Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 3 (страница 27)

Слово "осморегуляция" означает не просто регуляцию водного баланса в организме, а регуляцию состава жидких сред организма, которые во всех случаях представляют собой растворы различной сложности. Детали физических и химических свойств растворов описаны в Приложении 1.4.

В живых системах даже в растворах с одинаковым осмотическим давлением (т. е. изотоничных друг другу) происходит перемещение молекул растворенных веществ, если их относительные концентрации различны. Перемещение молекул воды между двумя растворами определяется относительным осмотическим давлением этих растворов. Молекулы растворенных веществ проходят через полупроницаемые мембраны в направлении, зависящем от их относительной концентрации по обе стороны мембраны и от свойств самой мембраны. Это передвижение может быть пассивным или активным. В первом случае молекулы перемещаются путем диффузии "вниз" по концентрационному градиенту, т.е. из раствора с более высокой концентрацией в раствор с более низкой концентрацией. Во втором случае перемещение происходит против концентрационного градиента и осуществляется специальными механизмами, находящимися в мембране. Все мембраны организма, включая плазмалемму (клеточную, или плазматическую, мембрану), слои цитоплазмы, поверхности тела и легких, способны действовать как полупроницаемые мембраны, через которые могут проходить вода и растворенные вещества.

Концентрацию осмотически активных веществ в растворе мы будем называть в этой главе осмотическим потенциалом или осмолярностью и выражать в миллиосмолях на 1 л или на 1 кг воды.

В биологическом контексте при обсуждении осморегуляции концентрацию растворенных веществ можно выражать как депрессию точки замерзания раствора. Чистая вода замерзает при 0°С, но при добавлении растворимых веществ точка замерзания падает ниже 0°С, и новая температура замерзания показывает концентрацию растворенных веществ в растворе. Например, осмолярность морской воды составляет 1000 мосмоль/л, а ее депрессия точки замерзания равна -1,7 °С.

19.3.1. Механизмы осморегуляции

Осмотические взаимоотношения между двумя растворами, разделенными полупроницаемой мембраной, можно выразить в виде тоничности или осмолярности. Между этими двумя понятиями есть важные различия в отношении обстоятельств, при которых они употребляются; однако для простоты мы будем пользоваться словом "тоничность": будем называть раствор либо гипотоническим, либо гипертоническим, либо изотоническим по отношению к какому-то другому раствору.

У пресноводных организмов жидкости тела обычно гипертоничны по отношению к их водному окружению. Многие морские организмы, в том числе позвоночные, гипотоничны по отношению к морской воде, но многие морские беспозвоночные изотоничны ей.

Если в водной среде повышается концентрация растворенных веществ, животные отвечают на это одним из двух способов. У животных, не способных регулировать осмотическую концентрацию жидкостей тела (осмоконформеров), она изменяется так же, как в окружающей среде, тогда как у животных, способных к осморегуляции (осморегуляторов), она остается прежней при всех изменениях среды. Применяя терминологию, связанную с гомеостазом, первых все чаще называют теперь пойкилосмотическими, а вторых — гомойосмотическими животными, используя те же приставки, что и в случае термо-регуляции.

19.3.2. Осморегуляция у растений

Ткани растений содержат больше воды, чем ткани животных, и функционирование растительной клетки, так же как и всего растения в целом, зависит от постоянства содержания воды. У растений не существует тех проблем осморегуляции, с которыми встречаются животные, и растения можно рассматривать просто в связи с местообитанием, подразделив их на группы, описанные ниже.

Гидрофиты

Пресноводные растения типа элодеи (Elodea canadensis), тысячелистника (Myriophyllum) и водяной лилии (Nymphaea) относятся к гидрофитам и меньше сталкиваются с проблемами осморегуляции, чем растения всех остальных типов. В пресной воде растения окружены гипотонической средой, и в сок, содержащийся в вакуолях, вода поступает путем осмоса. Она свободно проходит через клеточную стенку и полупроницаемые плазматическую и вакуолярную мембраны. Когда за счет поглощения воды объем вакуоли увеличивается, в ней создается тургорное давление. Клетка становится тургесцентной, и достигается равновесное состояние, когда водный потенциал в ней повышается до той же величины, что и в окружающей воде (почти нулевой), и поступление воды прекращается (см. разд. 14.1.5). Это называют механической осморегуляцией. Пресноводная водоросль нителла (Nitella clavata) содержит чрезвычайно концентрированный сок, и вся проблема осморегуляции у нее сводится к поддержанию ионного состава этого сока, что осу-ществляется путем активного поглощения ионов из окружающей воды.

