ปริมาณน้ำในเซลล์ต่างๆ น้ำและความสำคัญทางชีวภาพ

น้ำเป็นสารประกอบทางเคมีที่พบมากที่สุดในโลก โดยมีมวลมากที่สุดในสิ่งมีชีวิต ประมาณกันว่าน้ำคิดเป็น 85% ของมวลรวมของเซลล์โดยเฉลี่ย ในขณะที่เซลล์ของมนุษย์มีน้ำโดยเฉลี่ยประมาณ 64% อย่างไรก็ตาม ปริมาณน้ำในเซลล์ต่างๆ อาจแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ: จาก 10% ในเซลล์เคลือบฟันถึง 90% ในเซลล์ตัวอ่อนของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม นอกจากนี้เซลล์อายุน้อยยังมีน้ำมากกว่าเซลล์เก่า ดังนั้น ในเซลล์ของทารก น้ำจึงคิดเป็น 86% และในเซลล์ของคนชรามีเพียง 50% เท่านั้น

ในเพศชายปริมาณน้ำในเซลล์โดยเฉลี่ย 63% ในเพศหญิง - น้อยกว่า 52% เล็กน้อย อะไรทำให้เกิดสิ่งนี้? ปรากฎว่าทุกอย่างเรียบง่าย ร่างกายของผู้หญิงมีเนื้อเยื่อไขมันจำนวนมาก โดยเซลล์จะมีน้ำน้อย ดังนั้นปริมาณน้ำในร่างกายของผู้หญิงจึงต่ำกว่าในร่างกายผู้ชายประมาณ 6-10%

คุณสมบัติเฉพาะของน้ำเกิดจากโครงสร้างของโมเลกุล คุณรู้จากหลักสูตรเคมีว่าอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ที่แตกต่างกันของอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นสาเหตุของการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์เชิงขั้วในโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำมีรูปร่างเป็นรูปสามเหลี่ยม (87) ซึ่งมีประจุไฟฟ้าอยู่แบบไม่สมมาตรและเป็นไดโพล (จำคำจำกัดความของคำนี้ไว้)

เนื่องจากแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิตของอะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลน้ำหนึ่งไปยังอะตอมออกซิเจนของอีกโมเลกุลหนึ่ง พันธะไฮโดรเจนจึงเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของน้ำ

พิจารณาคุณสมบัติโครงสร้างและคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของน้ำ (ความสามารถของน้ำในการเป็นตัวทำละลายสากล ความหนาแน่นผันแปร ความจุความร้อนสูง แรงตึงผิวสูง ความลื่นไหล ความเป็นเส้นเลือดฝอย ฯลฯ) ซึ่งกำหนดความสำคัญทางชีวภาพ

น้ำทำหน้าที่อะไรในร่างกาย? โครงสร้างขั้วของโมเลกุลของน้ำอธิบายคุณสมบัติของมันในฐานะตัวทำละลาย โมเลกุลของน้ำทำปฏิกิริยากับสารเคมี ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีพันธะไฟฟ้าสถิต และสลายตัวเป็นไอออนลบและแคตไอออน ซึ่งนำไปสู่ปฏิกิริยาเคมี ดังที่คุณทราบ ปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างเกิดขึ้นเฉพาะในสารละลายที่เป็นน้ำเท่านั้น ในขณะเดียวกัน น้ำก็ยังคงเฉื่อย จึงสามารถนำไปใช้ในร่างกายซ้ำๆ ได้ น้ำทำหน้าที่เป็นสื่อในการลำเลียงสารต่างๆ ภายในร่างกาย นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการเผาผลาญจะถูกขับออกจากร่างกายโดยส่วนใหญ่อยู่ในรูปแบบที่ละลาย

วิธีแก้ปัญหาในสิ่งมีชีวิตมีสองประเภทหลัก (จำการจำแนกประเภทของการแก้ปัญหา)

สารละลายที่แท้จริงที่เรียกว่าเมื่อโมเลกุลของตัวทำละลายมีขนาดเท่ากับโมเลกุลของสารที่ละลายได้ก็จะละลาย เป็นผลให้เกิดการแตกตัวและเกิดไอออนขึ้น ในกรณีนี้การแก้ปัญหาเป็นเนื้อเดียวกันและในแง่วิทยาศาสตร์ประกอบด้วยเฟสของเหลวหนึ่งเฟส ตัวอย่างทั่วไปได้แก่ สารละลายเกลือแร่ กรด หรือด่าง เนื่องจากสารละลายดังกล่าวมีอนุภาคที่มีประจุ จึงสามารถนำกระแสไฟฟ้าและเป็นอิเล็กโทรไลต์ได้ เช่นเดียวกับสารละลายทั้งหมดที่พบในร่างกาย รวมถึงเลือดของสัตว์มีกระดูกสันหลังซึ่งมีเกลือแร่จำนวนมาก

สารละลายคอลลอยด์คือกรณีที่โมเลกุลของตัวทำละลายมีขนาดเล็กกว่าโมเลกุลของตัวถูกละลายมาก ในสารละลายดังกล่าวอนุภาคของสารที่เรียกว่าคอลลอยด์เคลื่อนที่อย่างอิสระในคอลัมน์น้ำเนื่องจากแรงดึงดูดของพวกมันไม่เกินความแข็งแรงของพันธะกับโมเลกุลของตัวทำละลาย สารละลายดังกล่าวถือว่าต่างกันนั่นคือประกอบด้วยสองเฟส - ของเหลวและของแข็ง ของเหลวชีวภาพทั้งหมดเป็นของผสมที่มีสารละลายจริงและสารละลายคอลลอยด์ เนื่องจากมีทั้งเกลือแร่และโมเลกุลขนาดใหญ่ (เช่น โปรตีน) ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคคอลลอยด์ ดังนั้นไซโตพลาสซึมของเซลล์ใดๆ เลือดหรือน้ำเหลืองของสัตว์ และนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจึงมีไอออนและอนุภาคคอลลอยด์พร้อมกัน

ดังที่คุณคงจำได้ว่าระบบทางชีววิทยาเป็นไปตามกฎฟิสิกส์และเคมีทั้งหมด ดังนั้นจึงพบปรากฏการณ์ทางกายภาพในสารละลายทางชีววิทยาที่มีบทบาทสำคัญในชีวิตของสิ่งมีชีวิต

