VIII. A biológiai anyagok vízháztartása VIII.1. A víz fizikai tulajdonságai A víz az élet kialakulásában és fenntartásában alapvető fontosságú. A víz az élet alapanyaga, mondta Szent-Györgyi Albert, ugyanis a víz jelen van az élő szervezet sejteiben, a szövetekben, stb. Az élő szervezetek víztartalma szövetenként változik, míg az emlősök teste általában 65 … 70 % vizet tartalmaz, a növények magvaiban 10 %- nál kevesebb a víz. Biológiai szempontból a folyékony halmazállapotú víznek van a legnagyobb jelentősége, habár mindhárom fizikai fázisállapotában fontos szerepet játszik a biológiai létezés fenntartásában. A biológiai anyagok a vizet kétféle módon tárolják. Egyfelől molekuláris tárolással a vízmolekulák a sejtfal közelébe kerülnek és a vonzóerők következtében a kolloid részecskékre tapadnak. A molekuláris vízfelvétel hőfejlődéssel jár, ez a víz gyakorlatilag oldóképességgel nem rendelkezik, lényegesen 0 ºC alatt fagy meg. A víztárolás másik módja a kapilláris vízfelvétel, amelyben a sejtrendszerekben levő kapilláris üregek veszik fel a vizet a felületi feszültség hatása alatt. A vízleadás és vízfelvétel folyamatában meghatározó tényező a környezet nedvességtartalma és a hőmérséklet, amely az adszorpció illetve a deszorpció sebességét befolyásolják. Azt a folyamatot amelynek során valamely test idegen anyagot vesz fel, szorpciónak nevezzük. Abban az esetben amikor a felvétel csak a fázishatár felszínén valósul meg, adszorpcióról beszélünk, ha viszont a test belső térfogatára is kiterjed a felvétel, abszorpcióról (elnyelésről) beszélünk. A felülethez kötődött molekulák leválhatnak, ha elegendő kinetikus energiával rendelkeznek, amely folyamatot deszorpciónak nevezzük. Vizsgáljuk meg közelebbről a víz fázisválzozásait, elemezve a T=T(Q) hőmérséklet−hőmennyiség függvénykapcsolat grafikus ábrázolását (1. ábra).
1 . ábra. A víz fázisátalakulásait ábrázoló T-Q diagram
Induljunk ki a szilárd fázisú jégből, amelynek hőmérséklete a közölt hőmennyiség hatására emelkedik és megváltozik a belső energiája az ismert összefüggés szerint: dQ = dU = m ⋅ c j ⋅ dT ahol, c j a jég fajhője. Adott nyomáson, például normál légköri nyomáson, való melegítés során ez a folyamat addig tart, amíg el nem érjük az olvadásponti hőmérsékletet. Az olvadási hőmérsékleten szerkezeti változás megy végbe, ugyanis a belső rendezettség egyre kisebb térfogatra korlátozódik a molekulák közötti kötések felszakadása következtében. A termodinamika I főtétele értelmében a közölt hőenergia teljes egészében a szerkezeti változásra fordítódik, mindaddig amíg a teljes anyagmennyiség fázisváltozása le nem zajlik, ez idő alatt a hőmérséklet viszont nem változik: dQ = λolvadás ⋅ m ahol, λo a fajlagos olvadási (vagy fagyási) rejtett hő. A folyékony fázisú víz a további hőenergiafelvétel következtében növeli hőmérsékletét a dQ = m ⋅ cv ⋅ dT összefüggés szerint, ahol a cv víz fajlagos hője. A forrásponti hőmérséklet elérésekor újabb fázisváltozás következik be, amely a dQ = λ forrás ⋅ m mennyiségű rejtett hőmennyiséget igényli, ahol λ f a fajlagos latens
