2.5.3. Соленость и кислотность

Для нормальной жизнедеятельности все клетки живого организма должны содержать определенное количество воды. Их водный балансрегулируется отношением концентраций солей с внешней и внутренней сторон от клеточной мембраны. В основе этого регулирования лежит явлениеосмоса.

Явление осмоса заключается в следующем. Если в различных частях раствора существует различие в концентрациях растворенного вещества, то благодаря встречной диффузии частиц растворителя и растворенного вещества постепенно будет происходить выравнивание этих концентраций, пока растворенное вещество не распределится равномерно по всему объему растворителя. Ситуация изменится, если эти части разделены перегородкой, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество – нет. Такие перегородки называются полупроницаемыми. В этом случае выравнивание концентраций будет происходить только за счет диффузии частиц растворителя: растворитель будет преимущественно диффундировать в раствор с большей концентрацией, а это, в свою очередь, приведет к увеличению объема раствора по одну сторону мембраны и его уменьшению по другую. Такая односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку и называется осмосом. Если первоначально давление в обеих частях раствора было одинаковым, то в результате увеличения объема раствора по одну сторону перегородки (и соответственно – уменьшения по другую) в части раствора с большей концентрацией возникнет избыточное давление, называемое осмотическим.

Мембраны клеток представляют собой именно такие полупроницаемые перегородки: они легко проницаемы для воды и почти непроницаемы для веществ, растворенных во внутриклеточной жидкости. Если концентрация соли вне клетки меньше, чем внутри, то происходит диффузия молекул воды внутрь клетки. Проникающая в клетки вода создает в них избыточное давление, что определяет упругость мягких тканей растений. Без поступления воды извне растения, как известно, становятся дряблыми – вянут – вследствие уменьшения объема внутриклеточной жидкости из-за испарения. Если концентрация соли вне клетки слишком высока, вода поглощаться не может. Более того, под действием осмоса она будет оттягиваться из клетки, что приведет к обезвоживанию и гибели растения. В силу этого, например, пресноводные виды не могут жить в морской воде, в которой концентрация соли составляет 3,5 % и осмотическое давление равно 265 кПа (2,7 атм). Морские виды обладают механизмом поддержания водного баланса в морской воде, но погибают, попав в пресные водоемы. Для жизнедеятельности большинства наземных растений необходима пресная вода. Вот почему растения столь чувствительны к уровню засоленности почвы: сильно засоленные почвы практически безжизненны. Единицей солености является промилле, обозначаемая как "^o/_oo" и соответствующая содержанию 1 г минеральных веществ в 1 л воды.

Растения, обитающие на засоленных почвах, называются галофитами: солерос, сарсазан, содовая и калийная солянки, поташник и др. Все они имеют очень высокое осмотическое давление, позволяющее им использовать почвенные растворы. Животные, приспособленные к обитанию на засоленных почвах, называются галофилами: личинки некоторых пустынных жуков-чернотелок и др. Некоторые микроорганизмы могут жить в концентрированных растворах различных солей, в том числе медного купороса, фторида натрия, в насыщенном растворе поваренной соли.

Не менее важным для нормального существования живых организмов является и кислотностьокружающей среды, определяемая концентрацией ионов водорода. Кислотность выражается в единицах водородного показателя, или pH, который определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода в воде при 22C, выраженной в молях на литр:

Шкала pH начинается с 0 (крайне высокая кислотность) и заканчивается значением 14 (крайне высокая щелочность). Значение pH = 7 соответствует нейтральной среде (чистая вода).

Приведем средние значения pH для некоторых хорошо всем знакомых сред: лимон – 2,4; апельсин – 2,8; газированная вода – 3,0; сухое вино – 3,5; помидор – 4,3; кофе – 5,0; чистый дождь – 5,6; моча – 6,0; молоко – 6,6; слюна – 7,3; кровь человека – 7,4; мыло – 8,4; морская вода – 8,8.

Большинству растений и животных требуется близкая к нейтральной среда, и в большинстве естественных сред обитания это условие соблюдается. Большинство пресноводных рыб выдерживает кислотность со значением pH от 5 до 9. При pH < 5 наблюдается массовая гибель рыб, а при pH > 10 погибают все рыбы и многие другие животные. Однако некоторые бактерии, например, серные, могут выдерживать весьма кислую среду (растворы серной кислоты с концентрацией до 0,1 М).