Страница - 8

Глава 5. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ

§ 13. Сходство и различия активного и пассивного транспорта через клеточную мембрану

Цель изучения этой темы: сравнивать пассивный и активный транспорт.

Из каких компонентов состоят оболочки клеток? Какие вещества поступа­ют в клетки и из клеток в ходе дыхания, питания и выделения? Что такое ложноножки? Как передвигаются амебы и лейкоциты? Что такое фагоци­тоз?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 11. 34 - учебник для 7 класса: § 1. 18 - учебник для 8 класса.

Транспорт через клеточную мембрану. Как мы уже говорили, у кле­ток растений, грибов и бактерий за наружной клеточной мембраной на­ходится клеточная стенка, а внутри цитоплазма. У клеток животных за мембраной может находиться белково полисахаридный (гликопроте- идный) слой. Ни одна биологическая система, отдельная клетка, орган или организм не могут существовать без процесса обмена веществ. По­скольку наименьшей структурной и функциональной единицей живого является именно клетка, следовательно, обязателен процесс поступления и выделения веществ в клетку и из клетки. Так как границей, отделяю­щей клетку от окружающей среды, является клеточная мембрана, имен­но она отвечает за поступление и выделение веществ.

Какие же вещества проникают сквозь мембрану? Это, конечно же, газы - кислород и углекислый газ; различные ионы, соли, вода, глюкоза и более тяжелые молекулы - белки, жиры. Кроме отдельных химиче­ских веществ, клетки хищных простейших способны поглощать и целые клетки своих жертв, например одноклеточных водорослей (рис. 20).

Мембрана каждой живой клетки имеет электрический заряд. Обра­зуется этот заряд потому, что живая клетка поглощает и выделяет опре­деленное количество заряженных частиц - ионов. Электрический заряд мембраны - это важнейший признак того, что клетка жива. Для ионов не­полярные липиды не проницаемы. Здесь включаются в работу «белки-ка­налы», называемые также ионными (натрий-калиевыми) насосами за то, что они осуществляют транспорт против градиента концентрации. Так, на­пример, количество ионов Na⁺ снаружи клетки гораздо выше, чем внутри, а К , наоборот. Но, несмотря на это, ионные насосы выкачивают на по­верхность плазмалеммы три иона Na⁺, а вкачивают внутрь только два иона К , затрачивая на это энергию АТФ. Таким образом, мембрана живых клеток всегда заряжена. После смерти клетки количество ионов внутри и снаружи уравнивается, так как клетка не ведет активный транспорт.

В зависимости от того, затрачивает ли клетка энергию на транспорт ве­ществ, этот процесс можно подразделять на активный транспорт и пас сивный транспорт (рис. 21). Активно осуществляется транспорт ионов, крупных молекул и других клеток (фагоцитоз у амеб и лейкоцитов). Фаго­цитоз - это захват мембраной крупных частиц с помощью выпячиваний - ложноножек. Аналогичный процесс - пиноцитоз. Только при пиноцитозе мембрана клеток не выпячивается, а «впячивается» внутрь и захватывает

не твердые частицы, а жидкости. Так капельки полезных растворенных веществ попадают в цитоплазму в виде пиноцитарных пузырьков.

Пассивно осуществляется транспорт веществ, способных проникать непосредственно через мембрану. Так, например, транспортируются по­ловые гормоны, состоящие из стероидов - жироподобных веществ, кото­рые растворимы в фосфолипидах. Диффузия - чисто физический процесс пассивного перетекания молекул из области большей концентрации в об­ласть меньшей концентрации. Вода, кислород, некоторые водные раство­ры легко диффундируют через мембрану.

Сходство и различия активного и пассивного транспорта

Затраты энергии при активном транспорте могут быть различны. Так, процесс фагоцитоза очень энергоемкий, поскольку изменяется вся форма клетки. Кроме того, во время фагоцитоза сама клетка может пере­мещаться в пространстве. В этом случае скорее уместно говорить о за­трате энергии на передвижение клетки, чем на активный мембранный транспорт веществ. В любом случае процесс фагоцитоза можно считать наиболее энеpгoзатратным.

По и такой процесс, как активный транспорт ионов, тоже может по­треблять значительное количество энергии. На работу ионных каналов и формирование заряда на мембране клеток может тратиться около 30% всей энергии, вырабатываемой в виде АТФ. Для электрически активных нервных клеток этот показатель значительно выше. Биофизики подсчи­тали, что на активный транспорт ионов затрачивается около 70% энер­гии АТФ, вырабатываемой нейронами.

