Водный обмен растений - Жолкепич В.Н.
ISBN 5-02-003977-2
Скачать (прямая ссылка):
Во-первых, появились так называемые физические методы — ядерный магнитный резонанс (ЯМР), диэлектрическая спектроскопия, инфракрасная спектроскопия. Эти методы были разработаны применительно к сравнительно простым системам с известным исследователю составом (например, для работы с несложными растворами или же кристаллами). Однако без особой предварительной подготовки их «с ходу» применили к анализу сложнейших биологических систем, обладающих массой не поддающихся учету факторов, сказывающихся на конечном результате, и сразу же пришли к парадоксальному выводу сначала о том, что вся вода в растении связана и свободной воды вообще нет [56], а вслед затем, работая почти с теми же самыми объектами, но чуть изменив настройку прибора,— к диаметрально противоположному, но не менее парадоксальному выводу чуть ли не о полном отсутствии в клетках связанной воды [57]. Отрицательную роль сыграли и первые результаты опытов с меченой водой, обнаружившие быструю и практически полную обмениваемость всей содержащейся в растении воды на воду наружной среды [58—60]. Эти результаты были истолкованы первоначально не в пользу существования в растении связанной воды (как будто связанная вода—это непременно какая-то статичная, неизменяемая, а не динамичная категория, способная к непрерывному обновлению, как и любой другой ингредиент живой системы).
Во-вторых, оказалось, что на выход в гипертонические растворы из растительного материала воды (а метод водоотнимающих средств был, как уже отмечалось, основным при фракционном анализе внутриклеточной воды) влияет не только состояние воды в изучаемом объекте, но и водопроницаемость пограничных мембран [44], возможность изменений которой при различных воздействиях во внимание ранее не принималась.
В результате в вопросе о внутриклеточной структуре воды создалось весьма неопределенное, можно даже сказать критическое, положение, которое к настоящему времени, правда, несколько прояснилось, ибо исследователи, кажется, поняли, что разрешить одним лобовым ударом столь сложный вопрос, как структурное и физико-химическое состояние внутриклеточной воды, вряд ли возможно и стали уже более серьезно и основательно подбирать соответствующие условия для проведения опытов с помощью своих новых методов. При этом к настоящему времени из трех применявшихся первоначально методов — ЯМР, диэлектрической спектроскопии и инфракрасной спектро-
скопии — для работы с биологическими объектами остался фактически лишь первый; два же других метода теперь применяют в основном при изучении свойств воды только в растворах.
МЕТОД ЯМР И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ В РАСТЕНИИ
Метод ЯМР используется для определения соединений, содержащих ядра с нечетным количеством протонов и нейтронов; водород как раз входит в их число. Как полагают, такие ядра обладают магнитным моментом, обусловленным их вращательным движением (спином). При помещении в постоянное магнитное поле Но эти магнитные моменты поляризуются, располагаясь вдоль силовых линий. Если затем на такую систему воздействовать переменным (радиочастотным) полем, направленным перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то при определенной частоте будет наблюдаться поглощение энергии переменного поля исследуемыми ядрами (так называемое резонансное поглощение), причем ядерные спины переходят с более низкого энергетического уровня на более высокий. Это поглощение энергии регистрируется специальными спектрометрами ЯМР — получаются то суженные, то более широкие полосы поглощения. В твердых телах, где атомы занимают фиксированное положение, существуют долговременные местные отклонения магнитного поля, и полоса частот поглощения (линии резонанса) широка. В жидкостях же из-за быстрых хаотических тепловых движений атомов локальные отклонения внутренних магнитных полей кратковременны и случайны по направлению, поэтому линия поглощения узка.
Таким образом, ширина линии резонанса в спектре ЯМР находится в обратной зависимости от подвижности атомов и молекул: твердые вещества дают широкие полосы поглощения, жидкости — узкие. Изменение подвижности молекул жидкости (например, воды) также отражается на ширине линии резонанса. По ширине линии резонанса можно в известной степени судить о подвижности молекул воды. Следует лишь иметь в виду, что на ширину полос резонанса водной системы могут влиять и другие факторы — магнитная анизотропия образца, быстрый обмен протонами между разными по подвижности фазами воды и множество других, не всегда принимаемых во внимание факторов [61].
Пока образец находится в магнитном поле Н0 и подвергается воздействию радиочастотных колебаний резонансной частоты, поглощение энергии радиочастотных колебаний наблюдается во времени непрерывно. Связано это с тем, что существуют процессы обратного перехода ядер из возбужденного состояния (ориентация против поля) в основное, равновесное (ориентация по полю), благодаря чему энергия, сообщенная системе ядер
радиочастотными колебаниями, передается их окружению, другим атомам и молекулам — решетке и в итоге превращается в тепло. Этот процесс называется спин-решеточной, или продольной, релаксацией, и скорость его характеризуется временем спин-решеточной релаксации — Т\. Наряду со спин-решеточной релаксацией происходит процесс распределения энергии радиочастотных колебаний только между резонирующими ядрами за счет их магнитных взаимодействий. Этот процесс называется спин-спиновой, или поперечной, релаксацией. Скорость его характеризуется временем спин-спиновой релаксации — Т2. Т\ и Т2 различны для разных веществ, зависят от их вязкости, температуры, фазового состояния и других условий.
