BIOLOGIE Osmotické jevy aneb Proč se potí lilek? V rámci laboratorního cvičení se studenti seznámí s projevy a s důsledky osmotických jevů pro rostlinnou buňku. S osmotickými jevy a jejich viditelnými projevy se u rostlin setkáváme téměř každodenně. Gymnázium Frýdlant, Mládeže 884, příspěvková organizace autor: Ing. Věra Přikrylová, PhD.
BIOLOGIE Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Motivace studentů... 6 Doporučený postup řešení... 7 Materiály pro studenty... 7 Záznam dat... 8 Analýza dat... 8 Syntéza a závěr... 8 Hodnocení... 8 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje... 8 Pracovní návod... 9 Zadání úlohy... 9 Pomůcky... 9 Teoretický úvod... 9 Bezpečnost práce... 10 Příprava úlohy (praktická příprava)... 10 Postup práce... 10 Pracovní list (řešená učitelská varianta)... 12 Vysvětlete pojmy... 12 Výpočet osmotického potenciálu... 15 Doplňující otázky... 15 Závěr... 15 Pracovní list (žákovská varianta)... 16 Vysvětlete pojmy... 16 Vypracování... 17 Výpočet osmotického potenciálu... 18 Doplňující otázky... 18 Závěr... 19
3 Zařazení do výuky Pozorování osmotických jevů v rostlinné buňce je vhodné zařadit v rámci fyziologie rostlin po probrání kapitoly věnované vodnímu režimu rostlin a významu vody pro organismy. Lze s ním také vhodně propojit učivo fyziky o difúzi a osmóze. Praktická ukázka by měla přispět k propojení a prohloubení teoretických informací získaných v běžných vyučovacích hodinách. Tip Lze použít i jiné druhy rostlinného materiálu (např. listy vodního moru kanadského (Elodea canadensis). Při nedostatku času lze provést pouze zjednodušené pozorování osmotických jevů bez výpočtu osmotického potenciálu (mikroskopujeme pouze rostlinný materiál v připraveném hypotonickém, izotonickém a hypertonickém prostředí); případně mohou studenti pracovat už s připravenými roztoky o zadané koncentraci. Časová náročnost Dvě hodiny (2 45 min). Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí. Úvod V rámci laboratorního cvičení se studenti seznámí s projevy a s důsledky osmotických jevů pro rostlinnou buňku. S osmotickými jevy a jejich viditelnými projevy se u rostlin setkáváme téměř každodenně. Studenti budou mít možnost pozorovat, jak se buňky chovají v jednotlivých typech prostředí (hypotonickém, izotonickém a hypertonickém). Sami si vyzkouší přípravu mikroskopických preparátů a roztoků o zadané koncentraci, zakreslí změny objemu živých těl buněk z pokožky cibule v jednotlivých prostředích, stanoví osmotický potenciál buněk metodou hraniční plazmolýzy a vyvodí závěry. Cíle Studenti by měli zvládnout: Vysvětlit pojmy osmóza, plazmolýza, hypertonický, izotonický, hypotonický roztok Připravit podle návodu roztoky o zadané koncentraci Zhotovit mikroskopické preparáty, správně manipulovat s mikroskopem, použít odpovídající zvětšení Zakreslit pozorované objekty a vhodně popsat Vypočítat osmotický potenciál biologie Osmotické jevy Materiály pro učitele
4 Slovníček pojmů OSMÓZA PLAZMOLÝZA (CYTOLÝZA) PLAZMOPTÝZA Viz pracovní list (učitel). Přehled pomůcek Cibule kuchyňská (Allium cepa), nejlépe odrůda Karmen, obsahující v epidermálních buňkách antokyany Mikroskop Podložní a krycí sklíčka Preparační jehla Žiletka Skalpel Kapátko, nebo skleněná tyčinka Destilovaná voda Kádinky Petriho misky Lihový popisovač Automatická pipeta, odměrný válec Pracovní návod Pracovní list Ochranné pracovní pomůcky Teoretická příprava (teoretický úvod) Osmóza je specifickým příkladem difúze, tzn. typu pasivního transportu, při kterém přestupuje rozpouštědlo (v rostlinách voda) přes polopropustnou membránu z prostoru s méně koncentrovaným roztokem do prostoru s více koncentrovaným roztokem. K difuzi rozpouštědla (vody) do prostoru s rozpuštěnou látkou (roztokem) bude docházet tak dlouho, až zvyšující se hydrostatický tlak způsobí, že toky rozpouštědla přes membránu ven i dovnitř budou stejné. Takový hydrostatický tlak je číselně roven tzv. osmotickému tlaku roztoku. Polopropustná membrána je v tomto případě propustná pro rozpouštědlo a méně propustná nebo nepropustná pro rozpuštěné látky. Velikost osmózy je dána rozdílem osmotických tlaků na obou stranách polopropustné membrány. biologie Osmotické jevy Materiály pro učitele Převzato z http://www.wikiskripta.eu/index.php/osmoza převzato z http://media.daz.ni.cz/ photos/2011/09/30/14253-cervenacibule.jpg Chemikálie: NaCl (c = 1 mol.dm -3 ) V rostlinných buňkách vytváří polopropustnou (semipermeabilní) membránu plazmalema (cytoplazmatická membrána), případně tonoplast (biomembrána obklopující vakuolu). Plazmalema obklopující protoplast je velmi málo propustná pro volně difundující ionty, ale dostatečně propustná pro molekuly vody. Rostlinná buňka má zároveň relativně tuhou celulózní buněčnou stěnu, která omezuje roztahování elastické plazmalemy. Převzato a upraveno z http://www.usborne-quicklinks.com/usa/usa_entity_pages/ usa_ download_image.asp?lib=683&linkid=746908 Rozdílný osmotický tlak vyrovnávaný přemísťováním rozpouštědla se projeví tehdy, nachází-li se buňka v prostředí s odlišnou osmotickou hodnotou, tj. v prostředí s odlišnou koncentrací látek, než je koncentrace látek v buňce. Je-li vně buňky tzv. hypotonický roztok (tj. roztok o nižší koncentraci osmoticky aktivních látek než roztok protoplastu), dochází nejdříve k tzv. deplazmolýze: nasávání vody do buňky, zvětšování vakuol a ke zvyšování hydrostatického tlaku (turgorového tlaku) na vnitřní stranu buněčné stěny. Buňka přijímá vodu až do plného vodního nasycení (= turgescentní
5 buňka), kdy dalšímu přijímání vody klade odpor buněčná stěna - potom se příjem vody zastavuje. Dalšímu příjmu vody a rozpínání buňky brání i tlak okolních buněk. Protržení cytoplazmatické membrány a buněčné stěny (tzv. plazmoptýza, případně cytolýza) hrozí rostlinným buňkám pouze v extrémních případech, protože pevná buněčná stěna snáší určitý přetlak. K cytolýze dochází, pokud buňka nasaje vody mnoho a náhle (např. popraskání plodů po vydatných deštích, jimž předcházelo sucho provázené syntézou osmoticky aktivních sacharidů, nebo případ pylových zrn suchozemských rostlin na vodní hladině). Ocitne-li se naopak buňka v prostředí, které je vůči jejímu obsahu (resp. obsahu její vakuoly) hypertonické, tedy v roztoku, který má vyšší koncentraci rozpuštěných látek, je buňce voda odnímána a protoplast se zmenšuje (plazmolýza). V silně hypertonickém prostředí dochází k odloučení protoplastu od pevné buněčné stěny. Plazmolýza je v počátečních fázích vratným dějem (po přesunutí do hypotonického prostředí dochází k deplazmolýze), může však vést až ke smrti buňky a pletiva. Při koncentraci plazmolytika, která přibližně odpovídá koncentraci buněčné šťávy, (tj. oba roztoky jsou přibližně izotonické), se začíná cytoplazmatická membrána v rozích buněk odchlipovat od buněčné stěny. Tento stav označujeme jako hraniční plazmolýza. biologie Osmotické jevy Materiály pro učitele Buňka v hypertonickém, izotonickém (hraniční plazmolýza) a hypotonickém prostředí, převzato z http://cs.wikipedia.org/wiki/turgor Osmotický tlak je definován jako tlak, kterým musíme působit na roztok, abychom zabránili samovolnému pronikání molekul rozpouštědla, které je v čistém stavu odděleno od roztoku polopropustnou membránou. Osmotický potenciál odpovídá záporné hodnotě osmotického tlaku a chápeme jím potenciální schopnost tento tlak za vhodných podmínek manifestovat. Jeho