คุณสมบัติของน้ำ

การแพร่กระจาย (จากภาษาละตินการแพร่กระจาย - การแพร่กระจาย, การแพร่กระจาย, การกระเจิง) ในสารละลายทางชีวภาพแสดงให้เห็นว่ามีแนวโน้มที่จะทำให้ความเข้มข้นของอนุภาคโครงสร้างของสารที่ละลายเท่ากัน (ไอออนและอนุภาคคอลลอยด์) ซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การกระจายตัวของสารใน สารละลาย. ต้องขอบคุณการแพร่กระจายที่สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวจำนวนมากให้อาหาร ออกซิเจน และสารอาหารถูกขนส่งไปทั่วร่างกายของสัตว์โดยไม่มีระบบไหลเวียนโลหิตและระบบทางเดินหายใจ (จำไว้ว่าสัตว์เหล่านี้เป็นสัตว์ประเภทใด) นอกจากนี้การขนส่งสารหลายชนิดไปยังเซลล์เกิดขึ้นได้อย่างแม่นยำผ่านการแพร่กระจาย

ปรากฏการณ์ทางกายภาพอีกอย่างหนึ่งคือการออสโมซิส (จากกรีกออสโมซิส - การกด, แรงดัน) - การเคลื่อนที่ของตัวทำละลายผ่านเมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านได้ การออสโมซิสทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของน้ำจากสารละลายที่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลายต่ำและมีปริมาณ H20 สูง ไปยังสารละลายที่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลายสูงและมีปริมาณน้ำต่ำ ในระบบทางชีววิทยา ไม่มีอะไรมากไปกว่าการลำเลียงน้ำในระดับเซลล์ นี่คือสาเหตุที่ออสโมซิสมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีววิทยาหลายอย่าง พลังของการออสโมซิสช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเคลื่อนที่ของน้ำในสิ่งมีชีวิตของพืชและสัตว์ เพื่อให้เซลล์ได้รับสารอาหารและรักษารูปร่างให้คงที่ ควรสังเกตว่ายิ่งความเข้มข้นของสารต่างกันมากเท่าใด ความดันออสโมติกก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นหากเซลล์ถูกวางในสารละลายไฮโปโทนิก เซลล์จะบวมและแตกเนื่องจากน้ำไหลกะทันหัน

น้ำเป็นสารประกอบที่พบมากที่สุดในโลกและในสิ่งมีชีวิต ปริมาณน้ำในเซลล์ขึ้นอยู่กับลักษณะของกระบวนการเผาผลาญ ยิ่งมีความเข้มข้นมาก ปริมาณน้ำก็จะยิ่งสูงขึ้น

โดยเฉลี่ยแล้วเซลล์ของผู้ใหญ่จะมีน้ำประมาณ 60-70% หากสูญเสียน้ำไป 20% สิ่งมีชีวิตก็จะตาย บุคคลสามารถอยู่ได้ไม่เกิน 7 วันโดยไม่มีน้ำ ในขณะที่ขาดอาหารได้ไม่เกิน 40 วัน

ข้าว. 4.1. โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลของน้ำ (H 2 O) และการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน

โมเลกุลของน้ำ (H 2 O) ประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจน 2 อะตอมซึ่งมีพันธะโควาเลนต์กับอะตอมออกซิเจน โมเลกุลมีขั้วเพราะมันโค้งงอเป็นมุม และนิวเคลียสของอะตอมออกซิเจนจะดึงอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันเข้าหามุมนี้ เพื่อให้ออกซิเจนได้รับประจุลบบางส่วน และอะตอมไฮโดรเจนที่อยู่ปลายเปิดมีประจุบวกบางส่วน . โมเลกุลของน้ำสามารถดึงดูดซึ่งกันและกันด้วยประจุบวกและลบที่ก่อตัวขึ้น พันธะไฮโดรเจน (รูปที่ 4.1.)

เนื่องจากโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ของโมเลกุลของน้ำและความสามารถในการเกาะติดกันโดยใช้พันธะไฮโดรเจน น้ำจึงมีคุณสมบัติหลายประการที่กำหนดบทบาทสำคัญของน้ำในเซลล์และร่างกาย

พันธะไฮโดรเจนเป็นตัวกำหนดอุณหภูมิการเดือดและการระเหยที่ค่อนข้างสูง ความจุความร้อนสูงและค่าการนำความร้อนของน้ำ และคุณสมบัติของตัวทำละลายสากล

พันธะไฮโดรเจนมีความอ่อนกว่าพันธะโควาเลนต์ถึง 15-20 เท่า ในสถานะของเหลว พันธะไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นและแตกออก ซึ่งเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำและสภาพของเหลว

บทบาททางชีวภาพของ H 2 O

น้ำเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของเซลล์ - ปริมาตร, ความยืดหยุ่น (turgor) เซลล์ประกอบด้วยน้ำอิสระ 95-96% และน้ำที่เกาะติดกัน 4-5%น้ำที่เกาะตัวกันจะเกิดเป็นเปลือกน้ำ (โซลเวต) รอบๆ สารประกอบบางชนิด (เช่น โปรตีน) ขัดขวางไม่ให้พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กัน

น้ำฟรีเป็นตัวทำละลายที่ดีสำหรับสารขั้วโลกอนินทรีย์และอินทรีย์หลายชนิด สารที่ละลายน้ำได้สูงเรียกว่า ชอบน้ำ. ตัวอย่างเช่น แอลกอฮอล์ กรด ก๊าซ เกลือส่วนใหญ่ของโซเดียม โพแทสเซียม เป็นต้น สำหรับสารที่ชอบน้ำ พลังงานพันธะระหว่างอะตอมจะน้อยกว่าพลังงานดึงดูดของอะตอมเหล่านี้กับโมเลกุลของน้ำ ดังนั้นโมเลกุลหรือไอออนของพวกมันจึงรวมเข้ากับระบบทั่วไปของพันธะไฮโดรเจนของน้ำได้อย่างง่ายดาย

น้ำในฐานะตัวทำละลายสากลมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่เกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นน้ำ การแทรกซึมของสารเข้าไปในเซลล์และการกำจัดของเสียออกจากเซลล์ในกรณีส่วนใหญ่เป็นไปได้เฉพาะในรูปแบบที่ละลายเท่านั้น

น้ำไม่ละลายสารที่ไม่มีขั้ว (ไม่มีประจุ) เนื่องจากไม่สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับสารเหล่านั้นได้ สารที่ไม่ละลายน้ำเรียกว่า ไม่ชอบน้ำ - ได้แก่ไขมัน สารคล้ายไขมัน โพลีแซ็กคาไรด์ และยาง

