в клетках каких растений осмотическое давление клеточного сока наибольшее

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

Муниципальное образовательное учреждение

«Барабо-Юдинская средняя общеобразовательная школа»

Осмос мембраны клетки – основа жизнедеятельности растений

Безлепкина Александра Николаевна

Стаченко Наталья Яковлевна

Чистоозерный район Новосибирская область

Учащиеся нашей школы исследовали влияние внешнего электрического поля на растения. Проводили опыты с экранированием растений, исследовали влияние электрического и магнитного полей на рост и развитие растений. Исследовали влияние на рост и развитие растений предпосевной обработки семян в электрическом поле.

Я наблюдала со стороны и мечтала когда-нибудь провести свои исследования. При изучении темы «Влияние электрического поля на растения», я узнала, что в почвенных растворах и в соках растений имеются ионы различных солей, кислот, щелочей. Внешнее электрическое поле, а также существующие в живых клетках биопотенциалы влияют на интенсивность и направление движения ионов. Токи, возникающие в почве под влиянием электрического поля, и биотоки в растениях оказывают влияние на процессы обмена веществ, а вследствие этого на рост и развитие растений. Под действием электрического поля в почве возникает электроосмос, способствующий более быстрому проникновению питательных веществ из почвы в клетки растений.

Жизнь растений связана с влагой. Для осуществления всех процессов жизнедеятельности в клетку из внешней среды должны поступать вода и питательные вещества. Поэтому электрические процессы в них наиболее полно проявляются при нормальном режиме увлажнения и затухают при увядании. Это связано с обменом зарядами между жидкостью и стенками капиллярных сосудов при протекании питательных растворов по капиллярам растений, а также с процессами обмена ионами между клетками и окружающей средой.

Меня заинтересовали вопросы: какие вещества и как быстро могут проникать в клетку растения, каким образом клетка растения оказывается проницаемой для воды снаружи – внутрь.

Вода необходима живой клетке для нормального течения различных процессов. Без осмоса невозможна жизнь на Земле. Поэтому тема мне показалась очень актуальной и появилось желание изучить и исследовать физическое явление – осмос.

Выдвинула гипотезу : клетка растения – осмотическая система.

Время реализации проекта: март – октябрь 2018 г.

В реализации проекта были задействованы участники кружка по физике «Исследователь».

Глава 1. Цели и задачи.

Разработать способы наблюдения физического явления – осмос.

Доказать, что осмос – это физическое явление односторонней диффузии воды через полупроницаемую мембрану клетки, имеет большое значение для растительных клеток.

Показать проявление физического явления осмос.

Определить, как зависит осмос от концентрации жидкости.

Установить, как объем внутреннего содержимого клетки меняется по законам осмоса, способствует обводнению клеток и межклеточных структур и зависит от электрического и магнитного полей.

Вид проекта : исследовательская работа.

Объект исследования: физическое явления осмос.

Предмет исследования: растительная клетка.

Глава 2. Обзор литературы.

Осмос – это явление самопроизвольного перехода растворителя в раствор, отделенный от него перепонкой, через которую проходит растворитель (например, вода), но не проходит растворенное вещество (например, молекулы сахара). Такие пленки называют полупроницаемыми. Полупроницаемостью обладают разные пленки биологического происхождения: кожа лягушки, стенка мочевого пузыря. Нолле использовал свиной пузырь. Он взял стеклянную трубку и затянул один конец полупроницаемым материалом, затем налил в трубку раствор сахара и опустил ее затянутым концом в воду, вода проникает из наружного сосуда в трубку и уровень раствора в трубке поднимается выше, чем в наружном сосуде, создав так называемое осмотическое давление. Дютроше предположил, что это давление и является причиной замечательных свойств растений. Дютроше показал, что осмос – это чисто физическое явление. С этого момента сторонники физико-химического направления в биологии начали многочисленные исследования роли осмоса в организме животных. Осмосом начали объяснять всасывание пищи в кишечнике, а К.Людвиг пытался объяснить на основе осмоса работу почек. До сих пор корневое давление объясняется на основе осмоса.

