ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΩΝ ΓΕΩΠΟΝΩΝ

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΩΝ ΓΕΩΠΟΝΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑΣ ΦΥΤΩΝ Νερό και Φυτικό Κύτταρο ΔΗΜΟΥ ΔΗΜΗΤΡΑ Δρ. Γεωπόνος

2 ΝΕΡΟ ΚΑΙ ΦΥΤΙΚΟ ΚΥΤΤΑΡΟ Η σημασία του νερού για τα φυτά Το νερό, που συμμετέχει με το μεγαλύτερο ποσοστό στη σύσταση των κυττάρων, έχει ιδιαίτερη σημασία για τα κύτταρα και τους φυτικούς οργανισμούς γενικότερα αφού: o Αποτελεί άριστο διαλύτη ηλεκτρολυτών και μη συστατικών, μικρο- ή μεγαλομορίων των κυττάρων. o Μπορεί να δημιουργεί δεσμούς υδρογόνου με άτομα Ο και Ν επηρεάζοντας έτσι τη δομή μεγαλομορίων, όπως υδατανθράκων και πρωτεϊνών o.αποτελεί ευνοϊκό μέσο στο οποίο πραγματοποιούνται οι περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις των κυττάρων. o Συμμετέχει άμεσα σε πλήθος βιοχημικών αντιδράσεων των κυττάρων ως αντιδρόν ή προϊόν. o Αποτελεί το μέσο δια του οποίου διακινούνται τα μόρια διαφόρων ουσιών στα ενδοκυτταρικά διαμερίσματα αλλά και μεταξύ των κυττάρων o Λόγω της μεγάλης ειδικής του θερμότητας αλλά και μέσω της διαπνοής έχει καθοριστικό ρόλο στη διατήρηση της θερμοκρασίας των φύλλων αλλά και ολόκληρου του φυτικού σώματος σε ευνοϊκά για τις βιοχημικές αντιδράσεις επίπεδα. o Λόγω επίσης της μεγάλης ειδικής του θερμότητας αμβλύνει την αρνητική επίδραση των ακραίων θερμοκρασιών και των θερμοκρασιακών μεταβολών στα κύτταρα o Μέσω του ρεύματος της διαπνοής συμβάλλει στη μετακίνηση του εδαφικού διαλύματος προς την επιφάνεια των ριζών και την απορρόφηση ιόντων από το εδαφικό διάλυμα o Καθορίζει αποφασιστικά τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης μέσω της επίδρασης στο άνοιγμα-κλείσιμο των στοματίων 2

3 o Είναι καθοριστικός παράγοντας για τη λειτουργία των φυτικών κυττάρων και ιστών ως ωσμωτικών συστημάτων και την υπόστασή τους ως πολυκύτταρων οργανισμών. Μηχανισμοί κίνησης του νερού Το νερό κατά την πορεία του από το έδαφος προς τις ρίζες, τους βλαστούς και τα φύλλα συναντά κύτταρα και ιστούς με διαφορετική δομή, ιδιότητες και μέγεθος. Ο τρόπος μετακίνησης και οι κινητήριες δυνάμεις διαφέρουν, ανάλογα με το μέσο. Οι δυνατοί μηχανισμοί κίνησης του νερού είναι τρεις: η διάχυση, η μαζική ροή και η ώσμωση. Η διάχυση είναι μια διαδικασία η οποία απορρέει αποκλειστικά και μόνο από διαφορά συγκέντρωσης. Η κίνηση γίνεται από περιοχές υψηλής συγκέντρωσης προς περιοχές χαμηλής συγκέντρωσης και τίποτα δεν αποκλείει η κίνηση ενός μορίου χ προς μία κατεύθυνση να συνυπάρχει με την κίνηση ενός άλλου μορίου ψ προς κάποια άλλη κατεύθυνση, αν η διαβάθμιση των συγκεντρώσεων των μορίων χ και ψ έχει αντίθετη φορά. Η ροή της μετακινούμενης ουσίας, δηλαδή η ποσότητα της ουσίας που διασχίζει τη μονάδα της επιφάνειας στη μονάδα του χρόνου, είναι ανάλογη με τη διαφορά συγκέντρωσης και αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης μεταξύ δύο σημείων της κλιμακούμενης συγκέντρωσης. Ο χρόνος που απαιτείται για την μετακίνηση ενός μορίου κατά μήκος μιας διαβάθμισης συγκεντρώσεων είναι ανάλογος του τετραγώνου της αποστάσεως και εξαρτάται από το μέσο στο εσωτερικό του οποίου γίνεται η διάχυση. Όταν υπάρχει μετακίνηση σε υδατική φάση η διάχυση συμβαίνει γρήγορα σε μικρές αποστάσεις αλλά υπερβολικά αργά σε μεγάλες αποστάσεις. Κατά συνέπεια, η διάχυση ανόργανων θρεπτικών στοιχείων από τη ρίζα προς το υπόλοιπο φυτό μέσω των ξυλωδών αγγείων είναι τόσο αργή, που δεν μπορεί να υποστηρίξει την επιβίωση του φυτού. Αντίθετα, μέσα στα όρια ενός κυττάρου ή ενός υποκυτταρικού οργανιδίου, η απλή διάχυση επαρκεί. Στην περίπτωση διάχυσης μορίων στον αέρα οι ταχύτητες μετακίνησης είναι πολύ υψηλές. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για το τελευταίο στάδιο της μετακίνησης 3

