Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

КЛЕТОЧКА ТРАУБЕ КАК НАГЛЯДНАЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ТУРГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ

Научная статья
Ефимов В.М.
Ефимова И.Г.
Махмутова Г.Ф.
Шимкович Е.Д.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.117.3.076
Выпуск: № 3 (117), 2022
Опубликована:
2022/03/17
PDF

Клеточка Траубе как наглядная физико-химическая модель для изучения тургорного давления в растительной клетке

Научная статья

Ефимов В.М.1, Ефимова И.Г.2, *, Махмутова Г.Ф.3, Шимкович Е.Д.4

2 ORCID: 0000-0002-1684-9688;

3 ORCID: 0000-0001-9335-5262;

4 ORCID: 0000-0003-1520-1078;

1 Лицей №83, Казань, Россия;

2, 3, 4Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия

*Корреспондирующий автор (formik[at]mail.ru)

Аннотация

В данной работе двумя независимыми способами (1 – с использованием растворов сульфата меди (II) и гексацианоферрата (II) калия; 2 – с использованием раствора силикатных солей и хлорного железа) была получена искусственная полупроницаемая мембрана - модель живой растительной клетки (клеточка Траубе). Показана возможность использования данной модели для наглядных экспериментов на лекциях естественно-научного цикла с целью демонстрации сущности осмотических процессов и проведения экспериментов взаимодействию живых клеток с физиологическими растворами разной концентрации. Установлено, что синтез модельной клетки Траубе с применением водного раствора смеси силикатов и кристаллов хлорного железа более доступно и безопасно для школьников, иностранных учащихся на этапе довузовской подготовки, студентов, по сравнению с использованием для этих целей сульфата меди (II) и гексацианоферрата (II) калия при самостоятельном проведении учащимися данного эксперимента. Проведение таких опытов будет способствовать успешному усвоению ими химии и биологии.

Ключевые слова: клеточка Траубе, тургор, осмотическое давление, модель растительной клетки, полупроницаемая мембрана, наглядный материал.

Traube Cell as a Visual Physicochemical Model for Studying Turgor Pressure in a Plant Cell

Research article

Efimov V.M.1, Efimova I.G.2, *, Makhmutova G.F.3, Shimkovich E.D.4

2 ORCID: 0000-0002-1684-9688;

3 ORCID: 0000-0001-9335-5262;

4 ORCID: 0000-0003-1520-1078;

1 Lyceum No.83, Kazan, Russia;

2, 3, 4 Kazan Federal University, Kazan, Russia

* Corresponding author (formik[at]mail.ru)

Abstract

In this article, an artificial semipermeable membrane -model of a living plant cell (Traube cell) was obtained by two independent methods (1 – using solutions of copper (II) sulfate and potassium hexacyanoferrate (II); 2 – using a solution of silicate salts and ferric chloride). The article demonstrates the possibility of using this model for visual experiments at lectures of the natural science cycle in order to demonstrate the essence of osmotic processes and conduct experiments on the interaction of living cells with physiological solutions of different concentrations. It was found that the synthesis of a model Traube cell using an aqueous solution of a mixture of silicates and ferric chloride crystals is more accessible and safe for schoolchildren, foreign students at the stage of pre-university training, students, compared with the use of copper (II) sulfate and potassium hexacyanoferrate (II) for these purposes when students independently conduct this experiment. Conducting such experiments will contribute to their successful comprehension of chemistry and biology.

Keywords: Traube cell, turgor, osmotic pressure, plant cell model, semipermeable membrane, visual material.

Введение

Еще в 1750 г. русский ученый М.В. Ломоносов с помощью желтой кровяной соли синтезировал разнообразные по окраске плохо растворимые в воде соединения («ферроцианидные соли Ломоносова» или «ферроцианидные кустарники Ломоносова»). Эти искусственные «растения» вырастают, когда на твердой поверхности гексацианоферрата (II) калия образуется полупроницаемая пленка Cu2[Fe(CN)6], через которую способны проникать молекулы воды, но не сульфат меди (II) [2, С. 126-127]. С этой избирательной проницаемостью пленки-мембраны связано явление осмоса, характерного для жизнедеятельности растительной клетки [3, С. 407], [11, С. 5].

В XIX веке Мориц Траубе экспериментально показал, что ряд неорганических веществ может успешно симулировать поведение живой клетки, а именно, тургорное давление в клетках растений. В настоящее время неорганические мембраны − клеточки Траубе − принято считать моделями живой клетки [7], [10, C. 228].