Основную роль в исследовании осмоса сыграли работы ботаников. Именно ботаники первыми начали изучать живое 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. Главная задача состояла в том, чтобы выяснить, какие вещества и как быстро могут проникать в клетку. Представим себе, что растительную клетку поместили в концентрированный раствор какого-то вещества. Если это вещество не проникает в клетку, то за счет осмоса вода начнет выходить из клетки наружу и клетка должна уменьшить объем, сжаться. Но изучение осмоса показало, что видимая в микроскоп клеточная оболочка вовсе не сжимается она ведет себя как жесткий каркас, а вот объем внутреннего содержимого клетки меняется по законам осмоса.

Немецким ботаником В.Пфеффером был сделан вывод, имеющий важное значение для развития биологии. Он предложил, что на поверхности растительной клетки под «панцирем» имеется еще одна, невидимая в микроскоп оболочка – клеточная мембрана, которая играет на самом деле роль полупроницаемой оболочки. Пфеффер впервые измерил осмотическое давление. В рассмотрении данных вопросов, наблюдается взаимосвязь разных наук. Физика помогла биологии, подготовила ее развитие. Наоборот, без работ Гальвани не был бы так быстро открыт электрический ток, без открытия ботаника Броуна медленнее развивалась бы молекулярно-кинетическая теория.

Каждая клетка имеет плотную оболочку с порами, которые можно различить только при большом увеличении. В состав оболочек растительных клеток входит особое вещество – целлюлоза, придающая им прочность (рис 1). Под оболочкой клетки находится тоненькая пленочка – мембрана. Она легкопроницаема для одних веществ и непроницаема для других. Полупроницаемость мембраны сохраняется, пока жива клетка. Таким образом, оболочка сохраняет целостность клетки, придает ей форму, а мембрана регулирует поступление веществ из окружающей среды в клетку и из клетки в окружающую среду.

Рис 1. Строение клетки.

Глава 3. Методика и исследование физического явления осмос.

Чтобы понять явление осмоса, рассмотрим его проявление на простых опытах.

Чистая вода (без солей и сахара) проникает в клетки растения, потому что в них находится более концентрированный раствор солей и сахаров.

А может быть наоборот: Я натерла морковь на терке. Половину посыпала сахаром, а вторую оставила просто так. Через 15-20 минут морковь начала сохнуть (рис 2, а), а посыпанная сахаром «пустила сок» (рис 2, в).

Рис 2. Осмос жидкости из моркови.

Осмос жидкости из моркови, в которой было мало сахаров, жидкость вышла из клетки наружу – в ту сторону, где сахаров много.

Исследование 2. Зависимость осмоса от концентрации жидкости.

Для убедительности ареометром определили плотность воды (1000 кг/м³ и раствора соли 1100 кг/м³ рис 4).

Рис 4. Измерение плотности воды и растворов ареометром.

Через полтора часа проверила картофель в воде и растворах (Рис 5).

Рис 5. Картофель в воде и растворах через час.

1-ый кусок: разбух (ведь концентрация соли в нем выше, чем в простой воде – вот она и прошла в его клетки)

2-ой кусок: остался как есть (так как подсоленная вода имеет концентрацию солей почти такую же, как сама картошка)

3-ий кусок: утонул и втянулся внутрь (сильно соленый раствор соли в воде «вытянул» сок из картошки) на рис 6.

Рис 6. Картофель №3 втянулся во внутрь.

Исследование 3. Наблюдение осмоса с помощью цветка. Осмос обуславливает поднятие воды по стеблю растения. Поставила цветок белого цвета в окрашенную воду, утром я увидела в прожилках лепестков краску. Рис 7.

Рис 7. Подкрашенная вода всосалась растением – это результат осмоса.

Исследование 4. Можно ли наблюдать осмос в искусственной системе?

Трубку, содержащую насыщенный раствор соли и закрытую с одного конца мембраной (натуральной животного происхождения), пропускающей воду, но не пропускающей соль, опустила закрытым концом в сосуд с водой (рис 8).