4 του νερού από το εσωτερικό των φύλλων προς την ελεύθερη ατμόσφαιρα που γίνεται με την μορφή υδρατμών σε αέρια φάση (δηλαδή στον αέρα). Ένας άλλος τρόπος μετακίνησης του νερού είναι μέσω της λεγόμενης μαζικής ροής, κατά την οποία νερό και διαλυμένες ουσίες κινούνται ταυτόχρονα προς μια κατεύθυνση εξαιτίας διαφορών πιέσεων. Μαζική ροή συμβαίνει κατά την αναρρόφηση ενός διαλύματος μέσα από ένα καλαμάκι, ή κατά την άντληση μέσω σωλήνα και μπορεί να είναι αρκετά γρήγορη. Η ταχύτητα ροής του νερού διαμέσου αγωγού είναι ανάλογη της διαφοράς πίεσης που εφαρμόζεται στα δύο άκρα του και της τέταρτης δύναμης της ακτίνας του. Η μαζική ροή είναι ο κυριότερος μηχανισμός για τη μετακίνηση του νερού στις μεγάλες αποστάσεις των αγγείων του ξύλου. Το νερό, κατά τη κίνησή του από κύτταρο σε κύτταρο ή ακόμα και εντός του κυττάρου είναι υποχρεωμένο να διασχίσει τις υπάρχουσες μεμβράνες. Όπως είναι γνωστό, οι μεμβράνες διαχωρίζουν τα κύτταρα και τα κυτταρικά οργανίδια και συνεισφέρουν στην απαραίτητη διαμερισματοποίηση των βιομορίων και των λειτουργιών. Αυτό γίνεται εφικτό εξαιτίας της ιδιότητας της εκλεκτικής διαπερατότητας. Δηλαδή, επιτρέπουν τη δίοδο του νερού, καθώς και μικρών και μη φορτισμένων μορίων, ενώ περιορίζουν την κίνηση μεγαλομορίων ή φορτισμένων μορίων. Τέτοιες μεμβράνες είναι γνωστές ως ημιπερατές μεμβράνες. Η μετακίνηση του νερού (ή άλλου διαλύτη) δια μέσου μίας ημιπερατής μεμβράνης είναι γνωστή ως ώσμωση και αποτελεί τον τρίτο τρόπο μετακίνησης του νερού, παράλληλα με τη διάχυση και τη μαζική ροή. Η ωσμωτική κίνηση, επειδή προϋποθέτει την ύπαρξη μεμβράνης, αφορά μετακίνηση σε μικρές αποστάσεις. Όπως και στις προηγούμενες περιπτώσεις, η ωσμωτική κίνηση είναι αυθόρμητη, υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει μια κινητήρια δύναμη. Στην περίπτωση της διάχυσης η κινητήρια δύναμη είναι μια διαβάθμιση συγκεντρώσεων, ενώ στη μαζική ροή είναι μια διαβάθμιση πιέσεων. Στην ωσμωτική κίνηση συνεισφέρουν και οι δύο παραπάνω δυνάμεις και η κατεύθυνσή της είναι αποτέλεσμα της συνισταμένης τους. 4

