Niezwykłe bariery: Osmoza i plazmoliza na przykładzie cebuli
- Szczegóły
Pojęcie komórki sformułował jako pierwszy w 1665 roku Robert Hooke. Terminem tym określamy w biologii najmniejszą funkcjonalną i strukturalną jednostkę organizmu żywego, która może prowadzić wszystkie podstawowe procesy życiowe. Komórka musi więc być zdolna do przemiany materii, a także wzrostu i rozmnażania w odpowiedni dla siebie sposób. Można więc powiedzieć, że jest ona podstawową jednostką morfologiczno-czynnościową ustroju.
Wiemy, że komórki wykazują między sobą duże różnice morfologiczne i biochemiczne. Różnice te są na tyle duże, że niektóre z nich stanowią samodzielne organizmy jednokomórkowe, zaś inne są elementami składowymi organizmów wielokomórkowych.
Komórka jest otoczona błoną komórkową. Występowanie wewnątrz niej jądra komórkowego jest podstawą podziału organizmów na jądrowe (eukarionty, łac. Eucaryota) i bezjądrowe (prokarionty, łac. Procaryota). U większości prokariontów, roślin, grzybów i niektórych innych grup organizmów na zewnątrz błony komórkowej występuje dodatkowo charakterystyczna struktura o złożonej i zróżnicowanej budowie - ściana komórkowa. Jest to struktura martwa, nie wykazująca własnego metabolizmu. Wewnątrz komórki znajduje się cytoplazma, a u eukariontów także szereg wewnętrznych organelli pełniących określone funkcje, np. mitochondria, plastydy, aparat Golgiego, wakuole i inne.
Błona komórkowa nazywana też błoną cytoplazmatyczną lub plazmolemmą jest zbudowana z dwóch warstw fosfolipidów oraz białek, z których część jest luźno związana z powierzchnią błony (białka powierzchniowe), a inne przebijają błonę (białka transbłonowe) lub są w niej w jakiś sposób zakotwiczone (białka błonowe).
Zauważmy, że błona komórkowa pełni bardzo ważną funkcję - oddziela środowisko zewnętrzne od wnętrza komórki. Roli tej nie w sposób przecenić, gdy tylko uświadomimy sobie, że życie przynajmniej na poziomie molekularnym jest złożonym zespołem ściśle sprzężonych procesów fizyko-chemicznych i jako takie wymaga do ich prowadzenia odpowiednich warunków, m.in. właśnie oddzielenia ich od uorganizowanego w inny sposób środowiska zewnętrznego.
Przeczytaj także: Jak przeprowadzić doświadczenie z osmozą i ziemniakiem?
Błona komórkowa jako bariera nie może być jednak całkowicie nieprzepuszczalna, ponieważ żadna komórka nie mogłaby żyć jako układ izolowany, tj. bez możliwości wymiany materii i energii z otoczeniem.
Tak więc błona komórkowa z jednej strony musi stanowić barierę oddzielającą wnętrze komórki od środowiska zewnętrznego, a jednocześnie umożliwiać transport pewnych substancji w obie strony. Tego typu barierę nazywamy błoną (membraną) półprzepuszczalną. Oczywiście półprzepuszczalność jest tylko jedną z cech błony komórkowej, ponieważ ma ona dużo bardziej skomplikowaną budowę niż to tutaj pokrótce nakreślono.
Błony półprzepuszczalne wykazują szereg bardzo interesujących właściwości, z którymi możemy się zapoznać. W dalszej części artykułu chciałbym zaproponować Czytelnikowi przeprowadzenie kilku niezbyt skomplikowanych, a jednocześnie ciekawych doświadczeń, w których wykorzystano zarówno naturalne, jak i sztuczne błony półprzepuszczalne.
Osmoza - teoria
Możemy powiedzieć, że błona półprzepuszczalna to taka bariera, która przepuszcza niektóre rodzaje cząsteczek, a zatrzymuje inne. Mogą przez nią przenikać np. niewielkie cząsteczki rozpuszczalnika, blokowane są natomiast duże cząsteczki substancji rozpuszczonej lub jony.
Aby zrozumieć procesy zachodzące w przypadku błony półprzepuszczalnej musimy przypomnieć sobie o dyfuzji. Jest to proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w każdym ośrodku (ciele stałym, gazie lub cieczy) o temperaturze wyższej od zera absolutnego - jest to efekt chaotycznych zderzeń cząsteczek substancji dyfundującej między sobą lub z cząsteczkami ośrodka.