โมเลกุลอินทรีย์บางชนิดมีคุณสมบัติสองประการ: ในบางพื้นที่ก็มีกลุ่มขั้วและในบางพื้นที่ก็มีกลุ่มที่ไม่มีขั้ว สารดังกล่าวมีชื่อเรียกว่า แอมพิพาติกหรือแอมฟิฟิลิก- ซึ่งรวมถึงโปรตีน กรดไขมัน ฟอสโฟลิพิด และกรดนิวคลีอิก สารประกอบแอมฟิฟิลิกมีบทบาทสำคัญในการจัดโครงสร้างเยื่อหุ้มชีวภาพและโครงสร้างโมเลกุลโมเลกุลที่ซับซ้อน

น้ำมีส่วนเกี่ยวข้องโดยตรงกับปฏิกิริยา การไฮโดรไลซิส– การสลายสารประกอบอินทรีย์ ในกรณีนี้ ภายใต้การกระทำของเอนไซม์พิเศษ ไอออน OH จะถูกเติมลงในเวเลนซ์อิสระของโมเลกุลอินทรีย์ - และเอ็น + น้ำ. ส่งผลให้เกิดสารใหม่ที่มีคุณสมบัติใหม่เกิดขึ้น

น้ำมีความจุความร้อนสูง (เช่น ความสามารถในการดูดซับความร้อนโดยมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเล็กน้อย) และมีการนำความร้อนได้ดี ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ ทำให้อุณหภูมิภายในเซลล์ (และร่างกาย) ยังคงอยู่ที่ระดับหนึ่ง แม้ว่าอุณหภูมิโดยรอบจะเปลี่ยนแปลงไปอย่างมากก็ตาม

ความสำคัญทางชีวภาพที่สำคัญสำหรับการทำงานของพืชและสัตว์เลือดเย็นคือภายใต้อิทธิพลของสารที่ละลาย (คาร์โบไฮเดรต กลีเซอรอล) น้ำสามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของมันได้ โดยเฉพาะจุดเยือกแข็งและจุดเดือด

คุณสมบัติของน้ำมีความสำคัญมากสำหรับสิ่งมีชีวิตจนเป็นไปไม่ได้ที่จะจินตนาการถึงการมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตดังที่เราทราบ ไม่เพียงแต่บนโลกเท่านั้น แต่บนดาวเคราะห์ดวงอื่นที่ไม่มีน้ำเพียงพอ

เกลือแร่

อาจอยู่ในสถานะละลายหรือไม่ละลายก็ได้ โมเลกุลของเกลือแร่ในสารละลายที่เป็นน้ำจะแตกตัวออกเป็นแคตไอออนและแอนไอออน

บทเรียนใช้เวลา 80–90 นาที หัวข้อของบทเรียนช่วยให้นักเรียนได้แสดงให้เห็นถึงความเชื่อมโยงระหว่างวิชาต่างๆ เช่น ชีววิทยา ภูมิศาสตร์ เคมี และฟิสิกส์ ในวงเล็บคือคำตอบสำหรับคำถามที่ฉันต้องการได้รับจากนักเรียน

เป้าหมาย:ทำให้นักเรียนคุ้นเคยกับข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณน้ำในเซลล์ของเนื้อเยื่อต่างๆ และเมตาบอลิซึมของน้ำในสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ด้วยแนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างและคุณสมบัติของน้ำ หน้าที่ทางชีวภาพของมัน

พัฒนาทักษะการคิดเชิงตรรกะอุปกรณ์:

แผนที่ทางกายภาพของโลก หลอดทดลอง แก้ว หลอดคาปิลารี

เกลือแกง, เอทิลแอลกอฮอล์, ซูโครส, น้ำมันพืช, พาราฟิน, ไข่ขาว, น้ำย่อย, น้ำแข็ง; หนังสืออ้างอิงเกี่ยวกับฟิสิกส์และเคมี

ช่วงเวลาขององค์กร ครูแจ้งให้นักเรียนทราบถึงหัวข้อและเป้าหมายของบทเรียนและลำดับการดำเนินการ

การทดสอบความรู้

นักเรียนในหัวข้อ “องค์ประกอบธาตุและเคมี (โมเลกุล) ของเซลล์” นักเรียนสามคนทำงานบนกระดาน ส่วนที่เหลือ (ตามตัวเลือก) ทำงานโดยใช้การ์ด

(ทำงานที่บอร์ด 1. รายการองค์ประกอบเขียนบนกระดาน: F, Zn, N, Ca, J, Cl, Na, H, Mn, Cu, P, C, K, Fe, O, Mg, Co ที่คุณต้องการ เพื่อเลือกสารอินทรีย์ (ไบโอจีนิก) , องค์ประกอบมาโคร, องค์ประกอบขนาดเล็ก ระบุเปอร์เซ็นต์ในเซลล์

คำตอบของนักเรียน:

3. เขียนข้อมูลบนกระดานเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมี (โมเลกุล) ของเซลล์โดยระบุเปอร์เซ็นต์ของประเภทหลักของสาร

ทำงานกับการ์ด

ตอบคำถามเป็นลายลักษณ์อักษร

ตัวเลือกที่ 1การขาดองค์ประกอบที่จำเป็น (สารอินทรีย์ องค์ประกอบมาโคร องค์ประกอบขนาดเล็ก) ส่งผลต่อกิจกรรมที่สำคัญของเซลล์หรือสิ่งมีชีวิตอย่างไร สิ่งนี้จะประจักษ์ได้อย่างไร? ยกตัวอย่าง.

ตัวเลือกที่ 2ข้อสรุปอะไรที่สามารถสรุปได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเซลล์มีองค์ประกอบองค์ประกอบและเคมี (โมเลกุล) คล้ายคลึงกัน?

ตัวเลือกที่ 3ความสำคัญทางวิทยาศาสตร์ของข้อมูลเกี่ยวกับความเหมือนและความแตกต่างในองค์ประกอบองค์ประกอบ (เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ) ของธรรมชาติที่มีชีวิตและไม่มีชีวิตคืออะไร?

การเรียนรู้เนื้อหาใหม่

ปริมาณน้ำในเซลล์และสิ่งมีชีวิต

1. อ่านบทกวีของมิคาอิล ดุดนิค และบอกว่ามันเป็นเรื่องจริงหรือไม่จากมุมมองทางชีววิทยา (บทกวีเขียนไว้บนกระดาน)

พวกเขาบอกว่าคนเราประกอบด้วยน้ำแปดสิบเปอร์เซ็นต์
จากน้ำนั้นข้าพเจ้าอาจกล่าวเพิ่มเติมถึงแม่น้ำประจำถิ่นของเขาด้วย
จากน้ำฉันจะเพิ่มฝนที่ทำให้เขาดื่ม
จากน้ำอาจเสริมจากน้ำโบราณน้ำพุ
ที่ปู่และปู่ทวดของเขาดื่ม...