5 Ωσμωτική πίεση Αν από τη μία πλευρά ημιπερατής μεμβράνης υπάρχει το υδατικό διάλυμα μιας ουσίας (χαμηλή συγκέντρωση νερού ανά μονάδα όγκου) και από την άλλη υπάρχει καθαρό νερό, τότε θα παρατηρηθεί μετακίνηση νερού προς την πλευρά του διαλύματος, με κινούσα δύναμη τη διαφορά συγκέντρωσης του νερού, που υπάρχει ανάμεσα στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Η ώσμωση μπορεί να σταματήσει : όταν μεγάλες ποσότητες νερού περάσουν προς την πλευρά του διαλύματος ώστε η υδροστατική πίεση (Ρ υδρ = ε.h) που δημιουργείται, λόγω της ανύψωσης της στάθμης και οφείλεται στη στήλη του διαλύματος ύψους h, εξαναγκάζει τα μόρια του διαλύτη να εξέρχονται με την ίδια ταχύτητα με την οποία εισέρχονται. Δηλαδή τελικά αποκαθίσταται κατάσταση δυναμικής ισορροπίας όπου υ 1 = υ 2 (Σχ. 1). Αν εφαρμοσθεί, από την αρχή, εξωτερική πίεση από την πλευρά του διαλύματος η οποία θα εξισορροπήσει την ωσμωτική μεταφορά του νερού (Σχ. 2). Η εξωτερική πίεση που απαιτείται είναι ίση με την υδροστατική πίεση (Ρ υδρ = ε.h) που δημιουργείται από την ανύψωση της στάθμης του διαλύματος όταν το φαινόμενο έχει καταλήξει σε ισορροπία. Επομένως, 'Ωσμωτική πίεση (Π) διαλύματος, που διαχωρίζεται με ημιπερατή μεμβράνη από τον καθαρό διαλύτη, ονομάζεται η ελάχιστη πίεση που πρέπει να ασκηθεί εξωτερικά στο διάλυμα, ώστε να εμποδιστεί το φαινόμενο της ώσμωσης, χωρίς να μεταβληθεί ο όγκος του διαλύματος. 5

6 Σχ. 1: Ώσμωση μεταξύ διαλύματος και διαλύτη Σχ. 2: Για να μη συμβεί ώσμωση μπορούμε να ασκήσουμε εξωτερική πίεση (Ρ εξ ) ίση με την ωσμωτική δηλ. Ρ εξ =Π 6

7 Έχει διαπιστωθεί ότι η ωσμωτική πίεση εξαρτάται μόνο από τον αριθμό των διαλυμένων μορίων και είναι ανεξάρτητη από τη φύση και το μέγεθος των μορίων. Για παράδειγμα, ένας αμυλόκοκκος σε ένα φυτικό κύτταρο δε συνεισφέρει καθόλου στην ωσμωτική του πίεση. Αν όμως υδρολυθεί, τα χιλιάδες μόρια γλυκόζης που προκύπτουν θα συνεισφέρουν σημαντικά. Κατά συνέπεια, η μεταβολική ικανότητα των κυττάρων να συνθέτουν ή να διασπούν πολυμερείς ουσίες, μπορεί να μεταβάλει σημαντικά την ωσμωτική τους πίεση (φαινόμενα ωσμωρύθμισης). Αποτελέσματα της ωσμωτικής πίεσης Αποτέλεσμα της ωσμωτικής πίεσης του κυττάρου είναι η εκδήλωση της σπαργής και του φαινομένου της πλασμόλυσης. Τα φυτικά κύτταρα έχουν την τάση να συγκεντρώνουν στα χυμοτόπια τους διαλύματα αλάτων, διάφορα σάκχαρα, αμινοξέα και οργανικά οξέα. Αποτέλεσμα της συσσώρευσης των ουσιών αυτών είναι τα χυμοτόπια να έχουν αυξημένη τιμή ωσμωτικής πίεσης σε σχέση με το κυτόπλασμα. Δεδομένου ότι πρέπει να υπάρχει υδατική ισορροπία μεταξύ κυτοπλάσματος και χυμοτοπίου, το νερό του κυτοπλάσματος και του περιβάλλοντός του τείνει να διαχυθεί στο χυμοτόπιο για να εξισορροπηθούν οι δύο ωσμωτικές πιέσεις. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε αυξημένη υδροστατική πίεση και το διογκούμενο λόγω πρόσληψης νερού χυμοτόπιο αναγκάζει τον πρωτοπλάστη να πιέζει το κυτταρικό τοίχωμα. Αυτή ακριβώς η εσωτερική υδροστατική πίεση ονομάζεται πίεση σπαργής και μπορεί να ορισθεί ως η πίεση που ασκείται από τον πρωτοπλάστη στο κυτταρικό τοίχωμα ως αποτέλεσμα της ώσμωσης. Ισότιμη αλλά αντίθετης φοράς είναι η πίεση που ασκείται από το τοίχωμα προς τον πρωτοπλάστη και ονομάζεται πίεση τοιχώματος. Ισχύει δηλαδή: πίεση σπαργής = - πίεση τοιχωμάτων Η απορροφητική δύναμη (Α) ενός κυττάρου εξαρτάται από την τιμή της ωσμωτικής πίεσης του κυττάρου (Ω) και από την πίεση του τοιχώματος (Π). 7

