Rośliny Słonowodne: Osmoza i Adaptacje
- Szczegóły
Jak wiadomo, węgiel jest pierwiastkiem niezbędnym wszystkim formom życia na ziemi i to w znacznych ilościach. Rośliny (oraz pewne bakterie) mają unikalną zdolność bezpośredniego wykorzystywania energii słonecznej. Ta energia jest spożytkowana do przemiany wody, CO2 oraz minerałów występujących w środowisku do produkcji materii organicznej z której zbudowane są rośliny. Produktem ubocznym tego procesu jest gazowy tlen. Bez roślin, które pokrywają naszą Ziemię zarówno ziemnych jak i wodnych, atmosfera ziemska nie zawierała by dostatecznej ilości tlenu. Fotosynteza jest sercem łańcucha pokarmowego.
Pozyskiwanie Węgla przez Rośliny Wodne
Rośliny wodne mają dwa sposoby na pozyskiwanie węgla potrzebnego do ich wzrostu. Pierwszym z nich jest wyłapywanie wolnego dwutlenku węgla (CO2) rozpuszczonego w wodzie, podłożu lub bezpośrednio z powietrza. Przy braku wolnego CO2 wiele roślin ma zdolność zaspokajania swojego zapotrzebowania na węgiel poprzez pobieranie go bezpośrednio z węglanów rozpuszczonych w wodzie - i jest to drugi sposób.
O ile ten drugi sposób jest użyteczną adaptacją roślin w warunkach naturalnych to w akwarium jest zjawiskiem niepożądanym. Gdy rośliny rozkładają węglan wapnia rozpuszczony w wodzie aby zaspokoić swoje potrzeby na węgiel (ten proces nazywany jest czasem biologicznym odwapnieniem wody), woda ma coraz mniejsze i mniejsze zdolności buforujące, co prowadzi do poważnych zaburzeń odczynu wody pH. W skrajnym przypadku są w stanie całkowicie wyczerpać te zasoby węgla.
W akwarium występuje wiele możliwych źródeł CO2. Jedna piąta CO2 asymilowanego przez rośliny powraca z powrotem do wody. Ryby oddychając także wprowadzają CO2 do wody. Bakteryjne utlenianie martwego materiału roślinnego i drewna z dekoracji także wprowadza CO2 do wody. Jednakże największy wpływ na poziom CO2 w akwarium ma filtr biologiczny. W pełni dojrzały filtr biologiczny wytwarza 1 gram CO2 w ciągu 24 godzin z każdego grama suchego pokarmu dla ryb dodanego do akwarium.
W akwarium ustabilizowanym, umiarkowanie oświetlonym (nie więcej niż 0,5W/1 litr wody), z minimalnym napowietrzaniem podczas gdy światło jest włączone możliwe jest uzyskanie dobrego wzrostu roślin bez dozowania dodatkowego CO2. Przy mocniejszym oświetleniu dozowanie CO2 staje się niezbędne. Jeżeli pomiar pH rano przed włączeniem oświetlenia i pomiar późnym popołudniem wykażą drastyczne różnice to jest to sygnał że rośliny wykorzystują do cna cały dostępny CO2 w zbiorniku. Jeżeli alkaliczność (lub twardość węglanowa) jednocześnie spada w tym czasie, niedostatek CO2 staje się wtedy oczywisty. Ilość CO2 potrzebna w akwarium dla zapewnienia dobrego wzrostu jest określana na ok. 15 mg/l, chociaż bezpieczna i efektywna ilość CO2 w wodzie może mieścić się w granicach 10 do 40 mg/l. Akwarium zużywa przy dobrym oświetleniu, średniej obsadzie roślin 1 do 2 mg/l CO2 podczas godziny fotosyntezy. Powietrze w pomieszczeniach zawiera 1 do 3 mg/l CO2 , a napowietrzana woda jest w stanie rozpuścić tylko 0,7 CO2 zawartego w powietrzu. Stąd wynika, że napowietrzanie w zbiorniku roślinnym powinno być utrzymywane na minimalnym poziomie oraz dlaczego nawożenie CO2 jest często niezbędne.
Przeczytaj także: Rośliny wodne w służbie środowiska
Osmoza i jej Mechanizm Działania
Osmoza (z gr. ōsmós - popchnięcie) jest zjawiskiem fizycznym polegającym na samorzutnym przenikaniu, czyli dyfuzji wolnych cząsteczek wody przez błonę selektywnie przepuszczalną (np. błonę komórkową) zgodnie z gradientem jej potencjału chemicznego. Przepływ wody przez błonę odbywa się więc od roztworu rozcieńczonego o wyższym potencjale chemicznym wody (wyższym stężeniu wody i niższym stężeniu substancji rozpuszczonej) (tzw. roztworu hipotonicznego/hipoosmotycznego) do roztworu bardziej stężonego o niższym potencjale chemicznym wody (niższym stężeniu wody i wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej) (tzw. roztworu hipertonicznego/hiperosmotycznego). Osmoza ustaje po niemal całkowitym wyrównaniu się stężeń roztworów po obu stronach błony selektywnie przepuszczalnej.