Таким образом, можно сделать вывод о значительных энергозатратах на процессы активного транспорта в клетках.

Знание и понимание

1. Данте определения понятиям фагоцитоз, диффузия, пиноцитоз, лож­ноножки.
2. Как вы понимаете термин «натрий-калиевый (ионный) насос»? Применение
3. Опишите функции разных типов транспорта веществ через мембрану.
4. Определите связь между типом транспорта (активный или пассивный) и затратами энергии в виде АТФ.

Анализ

1. Докажите на примерах, что активный транспорт не может заменить пассивный, и наоборот.
2. Проанализируйте и установите зависимость между количеством энер­гозатрат на транспорт ионов через мембрану и физиологической ак­тивностью клеток.

Синтез

1. Порассуждайте, у каких клеток из представленного перечня активный транспорт будет выше и почему: клетки корневого волоска водного растения, клетки корневого волоска верблюжьей колючки, эритро­цит. клетка кожи, нервная клетка.
2. В чем эволюционный смысл формирования активного и пассивного транспорта? Какие преимущества у каждого из этих процессов?

Оценка

1. Напишите реферат о роли транспорта веществ через клеточную мем­брану.
2. Оцените значение работы ложноножек и мембранных каналов. Какой из этих видов активного транспорта будет всеобщим и почему?

§ 14. Влияние внешних и внутренних факторов на транспирацию

Цель изучения этой темы: объяснить сущность процесса транспирации у рас­тений.

Какое значение для растений имеет такое свойство воды, как поверхност­ное натяжение? Что такое ксилема? Какие вещества и куда она транс­портирует по организмам высших растений? Что такое устьица, каково их строение и расположение? Что такое транспирация? Какие три основные функции она выполняет?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 13, 20, 22 - учебник для 7 класса.

Транспирация - это процесс испарения воды листьями. Необходи­мость транспирации возникла у растений с выходом на сушу, поэтому она характерна для всех высших растений. За время эволюции расти­тельные организмы сформировали специальные структуры, отвечающие за транспорт воды и растворов из корня в лист и за процесс транспира­ции. Вы узнали о них в курсе биологии 7 класса. Вез процесса транспи­рации жизнь растений невозможна, так как вода и растворенные в ней вещества иначе не попали бы в листья. Вез воды зеленые клетки мякоти листа не смогли бы осуществлять фотосинтез. А в жару, без испарения, листья бы перегрелись. Попробуйте даже в самый жаркий день прило­жить листик растения к щеке, и вы убедитесь, что он не горячий, а если в почве достаточно влаги, даже прохладный.

Внешние факторы, влияющие на транспирацию. Следует помнить, что испарение воды (или другой жидкости) это чисто физический про­цесс. Происходит разрыв «слабых» водородных связей между молекулами воды, и они, отделяясь друг от друга, испаряются в атмосферу. На этот процесс оказывают влияние факторы окружающей среды. Рассмотрим их.

Температура окружающего воздуха - важнейший фактор, влияющий на скорость испарения и количество испарившейся влаги. Вы наверняка замечали, что летом вывешенное на улицу белье высыхает быстрее. Это справедливо не только для физических, но и биологических объектов.

В жаркий день растение будет испарять значительно больше влаги, чем в холодный. По это справедливо, только если оно не испытывает недостат­ка воды. Многие растения, стремясь сэкономить воду, в жаркую погоду закрывают устьица. В этом случае у них замедляется или прекращается фотосинтез. Растения - обитатели жарких стран используют разнообраз­ные способы, чтобы не израсходовать всю влагу на транспирацию и в то же время эффективно фотосинтезировать. О них речь пойдет в этом пара­графе и в курсе 10 класса.

Влажность воздуха или давление водяного пара также влияют на процесс транспирации. Как вы помните, по законам диффузии молекулы стремятся из области большей концентрации в меньшую. Если вокруг листа воздух достаточно сухой, то процесс транспирации будет усили­ваться. Если же воздух вокруг листа влажный, насыщенный водяными парами, то молекулы воды будут испаряться гораздо слабее.

Движение воздуха - это еще один важный внешний фактор, влияю­щий на интенсивность процесса транспирации. Наверняка, вы замечали, что быстрее всего белье высыхает в теплую, сухую погоду, на ветру. Но даже если не очень жарко, а ветер сильный, влага испаряется быстрее. Это также заметно, если в ветреную погоду выходишь из воды после ку­пания. Поэтому при ветре растения начинают терять больше влаги. Что­бы не произошло обезвоживание, при сильном ветре растения закрывают устьица совсем. Максимальные потери воды растениями наблюдаются при слабом ветре.

