Водный обмен растений - Жолкепич В.Н.
ISBN 5-02-003977-2
Скачать (прямая ссылка):
ниях активности воды и водного потенциала по величине сосущей силы клеток надежно лишь при условии, что проницаемость плазмалеммы постоянна. Поэтому желательно определение проницаемости независимым методом (например, по величинам магнитной релаксации воды при парамагнитном допинге или по обмену изотопной воды).
Недавно против использования водного потенциала в качестве термодинамического показателя выступил А. А. Зялалов [46] на том основании, что в уравнении водного потенциала в качестве одного из членов значится парциальный мольный объем воды, который в растворах и в клетке может (правда, крайне незначительно) отличаться от парциального мольного объема чистой воды. Поэтому А. А. Зялалов предлагает или же каждый раз вводить поправку на изменение парциального мольного объема воды (что, естественно, затруднительно), или же использовать вместо водного потенциала химический потенциал воды. Однако ошибка за счет различий парциального мольного объема воды в разных средах столь невелика, что она перекрывается ошибкой определений. Поэтому водный потенциал сейчас широко применяется в физиологических исследованиях как за рубежом, так и в нашей стране. Серьезных оснований для отказа от этого термодинамического параметра нет.
В термодинамике водных систем в последнее время стали более широко использоваться также такие понятия, как свободная энергия Гиббса, энтропия, энтальпия'[47—49].
При определении свободной энергии масса воды может быть выражена либо в молях, либо в граммах. Тогда в первом случае говорят о парциальной молярной свободной энергии, а во втором — парциальной удельной свободной энергии.
Экспериментальная оценка этого параметра стала возможной после внедрения в физиологию растений калориметрического метода [50], позволяющего учитывать тепловыделение и теп-лопоглощение при фазовых переходах воды в объекте (вода ** лед).
На основе значений температуры фазового перехода, высоты и ширины пика тепловыделения при фазовом переходе воды рассчитывается изменение энтальпии (ЛЯ). Этот показатель, характеризующий теплосодержание системы, определяется прямым измерением тепловыделения изучаемой реакции. Значение АН при экспериментальном определении фазового перехода воды зависит от количества водородных связей, образующихся при замерзании «свободной» воды. Зная величину энтальпии, можно рассчитать еще одну термодинамическую характеристику клетки — энтропию (AS), являющуюся мерой обесцененности внутренней энергии, т. е. выражающую ту долю внутренней энергии, которую нельзя превратить в работу:
В растительной клетке увеличение энтропии может быть связано с разупорядочивающим воздействием поля иона на воду. Это будет определяться плюсовым значением Л5 и соответствовать отрицательной гидратации. Если преобладает эффект упорядочения структуры воды, то величина AS приобретает отрицательное значение и количественно характеризует явление положительной гидратации. Положительная зависимость энтропии от степени упорядоченности системы отмечается рядом авторов [24, 52—54].
А. М. Блох [24] отмечает, что величина энтропии весьма чувствительна к нарушениям структуры водных растворов. Любое изменение подвижности молекул воды при гидратации ионов немедленно сказывается на энтропийной характеристике раствора. Поэтому энтропию можно использовать в качестве показателя характера гидратации (положительной или отрицательной). При положительной гидратации подвижность молекул гидратной воды снижается, что ведет к повышению упорядоченности всей системы и снижению энтропии. При отрицательной гидратации, наоборот, наблюдаются увеличение подвижности молекул гидратной воды, разупорядочение системы и увеличение энтропии. Это наглядно подтверждается данными, характеризующими зависимость энергии активации от энтропии (табл. 7).
ТАБЛИЦА 7.- Изменения значений энтропии и энергии активации обмена молекул воды в присутствии в растворе различных ионов [29, 53]
Катион AS А Е, Анион AS AEf
Mg2+ ---46,1 0,80 С1- 1,5 ---0,10
Мп2+ ---41,5 --- N03~ 2,2 ---
Li+ ---13,3 0,39 Вг- 6,6 ---0,14
Ма+ --- 1,3 0,17 I- 13,1 ---0,15
К+ 8,2 ---0,20
Rb+ 12,5 ---0,30
Cs+ 14,1 ---0,34
В табл. 8 представлены термодинамические параметры воды при разных температурах.
ТАБЛИЦА 8. Термодинамические параметры воды при разных температурах [55]
Температура А Е, АН, AS, ---TAS, AiG,
кал • моль---1 кал • моль---1 кал • моль---1 кал • моль---1 кал • моль---1
10° ---1529 --- 1529 ---5,6 1583 54
0° --- 1436 --- 1436 ---5,2 1436 0
--- 10° --- 1343 ---1343 ---4,9 1292 ---51
Как видно из приведенных данных, при переходе воды из жидкого состояния в твердое с понижением температуры энтропия уменьшается. Это связано с переходом воды в более упорядоченное состояние. При 0° значения JSE, АН и —TAS одинаковы, следовательно, значение свободной энергии равно 0, т. е. система находится в равновесии. По мере повышения температуры —T&.S увеличивается быстрее, чем уменьшается ЛЯ, и величина AG становится положительной. В этом случае будет наблюдаться спонтанная реакция плавления льда (лед—>-вода).
