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17.1.1: Potencial hídrico - Biología

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Objetivos de aprendizaje

  • Definir el potencial hídrico y explicar cómo se ve influenciado por los solutos, la presión, la gravedad y el potencial matricial.
  • Explique qué componentes de las plantas con potencial hídrico pueden manipular y describa cómo.

Las plantas son ingenieros hidráulicos fenomenales. Usando solo las leyes básicas de la física y la simple manipulación de la energía potencial, las plantas pueden mover el agua a la copa de un árbol que se acerque a los 116 m (~ 381 pies, ver el recuadro Los árboles más altos). Las plantas también pueden usar sistemas hidráulicos para generar suficiente fuerza para dividir rocas y doblar aceras (Figura ( PageIndex {1} )). Las plantas logran esto debido al potencial hídrico.

Potencial de agua es una medida de la energía potencial en el agua. Los fisiólogos de plantas no están interesados ​​en la energía de ningún sistema acuoso en particular, pero sí están muy interesados ​​en el movimiento del agua entre dos sistemas. En términos prácticos, por lo tanto, el potencial hídrico es la diferencia de energía potencial entre una muestra de agua dada y el agua pura (a presión atmosférica y temperatura ambiente). El potencial hídrico se denota con la letra griega ψ (psi) y se expresa en unidades de presión (la presión es una forma de energía) llamadas megapascales (MPa). El potencial del agua pura (ΨwH2O puro) es, por conveniencia de la definición, designado con un valor de cero (aunque el agua pura contiene mucha energía potencial, esa energía se ignora). Por lo tanto, los valores del potencial hídrico para el agua en la raíz, el tallo o la hoja de una planta se expresan en relación con ΨwH2O puro.

El potencial hídrico en las soluciones de las plantas está influenciado por la concentración de solutos, la presión, la gravedad y factores llamados efectos de matriz. El potencial hídrico se puede dividir en sus componentes individuales utilizando la siguiente ecuación:

[ psi_ text {sistema} = psi_ text {total} = psi_s + psi_p + psi_g + psi_m ]

donde Ψs, Ψpag, Ψgramo, y Ψmetro se refieren a los potenciales de soluto, presión, gravedad y matriz, respectivamente. "Sistema" puede referirse al potencial hídrico del agua del suelo (Ψtierra), agua de raíz (Ψraíz), agua del tallo (Ψmadre), agua de hojas (Ψhoja) o el agua en la atmósfera (Ψatmósfera): cualquier sistema acuoso que se esté considerando. A medida que cambian los componentes individuales, aumentan o disminuyen el potencial hídrico total de un sistema. Cuando esto sucede, el agua se mueve para equilibrarse, pasando del sistema o compartimento con un mayor potencial hídrico al sistema o compartimento con un menor potencial hídrico. Esto hace que la diferencia en el potencial hídrico entre los dos sistemas (ΔΨ) vuelva a cero (ΔΨ = 0). Por lo tanto, para que el agua se mueva a través de la planta desde el suelo al aire (un proceso llamado transpiración), Ψtierra debe ser> Ψraíz > Ψmadre > Ψhoja > Ψatmósfera.

El agua solo se mueve en respuesta a ΔΨ, no en respuesta a los componentes individuales. Sin embargo, debido a que los componentes individuales influyen en el total Ψsistema, manipulando los componentes individuales (especialmente Ψs), una planta puede controlar el movimiento del agua. Los solutos, la presión, la gravedad y el potencial matricial son todos importantes para el transporte de agua en las plantas. El agua se mueve de un área de mayor potencial hídrico total a un área de menor potencial hídrico total.

Potencial de soluto

Potencial de solutos), también llamado potencial osmótico, es negativo en una célula vegetal y cero en agua destilada. Los valores típicos del citoplasma celular son de –0,5 a –1,0 MPa. Los solutos reducen el potencial hídrico (lo que resulta en un Ψ negativow) al consumir parte de la energía potencial disponible en el agua. Las moléculas de soluto pueden disolverse en agua porque las moléculas de agua pueden unirse a ellas a través de enlaces de hidrógeno; una molécula hidrófoba como el aceite, que no puede unirse al agua, no puede disolverse. La energía en los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de soluto y el agua ya no está disponible para trabajar en el sistema porque está ligada al enlace. En otras palabras, la cantidad de energía potencial disponible se reduce cuando se agregan solutos a un sistema acuoso. Por lo tanto, Ψs disminuye al aumentar la concentración de soluto.

Porque Ψs es uno de los cuatro componentes de Ψsistema o Ψtotal, una disminución en Ψs causará una disminución en Ψtotal. El agua se mueve hacia las zonas de menor Ψs (y por lo tanto menor Ψtotal). En la Figura ( PageIndex {2} )), la membrana semipermeable que separa los dos lados del tubo permite el paso del agua pero no de los solutos. En el primer tubo, se ha agregado soluto al lado derecho. Agregar soluto al lado derecho reduce Ψs, provocando que el agua se mueva hacia el lado derecho del tubo. Como resultado, el nivel del agua es más alto en el lado derecho.