forráshő. Tekintettel arra, hogy a forrás folyamata esetében egyensúlyi feletétel valósul meg a gőzbuborékokban kialakuló telített gőz nyomása és a külső környezet nyomása között, ezért a forrásponti hőmérséklet értéke és a környezeti nyomás szoros összefüggésben van. Minél kisebb a külső nyomás annál alacsonyabb hőfokon valósul meg a forrás. Miután a víz teljes egészében gőzzé alakult, a további folyamatos hőközlés következtében a vízgőz hőmérséklete egyre növekvő értéket vesz fel a dQ = m ⋅ c g ⋅ dT összefüggés értelmében, ahol cg a gőz fajhője az adott nyomáson. A víz fázisváltozásaira jellemző paraméterek értékeit normál légköri nyomáson végbemenő folyamat esetén az I. táblázatban tüntettük fel. I. Táblázat: A víz normál légköri nyomáson történő fázisátalakulásait jellemző paraméterek λ0 (J·kg-1) λf (J·kg-1) Halmazállapot c (J·kg-1·K-1) Jég 2,09·103 335·103 (80 cal·g-1) 3 Víz 4,19·10 2256·103 (539 cal·g-1) 3 Gőz 1,84·10
A szilárd jég alacsony nyomáson szublimál, azaz közvetlenül légnemű állapotba megy át anélkül, hogy áthaladna a folyékony fázison. Így például, p=102 Pa nyomáson a szublimációs hőmérséklet tsz= -20 ºC, viszont p=12,5 Pa nyomáson a szublimációs hőmérséklet tsz= -40 ºC. Közismert, hogy a vízmolekula két hidrogénatom és egy oxigénatomból épül fel. A hidrogén és az oxigén atomok között erős kovalens kötés valósul meg, amelyben a semleges atomok elektronokat tesznek közössé, miáltal a legkülső elektronhéjaik telítettekké válnak. Szerkezeti vonatkozásban a vízmolekula kialakulása során az 8 O16 oxigén atomok 1s22s22p4 elektronjai kapcsolódnak a két hidrogénatom 1 s2 elektronjaival
és stabil 8-as konfigurációban egyesülnek. Így a 8 darab elektron egyetlen elektronburokban egyesül, magába zárva a két hidrogén atommagját, valamint az oxigénatommagot is a saját 1 s2 elektronjaival együtt. A vízmolekulában az atomok háromszög alakban helyezkednek el, amelyben a vízmolekula tömegközéppontja nem esik egybe az oxigénatom tömegközéppontjával, attól mintegy 0,07 Å távolsággal el van tolódva. Mivel a pozitív és negatív töltések középpontjai nem esnek egybe, ezért a vízmolekula permanens elektromos dipólussal rendelkezik. Az elektromos dipólus megnevezés két azonos q nagyságú, ellentétes előjelű +q és –q elektromos töltés rendszerére vonatkozik, amelyek egymástól l távolságra helyezkednek el. Az elektromos dipólusvektor kifejezése p = q ⋅ l A vízmolekula esetében az elektromos dipólus értéke p=6,1·10-30 C·m=1.85 debye, ahol 1D=1/3·10-29 C·m. A vízmolekula elektromos dipólus tulajdonsága abban nyílvánul meg, hogy külső elektromos tér hatására ezek a dipólusok a tér által meghatározott irányban rendeződnek (2. ábra). Az elektromos dipólus nyomaték (momentum) értéke: l M = 2 ⋅ f ⋅ ⋅ sin α = E ⋅ q ⋅ l ⋅ sin α = p ⋅ E ⋅ sin α . 2
2. ábra. Az elektromos dipólus elfordulása külső E elektromos tér hatására
Az oxigénatom vegyértékszögei halmazállapottól függően változnak: vízgőz esetében α=104º, jég esetében ez a szög α=109º, ezért az O és H atomok közötti távolság vízgőz esetében a=0,96 Å, míg jég eseténben a=0,99 Å, a hidrogénatomok közötti távolság cseppfolyós víznél b=1,51 Å, illetve jégnél b=1,62 Å (.3 ábra).
3. ábra. A vízmolekula vázlatos szerkezete
A vízmolekulák egymáshoz viszonyított helyzete függ a halmazállapottól. A szilárd halmazállapotban, a közönséges jégben a molekukák hexagonális
kristályrendszerben rendeződnek. A szomszédos molekulák hidrogén-kötéssel kapcsolódnak össze (4. ábra), azonban a folyékony állapotú vízmolekulákat összekapcsoló hidrogénkötések sokkal hamarabb felszakadnak.
4. ábra. A vízmolekulák kapcsolódása hidrogénkötessel
Míg a szilárd halmazállapotban a jégkristályok rácsát alkotó hatszögű hálózat közepén üres teret találunk, addig a folyadék állapotban interszticiálisan beépülő molekulákat is találunk (5. ábra).
