فرآیند انتقال آب در گیاهان + انتقال فعال و غیرفعال آب
حرکت آب در سلول های گیاهی
در این مقاله به نحوه فرآیند انتقال آب در گیاهان، انواع انتقال آب در گیاهان از جمله انتقال فعال و غیرفعال آب، تبادل کاتیونی و تعادل دونان می پردازیم. تا انتهای مقاله با ما همراه باشید.
برخلاف حیوانات، گیاهان فاقد پمپ متابولیکی فعال مانند قلب هستند تا مایعات را در سیستم عروقی خود حرکت دهد. در عوض، حرکت آب به طور منفعل توسط فشار و شیب‌های بالقوه شیمیایی هدایت می‌شود. قسمت عمده‌ای از آب جذب شده و از طریق گیاهان توسط فشار منفی حاصل از تبخیر آب از برگ‌ها منتقل می‌شود، یعنی تعرق. این فرآیند معمولاً به عنوان مکانیسم تنش انسجام (C-T) شناخته می‌شود.
هنگامی که حرکت املاح نسبت به حرکت آب در سراسر غشای سلولی نیمه تراوا محدود شود، آب با توجه به پتانسیل شیمیایی آن توسط اسمز – نفوذ آب، حرکت می‌کند. اسمز نقش اصلی را در حرکت آب بین سلول‌ها و محفظه‌های مختلف درون گیاهان بازی می‌کند.
در صورت‌عدم تعرق، نیروهای اسمزی بر حرکت آب به ریشه تسلط دارند. این امر به صورت فشار ریشه و تعریق آشکار می‌شود. روندی که معمولاً در چمنزار دیده می‌شود. جایی که در صبح قطرات آب در حاشیه برگ بعد از تبخیر کم تشکیل می‌شوند. فشار ریشه هنگامی حاصل می‌شود که املاح نسبت به سایر بافت‌های ریشه در غلظت آوند چوبی ریشه بیشتر جمع شوند. شیب پتانسیل شیمیایی حاصل، هجوم آب را از طریق ریشه و آوند چوبی سوق می‌دهد.
فرآیند انتقال آب در گیاهان
مواد محلول به دو صورت از غشاء سلولی گذشته و وارد سلول می شوند که عبارتند از:
- انتقال غیر فعال
- انتقال فعال
۱- حرکت آب در سلول های گیاهی با انتقال غیرفعال
چنانچه جذب و انتقال یون‌ها به داخل سلول بوسیله انتشار (diffusion) یا هر فرآیند دیگری که فقط فیزیکی باشد، صورت پذیرد و هیچ گونه انرژی متابولیسم سلولهای زنده گیاهی در آن دخالت نداشته باشد، آن را انتقال غیرفعال گویند. هر چند انتقال غیرفعال یون‌ها تا حدودی طی فرایند انتشار ساده انجام می‌گیرد.
-
سه مکانیسم عمده دیگر نیز برای جذب غیرفعال وجود دارد که عبارتند از:
- تبادل کاتیونی مربوط به سلول های گیاهی
- تعادل موسوم به دونان (Donnan)
- جذب غیر فعال مربوط به تعرق
تبادل کاتیونی مربوط به سلول های گیاهی
سطح ریشه همانند سطح ذرات رس دارای بار الکتریکی منفی است. بنابراین کاتیون‌ها می‌توانند به دلیل اختلاف بار الکتریکی جذب سطوح ریشه‌های گیاه شوند. از طرف دیگر، بسیاری از مولکول‌های بزرگ پروتئین‌های داخل سیتوپلاسم و غشاهای پلاسمایی نیز دارای بار الکتریکی منفی می‌باشند. و قادرند کاتیون‌هایی را که جذب ریشه شده‌اند به طرف خود کشیده و وارد سلول نمایند. بنابراین یک کاتیون می‌تواند بدون صرف انرژی متابولیکی و فقط از طریق فرایند تبادل کاتیونی از خاک به ریشه و سپس از سطح ریشه به داخل سلولهای گیاهی وارد گردد. این فرآیند نوعی مکانیزم جذب غیر فعال عناصر به شمار می‌رود که از طریق تبادل کاتیونی انجام می‌شود.