hodnotu lze stanovit podle Van t Hoffa z rovnice: π = - RT. c. i π = osmotický potenciál (v kpa) R = univerzální plynová konstanta (8,31447 dm 3 kpa mol -1 K -1 ); T = absolutní teplota, za níž experiment provádíme (K); (T = 273,15 + t (teplota roztoku [ C]) i = disociační koeficient, zohledňuje disociaci osmotika, pro NaCl je roven 2 c = koncentrace roztoku, při níž nastává hraniční plazmolýza (mol.dm -3 ) Osmotický potenciál, který je daný rozpuštěnými látkami v buněčné šťávě, má značný význam pro vodní bilanci pletiv i celých rostlin a pro směr pohybu vody. Praktické provedení Stanovení osmotického potenciálu buňky je založeno na zjištění osmotické hodnoty buněčné šťávy. Její osmotickou hodnotu můžeme stanovit
6 buď pomocí osmotické hodnoty roztoku, který vyvolává hraniční plazmolýzu buňky nebo např. kryoskopicky. Metoda kryoskopická je dnes v praxi často používaná, měříme při ní snížení bodu tuhnutí roztoku (např. buněčných šťáv vylisovaných z rostliny). V tomto cvičení využijeme ke stanovení osmotického potenciálu metodu hraniční plazmolýzy. Principem této metody je, že pozorujeme chování buněk v roztocích o známé koncentraci a hledáme takovou koncentraci roztoku, která vyvolává hraniční plazmolýzu v rozích buňky dochází k odchlipování cytoplazmatické membrány od buněčné stěny. Roztok této koncentrace je přibližně izotonický s buněčnou šťávou. Stav buněk zjišťujeme mikroskopováním po inkubaci v roztoku o známé koncentraci. Hraniční plazmolýzu vyvoláme plazmolytikem (lze použít např. roztok sacharózy nebo NaCl), jehož koncentrace je jen o málo vyšší než koncentrace buněčné šťávy. Jako plazmolytika je nutno použít roztoků takových látek, které nepůsobí na pletivo jedovatě a pro něž je protoplast impermeabilní. Hodnotu osmotického tlaku a potažmo osmotický potenciál roztoku buněčné šťávy potom vypočítáme z rovnice podle Van t Hoffa, kam dosadíme zjištěnou hodnotu koncentrace roztoku, který vyvolává hraniční plazmolýzu. biologie Osmotické jevy Materiály pro učitele Rozšiřující doporučení a tipy: K nejrychlejší výměně roztoků dochází v okolí poraněných buněk, sledujeme nejprve stav buněk v okolí narušení pletiva. Stanovení koncentrace roztoku, který vyvolává hraniční plazmolýzu lze ještě upřesnit, a to tak, že zaznamenáváme i počet buněk, u kterých právě nastala hraniční plazmolýza. Průměrný osmotický potenciál potom odpovídá osmotické hodnotě takového roztoku, v němž hraniční plazmolýza nastala u 50 % pozorovaných buněk (zpravidla lze nalézt u některých dvou sousedních roztoků nejblíže nižší a nejblíže vyšší hodnoty izotonická koncentrace pak leží mezi koncentracemi těchto dvou roztoků). Pokud potřebujeme zjistit koncentraci izotonického roztoku ještě s větší přesností, připravíme si v rozmezí obou těchto zjištěných koncentrací řadu roztoků odstupňovaných po 0,01 mol a měření opakujeme s identickým materiálem. Lze také sestavit graf a z něj provést odečet koncentrace a to tak, že na osu y vyneseme počet plazmolyzovaných buněk v procentech a na osu x danou koncentraci. Hledanou koncentraci potom odečteme z křivky závislosti počtu plazmolyzovaných buněk na koncentraci plazmolytika pro 50 % plazmolyzovaných buněk. Motivace studentů Shrneme stručně princip osmózy a zeptáme se studentů, kde lze osmotické jevy pozorovat v běžném životě. Poukážeme na rozdíly ve stavbě rostlinných a živočišných buněk a položíme otázku, zda může být pacientům nitrožilně podána čistá voda. Dále vyvodíme, jaký jev by při podání čisté vody nastal a poukážeme na používání fyziologického roztoku. Využijeme praktických znalostí studentů z kulinářství a zeptáme se, proč se nechávají různé druhy zeleniny tzv. vypotit a co se přitom děje.