8 Η σχέση, που συνδέει τα μεγέθη αυτά, δίνεται από την εξίσωση: Α=Ω-Π, η οποία μας δείχνει ότι η απορροφητική δύναμη του κυττάρου πραγματοποιείται, όσο υπάρχει διαφορά μεταξύ ωσμωτικής πίεσης και πίεσης των τοιχωμάτων. Πράγματι, αν στη σχέση Α=Ω-Π η τιμή του Π είναι ίση με μηδέν (δηλ. το κύτταρο είναι συρρικνωμένο), τότε Α=Ω, που σημαίνει ότι η απορροφητική δύναμη του κυττάρου είναι ίση με την ωσμωτική πίεση. Αν όμως η ωσμωτική πίεση (Ω) γίνει ίση με την πίεση τοιχώματος (Π) δηλ. Ω=Π (κατάσταση σπαργής), τότε Α=0, που σημαίνει ότι η απορροφητική δύναμη μηδενίζεται. Δεν είναι λοιπόν η απόλυτη τιμή της ωσμωτικής πίεσης του κυττάρου, που καθορίζει την απορρόφηση, αλλά η διαφορά Ω-Π, η οποία εξαρτάται από το βαθμό κορεσμού του κυττάρου σε νερό. Έτσι το κύτταρο είναι ένα αυτόματο ωσμωτικό σύστημα, που απορροφά το νερό ανάλογα με τις ανάγκες του. πλασμόλυση σπαργή αποπλασμόλυση Εικ. 1. Αντιπροσωπευτικές καταστάσεις των υδατικών σχέσεων ενός φυτικού κυττάρου 8

9 Η σπαργή στα φυτά παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, γιατί χάρη σε αυτήν τα φυτά με πρωτογενή αύξηση παραμένουν θαλερά, δηλαδή ανορθωμένα, ενώ σε περίπτωση έλλειψης σπαργής αυτά μαραίνονταη σπαργή εκδηλώνεται σχεδόν από όλα τα φυτικά κύτταρα, γιατί κατά το πλείστον βρίσκονται σε υπότονο μέσο 1. Αν όμως ένα φυτικό κύτταρο, που βρίσκεται σε σπαργή, τοποθετηθεί σε υπέρτονο διάλυμα 1, τότε θα αρχίσει να βγαίνει νερό από το χυμοτόπιο του προς το διάλυμα, μέχρι που να εξισωθούν οι ωσμωτικές τους πιέσεις. Αποτέλεσμα αυτού είναι να συρρικνωθούν το χυμοτόπιο και ο πρωτοπλάστης, αναγκάζοντας το πλασμαλήμμα να απομακρυνθεί από το κυτταρικό τοίχωμα (Εικ. 1). Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως πλασμόλυση (Εικ. 2). Η διαδικασία θα αντιστραφεί, αν το κύτταρο μεταφερθεί σε υπότονο διάλυμα ή καθαρό νερό. Στην περίπτωση αυτή το νερό μετακινείται προς το χυμοτόπιο, το οποίο αποκτά τον αρχικό του όγκο, ενώ το πλασμαλήμμα αποκαθιστά την επαφή του με το κυτταρικό τοίχωμα (Εικ. 1). Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως αποπλασμόλυση. Σημείωση: 1: Το διάλυμα που περιέχει τη μικρότερη συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας και συνεπώς ασκεί μικρότερη ωσμωτική πίεση, χαρακτηρίζεται ως υπότονο. Αντίθετα αυτό που περιέχει τη μεγαλύτερη συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας και συνεπώς ασκεί μεγαλύτερη ωσμωτική πίεση, χαρακτηρίζεται ως υπέρτονο. Είναι δυνατόν όμως τα διαλύματα στους δύο χώρους να έχουν την ίδια συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας, οπότε θα εμφανίζουν και ίσες ωσμωτικές πιέσεις. Στην περίπτωση αυτή μιλάμε για ισότονα διαλύματα, στα οποία ο αριθμός των μορίων του νερού, που ανταλλάσσονται στη μονάδα του χρόνου, είναι ίδιος. 9