(การตอบสนองของนักเรียน- แนวกวีถูกต้องเพราะว่า มากกว่า 2/3 ของคนประกอบด้วยน้ำ)

2. เมื่อดูแผนที่ทางกายภาพ จำไว้ว่าอัตราส่วนของพื้นที่ดินและมหาสมุทรบนโลกของเราคือเท่าใด

(การตอบสนองของนักเรียน- มหาสมุทรของโลกเช่น

น้ำที่ล้อมรอบทวีปและเกาะต่างๆ ครอบครองพื้นที่ประมาณ 71% ของพื้นผิวโลก)ความเห็นของอาจารย์

- น้ำไม่เพียงครอบคลุมพื้นผิวโลกส่วนใหญ่เท่านั้น แต่ยังประกอบขึ้นเป็นสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ทั้งหมดด้วย เช่น จุลินทรีย์ พืช สัตว์ มนุษย์

(การตอบสนองของนักเรียน 3. น้ำมีความสำคัญต่อชีวิตมนุษย์หรือไม่?

น้ำที่ล้อมรอบทวีปและเกาะต่างๆ ครอบครองพื้นที่ประมาณ 71% ของพื้นผิวโลก)- คนๆ หนึ่งดื่มน้ำ ล้างตัว ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ และในการเกษตร ขณะนี้หลายประเทศทั่วโลกกำลังประสบปัญหาการขาดแคลนน้ำจืด พวกเขาต้องสร้างโรงงานพิเศษและโรงบำบัดน้ำเสียเพื่อให้ได้มาซึ่งน้ำสะอาด)

- น้ำซึ่งเป็นสารที่คุ้นเคยนี้มีคุณสมบัติที่น่าทึ่งอย่างยิ่ง ต้องขอบคุณคุณสมบัติของน้ำเหล่านี้เท่านั้นที่ทำให้ชีวิตบนโลกเป็นไปได้ เมื่อค้นหาสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์ดวงอื่น คำถามที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือมีน้ำเพียงพอหรือไม่ ความสำคัญเฉพาะของน้ำสำหรับระบบชีวภาพนั้นถูกกำหนดโดยปริมาณน้ำในสิ่งมีชีวิต

(การตอบสนองของนักเรียน- น้ำคิดเป็น 80% ของมวลเซลล์ในร่างกายมนุษย์หรือสัตว์อายุน้อย และ 60% ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเก่า ในเซลล์สมองคือ 85% และในเซลล์ของตัวอ่อนที่กำลังพัฒนาคือ 90% หากบุคคลสูญเสียน้ำไป 20% ความตายจะเกิดขึ้น จริงอยู่ ไม่ใช่ว่าเซลล์ของมนุษย์ทุกเซลล์จะมีน้ำสูงขนาดนั้น สมมติว่าในเซลล์เคลือบฟันมีเพียง 10–15% มีน้ำอยู่ในเซลล์เนื้อผลไม้และใบพืชฉ่ำมาก แต่มีน้ำอยู่น้อยมากในเซลล์เมล็ดแห้งหรือสปอร์ของพืชและจุลินทรีย์จึงสามารถเก็บไว้ได้นานมาก จนกว่าจะได้รับการรดน้ำอีกครั้งในสภาพที่เอื้อต่อการงอก)

5. อะไรเป็นตัวกำหนดความแตกต่างของปริมาณน้ำในเซลล์?

(การตอบสนองของนักเรียน- มีน้ำในเซลล์มากขึ้นซึ่งกระบวนการเผาผลาญเกิดขึ้นอย่างเข้มข้นมากขึ้น)

การที่น้ำเข้าสู่ร่างกายของสัตว์และพืช

คุณรู้ได้อย่างไรว่าสิ่งมีชีวิตต่างๆ ได้รับน้ำอย่างไร

(การตอบสนองของนักเรียน- วิธีที่น้ำเข้าสู่ร่างกายมีความหลากหลายมาก:

ก) ผ่านพื้นผิวของร่างกาย - ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว, พืชส่วนล่าง, ตัวอ่อนของแมลงบางชนิด, กบ, ปลาและสิ่งมีชีวิตในน้ำอื่น ๆ
b) พร้อมอาหารและเครื่องดื่ม - ในสัตว์ส่วนใหญ่
ค) มีสัตว์ที่ไม่ค่อยดื่มหรือดื่มน้อยมาก สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจาก: น้ำเมตาบอลิซึม เช่น น้ำที่เกิดขึ้นในร่างกายระหว่างการเกิดออกซิเดชันซึ่งส่วนใหญ่เป็นไขมัน (โดยการเกิดออกซิเดชันของไขมัน 1 กรัมจะมีน้ำ 1.1 กรัมเกิดขึ้น)
ปริมาณการใช้น้ำอย่างประหยัดซึ่งในบางส่วนมั่นใจได้โดยมีฝาปิดกันน้ำในบางส่วน - โดยปัสสาวะที่มีความเข้มข้นสูง (เช่นในอูฐปัสสาวะมีความเข้มข้นมากกว่าพลาสมา 8 เท่า) แหล่งน้ำ (เช่นในตัวอ่อน)
d) พืชดูดซับน้ำจากดินโดยใช้ขนของราก

e) วิธีการรับน้ำที่ผิดปกติ ได้แก่: epiphytes - พืชที่เกาะอยู่บนลำต้นและกิ่งก้านของต้นไม้อื่นเป็นหลัก - ดูดซับน้ำจากอากาศ พืชร่มหลายชนิดเก็บความชื้นไว้ในเปลือกใบรูปถ้วย จากนั้นค่อย ๆ ดูดซึมผ่านผิวหนังชั้นนอก

โครงสร้างโมเลกุลและคุณสมบัติของน้ำ

การทำงานทางชีววิทยาหลายอย่างที่ทำโดยน้ำนั้นมั่นใจได้จากคุณสมบัติเฉพาะตัวของมัน และคุณสมบัติเฉพาะตัวของน้ำนั้นถูกกำหนดโดยโครงสร้างของโมเลกุลของมัน

(การตอบสนองของนักเรียน 1. จำลักษณะโครงสร้างของโมเลกุลของน้ำที่คุณรู้จักจากหลักสูตรเคมีของคุณ

2. พันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมออกซิเจนกับอะตอมไฮโดรเจนมีลักษณะอย่างไร