7 Zajímavosti: Proč je maso většiny druhů žraloků téměř nepoživatelné? Žraloci a ostatní paryby totiž jako ostatní mořští živočichové se museli přizpůsobit životu ve slané vodě, prostředí značně hypertonickém. Mořské ryby mají tkáně a tělní tekutiny sladké a tedy s nižší hustotou, než je okolní mořská voda, která má značně vyšší hustotu, a tak z ryb stále odchází přes kůži sladká tekutina do slaného moře. Ryby proto musí neustále polykat hodně slané vody a následně sůl z těla vylučovat žábrami. Paryby tento problém vyřešily jinak. Tělní tekutiny mají zahuštěny močovinou, jejich tkáně jsou proto hustější, než jsou tkáně mořských ryb. Díky tomu je také maso paryb většinou nepoživatelné. Možná jste si v hypermarketu koupili maso žraloka a těšili se, jak si doma pochutnáte, protože to nebude jen ten obyčejný kapr. Možná jste potom byli zklamaní jeho chutí, připomínající trochu moč. A to je právě ono. Je velmi málo druhů žraloků, jejichž maso se dá jíst a to ještě až po správné přípravě. biologie Osmotické jevy Materiály pro učitele Co dělat pokud bychom uvízli na širém moři? Pokud bychom zůstali na moři bez dostatečných zásob pitné vody, tak v žádném případě nesmíme pít mořskou vodu. Raději se trápit žízní. S mořskou vodou vypijeme i velké množství soli, které naše tělo začne okamžitě ředit. Sladkou vodu mu nedáme, a tak k tomu použijeme zásoby vody z buněk, které nemohou bez vody fungovat. Současně ledviny, aby nás soli zbavily, začnou vylučovat velké množství moči a tím odvádět vodu z těla. Důsledkem je rychlá a maximální dehydratace. Za pár hodin následuje poškození mozku, halucinace, křeče, bezvědomí Mnohdy vše končí již při halucinacích, člověk se vydá za vidinami na mořskou hladinu. Doporučený postup řešení 1. Studenti se rozdělí do dvou až tříčlenných pracovních skupin. 2. Každá pracovní skupina dostane Pracovní návod a každý student obdrží Pracovní list, kam si bude zaznamenávat výsledky pozorování. Studenti si nejprve přečtou návod, případně vypracují slovníček pojmů (pokud nebyl součástí domácí přípravy) a teprve potom začnou přípravou vlastní laboratorní práce. 3. Během laboratorní úlohy budou studenti pracovat s identickým materiálem, který bude pouze uložen v roztocích o různé koncentraci, tento rozdíl je ovšem okem neviditelný, proto je třeba důsledně dbát na označování koncentrací (označení Petriho misek; pozorovat a připravovat vždy jen jeden mikroskopický preparát), aby nedošlo k záměně vzorků a zkreslení výsledků. Teoretická příprava úlohy Studenti si vyplní na začátku laboratorního cvičení slovníček pojmů (pokud jeho vyplnění nebylo součástí domácí přípravy). Materiály pro studenty Pracovní návod (obsahuje postup pokusu) Pracovní list (studenti sem zaznamenávají získané hodnoty, analyzují je a vyvozují závěry)
8 Záznam dat Studenti provedou zakreslení stavu několika buněk z mikroskopického preparátu pro prostředí hypotonické, izotonické (hraniční plazmolýza) a hypertonické, případně si pozorované preparáty vyfotografují. Součástí protokolu potom budou popsané fotografie s vysvětlenými ději, které probíhaly. Analýza dat Studenti metodou hraniční plazmolýzy určí izotonický roztok a z jeho koncentrace vypočítají osmotický potenciál roztoku buněčných vakuol. Studenti zodpovědí doplňující otázky z pracovního listu. Syntéza a závěr Po vyplnění pracovních listů společně shrneme získané poznatky o osmotických jevech a jejich důsledcích v praktickém životě. biologie Osmotické jevy Materiály pro učitele Hodnocení Připravili studenti správně roztoky o zadané koncentraci? Připravili studenti správně mikroskopické preparáty? Zakreslili a vhodně popsali pozorované objekty? Vypočítali osmotický potenciál buňky? Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje http://cs.wikipedia.org/wiki/difuze http://cs.wikipedia.org/wiki/osm%c3%b3za http://www.wikiskripta.eu/index.php/osm%c3%b3za http://botany.upol.cz/atlasy/anatomie/anatomiecr09.pdf http://www.ifauna.cz/clanek/ruzne/morske-ryby-sul-osmoza-a-my/5756/
BIOLOGIE Osmotické jevy aneb Proč se potí lilek? Pracovní návod Zadání úlohy Připravte si odpovídající roztoky o vzestupné koncentraci chloridu sodného, do každého vložte kousek pokožky ze suknice cibule a po 20 minutách preparáty pozorujte pod mikroskopem. Zakreslete stav buněk v jednotlivých typech prostředí (hypotonickém, hypertonickém a izotonickém) a určete koncentraci roztoku, ve kterém dochází k hraniční plazmolýze. Tuto koncentraci potom využijte pro výpočet osmotického potenciálu. Pomůcky Mikroskop Krycí a podložní sklíčka pro přípravu preparátů Preparační jehla Skalpel Kapátko Destilovaná voda Žiletka Cibule kychyňská (Allium cepa), nejlépe odrůda Karmen, obsahující antokyany Kádinky Skleněná tyčinka Petriho misky Odměrný válec, pipeta Lihový popisovač CHEMIKÁLIE NaCl (c = 1 mol.dm -3 ) Teoretický úvod Osmóza je specifickým příkladem difuze, při kterém prostupuje rozpouštědlo (nejčastěji voda) přes polopropustnou membránu z prostoru s méně koncentrovaným roztokem do prostoru s více koncentrovaným roztokem. V rostlinných buňkách vytváří tuto polopropustnou (semipermeabilní) membránu plazmalema (cytoplazmatická membrána), případně tonoplast. Plazmalema obklopující protoplast je velmi málo propustná pro volně difundující ionty, ale dostatečně propustná pro molekuly vody. Rostlinná buňka má zároveň relativně tuhou celulózní buněčnou stěnu, která do určité míry omezuje roztahování elastické plazmalemy. Oboje vede k tomu, že je-li vně buňky tzv. hypotonický roztok (tj. roztok o nižší koncentraci osmoticky aktivních látek než roztok v protoplastu), dochází k difúzi vody do buňky, ke zvyšování hyd-
10 rostatického tlaku na vnitřní strany buněčné stěny. V opačném případě, je-li vnější roztok hypertonický, difunduje voda ven z buňky. V určitém okamžiku, který nazýváme hraniční plazmolýza, dojde k odtržení plazmalemy od buněčné stěny. V této úloze se zaměříme na pozorování osmotických jevů na úrovni jednotlivých živých buněk. Nejvhodnější jsou buňky, které obsahují velké vakuoly s antokyany nebo buňky obsahující chloroplasty. My využijeme vzorky pokožky z červeně zbarvené cibule odrůdy Karmen. Budeme si všímat změn v buňkách, které probíhají, pokud jsou buňky umístěny do prostředí o různé, předem známé, koncentraci osmoticky aktivních látek. Vzorky epidermis po dvacetiminutové inkubaci v roztoku plazmolytika budeme pozorovat pod mikroskopem a hledat roztok, ve kterém dochází k hraniční plazmolýze tj. začíná se odchlipovat cytoplazma od buněčné stěny. Tento roztok má přibližně stejnou (mírně vyšší) koncentraci osmoticky aktivních látek jako je koncentrace látek v buňce. Hodnotu koncentrace tohoto roztoku potom využijeme pro výpočet osmotického potenciálu buňky dosazením do rovnice podle Van t Hoffa. Poznámka: Jacobus Henricus van t Hoff (1852-1911), nizozemský chemik. Ve své době byl považován za nejlepšího chemika na světě. Mimo jiné se zabýval