Галофиты

Единственными растениями, способными существовать в морской воде, являются водоросли — основной источник растительной пищи на морском побережье. Распределение видов водорослей по мере удаления от берега определяется многими факторами, в том числе устойчивостью к воздействию волн и к обезвоживанию при отливе, а также составом пигментов, участвующих в фотосинтезе. Во всех случаях эти виды способны переносить повышение солености, и главная задача осморегуляции сводится у них к предотвращению потери воды в результате испарения. Самую верхнюю зону морской растительности на укрытых скалистых берегах Британских островов занимает взморник бороздчатый (Pelvetia canaliculata). Этой водоросли помогают выживать толстые клеточные стенки, густой слой слизи и ножка в форме желобка.

На рис. 19.2 показана скорость потери воды и степень переносимости обезвоживания у четырех видов распространенных у Британских островов морских водорослей, которые располагаются по зонам в зависимости от их способности удерживать воду во время отлива.

Рис. 19.2. Скорость отдачи воды на воздухе четырьмя видами водорослей, растущих на морском побережье

Строго говоря, галофитами называются растения, произрастающие на сильно засоленных почвах, например в эстуариях рек и в соленых маршах около морей, где соленость постоянно меняется и может превышать соленость морской воды. Стебли этих растений не всегда находятся в условиях высокой солености, но их корневая система вынуждена переносить повышенную соленость песка и ила, которая создается во время отлива в жаркие ветреные дни. Считалось, что эти растения должны выдерживать периоды "физиологической засухи", когда вода бывает недоступна для тканей из-за гипертоничности среды, окружающей корни. Однако дело, по-видимому, обстоит не так, поскольку большая скорость транспирации и высокое осмотическое давление в клетках корневой системы обеспечивают поглощение воды из почвы. В эстуариях рек и соленых маршах растет галофит спартина (Spartina). Она имеет обширную систему корневищ, с помощью которой распространяется, и придаточные корни, обеспечивающие ей закрепление в почве и поглощение воды и солей. Другие галофиты, растущие в эстуариях рек и маршах, — более мелкие растения, запасающие воду, когда она имеется в изобилии. Наиболее известные среди них — солерос (Salicornia), сведа (Suaeda maritima) и морской портулак (Halimione). Некоторые виды, например глаукс морской и спартина, способны регулировать содержание в своих тканях солей, выделяя их через железы, расположенные по краям листьев.

Мезофиты

Большинство покрытосеменных растений относится к мезофитам и растет в местах, в достаточной мере обеспеченных водой. Эти растения сталкиваются с проблемой потери воды путем испарения со всех надземных частей и имеют ряд морфологических (ксероморфизм) и физиологических особенностей, помогающих им уменьшать эту потерю. Из таких особенностей следует упомянуть наличие кутикулы, защищенные устьица, диаметр которых может регулироваться, разнообразную форму листьев, сбрасывание листвы и экологическое распространение, связанное с устойчивостью к обезвоживанию. Более детальное описание и примеры этих механизмов можно найти в разд. 14.3.

Ксерофиты

Ксерофитами называют растения сухих местообитаний, способные переносить продолжительную засуху. Они составляют типичную флору пустынь и полупустынь и весьма обычны на морском побережье и в песчаных дюнах. Некоторые из этих растений переживают периоды экстремальных условий в виде семян и спор, которые после выпадения дождя могут прорастать; новые растения иногда за четыре недели успевают вырасти, зацвести и дать семена (как, например, эшшольция калифорнийская), которые пребывают в состоянии покоя до следующего дождливого периода.

С другой стороны, есть растения, обладающие разнообразными анатомическими (ксероморфизм) и физиологическими приспособлениями, позволяющими им вегетировать во время сильной засухи. Большинство ксерофитов Британских островов растет вдоль береговой линии и на песчаных дюнах, как, например, солянка (Salsola) и морская песчанка (Honkenya), растущие на невысоких песчаных холмах морского побережья. Песчаный пырей (Аgropyron) и песколюб (Ammophila) — доминирующие растения на молодых дюнах, они обладают обширной системой корневищ с придаточными корнями, позволяющими добывать воду из водоносного слоя ниже песка. Песчаный пырей способен переносить концентрацию соли в песке, в 20 раз большую, чем в морской воде. Оба растения имеют большое значение как пионеры заселения песчаных дюн.