Хімічний потенціал води, водний потенціал, компоненти водного потенціалу клітини
Водний потенціал.Як зазначалося, розчинні речовини, у сенсі, знижують активність молекул води, що у клітині. Як результат цього кінетична енергія молекул води у вакуолі нижча, ніж у чистій воді зовні, зокрема у вільному просторі. Енергетичний рівень молекул речовини, який характеризується швидкістю їхньої дифузії, отримав назвухімічного потенціалу.
Хімічний потенціал води (mw) виражає максимальну кількість внутрішньої енергії молекул води, яка може бути перетворена на роботу, тобто означає кількість вільної енергії (розмірність кал/моль або Дж/моль):
- Хімічний потенціал чистої води (прийнятий рівним нулю); аw – активність молекул води; множник RT необхідний, щоб перевести активність в одиниці енергії.
Активність чистої води дорівнює одиниці, а всередині клітини в розчинах aw менше одиниці, тому величина ln aw негативна. Таким чином, хімічний потенціал води в розчинах і клітині менший, ніж у чистій воді.
- Парціальний молярний об'єм води, тобто об'єм 1 моля води (18,0 см 3 /моль).
Водний потенціал характеризує здатність води дифундувати, випаровуватися чи поглинатися. Він має розмірність енергії, поділеної на обсяг (що збігається з розмірністю тиску), та його величину виражають в атмосферах або барах (1 атм = 1,013 бар = 10 5 Па). Насправді ми не можемо виміряти енергію молекул води, наприклад у склянці, тому водний потенціал чистої води взято за нуль за стандартних величин температури і тиску. Виміряти можна лише різницю енергій молекул води, що у різних умовах. Чим нижча енергія молекул води, тим нижче іводний потенціал. Можна записати Ψw =Т-Р= -S.
Оскільки водний потенціал чистої води приймається рівним нулю, то зі збільшенням концентрації розчинених речовин він стає більш негативним. Водний потенціал розчину менше, ніж чистої води, тому молекули води у вакуолі мають меншу вільну енергію, менший потенціал, ніж зовні клітини. Відповідно до другого закону термодинаміки процеси перенесення речовин та енергії мимоволі походять від вищого рівня хімічного потенціалу до нижчого, тобто по градієнту потенціалу. Таким чином, вода рухається відповідно до другого закону термодинаміки з високого потенціалу в область низького, тобто напрям потоку води визначається падінням градієнта енергії. Тому правильніше говорити, що вода не поглинається клітиною, а надходить у клітину за рахунок різниці водних потенціалів.
Матричний потенціал. Для деяких цілей у фізіології рослин у вираз для хімічного потенціалу води часто включають матричний потенціал. Матричний потенціал характеризується зниженням активності води за рахунок гідратації колоїдних речовин та адсорбції на межі розділу фаз.
Коли молекули води асоційовані з поверхнями розділу, які утворюються, наприклад, при суспендуванні колоїдних частинок у водному розчині, вони виявляють меншу тенденцію хімічно реагувати в основній масі розчину і випаровуватися в навколишню газову фазу. Це відбувається тому, що вода має кінцеву константу зв'язування на поверхні розділу рідина – тверде тіло, внаслідок чого молекули води постійно підходять та йдуть з таких поверхонь. Це спричиняє зв'язування частини молекул води і, отже, знижує термодинамическую активність води –аw, особливо поблизу колоїдів. Присутність розчинених речовин також знижує активність води.
Матричні потенціали також використовуються для опису хімічного потенціалу води в ґрунті та клітинних оболонках.
Водний потенціалклітини, тканини або органу цілої рослини є величиною інтегральної. Він складається з компонентів осмотичного Ψр, матричного Ψw, тургорного Ψt та гравітаційного Ψg потенціалів:
Осмотичнийпотенціал зумовлений наявністю в клітинах осмотично активних речовин та відображає їх вплив на активність води. Величина його дорівнює величині осмотичного тиску із зворотним знаком.
Величинаматричногопотенціалу визначається силами адсорбції між біополімерами цитоплазми та молекулами води, тобто Ψm відображає вплив макромолекул полімерів на активність води.
Тургорний потенціалзумовлений еластичним протидією клітинної оболонки набухання і характеризує вплив на активність води тургорного (гідростатичного) тиску.
Гравітаційний потенціал відбиває впливом геть активність води сил тяжіння лише за піднятті води значну висоту.
Величини Ψр, Ψm та Ψg завжди негативні, оскільки присутність розчинених речовин, біополімерів, а також дія сил тяжіння знижують активність води. Ψt, навпаки, позитивний, оскільки при дії на воду механічного тиску (тургорного або гідростатичного) активність молекул води збільшується.
Оскільки в більшості випадків величини як матричного, так і гравітаційного потенціалів малі (трав'янисті рослини), тоді
а водний потенціал клітини буде Ψкл = –Ψр –Ψt, при Ψр = Ψt, клітина не поглинатиме воду (Р=Т).
Таким чином, якщо клітину опустити у воду, то вона поглинатимеводу доти, поки гідростатичний тиск стане рівним осмотичному потенціалу, т. е. поки водний потенціал клітини стане рівним нулю. Після цього, в клітину вже не надходитиме вода ні з якого розчину, вона не відбиратиме її і від іншої клітини. Якщо поруч розташовані дві клітини з різними водними потенціалами, вода через клітинну оболонку буде проходити з клітини з більш високим водним потенціалом (менш негативним) в клітину з нижчим (більш негативним). Коли вологість ґрунту достатня, а випаровування не дуже інтенсивне, клітинна оболонка насичена водою. У цьому випадку водний потенціал клітинної оболонки вищий, ніж у вакуолі, і вода надходить у клітину, вакуоль. При нестачі води в грунті клітинної оболонки може спостерігатися водний дефіцит, і таким чином, водний потенціал буде нижче, ніж у вакуолі, і в результаті вода витікатиме з вакуолі.
Механічне утримання земляних мас: Механічне утримання земляних мас на схилі забезпечують контрфорсними спорудами різних конструкцій.
Організація стоку поверхневих вод: Найбільше вологи на земній кулі випаровується з поверхні морів і океанів (88‰).
Папілярні візерунки пальців рук - маркер спортивних здібностей: дерматогліфічні ознаки формуються на 3-5 місяці вагітності, не змінюються протягом життя.
Поперечні профілі набережних та берегової смуги: На міських територіях берегоукріплення проектують з урахуванням технічних та економічних вимог, але особливого значення надають естетичним.