Przeczytaj także: Domowy eksperyment z balonem
Zastanówmy się jednak, co się stanie w przypadku, kiedy za pomocą błony półprzepuszczalnej rozdzielimy dwa roztwory o różnym stężeniu. W takim przypadku cząsteczki rozpuszczalnika mają częstszy kontakt z błoną po stronie o niższym stężeniu, ponieważ przy wyższym w roztworze istnieje większa ilość cząsteczek substancji rozpuszczonej, z którymi cząsteczki rozpuszczalnika niejako konkurują o dostęp do błony. W efekcie więcej cząsteczek rozpuszczalnika przenika przez błonę w kierunku od roztworu mniej stężonego do bardziej stężonego, niż odwrotnie. Możemy więc zaobserwować przenikanie rozpuszczalnika właśnie w tym kierunku. Zjawisko to nazywamy osmozą. Zauważmy, że w wyniku osmozy dochodzi do powolnego wyrównywania się stężeń roztworów po obu stronach błony półprzepuszczalnej: roztwór o niższym stężeniu ulega zatężeniu poprzez odpływ rozpuszczalnika, zaś bardziej stężony ulega rozcieńczeniu przez dopływ rozpuszczalnika.
Roztwór o niższym stężeniu, tj. ten z którego ubywa rozpuszczalnika nazywa się hipotonicznym, natomiast ten o wyższym stężeniu, w którym przybywa rozpuszczalnika nazywa się hipertonicznym. Gdy roztwory pozostają w równowadze osmotycznej (tzn. wymiana rozpuszczalnika zachodzi w tym samym tempie w obu kierunkach), mówi się że są wzajemnie izotoniczne.
Doświadczenia związane z osmozą
Wykorzystanie jelit zwierzęcych
Istnieje wiele sposobów na zapoznanie się ze zjawiskiem osmozy w układach biologicznych. Niezależnie od tego, który z nich wybierzemy jest nam jednak potrzebna jakaś błona półprzepuszczalna. Dla adepta biologii zdobycie odpowiedniego materiału nie stanowi jednak problemu. W pierwszym doświadczeniu proponuję wykorzystanie zwierzęcej błony półprzepuszczalnej w postaci jelit zwierzęcych.
Są to fragmenty oczyszczonego jelita cienkiego pochodzącego od świni. Zdobycie materiału nie jest trudne - jelita takie stanowią surowiec do wyrobu kiełbas i można je kupić w odpowiednich sklepach. Zaznaczam jednak, że niektóre z nich, szczególnie te paczkowane o długich okresach trwałości nie nadają się, ponieważ proces konserwacji uszkadza jelita i tracą one funkcję błony półprzepuszczalnej. Przed wykorzystaniem warto namoczyć jelita w przegotowanej wodzie o temperaturze około 30°C, tak by nabrały odpowiedniej elastyczności.
Następnie trzeba zbudować odpowiedni układ doświadczalny. Składa się on z lejkowatego naczynia wypełnionego roztworem a. Jest ono z jednej strony zamknięte błoną półprzepuszczalną i zanurzone w roztworze b o stężeniu innym niż wewnątrz lejka, zaś z drugiej strony zakończone cienką rurką c otwartą ku górze.
Przeczytaj także: Osmoza: biologia i praktyka kulinarna
Układ taki można zbudować ze stosunkowo łatwo dostępnych elementów. W roli lejka znakomicie sprawdzi się szklany reduktor szlifu wykorzystywany w sprzęcie laboratoryjnym. Jego węższe ujście należy połączyć za pomocą odcinka gumowej rurki z wylewem pipety miarowej o niewielkiej pojemności, np. 2cm3. Zaletą takiego rozwiązania jest ułatwiona możliwość odczytywania poziomu cieczy na tle skali pipety.
Szersze zakończenie reduktora zgodnie ze schematem powinno zostać zamknięte błoną półprzepuszczalną. Można ją przygotować poprzez rozcięcie fragmentu świńskiego jelita wzdłuż i rozprostowanie tak uzyskanej membrany. Błonę trzeba umocować w sposób zapewniający jak najlepszą szczelność na styku ze szkłem. Wygodnie jest w tym celu użyć kilka gumek recepturek.