(การตอบสนองของนักเรียน- พันธะระหว่างอะตอมออกซิเจนกับอะตอมไฮโดรเจนนั้นมีขั้วเพราะว่า

น้ำที่ล้อมรอบทวีปและเกาะต่างๆ ครอบครองพื้นที่ประมาณ 71% ของพื้นผิวโลก)ออกซิเจนดึงดูดอิเล็กตรอนแรงกว่าไฮโดรเจน)

- อันที่จริงอะตอมออกซิเจนเนื่องจากอิเลคโตรเนกาติวีตี้ที่มากกว่าจึงดึงดูดอิเล็กตรอนได้แรงกว่าอะตอมไฮโดรเจน

ผลที่ตามมาก็คือขั้วของโมเลกุลของน้ำ โดยทั่วไปโมเลกุลของน้ำมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า แต่ประจุไฟฟ้าภายในโมเลกุลมีการกระจายไม่สม่ำเสมอและในบริเวณอะตอมไฮโดรเจนจะมีประจุบวกมากกว่า และในบริเวณที่มีออกซิเจนอยู่จะมีประจุลบมากกว่า (รูปที่ 1 ). ดังนั้นโมเลกุลดังกล่าวจึงเป็นไดโพลไฟฟ้า

ข้าว. 1. โมเลกุลของน้ำที่อะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมถูกพันธะโควาเลนต์กับไฮโดรเจนสองอะตอม โมเลกุลนั้นมีขั้ว

อะตอมออกซิเจนที่มีประจุลบของโมเลกุลของน้ำโมเลกุลหนึ่งจะดึงดูดอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุบวกของโมเลกุลอีกสองโมเลกุล ดังนั้นโมเลกุลของน้ำจึงเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน คุณคุ้นเคยกับแนวคิดเรื่องพันธะไฮโดรเจนอยู่แล้ว (รูปที่ 2)

ข้าว. 2. พันธะไฮโดรเจน (เส้น) ระหว่างโมเลกุลของน้ำ อะตอมออกซิเจน (วงกลมสีขาว) มีประจุลบบางส่วน จึงสร้างพันธะไฮโดรเจนกับอะตอมไฮโดรเจน (วงกลมสีดำ) ของโมเลกุลอื่นๆ ซึ่งมีประจุบวกบางส่วน

ในน้ำของเหลว พันธะที่อ่อนแอเหล่านี้ก่อตัวอย่างรวดเร็วและถูกทำลายอย่างรวดเร็วเนื่องจากการชนกันของโมเลกุลแบบสุ่ม ต้องขอบคุณความสามารถของโมเลกุลของน้ำในการสร้างพันธะซึ่งกันและกันโดยใช้พันธะไฮโดรเจน ทำให้น้ำมีคุณสมบัติหลายประการที่สำคัญต่อชีวิต

งานมอบหมายสำหรับกลุ่มนักเรียน

ชั้นเรียนแบ่งออกเป็นห้ากลุ่ม ซึ่งแต่ละกลุ่มทำงานตามการ์ดคำแนะนำที่มีงานโดยใช้อุปกรณ์ที่เตรียมไว้ล่วงหน้า

มอบหมายให้กลุ่มที่ 1

คุณได้รับสารหลายอย่าง: เกลือแกง, เอทิลแอลกอฮอล์, ซูโครส, น้ำมันพืช, พาราฟิน พยายามละลายสารเหล่านี้ตามลำดับในน้ำ สารที่เสนอข้อใดละลายในน้ำได้ และสารใดที่ไม่ละลาย? พยายามอธิบายว่าเหตุใดสารบางชนิดจึงสามารถละลายในน้ำได้และบางชนิดไม่สามารถละลายได้ คุณคุ้นเคยกับคุณสมบัติของน้ำอะไรบ้าง?

มอบหมายให้กลุ่มที่ 2

วางก้อนน้ำแข็งลงในแก้วน้ำ

คุณกำลังสังเกตอะไรอยู่? คุณจะพูดอะไรเกี่ยวกับความหนาแน่นของน้ำและน้ำแข็ง? ข้อมูลเฉพาะเกี่ยวกับความหนาแน่นของน้ำและน้ำแข็งสามารถหาได้จากคู่มือฟิสิกส์เบื้องต้น (Enochovich)

คุณคุ้นเคยกับคุณสมบัติอะไรของน้ำ?

มอบหมายให้กลุ่มที่ 4

คุณรู้ไหมว่าน้ำเดือดและกลายเป็นไอที่อุณหภูมิ 100 °C ใช้คู่มือฟิสิกส์เบื้องต้นเปรียบเทียบจุดเดือดของน้ำกับจุดเดือดของของเหลวอื่นๆ พยายามอธิบายผลลัพธ์ของคุณ

งานสำหรับกลุ่ม 5

ลองเทน้ำใส่แก้วโดยเปิดด้านบนไว้ ทำไมสิ่งนี้ถึงเป็นไปได้? ค่อยๆ ลดหลอดแก้วเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงในแก้วน้ำ คุณกำลังสังเกตอะไรอยู่? อธิบายผลการทดลอง คุณคุ้นเคยกับคุณสมบัติของน้ำอะไรบ้าง?

น้ำที่ล้อมรอบทวีปและเกาะต่างๆ ครอบครองพื้นที่ประมาณ 71% ของพื้นผิวโลก)รายงานกลุ่มครั้งที่ 1

สารต่อไปนี้ละลายในน้ำ: เกลือแกง, เอทิลแอลกอฮอล์, ซูโครส (น้ำตาลอ้อย) ห้ามละลาย: น้ำมันพืชและพาราฟิน จากผลลัพธ์ที่ได้ เราสามารถสรุปได้ว่าสารที่มีพันธะเคมีไอออนิก (เกลือแกง) รวมถึงสารประกอบที่ไม่ใช่ไอออนิก (น้ำตาล แอลกอฮอล์) ซึ่งโมเลกุลอาจมีกลุ่มประจุ (ขั้ว) ละลายในน้ำ น้ำเป็นหนึ่งในตัวทำละลายที่เป็นสากลมากที่สุด สารเกือบทั้งหมดละลายในน้ำ อย่างน้อยก็ในปริมาณเล็กน้อย

- หากพลังงานแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำและโมเลกุลของสารมากกว่าพลังงานแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของน้ำ สารนั้นจะละลาย สารที่ละลายในน้ำเรียกว่าชอบน้ำ (เกลือ ด่าง กรด ฯลฯ) สารประกอบที่ไม่มีขั้ว (ไม่มีประจุ) แทบไม่ละลายในน้ำ พวกมันถูกเรียกว่าไม่ชอบน้ำ (ไขมัน สารคล้ายไขมัน ยาง ฯลฯ)