5. ábra. A vízmolekulák kristályrács rendszere folyékony illetve szilárd halmazállapotban
A kristályos jégben a molekulák térbeni elrendeződése olyan, hogy minden vízmolekula ugyanabban a rétegben 3 más molekulával kapcsolódik, valamint a szomszédos rétegben levő negyedik molekulával is oly módon, hogy az O atom gyakorlatilag egy tetraéder középpontjában van. Minden oxigén atomhoz négy hidrogénatom kapcsolódik, kettő kovalens kötéssel és kettő hidrogén-hídkötéssel, amelynek hossza 1,74-1,8 Å. Tehát a víz hidrogén-kötéssel összetartott struktúra, minden vízmolekulához négy szomszédos molekula kapcsolódik hidrogén kötéssel. A hidrogénkötést a hidrogénatom valósítja meg, ha erősen elektronegatív atomok szomszédságába kerülve annak egy kötésben nem levő elektronpárjával egészítve ki saját elektronkonfigurációját. Ennek a kötési energiának értéke 2…8 kcal/mol. Vizsgáljuk meg közelebbről a víz egyes rendellenes (anomális) viselkedését! Általában az anyagok lineáris térfogatnövekedést mutatnak a hőmérséklet növekedésével, amely a térfogati hőtágulási törvény értelmében: ΔV = V0 ⋅ γ ⋅ Δt A víz anomáliája abban is megnyilvánul, hogy a jég olvadáspontja csökken, ha a nyomás értékét növeljük. Általában az anyagok olvadáskor növelik térfogatukat, ettől eltérő viselkedést mutat a jég, amely olvadáskor szokatlan sűrűségnövekedést mutat (6. ábra). A víz további sűrűségnövekedése figyelhető meg, ha melegítjük a 0 ºC és 4 ºC hőmérsékleti intervallumban.
A víz térfogati hőkiterjedési γ együtthatója 0 és 45 ºC közötti tartományban növekszik a nyomás növekedésekor (általában ugyanebben a hőmérsékleti tartományban a nyomás növelése csökkenti a hőkiterjedési koefficiens értékét).
6. ábra. A víz sűrűségének rendellenes viselkedése a hőmérséklet függvényében
Ugyanakkor a víz η viszkozitása 0 - 25 ºC hőmérsékleti tartományban csökken a nyomás növekedésével és anomálisan változik a nyomással a víz ε dielektromos állandója és D öndiffúziós sebessége is. Néhány jellemző adat a t=20 ºC –os víz tulajdonságaira:
γ H 2O = 0,18 ⋅10 −3 fok −1 , γ jég = 0,57 ⋅10 −4 fok −1 , viszkozitása η = 1,087·10-2 Pa.s (1 centipoise, cP), a felületi feszültségének értéke σ = 72,6 ⋅10 −3 N ⋅ m −1 . Ha a víz hőmérsékletét emeljük, a viszkozitása 2 %-al csökken fokonkénti hőmérséklet változáskor. joule cal A víz fajhője t=14,5 – 15,5 ºC hőmérséklet között cv = 4186 =1 0 , 0 kg ⋅ C g⋅ C kJ kcal hővezetőképessége 18 0C-on λ = 2,11 0 , optikai törésmutatója = 0,505 0 m⋅ C ⋅h m⋅ C ⋅h n=1,333 a λ = 589 nm hullámhosszúságú monokromatikus sugárzás esetén. Mivel a víz fagyásakor a térfogat növekszik, a biológiai rendszerekben és a sejtekben a víz fagyása az élő szervezetek struktúrájának a károsodását eredményezi. Éppen ezért a biológiai tartósítás egyik hasznos módszere a fagyasztás–szárítás technikája (freezing–drying). Az eljárás lényege, hogy a biológiai objektumot igen gyorsan hűtik miközben a keletkező jégkristályokat alacsony nyomáson szublimáltatják, ezáltal nincs elegendő idő a jégkristályok kifejlődésére, meggátolva ezek roncsoló tevékenységet. Megemlítendő a H2O vízmolekula változatát jelentő D2O nehézvíz molekula, amelyben a hidrogénatom helyett ennek egyik izotópja, a 1 D 2 deutériumatom szerepel, ennek atommagja két nukleont (protont és neutront) tartalmaz. Amint korábban erről már beszéltünk, víz elektromos tulajdonságait meghatározza az a tény, hogy a vízmolekulák erősen dipólusos természetet mutatnak. Ennek következtében a víz elektrolitikus disszociációs jelenséget határoz meg. Ez abban nyilvánul meg, hogy a vízben oldható anyagok oldódása során a dipólusos vízmolekulák
kölcsönhatásba kerülnek az anyag kationjaival és anionjaival, minek következtében az elektrolit oldat többé-kevésbé rendezett szerkezetűvé válik (7.ábra).