Z błoną uzyskaną z jelita należy obchodzić się dosyć ostrożnie, ponieważ chociaż jest ona dosyć wytrzymała na rozciąganie, to z łatwością można ją przekłuć, co oczywiście uniemożliwi przeprowadzenie doświadczenia. Trzeba także uważać, aby jej nie przesuszyć. Błona powinna być ciągle wilgotna.
W naszym przypadku jako roztwór hipotoniczny radzę zastosować wodę destylowaną, zaś jako hipertoniczny stężony w temperaturze pokojowej roztwór glukozy - dla ułatwienia obserwacji roztwór ten można zabarwić barwnikiem spożywczym.
Bezpośrednio po zestawieniu układu należy odczytać początkową wysokość słupa cieczy. Pozostawiając układ w spokoju po pewnym czasie można zauważyć, że wysokość słupa cieczy rośnie. Gdybyśmy nie wiedzieli o zjawisku osmozy mogłoby wydać się nam to dosyć zaskakujące, ponieważ dzieje się to najwyraźniej przeciwko sile grawitacji. Po chwili zastanowienia możemy jednak stwierdzić, że zgadza się to całkowicie z naszymi teoretycznymi rozważaniami na temat osmozy, ponieważ to właśnie dzięki niej zachodzi transport rozpuszczalnika od zewnętrznego roztworu hipotonicznego do wewnętrznego hipertonicznego, co obserwujemy jako wzrost wysokości słupa cieczy.
Potwierdza to także drugie doświadczenie, gdzie roztwór hipertoniczny znajduje się na zewnątrz, zaś hipotoniczny wewnątrz lejka. W tym przypadku zabarwiono oczywiście roztwór hipotoniczny, a początkowa wysokość słupa cieczy była taka sama jak w poprzednim doświadczeniu. Tym razem po pewnym czasie poziom słupa wody ulega wyraźnemu obniżeniu.
Przy wykorzystaniu opisanego układu doświadczalnego można badać także właściwości innych błon półprzepuszczalnych.
Wykorzystanie ziemniaka
O istnieniu osmozy możemy się też przekonać przy wykorzystaniu ziemniaka. W tym celu należy wykroić z surowej bulwy ziemniaka dwa niewielkie fragmenty np. w kształcie prostopadłościanu. Obie ziemniaczane kostki należy zważyć i zanotować wyniki, a następnie jedną z nich zanurzyć w roztworze hipotonicznym (woda destylowana), a drugą w roztworze hipertonicznym (stężony roztwór glukozy) w stosunku do wnętrza komórek, z których jest zbudowana bulwa. Po pewnym czasie (zwykle wystarczą już trzy godziny) należy wyjąć kostki z roztworów, delikatnie je osuszyć papierowym ręcznikiem lub bibułą filtracyjną, a następnie ponownie zważyć.
Wyniki uzyskane w efekcie przeprowadzonego przeze mnie doświadczenia ilustruje poniższa tabela:
| R-r hipotoniczny | R-r hipertoniczny | |
|---|---|---|
| Masa kostki - początkowa [g] | 3,23 | 3,00 |
| Masa kostki - końcowa [g] | 3,76 | 2,48 |
| Zmiana masy [g] | +0,53 | -0,52 |
| Zmiana masy [%] | +16,4% | -17,3% |
W obu przypadkach masa kostki wyciętej z bulwy ziemniaka uległa zmianie. W przypadku kostki zanurzonej w roztworze hipotonicznym masa wzrosła o 0,53g, zaś w odniesieniu do kostki zanurzonej w roztworze hipertonicznym masa zmalała o 0,52g (odpowiednio +16,4% i -17,3%). Tak więc zmiana co do wartości bezwzględnej była bardzo podobna w obu przypadkach.
Możemy stwierdzić, że zmiana masy próbek została spowodowana przez osmozę. W wyniku tego zjawiska, w zależności od stężenia środowiska zewnętrznego woda wnikała lub wypływała z komórek ziemniaka - rolę błony półprzepuszczalnej pełniła tu m.in. ich błona komórkowa. Zmiana zawartości wody była na tyle duża, że ujawnił ją pomiar masy kostek.
Plazmoliza w komórkach cebuli
Ważnym przejawem osmozy jest istnienie zjawiska plazmolizy. Można je stwierdzić w przypadku wielu komórek roślinnych. Wygodnie jest zastosować liście spichrzowe cebuli zwyczajnej Allium cepa. Wewnętrzna skórka tych liści jest zbudowana z cienkiej warstwy komórek, które można łatwo obserwować w mikroskopie świetlnym przy wykorzystaniu niezbyt dużych powiększeń. Polecam zastosowanie czerwonej odmiany cebuli, ponieważ zawartość barwnika w komórkach zwiększy kontrast obrazu bez stosowania sztucznych środków barwiących - ułatwi to obserwacje.