รายงานกลุ่มที่ 2

กิจกรรมที่สำคัญของเซลล์ เนื้อเยื่อ และอวัยวะต่างๆ ของพืชนั้นพิจารณาจากการมีน้ำ น้ำเป็นสารตามรัฐธรรมนูญ การกำหนดโครงสร้างของไซโตพลาสซึมของเซลล์และออร์แกเนลล์เนื่องจากขั้วของโมเลกุลมันเป็นตัวทำละลายของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับการเผาผลาญและทำหน้าที่เป็นสภาพแวดล้อมพื้นหลังที่กระบวนการทางชีวเคมีทั้งหมดเกิดขึ้น แทรกซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์ได้อย่างง่ายดาย น้ำจึงไหลเวียนอย่างอิสระทั่วทั้งพืช ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายเทสารและด้วยเหตุนี้จึงส่งเสริมความสามัคคีของกระบวนการเผาผลาญของร่างกาย เนื่องจากมีความโปร่งใสสูง น้ำจึงไม่รบกวนการดูดซึมพลังงานแสงอาทิตย์โดยคลอโรฟิลล์

สถานะของน้ำในเซลล์พืช

น้ำในเซลล์มีหลายรูปแบบที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน สิ่งสำคัญคือน้ำตามรัฐธรรมนูญ โซลเวต เส้นเลือดฝอย และน้ำสำรอง

โมเลกุลของน้ำบางส่วนที่เข้าสู่เซลล์จะเกิดพันธะไฮโดรเจนโดยมีอนุมูลของโมเลกุลของสารอินทรีย์จำนวนหนึ่ง อนุมูลต่อไปนี้ก่อให้เกิดพันธะไฮโดรเจนได้ง่ายเป็นพิเศษ:

น้ำรูปแบบนี้มักเรียกกันว่า รัฐธรรมนูญ . มันถูกกักขังโดยเซลล์ที่มีความแข็งแกร่งมากถึง 90,000 บาร์เรล

เนื่องจากโมเลกุลของน้ำเป็นไดโพล พวกมันจึงรวมตัวกันเป็นมวลรวมที่มีโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่มีประจุ เรียกว่าน้ำดังกล่าวซึ่งจับกับโมเลกุลของสารอินทรีย์ในไซโตพลาสซึมด้วยแรงดึงดูดทางไฟฟ้า โซลเวต . ส่วนแบ่งของน้ำโซลเวตคิดเป็น 4 ถึง 50% ของจำนวนทั้งหมด ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์พืช น้ำที่มีตัวทำละลาย เช่นเดียวกับน้ำตามรัฐธรรมนูญ ไม่มีการเคลื่อนที่และไม่ใช่ตัวทำละลาย

ส่วนสำคัญของน้ำในเซลล์คือ เส้นเลือดฝอย , เนื่องจากอยู่ในโพรงระหว่างโมเลกุลขนาดใหญ่ น้ำของโซลเวตและคาปิลลารีถูกเซลล์ยึดไว้ด้วยแรงที่เรียกว่าศักย์เมทริกซ์ จะเท่ากับ 15-150 บาร์

จอง เรียกว่า น้ำที่อยู่ภายในแวคิวโอล ส่วนประกอบของแวคิวโอลคือสารละลายของน้ำตาล เกลือ และสารอื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง ดังนั้นน้ำสำรองจะถูกกักไว้โดยเซลล์ด้วยแรงที่กำหนดโดยขนาดของศักย์ออสโมติกของปริมาณแวคิวโอลาร์

การดูดซึมน้ำโดยเซลล์พืช

เนื่องจากไม่มีตัวพาโมเลกุลของน้ำในเซลล์ การเคลื่อนที่เข้าและออกจากเซลล์ รวมถึงระหว่างเซลล์ข้างเคียงจึงเกิดขึ้นตามกฎการแพร่กระจายเท่านั้น ดังนั้นการไล่ระดับความเข้มข้นของตัวถูกละลายจึงเป็นตัวขับเคลื่อนหลักสำหรับโมเลกุลของน้ำ

เซลล์พืชดูดซับน้ำโดยใช้การกระตุ้นตามลำดับของกลไก 3 ประการ ขึ้นอยู่กับอายุและสภาพของเซลล์ ได้แก่ การดูดซับ การละลาย และการออสโมซิส

ความทะเยอทะยาน . เมื่อเมล็ดงอก เมล็ดจะเริ่มดูดซับน้ำผ่านกลไกการดูดซึม ในกรณีนี้พันธะไฮโดรเจนที่ว่างของสารอินทรีย์ของโปรโตพลาสต์จะถูกเติมเต็มและน้ำจะเข้าสู่เซลล์จากสิ่งแวดล้อม เมื่อเปรียบเทียบกับแรงอื่นๆ ที่กระทำในเซลล์ แรงดูดซับนั้นมีมหาศาล สำหรับพันธะไฮโดรเจนบางชนิดจะมีมูลค่าถึง 90,000 บาร์เรล ในกรณีนี้ เมล็ดสามารถบวมและงอกได้ในดินที่ค่อนข้างแห้ง หลังจากที่พันธะไฮโดรเจนที่ว่างทั้งหมดถูกเติมเต็ม การดูดซับจะหยุดลงและกลไกการดูดซึมน้ำถัดไปจะถูกกระตุ้น

การแก้ปัญหา . ในระหว่างกระบวนการละลาย การดูดซึมน้ำเกิดขึ้นโดยการสร้างชั้นความชุ่มชื้นรอบๆ โมเลกุลของสารอินทรีย์ของโปรโตพลาสต์ ปริมาณน้ำทั้งหมดของเซลล์ยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ความเข้มข้นของการละลายขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของโปรโตพลาสต์อย่างมาก ยิ่งมีสารที่ชอบน้ำในเซลล์มากเท่าใด แรงในการละลายก็จะถูกใช้อย่างเต็มที่มากขึ้นเท่านั้น Hydrophilicity ลดลงตามลำดับ: โปรตีน -> คาร์โบไฮเดรต -> ไขมัน ดังนั้น ปริมาณน้ำที่ใหญ่ที่สุดต่อหน่วยน้ำหนักจะถูกดูดซึมโดยเมล็ดโปรตีน (ถั่ว ถั่ว ถั่วต่างๆ) ผ่านการละลาย ปริมาณระดับกลางจะถูกดูดซับโดยแป้ง (ข้าวสาลี ข้าวไรย์) และปริมาณที่น้อยที่สุดจะถูกดูดซึมโดยเมล็ดพืชน้ำมัน (ปอ เมล็ดทานตะวัน) ).