Согласно второму закону термодинамики [9, С. 138], по принципу Ле Шателье осмотическое давление появляется за счёт переноса растворителя через полупроницаемую мембрану, так как система стремится выровнять концентрацию растворенного вещества в обеих средах по разную сторону от мембраны [11, С. 5]. Осмос отвечает за тургор живых клеток [4, С. 306] и участвует в переносе питательных веществ в клетках организма [1,C. 117], [5,C. 66], [6,C. 65].

Основные результаты

Эксперимент 1: получение неорганической полупроницаемой мембраны с помощью раствора сульфата меди (II) и кристаллов гексацианоферрата (II) калия.

Недостаток этого способа в том, что в нем используется малодоступный и ядовитый реактив – ферроцианид калия [8, C. 90], который доступен ученикам и студентам только в условиях химической лаборатории.

Реактивы и оборудование: 15 г CuSO4, кристаллы ферроцианида калия K4[Fe(CN)6], 3-гидрокси-3-карбоксипентандиовая кислота, дистиллированная вода, пинцет, химический стакан.

Эксперимент:

В плоскодонной колбе приготовили 300 мл 5% раствора CuSO4. Для этого взвесили на лабораторных весах 15 г CuSO4, растворили соль в дистиллированной воде объемом 285 мл при температуре 23-250С. Полученный таким образом голубой раствор сульфата меди будет замутнен нерастворимыми продуктами гидролиза соли слабого основания по катиону.

Для смещения равновесия гидролиза в сторону обратной реакции, добавили к раствору несколько кристаллов лимонной кислоты. Можно использовать также уксусную кислоту. При этом раствор стал прозрачным, что позволяет беспрепятственно наблюдать за процессом формирования клеток Траубе.

Поставили колбу на неподвижную подставку и поместили на дно колбы с помощью пинцета несколько небольших кристаллов K4[Fe(CN)6]. Наблюдали постепенное формирование объемных полупроницаемых мембран неорганической природы (см. рисунок 1).

1

Рис. 1 – Формирование клеточек Траубе в растворе сульфата меди

Примечание: доступны видеоматериалы https://photos.app.goo.gl/LW1ohRLUbd9JbPLc9

Рост клеточек Траубе происходит за счет того, что пленка ферроцианида меди (II) подобно мембране растительной клетки обладает полупроницаемостью: она способна пропускать внутрь себя воду и не пропускать ионы сульфата меди. Движущая сила процесса – осмотическое давление, которое формируется за счет разной концентрации солей с обеих сторон мембраны.

2CuSO4 + K4[Fe(CN)6] ® Cu2[Fe(CN)6] + 2K2SO4 (1)

Концентрация насыщенного раствора ферроцианида калия внутри клетки Траубе больше, чем концентрация 5%-го раствора CuSO4 снаружи мембраны. Вода начинает поступать в клетку, при этом ее объем увеличивается до тех пор, пока концентрации K4[Fe(CN)6] и CuSO4 по обе стороны мембраныне выровняются. За счет высокого внутреннего давления тонкая мембрана из гексацианоферрата (II) меди (II) местами расползается, реагенты приходят в контакт, и снова протекает реакция по уравнению (1) − сульфат меди взаимодействует с желтой кровяной солью, − и полупроницаемая пленка Cu2[Fe(CN)6]образуется снова. Видеосъемка эксперимента фиксирует неравномерный, прихотливый рост клеток Траубе (https://photos.app.goo.gl/LW1ohRLUbd9JbPLc9 ссылка на видеоматериалы).

Эксперимент 2: получение неорганической полупроницаемой мембраны с помощью водного раствора силикатного клея и кристаллов хлорного железа.

Данный эксперимент предпочтительней предыдущего в силу большей доступности используемых реактивов. Так, силикатный клей можно приобрести в магазине канцелярских товаров, а хлорное железо продается в магазине для радиолюбителей (этот реактив используют для «травления» плат). Поэтому этот эксперимент все желающие смогут повторить у себя дома, изучая, например, как меняется скорость роста и размер образующихся неорганических клеток при смене концентрации силикатного клея в воде и варьировании размеров кристаллов используемого хлорида железа (III).

Реактивы и оборудование, используемые в данном эксперименте: силикатный клей 2-3 флакона по 50 мл, дистиллированная вода, хлорид железа (III) FeCl3, плоскодонная колба, пинцет.

Эксперимент:

Силикатный клей смешивали с водой в соотношении 1:1. Поставили колбу на неподвижную подставку. В полученный раствор с помощью пинцета опустили несколько кристаллов FeCl3. Наблюдали постепенное формирование объемных полупроницаемых мембран неорганической природы (см. рисунок 2).