Skórkę łatwo oddzielić od liścia za pomocą pęsety - najlepiej pobrać ją z górnej części wewnętrznej strony liścia, tam gdzie tkanka jest silniej wybarwiona, a jednocześnie w dalszym ciągu przejrzysta. Następnie należy umieścić ją w kropli wody.
Chociaż wszyscy używamy w odniesieniu do tego znanego wszystkim warzywa określenia "cebula", to prawidłową nazwą botaniczną jest w tym przypadku czosnek cebula. Roślina ta należy do rodziny amarylkowatych Amaryllidaceae - tej samej, w skład której wchodzi wiele roślin ozdobnych, m.in narcyz trąbkowy Narcissus pseudonarcissus.
Cebula jest jedną z najdawniej uprawianych przez człowieka roślin i obecnie nie występuje już w stanie dzikim. Roślina pochodzi prawdopodobnie z Azji Środkowej, ale dziś występuje praktycznie na całym świecie. Ślady wskazujące na wykorzystanie cebuli znajdowane są na wykopaliskach w Palestynie pochodzących z epoki brązu, sprzed około 5000 lat p.n.e - są to rysunki przedstawiające to warzywo, a także jego zastosowanie w celach konsumpcyjnych.
Cała roślina, a głównie jej cebula jest bogata w przydatne związki chemicze, także w witaminy. Występują w niej olejki lotne, takie jak dwusiarczek alilo-propylowy o charakterystycznym zapachu oraz inne siarczki i związki alkilowe, w tym substancje o silnych właściwościach fitoncydowych, czemu cebula znalazła zastosowanie w medycynie ludowej i fitoterapii.
Dzięki prowadzonej przez wieki hodowli otrzymano wiele różnych, tak pod względem wyglądu, jak i smaku oraz wartości odżywczych, odmian. Po przekrojeniu możemy obserwować budowę wewnętrzną tego interesującego organu roślinnego. Cebula bulbus jest silnie wyspecjalizowanym pędem podziemnym o funkcji spichrzowej i przetrwalnikowej, którego główną część stanowią przekształcone liście. Łodyga rośliny cebulowej jest mocno skrócona i przyjmuje postać tzw. piętki, na której gęsto osadzone są zgrubiałe liście spichrzowe gromadzące substancje zapasowe, przy czym liście zewnętrzne są zwykle martwe i tworzą łuski o funkcji ochronnej. Część nadziemna rośliny bierze swój początek z tak zwanego pąka wierzchołkowego.
Jak widać, obie przedstawione cebule nie różnią się budową, a jedynie kolorem. Okazuje się, że do obserwacji plazmolizy bardziej przydatna jest odmiana czerwona - myślę, że powód takiego stanu rzeczy stanie się za parę chwil jasny.
Aby móc obserwować plazmolizę, najlepiej jest naciąć za pomocą skalpela lub żyletki odpowiedni fragment skórki wewnętrznej strony liścia spichrzowego w rejonie oznaczonym na strzałką. Są to rejony szczytowe liścia, po stronie przeciwnej do umiejscowienia piętki cebuli.
Prawidłowo pobrany fragment skórki ma grubość jednej komórki i powinien szybko zostać umieszczony na szkiełku podstawowym w kropli wody, tak aby nie wysechł, a następnie przykryty szkiełkiem nakrywkowym. Obserwacje prowadzimy w świetle przechodzącym, w jasnym polu.
Fotografia pozwala na stwierdzenie, że komórki skórki u obu odmian nie różnią się od siebie kształtem - są wydłużonymi wielokątami. W ich wnętrzu można zauważyć słabo widoczne jądra komórkowe dociśnięte do wewnętrznej powierzchni błony komórkowej poprzez silnie rozrośnięte i zajmujące prawie całą dostępną objętość wakuole (cytoplazma tworzy ledwie dostrzegalną warstwę). Można zauważyć jednak pewną dosyć ciekawą różnicę: protoplast komórek cebuli odmiany białej jest praktycznie bezbarwny, natomiast u odmiany czerwonej ma wyraźne fioletowe zabarwienie spowodowane obecnością barwników antocyjanowych. Takie naturalne wybarwienie sprawia, że obraz komórek odmiany czerwonej cebuli jest dużo bardziej kontrastowy niż w przypadku odmiany białej, co zdecydowanie ułatwia obserwacje mikroskopowe, m.in. w trakcie plazmolizy. Z tego powodu wykorzystanie cebuli odmiany czerwonej jest godne polecenia do wykorzystania w praktyce szkolnej.