تعادل دونان (Donnan)
مکانیسم دیگر روش موسوم به دونان می‌باشد. تعادل دونان به این صورت است که در داخل یک سلول گیاهی یون‌های پروتئین خیلی بزرگی وجود دارند که چون اندازه آن‌ها بزرگ است، نمی‌توانند از سلول خارج شوند. این یون‌ها را یون‌های ثابت می‌نامند. از طرف دیگر انواع یون‌های کوچک هم وجود دارند که می‌توانند آزادانه و از طریق انتشار از سلول خارج یا وارد آن بشوند. این یون‌ها را یون‌های غیر ثابت گویند.
حال فرض کنید تعداد زیادی یون X با بار الکتریکی منفی در درون سلول وجود دارند که به علت بزرگ بودن نمی‌توانند از طریق غشاء پلاسمائی به خارج سلول انتشار یابند. همچنین فرض کنید که به همان تعداد یون مثبت قابل انتشار +A درون سلولی وجود داشته باشد. حال اگر این سلول را فرضاً در محلولی غوطه‌ور بسازیم که در آن تراکم زیادی از یون‌های +A با تراکم مساوی یون‌های -B وجود داشته باشد، بلافاصله زوج یون‌های +A و -B از طریق انتشار شروع به وارد شدن به درون سلول میکنند.
یون‌های A+ و B- به تعداد مساوی وارد سلول می‌شوند. تا زمانی که حاصلضرب تراکم آنیون‌ها و کاتیون‌های قابل انتشار درون سلول با حاصلضرب تراکم آن‌ها در خارج سلول برابر گردد. این نقطه را تعادل دونان (Donnan equilibrium) گویند. دونان در سال ۱۹۱۱ میلادی این رابطه ریاضی را پیدا کرد و به همین دلیل به اسم او نامگذاری شده است.
اهمیت تعادل دونان در این است که می‌تواند تشریح کند چگونه بعضی یون‌ها ممکن است در درون سلول به تراکم بیشتر از محلول خارج باشند. آنچه اهمیت دارد این است که در این فرایند اساسا جذب غیر فعال دخالت دارد. یعنی خود فرآیند به انرژی متابولیسمی نیاز ندارد.
فرآیند انتقال آب در گیاهان + انتقال فعال و غیرفعال آب
جذب غیر فعال آب در گیاهان
تعرق نیز بر جذب غیر فعال مؤثر است. از سالیان دور همیشه این بحث مطرح بوده است که هرچه شدت تعرق بیشتر باشد، جذب یون‌های معدنی نیز زیادتر خواهد بود. اما امروزه ثابت شده است که گاهی بین تعرق و جذب رابطه مستقیم وجود دارد و در برخی موارد نیز اصولا چنین رابطه‌ای دیده نمی‌شود. بطور کلی هرچه غلظت یون‌ها در محیطی که ریشه را در بر می‌گیرد زیاد باشد، شدت جذب یون بیشتر تحت تأثیر شدت تعرق قرار می‌گیرد.
وارد شدن یا وارد نشدن یون‌ها به ریشه، بستگی به برقراری گردایان با شیب غلظت میان سلولهای ریشه و خاک دارد. حفظ چنین شدت تند تا حدی بستگی به شدتی دارد که یون‌هایی قبلا وجود داشته‌اند، وارد جریان تعرقی شده و از ریشه دور شوند. هرچه شدت تعرق بیشتر باشد، شیب یونی بین خاک و سلولهای ریشه تندتر می‌شود. جذب یون‌ها با این روش نیز نوعی جذب غیر فعال می‌باشد.
۲ – حرکت آب در سلول های گیاهی با انتقال فعال
شواهد زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد تحت برخی شرایط، انرژی متابولیسمی حاصل از تنفس گیاه در جذب آب و برخی یون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگر منحنی جذب یک یون توسط ریشه را در نظر بگیریم، مشاهده می‌شود که در ابتدا سرعت جذب زیاد و سریع بوده و سپس مقدار آن کم و آهسته افزایش می‌یابد. حال اگر ریشه‌های همین گیاه را با مواد باز دارنده تنفس آغشته کنیم، ملاحظه خواهد شد که قسمت اول منحنی که سریع می‌باشد، در این گیاه نیز وجود دارد ولی از قسمت آهسته و کند دوم خبری نخواهد بود.