1

Рис.2 – Рост клеток Траубе в силикатном растворе

Примечание: доступны видеоматериалы https://photos.app.goo.gl/LW1ohRLUbd9JbPLc9

В состав силикатного клея входят относительно растворимые полисиликаты натрия, калия или лития. Силикаты многих иных металлов в воде растворимы плохо. В данном эксперименте сначала протекает реакция обмена между хлорным железом (III) и силикатами щелочных металлов с образованием силиката железа (III) (уравнение 2), который в водном растворе неизбежно гидролизуется по катиону с формированием нерастворимого при этих условиях гидроксида железа (III) (уравнение 3).

2FeCl3 +3Na2SiO3 ® Fe2(SiO3)3 + 6NaCl (2)
Fe2(SiO3)3 + 6H2O ® 2Fe(OH)3¯ + 3H2SiO3 (3)

Так как перемешивание раствора отсутствует, и кристаллы используемого в эксперименте хлорного железа (III) довольно крупные, реакции по уравнениям 2-3 идут на границе раздела фаз твердое – жидкость, при этом кристаллы хлорида железа (III) покрываются пленкой нерастворимого гидроксидажелеза (III)Fe(OH)3¯. В данном эксперименте наблюдали, как на кристаллах соли трехвалентного железа вытягиваются в тонкие полые трубки из гидроксида железа, стенки которых представляют собой полупроницаемую мембрану. Концентрация насыщенного раствора хлорида железа(III) внутри трубочек больше, чем концентрация силикатного раствора снаружи. Чтобы выровнять эти концентрации вода начинает поступать внутрь трубочки, увеличивая ее объём. Стенки трубок не выдерживают повышенного давления и разрываются. В местах разрывов FeCl3вступает в контактс силикатами из исходного раствора, при этом нарастает новая пленка Fe(OH)3¯ большей площади.

Видеосъемка эксперимента фиксирует неравномерный рост клеток Траубе (https://photos.app.goo.gl/LW1ohRLUbd9JbPLc9 ссылка на видеоматериалы).

В данной работе было изучено взаимодействие модельных неорганических клеток с физиологическим раствором различной концентрации хлорида натрия.

В изотоническом растворе (0.9% раствор NaCl) полученные клеточки Траубе («водоросли») стабильны, так как молекулы воды присутствуют в равном количестве с обеих сторон полупроницаемой мембраны.

В гипертоническом растворе (1% и более раствор NaCl) наблюдается обезвоживание клеточки Траубе, тургорное давление в клетках падает, они теряют форму, потому что вода стремится покинуть внутреннее пространство клетки (демонстрация плазмолиза).

В гипотоническом растворе(менее 0,85% NaCl) осмотическое давление внутри модельной клетки возрастает, клетка разбухает, так как вода проникает внутрь мембраны, стремясь выравнять концентрацию ионов солей по обе ее стороны (демонстрация деплазмолиза).

Заключение

В данной работе двумя различными способами была получена искусственная полупроницаемая мембрана - модель живой растительной клетки (клеточка Траубе). Показана возможность продемонстрировать на данной модели суть явления осмоса и показать особенности взаимодействие живых клеток с физиологическими растворами разной концентрации. Отсняты видеоматериалы получения клеточек Траубе с использованием двух комплектов химических реактивов с целью демонстрации данных экспериментов на уроках химии по теме «Гидролиз» и на уроках биологии по теме «Осмотическое давление в живой клетке» как в аудитории, так и в формате онлайн занятий.

