Термодинамические основы водного обмена

В 1959 году Т.А. Беннет-Кларк показал, что передвижение воды путем диффузии из одной системы в другую зависит от разницы в свободной энергии. В 1960 году Слейчером и Тайларом был введен термин «водный потенциал» применимый ко всем аспектам водного режима в системе почва-растение-атмосфера. Водный потенциал – это термодинамический показатель состояния воды в системе. Он является величиной, производной от двух других термодинамических показателей - активности воды и химического потенциала воды.

Активность воды (a_w) характеризует ту эффективную (реальную) концентрацию, соответственно которой вода участвует в различных процессах. Всякие межмолекулярные и ионные взаимодействия, ведущие к уменьшению подвижности и рассеиваемости молекул (прежде всего гидратация), снижают активность воды. Активность чистой воды равна единице. В растворе, клетке активность воды меньше единицы. Вычисляется активность воды по уравнению: a_w = , где Р – давление пара над системой, Р₀ – давление насыщенного пара над чистой водой при тех же условиях.

Химический потенциал воды ( _w) – величина, производная от активности. Он выражает максимальное количество внутренней энергии молекул воды, которое может быть превращено в работу, иными словами, количество свободной энергии. Выражается химический потенциал воды в Дж/моль. Рассчитывается по следующему уравнению: _w = _w⁰ + R T ln a_w, где _w⁰ – химический потенциал чистой воды, R – газовая постоянная, Т – абсолютная температура, a_w – активность воды в системе. В растворах и в клетке a_w меньше единицы, поэтому ln a_w – величина отрицательная. Следовательно, химический потенциал воды в растворе и клетке меньше, чем у чистой воды. Чи???ческий потенциал чистой воды наибольший. Условно при стандартной температуре и стандартном давлении он принят равным нулю. Поэтому химический потенциал любого раствора – отрицательная величина и с увеличением концентрации растворенных веществ становится все более отрицательным.

Согласно второму закону термодинамики, перенос энергии или вещества происходит самопроизвольно лишь от более высокого уровня химического потенциала к более низкому, то есть по градиенту. Таким образом, поступление воды в раствор через полупроницаемую мембрану обусловлено разностью между свободной энергией чистой воды и свободной энергии раствора.

Водный потенциал (). Химический потенциал воды называется водным потенциалом. Водный потенциал является термодинамическим показателем состояния воды в системе и характеризует способность воды диффундировать, испаряться и поглощаться. Иными словами, водный потенциал – способность воды в данной системе совершать работу в сравнении с той работой, которую при тех же условиях совершала бы чистая вода. Водный потенциал равен разности химического потенциала воды в системе ( _w)и чистой воде ( _w⁰) отнесенной к величине парциального молекулярного объема воды ( _w): = . _w для чистой воды и разбавленных растворов принимают равным 18 см³/моль. Водный потенциал выражают в атмосферах, барах (1 бар = 0,987 атм.) или в паскалях (1 МПа = 10 атм.). наибольшая величина водного потенциала у чистой воды. она принята за ноль, поскольку активность чистой воды при атмосферном давлении равна нулю. Это максимальное значение водного потенциала. По мере увеличения концентрации растворенного вещества водный потенциал снижается и принимает отрицательное значение. Направление диффузии молекул воды, или массового водного тока определяется градиентом водного потенциала. Вода всегда движется в сторону отрицательного водного потенциала.

Водный потенциал клетки ( _кл.) – это разность между свободной энергией воды внутри и вне клетки. Таким образом, водный потенциал клетки показывает, насколько энергия воды в клетке меньше энергии чистой воды. водный потенциал клетки является алгебраической суммой следующих четырех составляющих: _П – осмотического потенциала, отражающего влияние на активность воды частиц растворенных веществ; _Р – потенциала давления, отражающего активность воды механического (гидростатического или тургорного) давления; _m – матричного потенциала, отражающего влияние на активность воды молекул полимеров; _g – гравитационного потенциала, отражающего влияние на активность воды силы тяжести и заметно сказывающегося только при поднятии воды на относительно большую высоту (например, у высоких деревьев): _кл. = _П + _Р + _m + _g. Величины _П, _m, _g всегда отрицательны, так как снижают активность воды; _Р, напротив, положителен, так как при действии на воду механического давления активность ее молекул увеличивается. Отсюда - _кл. = (- _П) + _Р + (- _m) + (- g).

Как уже отмечалось, _П определяется концентрацией растворенного вещества, чем она выше, тем в большей степени уменьшается водный потенциал клетки.

В растительной клетке потенциал давления ( _Р) представляет собой противодавление клеточной оболочке, возникающее при ее эластичном растяжении. Положительное давление повышает водный потенциал, отрицательное – его снижает.

_m – потенциал набухания биоколлоидов, связан с поглощением воды за счет гидратации белков и других биоколлоидов. Поглощение жидкости высокомолекулярными веществами, сопровождаемое увеличением их объема, называется набуханием. Сила набухания может достигать – 100 МПа, например, при поглощении воды сухими семенами. Матричный потенциал участвует в поглощении воды в цитоплазму и в клеточную оболочку. Клеточная стенка способна к набуханию, так как гемицеллюлоза и пектиновые вещества гидратируются благодаря наличию диссоциирующих карбоксильных и полярных гидроксильных групп. Кроме того, набухание клеточной стенки может быть вызвано накоплением воды в межфибриллярных пространствах. В вакуоли, как правило, нет набухающих веществ. В зависимости от возраста и строения клетки разные механизмы поступления воды играют большую или меньшую роль. Во взрослой клетке с большой центральной вакуолью главным механизмом является осмотический. В эмбриональной клетке, не имеющей центральной вакуоли, но быстро синтезирующей белковые молекулы, способные притягивать воду, основным механизмом ее поступления является набухание. В онтогенезе органа может происходить смена механизмов поступления воды.

Гравитационный потенциал ( _g) отражает влияние на активность воды силы тяжести, заставляет воздух двигаться вниз до тех пор, пока силе гравитации не будет противостоять равная ей по величине другая сила. Поэтому водный потенциал зависит от веса воды. Гравитационный потенциал заметно сказывается на водном потенциале при поднятии воды на относительно большую высоту, например, у высоких деревьев. _g составляет примерно 0,01 МПа/м, то есть при перемещении воды вертикально вверх на 10 м гравитационный вклад в водный потенциал составляет 0,1 МПа. Это незначительная величина для сельскохозяйственных растений, в том числе и плодовых культур, поэтому обычно она не учитывается.

Таким образом, осмотический и матричный потенциалы определяют максимальную поглотительную способность. Реальная же возможность поглощать воду в данный момент характеризуется водным потенциалом, составляющим которого является гидростатический потенциал, зависящий от степени насыщенности клеток водой.

Водный потенциал и его отдельные компоненты оказывают сильное воздействие на процесс фотосинтеза и продуктивность сельскохозяйственных растений. Подобно температуре тела человека, он служит хорошим интегральным показателем «здоровья» растения. Поэтому исследователи постоянно работают над созданием точных приборов и разработкой методов, позволяющий регистрировать водный статус растения.