Dyfuzja cząsteczek wody przez błonę jest rodzajem transportu biernego nie wymagającego dodatkowych nakładów energetycznych ze strony komórki, odbywającego się przy udziale białek transportowych zwanych akwaporynami. Siłę napędową osmozy stanowi różnica potencjałów chemicznych między roztworami, która w roztworze hipertonicznym wywołuje ciśnienie hydrostatyczne równoważące niższy potencjał chemiczny wody i przeciwdziałające dalszemu przenikaniu cząsteczek wody przez błonę (tzw. ciśnienie osmotyczne, π).
Ciśnienie osmotyczne (π) dla roztworu doskonałego (idealnego) i czystego rozpuszczalnika (silnie rozcieńczonego roztworu wodnego) opisuje poniższe równanie:
π=cRT
gdzie:
Przeczytaj także: Definicje dyfuzji, przepływu objętościowego i osmozy w roślinach
- c - stężenie molowe substancji rozpuszczonej [mol/dm³]
- R - stała gazowa [J/mol·K] (R=8,314 J/mol·K)
- T - temperatura [K]
Roztwory stężone zawierające dużą ilość substancji rozpuszczonych i niewielką ilość wody (roztwory hipertoniczne) zgodnie z powyższą zależnością wywierają więc znacznie większe ciśnienie osmotyczne niż roztwory rozcieńczone składające się ze niewielkich ilości substancji rozpuszczonych i dużej ilości wody (roztwory hipotoniczne). Osmoza może zostać przerwana pod wpływem wzrostu ciśnienia w roztworze hipertonicznym.
Wpływ Osmozy na Równowagę Wodną Komórek
Osmoza odpowiada za utrzymywanie równowagi wodnej i prawidłowego stężenia substancji rozpuszczonych (np. jonów nieorganicznych, cukrów) w komórkach roślinnych i zwierzęcych niezależnie od zmieniających się warunków środowiska zewnętrznego. Warunki te zależą od toniczności roztworu otaczającego komórkę (zdolności roztworu do stymulacji pobierania lub oddawania wody przez komórkę), która warunkowana jest zarówno przez stężenie substancji rozpuszczonej, jak i przepuszczalność błony komórkowej komórki roślinnej lub zwierzęcej.
Środowisko zewnętrzne, w zależności od swej toniczności, wywiera określony wpływ na równowagę wodną komórki:
- środowisko izotoniczne (izoosmotyczne) - stężenie substancji rozpuszczonej i wody jest równe stężeniu tych składników we wnętrzu komórki (cechują się takim samym potencjałem chemicznym wody i ciśnieniem osmotycznym); woda przemieszcza się swobodnie przez błonę w obydwu kierunkach - objętość komórki nie ulega zmianie;
- środowisko hipotoniczne (hipoosmotyczne) - stężenie substancji rozpuszczonej jest niższe natomiast stężenie wody jest wyższe niż stężenie tych składników we wnętrzu komórki (otoczenie zewnętrzne cechuje się wyższym potencjałem chemicznym wody i niższym ciśnieniem osmotycznym); woda przenika przez błonę do wnętrza komórki, zwiększając jej objętość - komórka pęcznieje i ostatecznie ulega rozpadowi (lizie);
- środowisko hipertoniczne (hiperosmotyczne) - stężenie substancji rozpuszczonej jest wyższe natomiast stężenie wody jest niższe niż stężenie tych składników we wnętrzu komórki (otoczenie zewnętrzne cechuje się niższym potencjałem chemicznym wody i wyższym ciśnieniem osmotycznym); woda przenika przez błonę na zewnątrz komórki, powodując kurczenie się komórki lub jej zawartości (protoplastu) i rozpad komórki.
Rośliny i zwierzęta wykształciły szereg adaptacji przeciwdziałających nadmiernej utracie bądź gromadzeniu wody w ich organizmach, czego przykłady stanowią ściana komórkowa u roślin, kurczliwe wodniczki tętniące u słodkowodnych protistów lub mechanizmy regulacji ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych (osmoregulacji) występujące u zwierząt.
Zjawiska Osmotyczne u Roślin
Większość gatunków roślin występuje w środowiskach hipotonicznych - siedliskach wód słodkich i słonawych oraz siedliskach lądowych zasilanych wodą pochodzącą z opadów atmosferycznych (np. wodą deszczową). Rośliny utrzymują swą równowagę wodną dzięki obecności sztywnej ściany komórkowej, która chroni je przed wnikaniem nadmiernych ilości wody. Cząsteczki wody wnikające na drodze osmozy do komórki powodują pęcznienie jej protoplastu (żywej części komórki otoczonej błoną komórkową) do momentu, w którym zaczyna on wywierać nacisk na ścianę komórkową. Ściana komórkowa wywiera wówczas na protoplast ciśnienie wsteczne (tzw. ciśnienie turgorowe) równoważące ciśnienie osmotyczne panujące we wnętrzu komórki, co uniemożliwia dalsze pobieranie wody.