výzkumem osmotických jevů. V roce 1887 prováděl pokusy s cílem určit, jak vysoko stoupne hladina v kapiláře osmometru, vynášel do grafu hodnoty osmotického tlaku proti molární koncentraci roztoku a zjistil, že vztah mezi osmotickým tlakem a molární koncentrací rozpuštěné látky je podobný stavové rovnici ideálního plynu. V roce 1901 se stal prvním nositelem Nobelovy ceny za chemii. Toto ocenění získal za objev zákonů chemické dynamiky a osmotického tlaku v roztocích. biologie Osmotické jevy Pracovní návod Bezpečnost práce Během laboratorní práce je nutné dodržovat laboratorní řád učebny. Příprava úlohy (praktická příprava) Nejprve si důkladně prostudujte pracovní návod, případně zpracujte slovníček pojmů a teprve potom začněte s prací v laboratoři. Postup práce Příprava roztoků a preparátů 1. Naředěním zásobního roztoku chloridu sodného (c = 1 mol.dm -3 ) si připravte roztoky o sestupné koncentraci chloridu sodného tak, aby se u následujícího roztoku snižovala koncentrace o 0,1 mol.dm -3, využijte následující tabulku. Vzorek 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NaCl (ml) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Destilovaná voda (ml) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 c (roztoku) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 2. Roztoky dobře promíchejte a nalijte do Petriho misek, nezapomeňte na víčko misky označit koncentraci roztoku. 3. Ze svrchní epidermis dužnatého listu cibule odpreparujte malé vzorky (cca 5 x 5 mm) a přeneste je do označených Petriho misek. Do každé misky vložte dva řezy. Vzorky musí být v roztocích ponořené. Misky přikryjte, abyste zabránili výparu vody a tím i změnám koncentrace roztoku. 4. Vzorky ponechejte v roztoku plazmolytika po dobu 20 minut, po této době je postupně vyjměte a pozorujte pod mikroskopem.
11 Vlastní pozorování 1. Pozorujte od nejvyšší koncentrace a nezapomeňte, že vzorky musí být pozorovány ve stejném roztoku, ve kterém byly inkubovány. 2. Do tabulky zaznamenejte, zda ve vzorku pozorujete plazmolyzované buňky (ano, ne, případně částečně) 3. Do protokolu zakreslete tvar buněk a jejich protoplastů u vzorku č. 0, č. 10 a u vzorku, kde dochází k hraniční plazmolýze. Zjistěte, při jaké koncentraci dochází k hraniční plazmolýze (odtrhnutí protoplastu v rozích buněk) a tento roztok považujte za přibližně izotonický. Výpočet osmotického potenciálu Osmotický potenciál vypočtěte z uvedeného vzorce: π = - RT c i π = osmotický potenciál (v kpa) R...univerzální plynová konstanta (8,31447 dm 3 kpa mol -1 K -1 ); T = absolutní teplota, za níž experiment provádíme (K) (T = 273,15 + t (teplota místnosti [ C]) i = disociační koeficient, zohledňuje disociaci osmotika, pro NaCl je roven 2 c = koncentrace roztoku, při níž nastává hraniční plazmolýza (mol.dm -3 ) biologie Osmotické jevy Pracovní návod Nastavení HW a SW Připravte si mikroskop, zapojte do sítě a podle typu mikroskopu a způsobu zaznamenávání dat jej připojte k PC nebo vložte paměťovou kartu pro zaznamenání fotografií jednotlivých preparátů. Vlastní pozorování (záznam dat) Pozorujte vzorky od nejvyšší koncentrace ke koncentraci nejnižší. Dbejte na důkladné označování pozorovaného materiálu. Zakreslete stav buněk v roztoku o nejvyšší a nejnižší koncentraci a v roztoku, kde dochází k hraniční plazmolýze, a obrázky popište. Analýza naměřených dat Dosazením do vzorce vypočítejte osmotický potenciál buňky. Odpovězte na otázky v pracovním listu.
