Прежде чем получить ответы на эти вопросы, поставим предварительные опыты с мембраной, чем-то напоминающей клеточную оболочку.
Если два раствора разделены плотной перегородкой, то они, конечно, не смешиваются. Если же перегородки нет вовсе, то растворы, напротив, смешиваются сами по себе, даже если их не перемешивать. Ну, а что если перегородка полупроницаемая?
Вот это и будет предметом опыта, а полупроницаемой мембраной послужит листок пергамента или целлофана (но не полиэтилена). Чтобы он приобрел интересующие нас свойства, его надо подержать в воде, пока он не размягчится.
Приготовьте сахарный сироп — насыщенный раствор сахара, настолько густой, что сахар больше не растворяется. Быстрее и удобнее готовить такой раствор в горячей воде. Налейте сироп до верху в стакан, прикройте размоченным листком и туго перевяжите. Следите, чтобы под пленкой не осталось пузырьков воздуха. Стакан поставьте в банку или в кастрюлю с водой (вода должна покрывать стакан) и оставьте на несколько часов. Когда вы вновь посмотрите на стакан c сиропом, то сразу заметите, что пленка, которой он закрыт, раздулась: над стаканом как бы образовался пузырь.
Чтобы понять, что произошло, надо прежде всего уяснить себе, что такое полунепроницаемая мембрана. Это такая пленка, которая задерживает одни молекулы и в то же время пропускает другие. И целлофановая, и пергаментная пленки пористы, но поры в них настолько малы, что для молекул сахара они непроницаемы. По обе стороны нашей перегородки есть вода, но с той стороны, где находится раствор сахара, на каждый участок поверхности приходится меньше молекул воды. Поэтому со стороны воды через мембрану проходит больше молекул, и это приводит к тому, что объем жидкости в стакане увеличивается и, следовательно, полупроницаемая пленка раздувается. В природе все стремится к равновесию, в данном случае — к выравниванию концентрации растворов. И вскоре равновесие наступает: сколько молекул воды поступает в стакан с сиропом, столько же из него и выходит в наружный сосуд. Поэтому пузырь получается не слишком большим.
Физико-химическое явление, которое мы только что наблюдали, называется осмосом, а давление, заставляющее пленку изгибаться, — осмотическим давлением. Чтобы наблюдать осмос, обязательно нужны перегородка и две жидкости: раствор какого-либо вещества и чистый растворитель (у нас — вода) или хотя бы более слабый раствор.
Оболочка живых клеток — всегда полупроницаемая мембрана. Она задерживает молекулы многих веществ, растворенных в воде, но воду пропускает. Поэтому каждая животная и растительная клетка — это микроскопическая осмотическая система, а осмотическое давление играет очень важную роль в жизнедеятельности организмов.
Осмос можно наблюдать в самых простых опытах. Острым ножом отрежьте тонкий ломтик лимона и положите его на блюдце. Заметьте: сока на поверхности почти нет. Посыпьте дольку сахарным песком или, еще лучше, сахарной пудрой — и очень скоро лимон пустит сок.
Подобный опыт можно поставить и с клубникой, и с другими ягодами, положив их в сухие баночки. Ягоды, посыпанные сахаром, быстро выделяют сок.
Во всех этих случаях работает осмос. На поверхности лимона или ягод образуется концентрированный раствор сахара, и сок, гораздо менее концентрированный, стремится разбавить этот раствор, он проникает сквозь клеточные мембраны и выходит наружу — точно так же, как в предыдущем опыте вода из банки устремлялась в стакан с сиропом.
Следующий наш объект — капуста. Ее мы, естественно, будем посыпать не сахаром, а солью. Нашинкуйте капусту ножом, посыпьте солью и хорошенько потрите — капуста тоже даст сок. Так и происходит, когда капусту квасят; а капустные салаты непременно советуют потереть как следует, чтобы выделился сок и капуста стала мягче и нежнее. Причина та же: осмос.