Рис 8. Осмос в искусственной системе через природную полупроницаемую мембрану.

В этом опыте наблюдаем прохождение воды через полупроницаемую природную мембрану (я взяла пленку пищевода курицы). Поскольку концентрация всякого водного раствора зависит от количества растворенного в воде вещества, вода стремиться переходить из более разбавленного раствора в более концентрированный раствор.

Вода может проходить через мембрану в том и другом направлении; однако молекулы соли в трубке мешают движению соседних молекул воды, и потому больше воды входит в трубку, чем выходит из нее. Раствор поднимается в трубке до тех пор, пока давление его столба не станет достаточным для того, чтобы вытеснять воду из трубки с такой же скоростью, с какой она поступает внутрь.

Не обладая способностью насасывать или откачивать воду непосредственно, клетки регулируют приток и отток воды, изменяя концентрацию находящихся в них растворенных веществ. Чтобы поглотить больше воды, клетка поглощает больше ионов различных солей или других растворенных частиц. Вода по законам осмоса начинает поступать в клетку, стремясь к выравниванию своей собственной концентрации по обе стороны мембраны.

Так работает система до тех пор, пока концентрация растворенных веществ вне клетки и в клетке примерно одинакова. Если в среде концентрация растворенных веществ выше, чем в самой клетке, или если средой является сухой воздух, то клетка теряет воду и сморщивается, растение привядает в сухой жаркий день. С оттоком воды содержимое клетки сжимается и отходит от клеточных стенок (рис 9).

Рис 9. а) клетки листка растения герани под микроскопом, б) клетки подсохшего листка растения герани под микроскопом (увеличение 260 раз)

Исследование 6. Луковицу поместили в концентрированный раствор соли. Если предположить, что вещество не проникает в клетку, то за счет осмоса вода начнет выходить из клетки наружу и клетка должна уменьшить объем, сжаться. Сделала очень тонкий срез луковицы и рассмотрела в микроскоп (Рис 10).

Рис 10 а) клетка лука б) клетка лука в соленой воде.

Оболочка клетки — это и есть мембрана. Мембрана клетки в микроскоп (в соленой воде) увеличена. Она отделяет клетки не друг от друга, а внутреннюю среду клетки от внешней межклеточной среды.

В мембране имеются специальные каналы для ионов, каждый канал специфичен и происходит транспорт ионов внутри и за пределы клетки. Калий выходит из клетки, а хлор заходит в клетку, в результате этого увеличивается количество положительных зарядов на поверхности клетки и уменьшается количество зарядов внутри клетки.

Из данной теории я предположила, что осмос можно усилить или ослабить, применяя электрические поля.

К препарату клеток лука я подносила тонкие электроды и сразу заметила внутри клетки движение (рис 11).

Рис 11. Наблюдение в микроскоп клеток лука под воздействием электрического тока.

Исследование 8. Наблюдение клеток лука в магнитном поле.

При внесении магнита к препарату клетки лука, сразу заметила на экране движение в клетках (рис 12).

Диффузия на столько выражена, наглядна, что я решила найти в научной литературе этому объяснение.

Рис 12. Вид в микроскоп движения во внутриклеточной среде клетки лука в магнитном поле.

Внутриклеточная среда представляет собой растворы электролитов.

При возбуждении клетки происходит реверсия (перезарядка мембраны): внутренняя поверхность мембраны становится заряженной положительно, а наружная – отрицательно. Причина перезарядки заключается в том, что в момент возбуждения мембрана клетки становится кратковременно проницаемой к ионам натрия, которые быстро входят в клетку, перезаряжают мембрану. Таким образом, магнитное поле влияет на клетку растения.

Исследование 9. Влияние внешнего магнитного поля на проницаемость мембран клеток.