7. ábra. A víz elektromos disszociációt meghatározó viselkedése
A⋅ s , amely igen nagy értéket jelent más V ⋅m folyadékok dielektromos állandójával való összehasonlítás szerint. Elektromos vezetőképessége kicsi, a desztillált víz fajlagos vezetőképessége (konduktanciája) 1 σ = = 10-4 …10-6 S·m-1. Ez azt jelenti, hogy a teljesen tiszta vízben is találhatni A víz dielektromos állandója ε = 81,1
ρ
kisszámú disszociált vízmolekulát: 2 ⋅ H 2 O → H 3O + + OH −
A hidrónium molekulának nevezett H 3O + kation és az OH¯ anion meghatározza a vezetőképességet. A H+ koncentráció a savas, az OH- koncentráció pedig a lúgos tulajdonságot határozza meg, ezért a vizes oldatok savassági illetve lúgossági mértékének jellemzésére a hidrogén ionkoncentráció negatív logaritmusát választjuk pH = − log H + . Mivel a teljesen tiszta vízben a két ion koncentrációja megegyezik, H + = OH − = 10 −7 g ion/liter ezt a disszociáltsági fokot semlegesnek tekintjük, ezért: pH=7 semleges közeg, pH=0…7 savas közeg, pH=7…14 lúgos közeg.
[ ]
[ ] [
]
A kertészeti gyakorlatban nagy fontossága van a talaj pH értékének, ugyanis a különböző kultúrnövények a talaj pH értéke szerint különbözőképpen fejlődnek. Meghatározott műtrágyaféleségekkel a talaj pH értéke befolyásolható. Az oldatok pH értéke egyszerűen jellemezhető indikátorpapírral. Ezek olyan szerves vegyületekkel átitatott papírok, amelyek meghatározott pH tartományban változtatják a színüket. Élő rendszerekben az elektromos vezetés a vizes oldatokban oldott ionok által valósul meg. A szállított töltésmennyiség megadható az alábbi kifejezéssel: dU dq = −k ⋅ ⋅ dS ⋅ dt , dx ahol dU az elektromos potenciálkülönbség, dU/dx az elektromos potenciálgradiens, dS a töltéstranszport áramlásának felülete, amelyen a dt időintervallum alatt szállított dq töltésmennyiség halad át. Az áthaladó elektromos áram I intenzitása megadható a kationok zk vegyértéke és ck koncentrációja, valamint az anionok za vegyértéke és ca koncentrációja illetve azok μ k , μ a mozgékonysága függvényében is:
I = F ⋅ S ⋅ ( z k ⋅ ck ⋅ μ k − z a ⋅ ca ⋅ μ a ) , ahol F =9,65·10 C a Faraday-féle állandó, az 1 kilogramm-egyenérték iontöltését jelöli. A növényi szervezetekben a sók disszociált állapotban találhatóak és az elektrolitok vezetőképessége az anyagi minőségen kívül a folyadékok koncentrációtól is függ. Az oldatok fajlagos vezetőképessége függ a disszociáció fokától és az ionmozgékonyságtól, amely viszont függ az elektrolit természetétől és annak hőmérsékletétől. Általában a növényi sejtek fajlagos ellenállása ρ ≈30…3000 Ώcm3, amely nagy értéket képvisel. A sejtek fajlagos ellenállásának mérése céljából kisfrekvenciájú váltakozó áramot használunk (elkerülendő az elektródok polarizálódása). A sejt impedanciája az ohmos és kapacitív ellenállásból származik, ahol 1 1 = . A sejtmembrán fajlagos kapacitása C/S ≈ 1…10 μF/cm2, ahol a XC = ω ⋅ C 2π ⋅ν ⋅ C membránfal vastagsága d ≈ 50….250 Ǻ, a biopotenciál értéke U ≈- 90 mV, amelyet a citoplazma illetve a sejtfalon kivüli interszticiális folyadékba helyezett mikroelektródák közötti potenciálméréssel határozhatunk meg. 7