Перейдем к картошке. Вырежьте из картофелины три кубика, желательно одинаковых размеров. Приготовьте три банки. В одну налейте подсоленную воду, в другую — концентрированный раствор соли, а в третью — просто воду из-под крана. В каждую банку опустите по картофельному кубику. Часа через два-три внимательно рассмотрите кубики. У того, который находился в подсоленной воде, никаких изменений вы не обнаружите. А вот два других изменились, и заметно. Тот кубик, который лежал в концентрированном растворе соли, намного уменьшился, а тот, который вы опустили в воду, стал, напротив, заметно больше.
Сначала о том, почему не изменился первый кубик. Он был в разбавленном растворе, и концентрация соли оказалась примерно той же, что и в самом картофельном соке. Кубик, который находился в концентрированном растворе, стал отдавать воду, снижая концентрацию этого раствора; вода из картофеля уходила, и кубик съежился. А последний кубик, тот, что был в воде, стал поглощать воду и увеличился в размерах.
От картофеля перейдем к моркови и заставим ее работать как насос.
Отрежьте от морковки ботву и в «макушку» воткните стеклянную трубку. Морковку поставьте в стакан с водой; наверное, вы без труда придумаете, как удержать морковь в вертикальном положении.
В стеклянную трубку налейте до половины раствор соли и займитесь наблюдениями. Вскоре уровень воды в трубке начнет подыматься и, если опыт поставлен правильно, вода даже выльется из трубки. Морковь как бы перекачивает воду из стакана, заставляет ее двигаться вверх.
Когда вы поливаете морковь, растущую на огороде, она примерно так же перекачивает воду из почвы в ботву. В ее соке концентрация солей выше, чем в поливочной воде, и благодаря осмосу живительную влагу получают не только корни, но и все ткани растения.
ЛЕТНИЕ ОПЫТЫ
Убедиться в существовании осмотического переноса воды, или, как иногда говорят, корневого давления, можно прямо в поле или в огороде. Найдите какое-нибудь быстрорастущее растение, желательно с крепким и достаточно широким стеблем (подсолнечник, крапива, тюльпан и т. п.) и срежьте его на высоте около 10 см над землей. На торчащий из земли стебель наденьте короткую резиновую трубку, в которую вставлена тонкая и длинная, не меньше полуметра,
стеклянная трубка. Понятно, такую длинную трубку необходимо как-то закрепить; привяжите ее к колышку, вбитому рядом в землю. Для лучшего уплотнения обмотайте резиновую трубку ниткой в том месте, где она прилегает к стеблю, а можно вдобавок обмазать стык пластилином, чтобы герметизация была надежной.
Теперь займитесь поливкой, и вскоре вода начнет подыматься по трубке. Если диаметр трубки не более 5 мм, то столб воды будет высоким.
Но осмотическое давление — не единственная причина, по которой вода в растениях движется снизу вверх. Среди других причин — транспирация, т. е. испарение воды листьями. Отдав питательные вещества растениям, вода через устьица листьев испаряется, а на ее место поступают новые порции воды из корней. Опыт с транспирацией прост. Поставьте в пробирку с водой срезанную веточку какого-нибудь растения, отметьте на пробирке уровень воды (хотя бы перевязав ее в этом месте цветной ниткой), и скоро вы заметите, как опускается уровень воды в пробирке. Но может быть, причина в том, что вода испаряется прямо из пробирки?
Чтобы исключить прямое испарение, налейте на поверхность воды чуть-чуть вазелинового или растительного масла: оно полностью закроет поверхность, препятствуя испарению. Однако уровень воды и в этом случае будет опускаться. Значит, вода испарялась через листья. Если у вас есть весы, то опыт с транспирацией можно ускорить и сделать более наглядным: пробирку с веткой (не забудьте о нескольких каплях масла на поверхности) поставьте на чашку весов и уравновесьте. Вскоре равновесие нарушится, и та чашка, на которой стоят пробирка, подымется вверх.
Подобные опыты можно поставить с разными растениями, с домашними цветами: скорость транспирации у них будет неодинаковой. Но попробуем немного видоизменить опыт: накроем ветку растения перевернутой стеклянной банкой.