Свет также влияет на процесс транспирации. У подавляющего большинства рас-  тений, не испытывающих недостаток влаги, устьица открыты днем и закрыты но­чью. Исключения составляют растения жарких и сухих мест обитания, которые вы­нуждены экономить воду. Поэтому они открывают устьица в более прохладное ночное время суток.

Внутренние факторы, влияющие на транспирацию. Растения - живые организмы. Как все живое, они обладают способностью приспосабливаться к сложным меняющимся факторам окружающей среды. Так, формирова­лись разнообразные приспособления, изменяющие интенсивность транспи­рации в благоприятном для растений направлении. Напомним, что совсем отказаться от транспирации растения не могут. Так как это серьезно за­труднит, а впоследствии и полностью прекратит такие процессы, как по­ступление воды и минеральных веществ в листья и фотосинтез. Но времен­но закрывать устьица на непродолжительный срок растения могут. Они делают это при острой нехватке влаги и для предотвращения иссушения при сильном ветре. Эти меры носят экстренный и временный характер. Рассмотрим внутренние факторы, влияющие на транспирацию, которые сформировались в ходе эволюции как постоянные приспособления.

Площадь испаряющей поверхности зависит от площади листьев. Обычно листовая поверхность бывает в десятки раз больше площади, занимаемой самим растением. Растительность суши образует столько листьев, что ими можно было бы покрыть всю поверхность земного шара в несколько слоев! Учтите, что высшие растения не растут в морях и оке­анах, на Антарктиде и высоко в горах. Чем меньше листья, тем больше их общая площадь поверхности. Так, у взрослого дуба насчитывают де­сятки тысяч листьев, а у сосны - от сотен тысяч до нескольких миллио­нов, так как хвоинки - это и есть ее мелкие листья.

Хотя устьица занимают всего 1% от площади листьев, они испаряют очень много воды. Здоровое взрослое растение березы при хорошем поли­ве и средних температурах может испарять 60 л воды в день, а дуб - 50 л.

Ученые подсчитали, что 1 га елового леса испаряет 2240 т воды в год. Сосны ис­паряют гораздо меньше - 470 т в год, а дубы - примерно 1200 т.

Очень важный показатель - количество устьиц на листе. У пшеницы их может быть 1500 на 1 см², у подсолнечника 150-250, у фасоли - 300. а у клена - 550.

Ведь многим растениям засушливых мест приходится всячески огра­ничивать транспирацию. Изменения формы, размеров и покровных тка­ней листа, влияющие на транспирацию, очень разнообразны. Так, для эко­номии воды и уменьшения испарения листья многих растений изменяют покровную ткань - кожицу, или кутикулу. У части из них клетки кутикулы

становятся более плотными или выделяют восковой налет (например, каланхое). Другие растения образуют на листьях выросты - волоски или пушок. Таковы хорошо знакомые вам фиалки или растения из группы кам­неломковых. Так поступают многие виды растений наших степей, пустынь.

Другие растения делают листья «рельефными» или скручивают их в трубочки. Так поступают, например, некоторые виды из рода шалфея (рис. 23).

Знание и понимание

1. Объясните, чем внешние факторы, влияющие на транспирацию, отличаются от внутренних.
2. Опишите виды приспособлений растений засушливых мест к уменьшению транспирации.

Применение

1. Определите связь между интенсивностью процесса транспирации и температурой, влажностью и ветром на данной территории.
2. По рисунку, приведенному ниже, расскажите о видах приспособлений растений к уменьшению процесса транспирации.

Анализ

1. Проанализируйте, когда растение теряет больше влаги, в сухую пого­ду при небольшом ветре или при сильном ветре и дожде. Ответ объяс­ните.
2. Нарисуйте схему «Значение транспирации для высших растений» и «Влияние внешних и внутренних факторов на процесс транспира­ции». Можно ли изобразить их в виде грех разных схем или целесооб­разно объединить в одну?

Синтез

1. Порассуждайте, в каком режиме огородные растения будут транспирировать: 1) утром, до наступления зноя; 2) днем, во время жары; вечером, после снижения температуры; 4) в пасмурную погоду, после дождя; 5) при слабом ветре; 6) при сильном ветре.
2. Как взаимосвязаны внешние и внутренние факторы, влияющие на транспирацию? Какая из групп факторов определяет развитие другой группы?