El potencial hídrico interno de una célula vegetal es más negativo que el agua pura debido al alto contenido de solutos del citoplasma. Debido a esta diferencia en el potencial hídrico, el agua pasará del suelo a las células de la raíz de una planta a través del proceso de ósmosis. Esta es la razón por la que el potencial de soluto a veces se denomina potencial osmótico. Las células vegetales pueden manipular metabólicamente Ψs (y por extensión, Ψtotal) mediante la adición o eliminación de moléculas de soluto. Por lo tanto, las plantas tienen control sobre Ψtotal a través de su capacidad para ejercer control metabólico sobre Ψs.

Potencial de presión

Potencial de presiónpag), también llamado potencial de turgencia, puede ser positivo o negativo (figura ( PageIndex {c} )). Debido a que la presión es una expresión de energía, cuanto mayor es la presión, más energía potencial hay en un sistema y viceversa. Por lo tanto, un Ψ positivopag (compresión) aumenta Ψtotal, y un Ψ negativopag (tensión) disminuye Ψtotal. El segundo tubo de la Figura ( PageIndex {2} )) tiene agua pura en ambos lados de la membrana. Se aplica presión positiva en el lado izquierdo. La aplicación de presión positiva en el lado izquierdo provoca Ψpag para aumentar. Como resultado, el agua se mueve hacia la derecha, de modo que el nivel del agua es más alto a la derecha que a la izquierda. El tercer tubo también tiene agua pura, pero esta vez se aplica presión negativa en el lado izquierdo. Aplicando presión negativa baja Ψpag, provocando que el agua se mueva hacia el lado izquierdo del tubo. Como resultado, el nivel del agua es más alto a la izquierda.

La presión positiva dentro de las células está contenida por la pared celular, lo que produce una presión de turgencia. Los potenciales de presión suelen rondar entre 0,6 y 0,8 MPa, pero pueden alcanzar hasta 1,5 MPa en una planta bien regada. A Ψpag de 1,5 MPa equivale a 210 libras por pulgada cuadrada (1,5 MPa x 140 lb pulg.-2 MPa-1 = 210 lb / pulg.-2). En comparación, la mayoría de los neumáticos de los automóviles se mantienen a una presión de 30 a 34 psi. Un ejemplo del efecto de la presión de la turgencia es el marchitamiento de las hojas y su restauración después de que la planta ha sido regada (Figura ( PageIndex {3} )). El agua se pierde de las hojas a través de la transpiración (acercándose a Ψpag = 0 MPa en el punto de marchitez) y se restaura por absorción a través de las raíces.

Una planta puede manipular Ψpag a través de su capacidad para manipular Ψs y por el proceso de ósmosis. Si una célula vegetal aumenta la concentración de soluto citoplásmico, Ψs disminuirá, Ψtotal disminuirá, el ΔΨ entre la célula y el tejido circundante disminuirá, el agua entrará en la célula por smosis y Ψpag incrementará. Ψpag también está bajo control indirecto de la planta a través de la apertura y cierre de los estomas. Las aberturas estomáticas permiten que el agua se evapore de la hoja, reduciendo Ψpag y Ψtotal de la hoja e incrementándola entre el agua en la hoja y el pecíolo, permitiendo así que el agua fluya desde el pecíolo hacia la hoja.

Potencial gravitacional

Potencial gravitacionalgramo) es siempre negativo a cero en una planta sin altura. La fuerza de la gravedad empuja el agua hacia el suelo, reduciendo la diferencia en el potencial hídrico entre las hojas en la parte superior de la planta y las raíces. Cuanto más alta es la planta, más alta es la columna de agua y más influyente Ψgramo se convierte. A escala celular y en plantas bajas, este efecto es insignificante y fácilmente ignorado. Sin embargo, sobre la altura de un árbol alto como una secuoya costera gigante, la atracción gravitacional de –0,1 MPa m-1 equivale a 1 MPa extra de resistencia que hay que superar para que el agua llegue a las hojas de los árboles más altos. Las plantas no pueden manipular Ψgramo.

Potencial de Matric

Potencial matricialmetro) siempre es negativo a cero. En un sistema seco, puede ser tan bajo como -2 MPa en una semilla seca y es cero en un sistema saturado de agua. La unión del agua a una matriz siempre elimina o consume energía potencial del sistema. Ψmetro es similar al potencial de soluto porque implica atar la energía en un sistema acuoso formando enlaces de hidrógeno entre el agua y algún otro componente. Sin embargo, en el potencial de soluto, los otros componentes son moléculas de soluto hidrófilas solubles, mientras que en Ψmetro, los otros componentes son moléculas hidrófilas insolubles de la pared celular vegetal. Cada célula vegetal tiene una pared celular celulósica y la celulosa en las paredes celulares es hidrófila, produciendo una matriz para la adhesión del agua: de ahí el nombre potencial matricial. Ψmetro es muy grande (negativo) en tejidos secos como semillas o suelos afectados por la sequía. Sin embargo, rápidamente llega a cero a medida que la semilla absorbe agua o el suelo se hidrata. Ψmetro no puede ser manipulado por la planta y generalmente se ignora en raíces, tallos y hojas bien regadas.


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