основные компоненты (рис. 1, А).

Задание 2. Пронаблюдать явление плазмолиза в клетках листа элодеи. Определить формы плазмолиза. Сделать рисунки.

^ Сняв препарат (из задания 1) со столика микроскопа, вплотную к покровному стеклу нанести на предметное стекло каплю 6-8% раствора селитры (KNO3) — более концентрированного, чем раствор веществ, содержащихся в вакуолях. С другой стороны на предметное стекло вплотную к покровному стеклу положить полоску фильтровальной бумаги, которую нужно держать до тех пор, пока раствор селитры не войдет под покровное стекло, заменив воду. Через 5-10 минут обратить внимание на отрыв цитоплазмы от оболочки клеток, т.е. плазмолиз. Колпачковый плазмолиз наступает через 15 и более минут. Зарисовать формы плазмолиза (уголковый, вогнутый выпуклый, судорожный, колпачковый) (рис. 1, Б-Е). Объяснить явление плазмолиза и его значение в жизни растений.

Задание 3. Пронаблюдать явление деплазмолиза в клетках элодеи, т.е. вернуть в первоначальное состояние плазмолизированную клетку.

^ Следует заменить раствор селитры водой, оттянув раствор фильтровальной бумагой. Отметить возвращение цитоплазмы к оболочке клетки, т.е. в ее нормальное состояние. Деплазмолиз происходит медленнее, чем плазмолиз. Объяснить явление деплазмолиза.

Контрольные вопросы

1. С какими свойствами цитоплазмы и вакуоли связаны осмотические явления клетки?

2. Что такое тургор, плазмолиз, деплазмолиз?

3. Может ли происходить плазмолиз в мертвой клетке?

4. Как можно вызвать плазмолиз в клетках листа элодеи?

5. Дать определения понятиям осмос и диффузия.

^

Протоплазма

клетки выделяет водянистую жидкость, не смешивающуюся с протоплазмой. Эта жидкость называется клеточным соком (см. стр. 71). Полости в протоплазме, заполненные клеточным соком,

66

называются вакуолями. Пограничный с вакуолями слой протоплазмы — тонопласт — иногда называют оболочкой вакуоли.

Обычно в молодой, только что вышедшей из эмбрионального состояния клетке, заполненной протопластом, имеются многочисленные, но очень мелкие вакуоли округлой или вытянутой формы (рис. 1, 3, 39), заполненные водой с растворенными в ней веществами и коллоидами в состоянии геля. Затем вакуоли увеличиваются и превращаются в систему канальцев, заполненных клеточным соком (рис. 10).

В дальнейшем вакуоли частично обособляются, увеличиваются в размерах, уменьшаясь в числе, сливаются одна с другой и округляются (рис. 3, 4, 39), количество воды в них возрастает, растворенные вещества переходят большей частью в состояние золя, затем появляются настоящие растворы. Позднее вакуоли обычно сливаются в одну крупную центральную вакуолю; протоплазма в это время располагается постенным слоем, где находятся ядро, пластиды, хондриосомы (рис. 1,39). В иных случаях ядро занимает место в центре клетки; окружающая его протоплазма соединяется с постенной протоплазмой тяжами и пластинками, проходящими через полость вакуоли (рис. 4, 12).

Рис. 39. Схема развития клетки, начиная от эмбрионального (меристематического) состояния ее и кончая отмиранием. Некоторые детали протопласта (пластиды, хондриосомы) и оболочки (поры, плазмодесменные канальцы) опущены:

1 — эмбриональная стадия: о — оболочка, п — протоплазма, я — ядро с ядрышком; 2 — появление вакуолей (в); 3 — вакуоли увеличиваются, число их возрастает; 4 — вакуоли сливаются, часть протоплазмы образует тонкие тяжи; 5 — вакуоли слились в одну крупную центральную вакуолю (цв), протоплазма с ядром и ядрышком образовала постенный слой (пм); 6 — от клетки осталась лишь оболочка (о). Объем клеточной полости возрастает от первой стадии до последней.

Выше уже отмечалось, что протоплазма живой клетки обладает так называемой избирательной проницаемостью или полупроницаемостью. Это значит, что в ряде случаев через протоплазму внутрь вакуоли или из вакуоли во внешнюю среду могут проходить только молекулы воды, а для крупных молекул органических и неорганических соединений живая протоплазма оказывается непроницаемой. Интенсивность проникновения воды через протоплазму зависит от осмотического давления

1 жидкости в вакуоли и во внешней среде, правильнее сказать, от разности осмотических давлений внутри и вне клетки. Чем выше концентрация раствора (степень диссоциации ионов), тем выше его осмотическое давление, т. е., чем больше разница в концентрациях растворов, разделенных полупроницаемой перегородкой, тем более интенсивно будет проникать вода в сторону раствора с большей концентрацией. Проникновение воды через живую

67

протоплазму в основном подчиняется законам осмоса. Осмотическое давление измеряют в атмосферах.