Установлено, что синтез модельной клетки Траубе с применением водного раствора смеси силикатов и кристаллов хлорного железа более доступно и безопасно для школьников, иностранных учащихся на этапе довузовской подготовки и студентов, по сравнению с использованием для этих целей сульфата меди (II) и гексацианоферрата (II) калия при самостоятельном проведении учащимися данного эксперимента. Проведение вышеуказанных экспериментов будет способствовать успешному усвоению химии и биологии.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Вольлебен П. Тайная жизнь деревьев / П. Вольлебен. – М.: Высшая школа экономики, 2018. – 245с.
  2. Люуис К. Большая детская энциклопедия: Химия / К.Люуис. – М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2001. – 640 с.
  3. Семашко Н.А. Большая медицинская энциклопедия Т.6. Вывихи-Гимза / глав. ред. Н.А. Семашко. – М.: Советская энциклопедия, 2013. – 452с.
  4. Ефимова Т.М. Биология. Общие биологические закономерности. 9 класс: учебник общеобразовательных организация / Т.М. Ефимова, А.О.Шубин, Л.Н. Сухорукова. – 9-е изд., стер. – М.: Мнемозина, 2019. – 320с.
  5. Нефедьева Е.Э. Давление как фактор регуляции у растений: монография / Е.Э. Нефедьева. – М.; Берлин: Директ-Медиа, 2015. – 133с.
  6. Пасечник В.В. Биология. Бактерии, грибы, растения. 5 класс. Учебник / В.В. Пасечник. – М.: Дрофа, 2019. – 144с.
  7. Свойство полупроницаемой пленки в искусственной клеточке Траубе.[Электронныйресурс]. URL: http://biologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000028/stshtml(дата обращения: 12.01.2022)
  8. Спектор А.А. Химия для каждого образованного человека / А.А.Спектор. – М.: АСТ Пресс, 2019. – 208 с.
  9. Стромберг А.Г. Физическая химия: Учеб. для спец. вузов / под ред. А.Г.Строумберга. – 4-е изд. Испр. – М.: Высш.шк., 2001. – 527 с.
  10. Томпсон Р.Б. Иллюстрированная энциклопедия: Биологические эксперименты / Р.Б. Томпсон, Б.Ф. Томпсон, пер. с англ. М.А. Райтмана –М.: ДМК Пресс, 2019. – 442 с.
  11. Хванг С.Т. Мембранные процессы разделения / С.Т.Хванг, К.Каммермейер. – М.: Химия, 1981. – 464 с.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Vol'leben P. Tajnaya zhizn' derev'ev [The Secret Life of Trees] / P. Vol'leben. – M.: Vysshaya shkola ekonomiki, 2018. – 245 p. [in Russian]
  2. Lyuuis K. Bol'shaya detskaya enciklopediya: Himiya [Big Children's Encyclopedia: Chemistry] / K. Lyuuis. – M.: Russkoe enciklopedicheskoe tovarishchestvo, 2001. – 640 p. [in Russian]
  3. Semashko N.A. Bol'shaya medicinskaya enciklopediya T.6. Vyvihi-Gimza [Big Medical Encyclopedia V.6. Dislocations-Giemsa]/ed. N.A. Semashko. – M.: Sovetskaya enciklopediya, 2013. – 452 p. [in Russian].
  4. Efimova T.M. Biologiya. Obshchie biologicheskie zakonomernosti. 9 klass: uchebnik obshcheobrazovatel'nyh organizaciya [Biology. General biological patterns. Grade 9: textbook of educational organization] / T.M. Efimova, A.O. SHubin, L.N. Suhorukova. – 9-th ed., ster. – M.: Mnemozina, 2019. – 320 p. [in Russian]
  5. Nefed'eva E.E. Davlenie kak faktor regulyacii u rastenij: monografiya [Pressure as a Regulatory Factor in Plants: Monograph] / E.E. Nefed'eva. – M.; Berlin: Direkt-Media, 2015. – 133 p. [in Russian]
  6. Pasechnik V.V. Biologiya. Bakterii, griby, rasteniya. 5 klass. Uchebnik [Biology. Bacteria, fungi, plants. Grade 5 Textbook] / V.V. Pasechnik. – M.: Drofa, 2019. – 144 p. [in Russian]
  7. Svojstvo polupronicaemoj plenki v iskusstvennoj kletochke Traube [The property of a semipermeable film in an artificial Traube cell]. [Electronic resource]. URL: http://biologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000028/st199.shtml (accessed: 12.01.2022) . [in Russian]
  8. Spektor A.A. Himiya dlya kazhdogo obrazovannogo cheloveka [Chemistry for every educated person] / A.A. Spektor. – M.: AST Press, 2019. – 208 p. [in Russian]
  9. Stromberg A.G. Fizicheskaya himiya: Ucheb. dlya spec. vuzov [Physical chemistry: Proc. for special universities] / pod ed. A.G. Stroumberga. – 4-th ed. edited. – M.: Vyssh.shk., 2001. – 527 p. [in Russian]
  10. Tompson R.B. Illyustrirovannaya enciklopediya: Biologicheskie eksperimenty [The Illustrated Encyclopedia: Biological Experiments] / R.B. Tompson, B.F. Tompson, transl. M.A. Rajtmana –M.: DMK Press, 2019. – 442 p. [in Russian]
  11. Hvang S.T. Membrannye processy razdeleniya [Membrane separation processes] / S.T. Hvang, K. Kammermejer. – M.: Himiya, 1981. – 464 p. [in Russian]