Из научной литературы известно, что проницаемость мембраны клетки избирательна. Калий выходит из клетки, а хлор заходит в клетку. Следовательно, снаружи клетка приобретает дополнительно положительный заряд и внутри остается избыток отрицательного заряда. Поэтому клетка восприимчива к электрическим и магнитным полям.

То, что я наблюдала в микроскоп – теория английского физиолога Ходжкина. Он доказал, что магнитное поле кратковременно и специфически изменяет проницаемость мембраны для ионов натрия. При раздражении растения магнитным полем изменяется проницаемость клеточных мембран для ионов кальция.

Рис 13. Вид клетки комнатного растения в микроскоп а) без магнита, б) с магнитом

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах деревьев. На явлениях осмоса основаны движения воды по проводящей системе зеленых растений от корней к листьям.

Сделав очень тонкий срез ветки дерева (рис 14) а) препарат «живых клеток», б) в растворе соли, в) сухой ветки.

Как растения и «пьют воду»? Благодаря осмосу она проникает в их клетки. Осмотическое давление распрямляет стебель и позволяет растению двигаться. Увядшее растение впитывает воду и снова становится упругим. Вода как бы «распирает» клетки изнутри и ветки распрямляются, а листья расправляются.

Рис 14. а) препарат «живых клеток», б) в растворе соли, в) сухой ветки.

Мы наблюдаем движение воды в стеблях растения (рис 14, а,б), которое обеспечивается осмотическим давлением.

На основании результатов данного исследования можно сделать

Проявление физического явления осмос можно наблюдать на опытах с растениями и используя механическую модель.

Доказали, что осмос зависит от концентрации жидкости. Чистая вода проникает в клетки растений, потому что в них находится более концентрированный раствор солей или сахаров.

Установили, что усилить или ослабить осмос можно с помощью электрического и магнитного полей, так как под действием внешнего электрического поля происходит движение ионов через мембрану, перераспределение объемного заряда.

В ходе данного исследования

провела опыты, подтверждающие существование физического явления – осмос

В ходе исследования подтвердили: осмос имеет большое значение для растительных клеток; осмос мембраны клетки – основа жизнедеятельности растений, нарушение проводимости клеточных мембран ведет к гибели растения.

Данные исследования можно использовать:

как дополнительный материал для обучения на уроках биологии, физики;

так как нарушение проводимости клеточных мембран приводят к серьезным патологиям живого организма (не только растений), исследования биоэлектрических потенциалов применяют с диагностическими целями в электрокардиографии, электроэнцефалографии, электромиографии

движение под действием внешнего электрического поля твердых частиц, пузырьков газа, коллоидных частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газообразной среде, нашло применение в медицине – электрофорез.

Академик Д.Лихачев: « Если в конце исследования не видно начала следующего – значит, исследование не доведено до конца»

Мне известен общий принцип: электрический ток движет среду в которой идет и движет находящиеся в ней предметы. Значит, электромагнитное поле влияет на клетку живого организма, но это уже тема следующего исследования.

3.Горшков В. И., Кузнецов И. А., Физическая химия, М., 1986г.

4.Дуров В. А., Агеев Е.П., Термодинамическая теория растворов неэлектролитов, М., 1987г.

5.Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. – М.: «Химия», 1978. 168. — 352 стр.

Источник

Рабочая тетрадь для лабораторно-практических занятий по физиологии и биохимии растений

Ищем педагогов в команду «Инфоурок»

В настоящей рабочей тетради представлены лабораторные работы по физиологии и биохимии растений для факультативных занятий по биологии. Предлагаемые работы по основным разделам курса физиологии растений будут содействовать лучшему и более глубокому усвоению учебного материала учащимися и развитию у них творческих навыков для самостоятельной экспериментальной деятельности.

Отличительной чертой рабочей тетради являются наличие простых и наглядных опытов, которые могут быть поставлены учителями в школе при изучении ботаники и общей биологии. Таким образом, данное пособие можно использовать учителями для демонстрации наглядных опытов и привлечения учащихся к активному участию в постановки и проведении экспериментов.