BIOLOGIE Osmotické jevy aneb Proč se potí lilek? Pracovní list (řešená učitelská varianta) Úkoly: 1. Vyplňte slovníček pojmů. 2. Podle pracovního návodu připravte roztoky o zadané koncentraci NaCl a vložte do nich vzorky epidermis cibule kuchyňské. 3. Pozorujte vzorky pod mikroskopem a zakreslete stav buněk v prostředí o zadané koncentraci. 4. Určete koncentraci roztoku, při kterém dochází k hraniční plazmolýze, a vypočítejte osmotický potenciál. 1. Vysvětlete pojmy: Osmóza: jednostranná difuze molekul rozpouštědla (vody) přes semipermeabilní (polopropustnou) membránu do roztoku. V rostlinné buňce je semipermeabilní membránou plazmalema (cytoplazmatická membrána) a tonoplast. Plazmolýza: jev, který nastává, ocitne-li se rostlinná buňka v hypertonickém prostředí, prostředí buňce odnímá vodu, smršťuje se protoplast a cytoplazmatická membrána se odchlipuje od buněčné stěny. V počátečních fázích vratným dějem, může však vést až ke smrti buňky a pletiva. Tvar, který zaujme protoplast v plazmolýzované buňce, závisí na koncentraci hypertonického roztoku i na použitém plazmolytiku. Nejběžnější je plazmolýza konvexní, kdy protoplast zaujímá kulovitý tvar. V protáhlých buňkách se protoplast obvykle rozdělí na několik částí. Při vysoké koncentraci hypertonického roztoku dochází ke konkávní plazmolýze, kdy protoplast zůstává v některých místech spojen s buněčnou stěnou, v jiných místech se od ní značně oddaluje. V některých buňkách může být protoplast spojen s buněčnou stěnou cytoplazmatickými vlákny (Hechtova vlákna). Typy plazmolýzy: hraniční, konvexní, konkávní a spazmatická v buňkách epidermis cibule kuchyňské, převzato z http://botany.upol.cz/atlasy/anatomie/ anatomiecr09.pdf
13 Plazmoptýza: jev, který nastává naopak v hypotonickém prostředí (koncentrace látek v prostředí je menší než koncentrace látek v buňce), buňka nasává vodu a zvětšuje svůj objem, v krajním případě může dojít až k prasknutí buněčné stěny. 2. Vypracování: Vzorek 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 c (roztoku) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 plazmolýza ne ne ne hraniční ano ano ano ano ano ano ano 1. Zvětšení: Koncentrace roztoku: 1M roztok NaCl Prostředí: hypertonické biologie Osmotické jevy Pracovní list (řešená učitelská varianta) Buňky epidermis cibule kuchyňské v hypertonickém prostředí, převzato z http://www.sci.muni.cz/~anatomy/cytology/html/allium_4.htm Buňka epidermis cibule kuchyňské v hypertonickém prostředí, šipkami naznačeno smršťování protoplastu (upraveno podle Kincl L. a kol., 1993) Prostředí s vyšší koncentrací osmoticky aktivních látek, prostředí odčerpává vodu z buňky, protoplast se odchlipuje od buněčné stěny a smršťuje se.
14 2. Hraniční plazmolýza Zvětšení: Buňky epidermis cibule kuchyňské v izotonickém prostředí, převzato z http://www.sci.muni.cz/~anatomy/cytology/html/allium_3.htm Koncentrace roztoku: Prostředí: izotonické Zvětšení: Koncentrace roztoku: Prostředí: izotonické biologie Osmotické jevy Pracovní list (řešená učitelská varianta) Buňky epidermis cibule kuchyňské v izotonickém prostředí, počínající hraniční plazmolýza, šipky označují místa, kde dochází k odtržení cytoplazmatické membrány od buněčné stěny (upraveno podle Kincl L. a kol., 1993) Dochází k hraniční plazmolýze, cytoplazmatická membrána se začíná odchlipovat od buněčné stěny v rozích buňky. 3. Zvětšení: Koncentrace roztoku: pouze destilovaná voda Prostředí: hypotonické Buňky epidermis cibule kuchyňské v hypotonickém prostředí, převzato z http://www.sciencephoto.com/media/10543/enlarge Je-li buňka v hypotonickém prostředí, dochází k příjmu vody do buňky. Buňka je plně nasycená vodou (turgescentní buňka).