แรง Solvation มีพลังต่ำกว่าแรงดูดซับ แต่ก็ยังค่อนข้างสำคัญและสูงถึง 100 บาร์ เมื่อสิ้นสุดกระบวนการละลาย ปริมาณน้ำในเซลล์มีมากจนความชื้นของเส้นเลือดฝอยหายไปและแวคิวโอลเริ่มปรากฏขึ้น อย่างไรก็ตามตั้งแต่ช่วงเวลาของการก่อตัว การละลายจะหยุดลงและการดูดซึมน้ำเพิ่มเติมสามารถทำได้เนื่องจากกลไกออสโมติกเท่านั้น

ออสโมซิส . กลไกการดูดซึมน้ำของการดูดซึมน้ำจะทำงานเฉพาะในเซลล์ที่มีแวคิวโอลเท่านั้น ทิศทางการเคลื่อนที่ของน้ำถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของศักย์ออสโมติกของสารละลายที่อยู่ในระบบออสโมติก

ศักยภาพออสโมติกของน้ำนมเซลล์แสดงด้วย อาร์กำหนดโดยสูตร:

ร = ไออาร์ซีที,

ที่ไหน ร -ศักยภาพการดูดซึมของน้ำนมในเซลล์

ร-ค่าคงที่ของก๊าซเท่ากับ 0.0821;

ที -อุณหภูมิในระดับเคลวิน

ฉัน- ค่าสัมประสิทธิ์ไอโซโทนิกบ่งบอกถึงธรรมชาติของการแยกตัวด้วยไฟฟ้าของสารที่ละลาย

ค่าสัมประสิทธิ์ไอโซโทนิกนั้นเท่ากับ

และ= 1 + α ( n + 1),

ที่ไหน α - ระดับของการแยกตัวด้วยไฟฟ้า

พี -จำนวนไอออนที่โมเลกุลแยกตัวออกไป สำหรับผู้ที่ไม่ใช่อิเล็กโทรไลต์ n = 1.

ศักย์ออสโมซิสของสารละลายในดินมักจะแสดงด้วยอักษรกรีก π

โมเลกุลของน้ำจะเคลื่อนที่จากสภาพแวดล้อมที่มีศักยภาพออสโมติกต่ำกว่าไปยังสภาพแวดล้อมที่มีศักยภาพออสโมติกสูงกว่าเสมอ ดังนั้นหากเซลล์อยู่ในดิน (ภายนอก) สารละลายที่ ป>π จากนั้นน้ำจะเข้าสู่เซลล์ การไหลของน้ำเข้าสู่เซลล์จะหยุดลงเมื่อศักย์ออสโมติกเท่ากันโดยสมบูรณ์ (น้ำนมในสุญญากาศที่ทางเข้าการดูดซึมน้ำถูกเจือจาง) หรือเมื่อเยื่อหุ้มเซลล์ถึงขีดจำกัดของการขยาย

ดังนั้น เซลล์จะได้รับน้ำจากสิ่งแวดล้อมภายใต้เงื่อนไขเดียวเท่านั้น นั่นคือ ศักย์ออสโมติกของน้ำนมเซลล์จะต้องสูงกว่าศักย์ออสโมติกของสารละลายที่อยู่รอบๆ

ในกรณีที่ ร< π มีน้ำไหลออกจากเซลล์เข้าสู่สารละลายภายนอก ในระหว่างการสูญเสียน้ำ ปริมาตรของโปรโตพลาสต์จะค่อยๆ ลดลง และเคลื่อนตัวออกจากเปลือก และมีโพรงเล็กๆ ปรากฏขึ้นในเซลล์ ภาวะนี้เรียกว่า พลาสโมไลซิส . ระยะของพลาสโมไลซิสแสดงไว้ในรูปที่ 1 3.18.

หากอัตราส่วนของศักย์ออสโมติกสอดคล้องกับสภาวะ P = π การแพร่กระจายของโมเลกุลของน้ำจะไม่เกิดขึ้นเลย

ข้อเท็จจริงจำนวนมากบ่งชี้ว่าศักยภาพการดูดซึมของน้ำนมในเซลล์พืชแปรผันภายในขอบเขตที่ค่อนข้างกว้าง ในพืชเกษตร ในเซลล์รากมักจะอยู่ที่แอมพลิจูด 5-10 บาร์ ในเซลล์ใบสามารถสูงถึง 40 บาร์ และในเซลล์ผลไม้ - สูงถึง 50 บาร์ ในพืชที่มีหนองน้ำเค็ม ศักยภาพการดูดซึมของน้ำเลี้ยงเซลล์สูงถึง 100 บาร์

ข้าว. 3.18.

เอ - เซลล์อยู่ในสถานะ turgor; บี - มุม; B - เว้า; G - นูน; D - ชัก; อี-แคป 1 - เปลือก; 2 - แวคิวโอล; 3 - ไซโตพลาสซึม; 4 - แกน; 5 - เธรด Hecht

ปริมาณน้ำในอวัยวะต่างๆ ของพืชแตกต่างกันไปภายในขอบเขตที่ค่อนข้างกว้าง ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม อายุ และชนิดของพืช ดังนั้นปริมาณน้ำในใบผักกาดหอมคือ 93-95% ข้าวโพด - 75-77% ปริมาณน้ำแตกต่างกันไปตามอวัยวะของพืช: ใบทานตะวันมีน้ำ 80-83% ลำต้น - 87-89% ราก - 73-75% ปริมาณน้ำ 6-11% เป็นเรื่องปกติสำหรับเมล็ดตากแห้งเป็นหลัก ซึ่งยับยั้งกระบวนการสำคัญต่างๆ

น้ำบรรจุอยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต องค์ประกอบของไซเลมที่ตายแล้ว และช่องว่างระหว่างเซลล์ ในช่องว่างระหว่างเซลล์ น้ำมีสถานะเป็นไอ อวัยวะระเหยที่สำคัญของพืชคือใบ ในเรื่องนี้เป็นเรื่องธรรมดาที่น้ำปริมาณมากที่สุดจะเต็มช่องว่างระหว่างเซลล์ของใบไม้ ในสถานะของเหลว น้ำจะพบได้ในส่วนต่างๆ ของเซลล์ ได้แก่ เยื่อหุ้มเซลล์ แวคิวโอล ไซโตพลาสซึม แวคิวโอลเป็นส่วนที่มีน้ำมากที่สุดของเซลล์ โดยมีเนื้อหาถึง 98% ที่ปริมาณน้ำสูงสุด ปริมาณน้ำในไซโตพลาสซึมคือ 95% ปริมาณน้ำที่ต่ำที่สุดเป็นลักษณะของเยื่อหุ้มเซลล์ การระบุปริมาณน้ำในเยื่อหุ้มเซลล์เชิงปริมาณเป็นเรื่องยาก เห็นได้ชัดว่ามีตั้งแต่ 30 ถึง 50%