Подготовка рабочей тетради для лабораторно-практических работ по физиологии растений обусловлены двумя причинами. Первая связана с ФГОС СОО, где одним из важных показателей обученности учащихся является усвоение ими УУД. При выполнении данных лабораторно-практических работ учащиеся усваивают один из основных метапредметных УУД, как эксперимент. Характерной особенностью физиологического эксперимента (как любого другого), отличающей его от наблюдения, является предварительный мысленный эксперимент, направленный на создание соответствующей постановки опыта. Предварительная работа всегда самая трудная часть опыта, требующая от исследователя большой эрудиции и творческого воображения. Эту проблему будет решать данная рабочая тетрадь. Она позволит самостоятельно осмыслить предстоящий эксперимент и более глубоко проанализировать результаты и сделать правильные выводы.

Большинство работ могут быть выполнены на факультативных занятиях в любой школе, в том числе не располагающей сложным оборудованием.

Для каждой работы приведён список материалов и оборудования (на одно рабочее место), краткое описание работы, указания, как оформить её результаты (формы таблиц, формулы для расчётов и т.п.).

ФИЗИОЛОГИЯ И БИОХИМИЯ РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКИ

Лабораторная работа №1

Цель работы: познакомиться с явлением движения цитоплазмы и его зависимостью от внешних условий.

Материалы и оборудование: микроскоп, настольная лампа, предметные и покровные стёкла, пинцет, препаровальная игла, фильтровальная бумага, элодея.

Объяснение. Движение цитоплазмы является одним из важнейших жизненных проявлений растительных клеток. В основе механизма движения цитоплазмы лежат сократительные движения нитеподобных белков, снабжаемые энергией дыхания. О скорости движения цитоплазмы судят по скорости движения видимых органоидов клетки, например, хлоропластов.

Положить лист элодеи на предметное стекло и рассмотреть под большим увеличением микроскопа. Движение цитоплазмы лучше видно в клетках, примыкающим к жилкам листа или клетках оторочки листа.

Зарисовать препарат, отметить стрелками направления движения цитоплазмы.

Подогреть слегка препарат или внести в него каплю спирта и наблюдать за изменением движения цитоплазмы.

Источник

Вакуоли. Состав и свойства клеточного сока. Осмотическое давление, тургор и плазмолиз.

Химический состав клеточного сока сильно варьирует в зависимости от вида растения. Огромное разнообразие химических веществ, выделяемых из рас­тений и обладающих лекарственными свойствами, находится в клеточном со­ке. Клеточный сок имеет чаще кислую реакцию.

Клеточный сок богат различными органическими кислотами: яблочная, винная, щавелевая, лимонная, янтарная и др. Функции разнообразны: участву­ют в процессе дыхания, отчасти выполняют роль фитонцидов и антибиотиков, защищая растение от поражения грибками, вирусными, бактериальными забо­леваниями, обеспечивая вкус растений и запах за счет летучих кислот: муравь­иной, масляной, уксусной.

Содержатся в большом количестве в ягодах клюквы, корне алтея, солодко­вом корне и др.

Минимальные дозы необходимы для нормальной жизнедеятельности са­мих растений (для поддержания роста, регуляции дыхания, обмена веществ и пр.).

Протопласт растительной клетки вырабатывает также особую группу ве­ществ, обладающих свойством усиливать физиологические процессы. Такие вещества называют фитогормонами. Установлены фитогормоны, усиливаю­щие рост, клеточное деление, половые функции.

Клетки растений также продуцируют жидкие или летучие вещества, имею­щие для клеток профилактическое значение, они задерживают рост, а иногда и убивают микроорганизмы и других паразитов. Обладают избирательным дей­ствием: угнетают одних и безвредны для других микробов. Их называют антибиотиками (у низших) и фитонцидами (у высших).

Поступление веществ в растительную клетку.Жизнедеятельность организма, всех органов и клеток возможна лишь при непрерывно протекающих в них процессах обмена веществ. Клетка поглощает вещества из окружающей среды и одновременно передает образующиеся в ней продукты соседним клеткам или выделяет их во внешнюю среду.