این امر نشان می‌دهد که قسمت سریع که در هر دو مواد وجود دارد، مربوط به جذب غیر فعال است. که مستقل از اینکه مواد بازدارنده تنفس را بکار برده باشیم یا خیر در آن‌ها وجود دارد. ولی قطع قسمت دوم به چه دلیل است؟ به این دلیل است که در گیاه دوم به دلیل وجود مواد بازدارنده تنفس انرژی متابولیسمی وجود نداشته و لذا جذب فعال صورت نگرفته است.
جذب فعال تحت چه مکانیسمی صورت می گیرد؟
برای توصیف جذب فعال نظریه‌های مختلفی وجود دارد که مهمتر از همه فرضیه ناقل جذب فعال یون می‌باشد. بر اساس فرضیه مولکول ناقل مراحل ورود یون به قرار زیر می‌باشد:
۱- ابتدا یک یون وارد سلول می‌شود. سپس فضای خارجی را بصورت غیرفعال طی می‌کند تا به داخلی‌ترین حدود فضای خارجی سلول می‌رسد که در آنجا پیشرفت آن متوقف می‌شود. در این جا یک مولکول پروتئینی که اصطلاحا ناقل (carrier) نام دارد. و در فضای داخلی سلول و شاید درون غشاء پلاسمائی پیرامون فضای داخلی جای دارد. با بار الکتریکی مخالف یونی که طی طریق کرده است، به یون مورد نظر نزدیک می‌شود و با چسبیده شدن به آن بار الکتریکی آن را خنثی می‌کند. وقتی یون با مولکول ناقل یکی شد، حال می‌تواند وارد فضای داخلی سلول شود.
۲- بعد از این که مجموعه مولکول ناقل-یون وارد سلول شدند، تجزیه شده و یون دوباره آزاد می‌گردد. در این حالت یون به دلیل اینکه دوباره بار الکتریکی دارد، نمی‌تواند بصورت انتشار از فضای داخلی سلول خارج شده و به اصطلاح گرفتار می‌شود. اما مولکول ناقل آزاد شده، دوباره به غشاء پلاسمائی نزدیک شده و یک یون دیگر را به داخل سلول می‌کشاند. بدین ترتیب تراکم یون‌ها در داخل سلول به دلیل فعالیت مولکول‌های ناقل زیاد می‌شود. این امر را جذب فعال می‌گویند.
مولکول های پروتئینی ناقل (transport proteins)
برای انتقال مولکول‌ها و یون‌های دیگر در عرض غشاء، مولکول‌های پروتئینی ناقل (transport proteins) وجود دارند که شامل کانال و حامل‌ها می‌باشند. کانال‌ها پروتئین‌های موجود در غشاء سلولی هستند که به مولکول‌ها و یون‌هایی که اندازه آن‌ها کوچکتر از قطر منفذ کانال می‌باشند، اجازه عبور می‌دهند. در انتقال از طریق پروتئین‌های حامل لازم است ماده منتقل شونده به محل فعال بر روی پروتئینی متصل گردد. سپس به وسیله پروتئین حامل به سمت دیگر غشاء منتقل شود.
همانطور که گفته شد انتقال فعال که از طریق مولکول‌های حامل صورت می‌گیرد و با صرف انرژی متابولیکی همراه است. نوعی پمپ کردن مواد به شمار می‌رود. ولی پروتئین‌های حامل می‌توانند به انتقال غیرفعال نیز کمک کنند، که به آن انتشار تسهیل شده گفته می‌شود. اگر می خواهید در ارتباط با سلول های گیاهی و انتقال آب و مواد غذایی بیشتر بدانید کلیک کنید.
منبع:
۱- سایت nature education کمبریج آمریکا.
۲- کتاب رابطه آب و خاک و گیاه، موسسه چاپ و انتشارات آستان قدس رضوی.
دیدگاهتان را بنویسید