Проникновение воды через полупроницаемую перегородку (мембрану) может проходить до тех пор, пока не станут одинаковы осмотические давления жидкостей по обе стороны ее, т. е. станет одинаковой концентрация обоих растворов, или до тех пор, пока осмотическое давление по одну сторону не уравновесится гидростатическим давлением

2 жидкости по другую сторону полупроницаемой перегородки. Таким образом, по гидростатическому давлению соответствующего раствора (в атмосферах) можно измерить и осмотическое давление клеточного сока.

Сила, с которой вода проникает внутрь вакуоли любой живой клетки, называется сосущей силой.

По мере всасывания воды объем вакуоли и всего протопласта увеличивается; в силу этого протопласт производит давление на клеточную оболочку — так называемое тургорное давление или тургор. Сосущая сила, тургорное давление и осмотическое давление зависят одно от другого: сосущая сила равна разности между осмотическим и тургорным давлениями. Чем больше в данный момент сосущая сила, тем меньше тургор, и наоборот. Оболочка, напрягаясь под действием давления на нее изнутри, оказывает на протопласт равное по величине и противоположное по направлению давление.

Рис. 40. Схема плазмолиза:

1 — клетка с постенным слоем протоплазмы и центральной вакуолей; 2 — начало плазмолиза, размеры клетки несколько уменьшаются; 3 — вакуоля заметно сокращается, протоплазма отходит от клеточной оболочки в ее углах; 4 — протопласт принимает сферическое очертание.

Осмотические явления имеют большое значение в жизни растений. Вода передается из клетки в клетку благодаря разнице в сосущих силах клеток. Опытом установлено, что сосущая сила клеток верхних листьев растения больше, чем нижних, что концентрация солей в клетках

корня (корневых волосках) больше, чем в почве. Осмотическое давление корневых волосков в 1,5 и более раз выше, чем в почвенном растворе. Абсолютная величина осмотического давления в клетках довольно высока. У наземных растений она колеблется чаще всего от 5 до 10 атмосфер. У пресноводных растений она ниже — всего 1-3 атмосферы. У растений засоленных почв она достигает 40, 80 и даже 100 и более атмосфер. Сосущая сила сухих семян измеряется сотнями атмосфер.

Плазмолиз. При действии на живую клетку гипертонических растворов, т. е. растворов с сосущей силой, превышающей сосущую силу клеточного сока, наблюдается отхождение протопласта от клеточных стенок в результате потери вакуолями и протоплазмой части воды. Это явление называется плазмолизом. Поместив препарат (например, листочек водного растения элодеи, кусочек кожицы сочной чешуи лука) в воде на предметное стекло, накрыв его покровным стеклом, нанеся сбоку его каплю

68

гипертонического раствора, не действующего ядовито на протопласт (например, раствора сахара или 10%-ного раствора калийной селитры), и отсасывая раствор с противоположной стороны кусочками фильтровальной бумаги, можно заметить, что вскоре протопласты, уменьшаясь в объеме, отходят от стенок клеток (рис. 40). Помещая клетки в такой (гипертонический) раствор, можно быть уверенным, что его концентрация сильно превышает концентрацию клеточного сока. Благодаря осмотическим явлениям вода из вакуолей начнет через протоплазму проходить в окружающий раствор. Вакуоли уменьшатся в размерах. В силу сцепления молекул жидкостей и эластичности живой протоплазмы она последует за вакуолей. Следуя за сокращающейся вакуолей, протоплазма отстанет от стенок клетки сначала в отдельных местах, а затем и полностью, и в конце концов в каждой клетке будет

Рис. 41. Различные формы плазмолиза:

А — выпуклый плазмолиз; Б — вогнутый плазмолиз; В, Г — судорожный плазмолиз.

лежать округлый или овальный (оттого что он слегка сжат боковыми стенками клетки) протопласт с совсем маленькой вакуолей внутри. Пространство между протопластом и стенками клетки будет занято раствором, вызвавшим плазмолиз (плазмолитиком).