Aby zaobserwować plazmolizę badane komórki należy umieścić na kilka, kilkanaście minut np. w dosyć stężonym roztworze glukozy lub sacharozy (roztworze hipertonicznym względem wnętrza komórki), po czym powtórzyć obserwacje. Możemy wtedy zanotować wyraźną zmianę: wakuola wraz z całym protoplastem zmniejsza wyraźnie swoją objętość i zaczyna wyraźnie odstawać od ściany komórkowej.
plazmoliza powoduje utratę tzw. turgoru, czyli stanu napięcia ściany komórkowej spowodowanego działaniem ciśnienia hydrostatycznego panującego wewnątrz komórki. Efektem istnienia turgoru jest stan jędrności tkanek roślinnych oraz możliwość zachowania kształtu i sztywności nawet tych elementów, które pozbawione są typowych tkanek mechanicznych.
Plazmolizę możemy odwrócić (o ile w jej trakcie nie zostały zbytnio uszkodzone błony biologiczne komórki) po przeniesieniu preparatu do roztworu hipotonicznego, tj. o mniejszym stężeniu niż we wnętrzu protoplastu. Zarówno plazmoliza (poprzez odwodnienie komórki), jak i deplazmoliza (poprzez rozerwanie błon) mogą - choć nie muszą - prowadzić do śmierci komórki.
Osmoza zachodzi spontanicznie w kierunku od roztworu o niższym stężeniu do roztworu o wyższym, co prowadzi do wyrównania obu stężeń. Efektem tego jest powiększenie się objętości roztworu bardziej stężonego, zmniejszanie zaś mniej stężonego. Jaki jednak mechanizm stoi za tym fenomenem?
Kluczem do zrozumienia osmozy jest fakt istnienia dyfuzji, jako samorzutnego (spontanicznego) procesu rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w każdym ośrodku o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego, co jest spowodowane chaotycznymi zderzeniami cząsteczek budujących rozpatrywany układ. Wprowadzenie do układu bariery półprzepuszczalnej rozdzielającej roztwory o różnym stężeniu pozwala na obserwację interesujących prawidłowości.
Początkowo po obu stronach bariery półprzepuszczalnej występują różne stężenia substancji rozpuszczonej w ten sposób, że w lewej części naczynia stężenie jest mniejsze niż w prawej. Pamiętajmy też, że przez barierę przenikać mogą tylko cząsteczki rozpuszczalnika, zaś cząsteczki substancji rozpuszczonej nie posiadają tej zdolności. W takiej sytuacji cząsteczki rozpuszczalnika mają częstszy kontakt z barierą po stronie o niższym stężeniu, ponieważ po przeciwnej stronie istnieje większa ilość cząsteczek substancji rozpuszczonej, jako swego rodzaju konkurentów. Powoduje to, że więcej cząsteczek rozpuszczalnika przenika przez błonę w kierunku od roztworu mniej stężonego do bardziej stężonego, niż odwrotnie - zjawisko to nazywamy właśnie osmozą. Po pewnym czasie możemy zaobserwować zmianę objętości roztworów - w przypadku roztworu mniej stężonego zmniejszyła się (stężenie wzrosło), a u drugiego zwiększyła się (stężenie zmalało).
Plazmoliza jest wynikiem osmozy, w której rolę bariery półprzepuszczalnej pełnią błony biologiczne. W momencie zanurzenia komórki w bardziej stężonym w stosunku do jej wnętrza roztworze woda zaczyna wypływać przez błony biologiczne - np. błonę otaczającą wakuolę, czy błonę komórkową - na zewnątrz, co pociąga za sobą odwodnienie komórki i zmniejszenie się objętości protoplastu. Przeniesienie komórki, u której zaobserwowano już plazmolizę, do roztworu hipotonicznego spowoduje napływ wody do komórki i odzyskanie turgoru, co nazywamy deplazmolizą.
tags: #doswiadczenie #cebula #osmoza #plazmoliza #biologia