10 Εικ.2. Πλασμολυμένα κύτταρα της επιδερμίδας φυλλιδίου του βολβού του κρεμμυδιού. Το χυμοτόπιο συρρικνώνεται συμπαρασύροντας και τον πρωτοπλάστη. Πειραματικό μέρος Σκοπός της άσκησης είναι η κατανόηση της κίνησης του νερού, όταν ένα μικρό κομμάτι φυτικού ιστού βυθιστεί σε διάλυμα με γνωστό υδατικό δυναμικό. Πειραματική διαδικασία o Δίνεται διάλυμα ΚΝΟ 3 1Μ. Παρασκευάστε 200 ml από τα εξής διαλύματα: 0, 0,1Μ, 0,2Μ, 0,3Μ, 0,4Μ και 0.5Μ. o Από κονδύλους πατάτας και με τη βοήθεια φελοτρυπητήρα προετοιμάστε 6 κυλινδρικά τεμάχια μήκους 3 cm και διαμέτρου 1 cm περίπου. Τα τεμάχια αυτά πρέπει να έχουν κατά το δυνατόν το ίδιο μήκος και διάμετρο και οι ακραίες εγκάρσιες τομές να είναι λείες και κάθετες. o Τοποθετείστε τους κυλίνδρους μέσα σε τρυβλίο Petri. Οι παραπάνω εργασίες πρέπει να γίνουν κατά το δυνατό γρηγορότερα για να αποφευχθεί η απώλεια υγρασίας. 10

11 o Ζυγίστε σε αναλυτικό ζυγό κάθε κύλινδρο με ακρίβεια mg. Αμέσως μετά τη ζύγιση τοποθετείστε από ένα κύλινδρο σε κάθε διάλυμα ΚΝΟ 3 ). o Οι κύλινδροι θα παραμείνουν στο διάλυμα επί 45 min. o Mετά την πάροδο αυτού του χρόνου μεταφέρατε τους κυλίνδρους από κάθε διάλυμα σε διηθητικό χαρτί, στεγνώστε τους με ελαφριά επαφή στο χαρτί και ζυγίστε τους. Αποτίμηση πειράματος o Παρουσιάστε τα δεδομένα σε πίνακα που θα δείχνει το αρχικό βάρος, το τελικό βάρος και την αλλαγή του βάρους. Συγκέντρωση Αρχικό Βάρος Τελικό Βάρος Αλλαγή Βάρους ΚΝΟ 3 (Αρχικό Τελικό βάρος) 0 0,1Μ 0,2Μ 0,3Μ 0,4Μ 0,5Μ 11

12 o Κατασκευάστε γραφική παράσταση με την αλλαγή βάρους (+ή -) στον κάθετο άξονα (Ψ) και τη συγκέντρωση του ΚΝΟ 3 στον οριζόντιο άξονα (χ). o Από τη γραφική παράσταση υπολογίστε τη συγκέντρωση του ΚΝΟ 3 στην οποία δεν παρατηρείτε αλλαγή βάρους. Εξηγήστε γιατί συμβαίνει αυτό. o Στους κυλίνδρους που κέρδισαν βάρος μετά την τοποθέτησή τους στα διαλύματα η πίεση σπαργής του κυττάρου αυξήθηκε ή ελαττώθηκε; Σε τι οφείλεται η αύξηση αυτή του βάρους; Βιβλιογραφία 1.Γαλάτης Β.,Γανωτάκης Δ.,Γκανή Σπυροπούλου Κ., Καραμπουρνιώτης Γ., Κοτζαμπάσης Κ., Κωνσταντινίδου Ελ. Ι. Μανέτας Ι. Ρουμπελάκη Αγγελάκη Κ.Α. (2003). Φυσιολογία Φυτών. Από το μόριο στο περιβάλλον (κεφ. 2). Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης. 2. Καράταγλης Σ. (1994). Φυσιολογία φυτών (Κεφ. 1). Εκδόσεις ART OF TEXT. Κιτσάκη Χ.Κ. (2008). Φυσιολογία Φυτών. Σημειώσεις Θεωρίας. Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών. 3. Reiss Carol (1994). Experiments in Plant Physiology. Prentice Hall, Inc. Upper Saddle River, New Jersey Ridge Irene (επιμέλεια ελληνικής έκδοσης Μανέτας Ι.), Φυσιολογία Φυτών. Εκδόσεις Ιων. 5. Taiz L. and Zeiger E. (2002). Plant Physiology, Third Edition. Sinauer Associate, Inc. 12