Оценка

1. Оцените значение следующих явлений.

«Многие растения засушливых мест имеют более светлые, белесые листья. Иногда это достигается за счет белых отражающих волос­ков на поверхности листа. Это позволяет листу' меньше притягивать солнечный свет и меньше перегреваться. Растения тропических лесов, находящиеся в нижних ярусах и испытывающие нехватку света, име­ют листья ярких оттенков, иногда красных. Это позволяет им притя­гивать больше солнечных лучей».

2. Как эти факты соотносятся с двумя основными функциями листа транспирацией н фотосинтезом?
3. Сделайте сообщения, используя дополнительные источники информа­ции о разнообразных приспособлениях растений к уменьшению транс­пирации. Обсудите, возможно ли использовать «разработки» живой природы в хозяйственной деятельности, связанной с экономией воды при поливе, транспортировке и т. д.

Цель работы: исследовать внешние факторы, влияющие на процесс транс­пирации.

Оборудование: для варианта 1 растение, заранее помещенное в охлаж­денную камеру; штативы и колбы с узким горлом 5 шт.; безводный сульфат меди двухвалентный кристаллы белого цвета (при взаимодействии с молеку­лами воды дает голубой цвет визуально легко определяется); 6 растений стре­лолиста с примерно одинаковыми листьями; нагревательный прибор; венти­лятор; аквариум; теплоизолированная камера с охлажденным воздухом; вата; пластилин.

Примечание. Данную лабораторную работу можно проводить, как минимум, в трех вариантах в зависимости от наличия оборудования, навыков учащихся и подходов конкретного педагога. Приводим оборудование для двух методов про­ведения.

Ход работы

На штативе установите колбы так, чтобы можно было поместить внутрь нее лист, предварительно аккуратно свернув его в трубочку. Поместите внутрь колб по одному листу каждого растения, не повреждая его. Пространство меж­ду горлышком и черенком закройте ватной пробкой, заклейте пластилином либо посыпьте нижнюю сторону листовой пластинки сульфатом меди на каж­дом из растений.

Поместите растения в разные условия: под нагреватель, под вентилятор, в заполненный водой аквариум (но оставьте над поверхностью воды исследуемый лист), в камеру с охлажденным воздухом. Одно контрольное растение оставьте в обычных условиях.

Наблюдайте, результаты внесите в таблицу.

Оборудование: для варианта 2 мерные стеклянные цилиндры 6 шт.; рас­тительное масло; примерно одинаковые по размеру ветки с листьями (черенка­ми) растений одного вида 6 шт.; нагревательный прибор; вентилятор; аквари­ум с любой (стеклянной) плотной крышкой; пульверизатор; теплоизолированная камера с охлажденным воздухом.

Ход работы

Налейте воду в стеклянные цилиндры и поместите туда черенки (как цветы ставят в вазу).

Добейтесь, чтобы вода во всех цилиндрах оказалась на одном уровне. Затем осторожно приливайте на поверхность воды масло.

Поместите цилиндры с черепками в разные условия; под нагреватель; под вентилятор; в аквариум, повышая в нем влажность пульверизатором и накрыв крышкой, чтобы исключить испарение; в камеру с охлажденным воздухом. Одно контрольное растение оставьте в обычных условиях.

Наблюдайте, результаты внесите в таблицу.

Для варианта 3. Аналогичная работа проводится с помощью простейшего потометра и безводного сульфата меди двухвалентного кристаллы в качестве индикатора.

Цель работы: исследовать внутренние факторы, влияющие на процесс транс­пирации.

Оборудование: растения (или черенки для вариантов 2 и 3) разных видов: традесканция, фикус, каланхое, стрелолист (или любые другие). № 1 штативы и колбы с узким горлом; № 2 мерные стеклянные цилиндры 6 шт., расти­тельное масло; № 3 потометр, безводный сульфат меди двухвалентный кри­сталлы.

Примечание. Данную лабораторную работу проводят по аналогии с предыду­щей с той только разницей, что исследуемые растения или их черенки должны относиться не только к разным видам, но и к разным экологическим группам, а условия, внешние факторы, не должны отличаться.

Ход работы

Понаблюдайте, какие из растений первыми выделят воду при транспирации. Выстройте наблюдаемые растения в порядке интенсивности транспирации.

На основании этого сделайте выводы о влиянии внутренних факторов на интенсивность процесса транспирации.