15 3. Výpočet osmotického potenciálu: (pro teplotu místnosti 20 C a koncentraci roztoku plazmolytika (NaCl) 0,3 mol.dm -3, při níž nastává hraniční plazmolýza) π = - RT c i π= -8,314 293,15 2 0,3 π= - 1462,35 kpa = - 1,46 MPa 4. Doplňující otázky 1. Proč nemůže být pacientům nitrožilně podávána čistá voda, ale tzv. fyziologický roztok? K jakému jevu by došlo, kdyby byla místo fyziologického roztoku čistá voda podána? Čistá voda má nulovou koncentraci rozpuštěných látek, tedy nižší než je koncentrace rozpuštěných látek v krvi. Proto by došlo k plazmoptýze (cytolýze) červených krvinek (hemolýza) v důsledku osmotického příjmu vody popraskání červených krvinek. Pacientům je proto nitrožilně podáván tzv. fyziologický roztok, který má obdobnou koncentraci rozpuštěných látek jako je v krvi tj. z osmotického hlediska isotonický roztok). Jakožto fyziologický roztok se používá 0,9% roztok NaCl. 2. Co se v principu děje, když se lilek nechává tzv. vypotit? Lilek se posolí a sůl vytvoří na povrchu buněk hypertonické prostředí, které buňkám odnímá vodu. Na povrchu lilku objeví kapky vody. biologie Osmotické jevy Pracovní list (řešená učitelská varianta) 3. Proč často usychají rostliny v pásu kolem silnic, které se v zimě solí? Rostliny jsou schopny přijímat vodu pouze v hypotonickém prostředí. Vysoká koncentrace solí vytváří pro rostliny hypertonické prostředí, které jim neumožňuje vodu přijímat, ale naopak je jim voda prostředím odnímána a rostliny usychají. 5. Závěr: Vysvětlete, co je to hraniční plazmolýza. Hraniční plazmolýza nastává v roztoku, který má přibližně stejnou koncentraci osmoticky aktivních látek, jako je koncentrace osmoticky aktivních látek v buňce (izotonické prostředí). Dochází k odchlipování cytoplazmatické membrány od buněčné stěny.
BIOLOGIE Osmotické jevy aneb Proč se potí lilek? Pracovní list (žákovská varianta) Úkoly: 1. Vyplňte slovníček pojmů. 2. Podle pracovního návodu připravte roztoky o zadané koncentraci NaCl a vložte do nich vzorky epidermis cibule kuchyňské. 3. Pozorujte vzorky pod mikroskopem a zakreslete stav buněk v prostředí o zadané koncentraci. 4. Určete koncentraci roztoku, při kterém dochází k hraniční plazmolýze, a vypočítejte osmotický potenciál. 1. Vysvětlete pojmy: Osmóza: Plazmolýza: Plazmoptýza:
17 2. Vypracování: Vzorek 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 c (roztoku) plazmolýza 1. Zvětšení: Koncentrace roztoku: 1M roztok NaCl Prostředí: biologie Osmotické jevy Pracovní list (žákovská varianta) 2. Hraniční plazmolýza Zvětšení: Koncentrace roztoku: Prostředí: 3. Zvětšení: Koncentrace roztoku: pouze destilovaná voda Prostředí:
18 3. Výpočet osmotického potenciálu: 4. Doplňující otázky biologie Osmotické jevy Pracovní list (žákovská varianta) Proč nemůže být pacientům nitrožilně podávána čistá voda, ale tzv. fyziologický roztok? K jakému jevu by došlo, kdyby byla místo fyziologického roztoku čistá voda podána? Co se v principu děje, když se lilek nechává tzv. vypotit?
19 Proč často usychají rostliny v pásu kolem silnic, které se v zimě solí? 5. Závěr: biologie Osmotické jevy Pracovní list (žákovská varianta) Vysvětlete, co je to hraniční plazmolýza.