Przeczytaj także: Filtracja a rośliny w akwarium
Osmoza odpowiada za pobieranie (absorpcję) wody z roztworu glebowego i jej transport do nadziemnych części roślin. Ciśnienie turgorowe warunkuje sztywność tkanek łodygi oraz rozwiniętą postać liści umożliwiające utrzymywanie określonego kształtu i pozycji rośliny; pełni również istotną rolę w regulacji wymiany gazowej w aparatach szparkowych (otwieranie i zamykanie szparek).
Rośliny żyjące w środowiskach hipertonicznych, np. siedliskach słonowodnych (morzach, oceanach) lub słonych siedliskach lądowych (np. solniskach przybrzeżnych i śródlądowych, obszarach pustynnych i półpustynnych), są stale narażone na utratę wody przenikającej na drodze osmozy na zewnątrz komórki. Zaburzenie równowagi wodnej skutkuje plazmolizą (kurczeniem się protoplastu i jego odstawaniem od ściany komórkowej), co prowadzi do zasychania i śmierci rośliny.
Rośliny morskie przystosowały się do życia w wodach o dużym zasoleniu dzięki koncentracji dużych ilości substancji rozpuszczonych w cytozolu (np. jonów soli) co sprawia, że ich komórki są izotoniczne (izoosmotyczne) w stosunku do otoczenia. Rośliny słonolubne (słonorośla) rozwiązały problem ciągłej utraty wody dzięki utrzymywaniu wysokiego ciśnienia osmotycznego soku komórkowego wypełniającego wakuole (wysokiego stężenia substancji rozpuszczonych), gromadzeniu wody w tkankach lub usuwaniu nadmiaru jonów soli na zewnątrz organizmu dzięki wyspecjalizowanym gruczołom solnym na liściach.
Zjawiska Osmotyczne u Zwierząt
Osmoza stanowi podstawę gospodarki wodno-elektrolitowej organizmów zwierzęcych za pośrednictwem różnorodnych mechanizmów osmoregulacyjnych (tzw. osmoregulacji), które polegają na utrzymywaniu względnej równowagi wodnej i regulacji ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych, czyli stężenia substancji rozpuszczonych (np. jonów nieorganicznych). Komórki zwierzęce, w odróżnieniu od komórek roślinnych, nie posiadają ściany komórkowej, w związku z czym zwierzęta narażone są zarówno na wnikanie nadmiernych ilości wody do organizmu (środowiska hipotoniczne) jak i jej nadmierną utratę (środowiska hipertoniczne).
Zwierzęta słodkowodne zasiedlające środowiska hipotoniczne charakteryzują się wyższym stężeniem osmotycznym płynów ustrojowych organizmu (czyli wyższym stężeniem substancji rozpuszczonych) w porównaniu do otaczającej je wody. Zwierzęta te narażone są w związku z tym na nieustanny napływ cząsteczek wody w procesie osmozy (przez skrzela, skórę, podczas pobierania pokarmu) i utratę jonów soli na drodze dyfuzji. Ryby słodkowodne utrzymują równowagę wodną i prawidłowe ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych organizmu dzięki całkowitemu ograniczeniu picia wody i wydalaniu dużych ilości rozcieńczonego moczu oraz pobieraniu (absorpcji) utraconych jonów soli z otoczenia (wraz z pożywieniem lub za pomocą wyspecjalizowanych komórek zlokalizowanych na listkach skrzelowych, tzw. jonocytów).
Zwierzęta morskie i oceaniczne zasiedlające środowiska hipertoniczne cechują się niższym ciśnieniem osmotycznym płynów ustrojowych organizmu (czyli niższym stężeniem substancji rozpuszczonych) w porównaniu do swego otoczenia, w związku z czym narażone są na ciągłą utratę wody i wnikanie nadmiernych ilości jonów soli. Zwierzęta te utrzymują równowagę wodną i odpowiednie ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych na dwa różne sposoby. Osmokonformery (większość bezkręgowców) są izoosmotyczne względem wody słonej dzięki koncentracji dużych ilości substancji rozpuszczonych w komórkach ciała. Osmoregulatory (niektóre bezkręgowce, większość kręgowców) reguluje gospodarkę wodno-elektrolitową dzięki piciu wody i wydalaniu niewielkich ilości moczu oraz eliminowaniu jonów soli przez skrzela i nerki bądź gruczoły solne (np. gruczoły nosowe albatrosów i legwanów morskich).
tags: #rośliny #słonowodne #osmoza #adaptacje