รูปแบบของน้ำในส่วนต่างๆ ของเซลล์พืชก็แตกต่างกันเช่นกัน น้ำเลี้ยงเซลล์แวคิวโอลาร์ถูกครอบงำด้วยน้ำที่กักเก็บโดยสารประกอบที่มีน้ำหนักโมเลกุลค่อนข้างต่ำ (พันธะออสโมติก) และน้ำอิสระ ในเปลือกของเซลล์พืช น้ำส่วนใหญ่จะถูกพันธะด้วยสารประกอบโพลีเมอร์สูง (เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส เพคติน) เช่น น้ำที่เกาะกับคอลลอยด์ ในไซโตพลาสซึมนั้นมีน้ำอิสระจับกันแบบคอลลอยด์และออสโมติก น้ำที่อยู่ห่างจากพื้นผิวของโมเลกุลโปรตีนถึง 1 นาโนเมตรจะถูกจับกันอย่างแน่นหนาและไม่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมปกติ (น้ำที่จับกันแบบคอลลอยด์) นอกจากนี้ไซโตพลาสซึมยังมีไอออนจำนวนหนึ่ง ดังนั้นส่วนหนึ่งของน้ำจึงถูกพันธะออสโมติก

ความสำคัญทางสรีรวิทยาของน้ำที่เป็นอิสระและที่ถูกผูกไว้นั้นแตกต่างกัน ตามที่นักวิจัยส่วนใหญ่ ความเข้มข้นของกระบวนการทางสรีรวิทยา รวมถึงอัตราการเจริญเติบโต ขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำอิสระเป็นหลัก มีความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างปริมาณน้ำที่ถูกผูกไว้กับความต้านทานของพืชต่อสภาวะภายนอกที่ไม่เอื้ออำนวย ความสัมพันธ์ทางสรีรวิทยาเหล่านี้ไม่ได้ถูกสังเกตเสมอไป

เพื่อการดำรงอยู่ตามปกติ เซลล์และสิ่งมีชีวิตของพืชโดยรวมจะต้องมีน้ำในปริมาณหนึ่ง อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้เป็นไปได้ง่ายสำหรับพืชที่ปลูกในน้ำเท่านั้น สำหรับพืชบก งานนี้มีความซับซ้อนเนื่องจากน้ำในร่างกายพืชสูญเสียอย่างต่อเนื่องผ่านการระเหย การระเหยของน้ำโดยพืชมีสัดส่วนมหาศาล เราสามารถยกตัวอย่างต่อไปนี้: ต้นข้าวโพดต้นหนึ่งระเหยน้ำได้ถึง 180 กิโลกรัมในช่วงฤดูปลูก และป่าไม้ 1 เฮกตาร์ในอเมริกาใต้ระเหยน้ำโดยเฉลี่ย 75,000 กิโลกรัมต่อวัน ปริมาณการใช้น้ำจำนวนมากเกิดจากการที่พืชส่วนใหญ่มีพื้นผิวใบที่สำคัญซึ่งอยู่ในบรรยากาศที่ไม่อิ่มตัวด้วยไอน้ำ ในเวลาเดียวกัน การพัฒนาพื้นผิวใบที่กว้างขวางเป็นสิ่งจำเป็นและพัฒนาในกระบวนการวิวัฒนาการที่ยาวนานเพื่อให้แน่ใจว่าสารอาหารปกติที่มีคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศมีความเข้มข้นไม่มีนัยสำคัญ (0.03%) ในหนังสือชื่อดังของเขาเรื่อง Plant Fight Against Drought K.A. Timiryazev ชี้ให้เห็นว่าความขัดแย้งระหว่างความจำเป็นในการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และลดการใช้น้ำทำให้เกิดรอยบนโครงสร้างของสิ่งมีชีวิตพืชทั้งหมด

เพื่อชดเชยการสูญเสียน้ำเนื่องจากการระเหย จะต้องจ่ายน้ำจำนวนมากให้กับโรงงานอย่างต่อเนื่อง เรียกว่ากระบวนการสองกระบวนการที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในโรงงาน - การเข้าและการระเหยของน้ำ - ความสมดุลของน้ำของพืชสำหรับการเจริญเติบโตและการพัฒนาตามปกติของพืช จำเป็นอย่างยิ่งที่ปริมาณการใช้น้ำจะสอดคล้องกับการไหลเข้าโดยประมาณ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ พืชจะลดสมดุลของน้ำโดยไม่มีการขาดดุลจำนวนมาก โดยผ่านกระบวนการคัดเลือกโดยธรรมชาติ พืชได้พัฒนาการปรับตัวในการดูดซับน้ำ (ระบบรากที่พัฒนาอย่างมหาศาล) การเคลื่อนย้ายน้ำ (ระบบนำไฟฟ้าพิเศษ) และลดการระเหย (ระบบเนื้อเยื่อผิวหนังและระบบอัตโนมัติ ปิดช่องปากใบ)

แม้จะมีการปรับตัวทั้งหมดนี้ พืชก็มักจะประสบปัญหาการขาดน้ำ กล่าวคือ ปริมาณน้ำที่ไม่สมดุลกับการบริโภคในระหว่างกระบวนการคายน้ำ

การรบกวนทางสรีรวิทยาเกิดขึ้นในพืชต่าง ๆ ที่มีระดับการขาดน้ำต่างกัน มีพืชหลายชนิดที่ในกระบวนการวิวัฒนาการได้พัฒนาการปรับตัวต่างๆ เพื่อทนต่อภาวะขาดน้ำ (พืชทนแล้ง) การชี้แจงลักษณะทางสรีรวิทยาที่กำหนดความต้านทานของพืชต่อการขาดน้ำเป็นงานที่สำคัญที่สุด การแก้ปัญหาซึ่งไม่เพียงแต่มีความสำคัญทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังมีความสำคัญในทางปฏิบัติทางการเกษตรด้วย ในเวลาเดียวกันเพื่อที่จะแก้ปัญหานี้จำเป็นต้องรู้ทุกแง่มุมของการแลกเปลี่ยนน้ำในสิ่งมีชีวิตของพืช