Плазмолиз наблюдается особенно ясно, если взять объект с окрашенным клеточным соком, например, срез корня красной свеклы, кожицу с листьев или стеблей бегоний, имеющих красноватую окраску, с чешуи лука какого-либо сорта, имеющего сильно окрашенные чешуи. Обычно протопласт отходит от оболочки прежде всего в углах клетки. Нередко в клетке имеются определенные участки внутренней поверхности оболочки, от которых протоплазма быстро отступает при плазмолизе, и другие участки, от которых протоплазма отделяется позже или вовсе не отделяется. Участки первого рода называются позитивными, участки второго рода — негативными местами плазмолиза. В пораненных органах растения в каждой из клеток, находящихся поблизости от пораненного участка, та стенка, которая ближе других к ранке, становится негативным местом плазмолиза. После плазмолиза протопласт может иметь гладкие выпуклые очертания: происходит так называемый выпуклый плазмолиз (рис. 41, А).

В сильно удлиненных клетках протопласт после плазмолиза распадается на две или несколько округлившихся частей, нередко связанных тонкими плазматическими тяжами. При высокой вязкости протоплазмы и сильном прилипании ее к клеточным стенкам происходит вогнутый плазмолиз: протопласт на некоторых участках поверхности остается в соприкосновении

69

с клеточной оболочкой, в других местах отходит от нее, будучи обращен при этом вогнутой стороной искривленной поверхности к стенкам (рис. 41, Б). Вогнутый плазмолиз в резко выраженной форме представляет так называемый судорожный или спазматический плазмолиз (рис. 41, В, Г).

Протопласт в некоторых клетках остается при плазмолизе связанным со стенками тонкими плазматическими нитями — нитями Гехта (рис. 42). Часть этих нитей в дальнейшем ходе плазмолиза разрывается.

Способность плазмолизироваться зависит в значительной мере от возрастной стадии клетки: в молодых растущих и развивающихся клетках протоплазма более вязка и сильно прилипает к оболочке; позже вязкость ее и сцепление плазмалеммы с клеточной оболочкой понижаются, что и проявляется при плазмолизе.

Рис. 42. Выпуклый и вогнутый плазмолиз с нитями Гехта на примере клеток чешуи лука.

Плазмолиз может происходить и «автономно» (самостоятельно) в определенных клетках растений; как пример можно привести уменьшение объема, округление и отхождение протопласта от оболочки при образовании зооспоры или яйцеклетки у зеленой водоросли эдогония. Явления этого порядка происходят обычно в спорангиях (вместилищах бесполых клеток размножения — спор) и гаметангиях (вместилищах половых клеток — гамет).

Протоплазма не вполне непроницаема для многих из веществ, растворимых в воде. Хотя медленно, гораздо медленнее, чем вода, эти вещества все же проникают через протоплазму в вакуоли, поэтому в результате длительного взаимодействия между клеткой и плазмолитиком (раствором, вызывающим плазмолиз) может уравняться сосущая сила клеточного сока и плазмолитика. Последний перестает быть гипертоническим, а протопласт, снова насасывая воду, восстанавливает прежний объем и прежние очертания и входит всей своей наружной поверхностью в соприкосновение с клеточной оболочкой. Восстановление протопластом прежнего состояния, нарушенного плазмолизом, называют деплазмолизом. Деплазмолиз совершается значительно быстрее, а иногда и полнее, если плазмолизированные клетки поместить в раствор более слабой концентрации или в воду

3.

Опыты с плазмолизом ставятся не только в ходе учебной практики, но и в научных исследованиях, прежде всего для определения осмотического

70

давления клеточного сока

4. Так как способность плазмолизироваться свойственна лишь живому протопласту, то опыты с плазмолизом используются иногда для проверки того, является ли в данном случае клетка живой или отмершей.

71

1 Под осмотическим давлением раствора понимается сила, которую необходимо приложить, чтобы помешать проникновению воды в раствор, отделенный от нее полупроницаемой мембраной. 2 В опытах с искусственными клетками это давление может быть измерено ртутным манометром. 3 В опытах подобного рода подходящей является вода из крана или из пруда. В обычной дистиллированной воде клетки быстро отмирают: содержащиеся в ней следы металлов, особенно меди, и неблагоприятная для протоплазмы величина pH действуют как яд. 4 Путем ряда систематических проб находят концентрацию (изоосмотическую) плазмолитика, которая едва вызывает первые признаки плазмолиза. Найдя по таблицам осмотическое давление этой концентрации плазмолитика, можно почти точно указать осмотическое давление клеточного сока в исследуемых клетках.

Плазмолиз у бактерий