A továbbiakban elemezzük a környező levegőben található páratartalom szerepét a biológiai anyagok vízháztartási egyensúlyának kialakulásában. A folyadékok párolgása történhet zárt környezetben, illetve szabad ún. nyílt térben. Ha a párolgás zárt térben valósul meg, akkor egy adott hőmérsékleten a folyadék gőzei dinamikus egyensúlyba kerülnek a saját folyadékmolekuláikkal, amelyet telítettségi állapotnak nevezünk. A telítettségi nyomás nem függ az érintkező folyadék és gőz mennyiségétől, de igen érzékenyen változik a hőmérséklettel, nő annak értékével. A szabad térben párolgó folyadék felszínén távozó folyadéktömeg párolgási sebessége követi Dalton-egyenletét: p −p dm = k⋅S ⋅ t dt p0 amely kifejezésben k az anyagi minőségtől függő párolgási együttható, S – a szabad párolgási felszín területe, pt – az adott hőmérsékletnek megfelelő telített gőznyomás értéke, p – a folyadék telítetlen gőzeinek nyomása az adott hőmérsékleten, p0 – a környező légköri nyomást jelöli. Láthatjuk, hogy a párolgás jelensége csak addig történhet, amíg a telítetlen gőznyomás nem éri el a szaturációs értéket, ekkor dinamikus egyensúly alakul ki a folyadékból távozó és oda visszatérő molekulák között. Mivel a párolgás folyamatában a nagyobb mozgási sebességgel rendelkező molekulák távoznak, ezért a folyadék lehül. Az állandó hőmérsékleten való párolgás csak hőközléssel valósulhat meg, amely latens hő az állandó hőmérsékleten történő párolgáshoz szükséges. A forrás folyamata intenzív párolgást jelent, amely a folyadék térfogatában keletkező erős buborék-képződéssel játszódik le. A buborék belsejében uralkodó p nyomás három tényező összegéből adódik: 2σ p = p0 + ρ ⋅ g ⋅ h + r 2σ a felületi feszültségből eredő ahol ρgh - hidrosztatikai nyomás, p0 a légköri nyomás, r nyomás, amelyben σ –a felületi feszültség, illetve r- a buborék sugara.
A forrás feltétele, hogy a buborékban uralkodó nyomás értéke haladja meg a külső környezet nyomását. Ennek a feltételnek nem tesznek eleget a zárt térfogatban tárolt folyadékok, ahol a gőztér nyomása a pt telített gőzök és a p0 légköri nyomás által meghatározott parciális nyomás p = pt + p0 összege. Ezért a tiszta folyadék túlhevíthető és a normál forrásponti hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletre hozható. A túlhevített folyadék igen instabil állapotot képvisel, ezért robbanásszerű gyors forrási folyamat indul meg. A környező levegő összetett gázkeveréket jelent, amelyben az egyes gázkomponensek térfogatszázaléka (N2 –78 %, O2– 21 %, nemesgázok -He, Ne, Ar, stb., valamint CO2 – 0,03 % ) és vízgőz, egymástól függetlenül érvényesülő parciális nyomással járulnak hozzá az össznyomás értékéhez. Így a levegőben a N2 parciális nyomása pN2=590 Hgmm, az O2-é pO2=160 Hgmm, és a CO2 –é pCO2=0,3 mmHg. A légtér páratartalma meghatározza a levegő nedvességét, amelyet az egységnyi térfogatban levő vízgőzök tömegével jellemezhetünk. Ez jelenti az abszolút páratartalmat, amely közönséges körülmények között 10…20 g/m3. A relatív nedvesség segítségével kifejezhető a relatív páratartalom százalékos értéke, mint az adott hőmérsékleten lehetséges páratartalom maximális értékéhez viszonyított páratartalom: m p ϕ= ⋅ 100(% ) = ⋅ 100(% ) . mmax pmax Az emberi szervezet számára kedvező feltételt jelent a 40… 70 % relatív nedvességtartalom. Az egyenlet jobb oldalán szereplő p nyomás a ténylegesen jelenlevő vízgőz által meghatározott parciális nyomást, pmax pedig az adott hőmérséklethez tartozó telített gőz nyomását jelenti. Mivel adott térfogat esetén a gőz tömege arányos a nyomással (a vízgőz állapota gyakorlatilag jól leírható a Clapeyron – egyenlettel), ezért a tömegek hányadosa helyett használhatjuk a nyomások arányát is. A gyakorlatban p értékének meghatározása céljából a vízgőzt az ún. harmatpont hőmérsékletre hűtjük, amelyen a vízgőz telítettségi állapotba kerül és lecsapódik. Ezért a harmatponthoz tartozó telített vízgőz nyomása megadja a vízgőz parciális nyomását. Ezen az elven működnek egyes nedvességmérő eszközök, az ún. higrométerek. VIII. 2. Tápanyag felvétele a növényekben
A növényekben a tápanyag transzportját a nedvkeringés valósítja meg, amely a gyökértől a lombkoronáig és visszafele szállítja a tápanyagot. A gyökérből a levelekbe felfele áramló tápanyag szállítását a fatest-edények végzik, míg a levelek által szintetizált szerves anyagok a gyökér felé a kéreg rostacsöveiben áramlanak. A fatest edényei függőleges sejtsorokból képződnek, amelyek állományukat és harántválaszfalukat elveszítve holt, üres csövekként egyesülve vesznek részt a szállításban. A kéregállományban elhelyezkedő rostacsövek, számos nyílással rendelkező sejtek, amelyek nem veszítették el a protoplazma állományukat. Milyen erők hatására következik be a tápanyag szállítása és hogyan valósul meg? A szárazföldi növények gyökereiken elhelyezkedő gyökérszőrökön keresztül vizet vesznek fel a talajból. Ezek a gyökérszőrök igen nagy kiterjedésű hálózatot alkotnak, amelynek összterülete több tíz négyzetmétert is jelenthet. A transzportfolyamat hajtóereje
részben a párolgás okozta nyomáskülönbségből származik, amelyet Askenasy modellkísérlete segítségével bizonyíthatunk. Askenasy-kísérletében a nyomáskülönbség kialakulásának szemléltetése céljából egy függőleges helyzetű üvegcsövet választott, amelyet nyított végével higanyedénybe helyezett. A cső szabad végét vákkumszivattúhoz kapcsolta, amelyet csappal elzárt. Vákuumozás közben azt tapasztalta, hogy a higany 760 mm magasságra emelkedik. Amennyiben a cső felső részébe vízoszlopot is helyezett és a vízréteg fölé szivacsos szerkezetű gipszet, azt észlelte, hogy a higany magassága a barometrikus nyomás által meghatározott szint fölé emelkedik. A higanyoszlop magasságának emelkedését a csőben kialakult nyomáscsökkenésnek tulajdonította, amelyet a párolgás okozta szívóhatással magyarázott (8. ábra).
8. ábra. Askenasy-kísérlete a párolgás okozta szívóhatás kimutatása céljából
A higanyoszlop fölé helyezett vízoszlop párolgásának tulajdonított szívóhatással egyértelműen igazolta, hogy a növényekben a transzportfolyamat hajtóerejét részben a párolgás okozta. A növény levelein található gázcserenyílások (sztomák) alkotják a párolgás (transzpiráció) legfontosabb helyeit, amelyek levegővel telt sejtközi járatokat alkotnak. A legtöbb levél 1 mm2 felületén 100…300 sztoma található, amelyeken a párolgás intenzitása éjszaka 1…20 g/óra/m2, illetve nappali időszakban 15…250 g/óra/m2. Ezt a folyamatot fotaktív reakciók irányítják, de hidroaktív és hidropasszív reakciók is befolyásolják, amelynek következtében a gázcsere nyílások mérete változik. Az asszimilációs gázcsere CO2 felvételt és O2 leadást jelent, miközben szerves anyagot termel a felvett CO2 –ból és vízből. Ugyanakkor a növények a léghőmérséklet emelkedésekor testhőmérsékletüket azzal is szabályozzák, hogy intenzivebb párologtatással fokozott hőelvonást valósítanak meg.