Способность протопласта к непрерывному обмену с окружающей средой не­сет черты избирательности. Из большого количества веществ, находящихся вне клетки, в нормальных условиях внутрь ее проникают лишь определенные со­единения в определенных соотношениях. Соответственно этому лишь опреде­ленные продукты жизнедеятельности выделяются клеткой в окружающую сре­ду. В явлениях поглощения и выделения веществ клеткой, большую роль иг­рают процессы диффузии и осмоса. Как известно, частицы составляющих про­топлазму веществ обладают определенной клеточной энергией, что является причиной их непрерывного движения. Передвижение диспергированного ве­щества из одной части системы в другую называется диффузией. Это не хаоти­ческое движение молекул, а направленное, характер которого определяется рядом факторов: активностью диффундируемых молекул, градиентом концентри­рованных растворов; скорость диффузии определяется величиной и массой молекул, вязкостью среды, температурой и др. условиями, составом и свойст­вами других соединений в растворе. Сложность и гетерогенность строения протоплазмы обусловливает неодинаковую скорость диффузии в различных частях одной клетки. Если диффундирующее вещество встречает на своем пути перепонку с разной проницаемостью для растворителя и растворенного вещества, передвижение веществ в такой системе становится более сложным.

Являясь преградой для свободной диффузии электролитов, она обеспечивает постоянную разность концентраций между клеточным соком и окружающим клетку раствором. Проникновение жидких и растворимых веществ через полу­проницаемые перегородки получило название осмоса. Основное значение в процессе осмоса имеют явления адсорбции и десорбции. Им сопутствуют электроосмотические процессы. Осмотическое давление в клетке зависит не от коллоидов протопласта, а от растворов различных солей, сахаров, аминокис­лот в клеточном соке. Для проникновения извне каких-либо растворенных со­лей в клетку необходимо, чтобы осмотическое давление клеточного сока бы­ло выше, чем в окружающем клетку солевом растворе. Соли (электролиты) поступают в клетку не в виде молекул, а отдельными ионами, которые адсор­бируются на поверхности полупроницаемых мембран благодаря ее электрическому потенциалу. Ионы также имеют свои заряды и чем они больше, тем труднее проникновение их в клетку. Адсорбированные ионы затем десорбируются на внутреннюю стенку плазмалеммы и передаются в мезоплазму. Сорбционные процессы имеют обменный характер. Интенсивность этих явлений за­висит от дыхания клеток. Энергия, освобождаемая при ступенчатом распаде веществ, в процессе дыхания, используется в значительной степени на сорбционные функции клеток.

Степень тургора зависит от разности осмотического давления внутри и вне клетки и от упругости оболочки. Соединенный тургор массы клеток в организме растения создает напряжение, упругость всего растения, помогает стеблям со­хранять прямое положение, поддерживать массу листьев, противостоять ветру, бурям, ливням, ориентировать листья по отношению к свету. Словом, тургор обеспечивает нормальное физиологическое состояние растения.

Разность осмотического давления внутри и вне клетки обеспечивает сосу­щую силу клеток.

Обратное тургору явление получается, если клетку положить в крепкий раствор поваренной соли, более концентрированный, чем клеточный сок. В этом случае начнется сжатие оболочки и протопласта, но т.к. оболочка менее эла­стична, сжатие ее скоро приостановится, цитоплазма же, продолжая сокра­щаться, будет отходить от стенки клетки и примет форму комочка внутри клетки. Это явление называется плазмолизом. Плазмолиз в тканях расте­ния делает их вялыми, органы становятся дряблыми. Бывает выгнутым (протопласт округлый); вогнутый (протопласт местами не отрывается от обо­лочки, а частично втягивается внутрь); судорожный (без определенной законо­мерности).

При определенных условиях при потере клеточного тургора наблюдается циторриз, когда сжимается вся клетка (с оболочкой). Наблюдается при увя­дании растений и не является следствием потери воды осмотическим путем, а результатом испарения воды.

Источник