Processi di trasporto dell'acqua

Processi di trasporto dell'acqua

Quando l'acqua si sposta dal terreno all'atmosfera, attraverso la pianta, essa viaggia attraverso

una struttura

ampiamente variabile e anche il meccanismo di trasporto varia secondo il tipi di struttura (parete

cellulare,

citoplasma, doppio strato lipidico, spazi aeriferi). Come sappiamo, in una soluzione le molecole

d'acqua non

sono statiche, esse sono in moto continuo e collidono le une con le altre scambiandosi energia

cinetica. La

diffusione è riferita al processo tramite il quale le molecole si rimescolano a seguito della loro

agitazione

termica casuale. La diffusione, infatti, permette il movimento da zone ad alta concentrazione

verso zone a

concentrazione minore, cioè secondo il gradiente di concentrazione. Lo scienziato tedesco Adolf

Fick, nel

1880, scoprì che la velocità di trasporto del soluto tramite diffusione è direttamente

proporzionale al

gradiente di concentrazione (Cs/x), cioè alla differenza di concentrazione della sostanza s (Cs)

fra due punti

separati dalla distanza x. Simbolicamente possiamo scrivere questa relazione come legge di

Fick:

Js = - (DsCs / x)

La velocità di trasporto del soluto, o la densità di flusso (Js), è la quantità di sostanza s che

attraversa

un'unità di area nell'unità di tempo (cioè Js può essere espressa in mol m-2 s-1) Il coefficiente di

diffusione

(Ds), invece, è una costante di proporzionalità che misura la facilità di una sostanza s di

muoversi attraverso

un particolare mezzo. Il coefficiente di diffusione quindi è caratteristico per ogni sostanza e

dipende sia dal

mezzo che dalla temperatura. Il segno negativo nell'equazione indica che il flusso si sposta

secondo i

gradienti di concentrazione.

Un secondo processo che porta allo spostamento dell'acqua è conosciuto come flusso generale

o flusso di

massa ed è riferito al movimento di gruppi di molecole molto spesso in risposta a un gradiente

di pressione.

Fra i numerosi esempi comuni di flusso di massa troviamo gli spostamenti di acqua all'interno di

tubazioni,

il flusso il un fiume e la caduta della pioggia. Se consideriamo il flusso di massa attraverso una

tubatura, la

velocità del volume dipenderà dal raggio (r) della tubatura, dalla viscosità () del liquido e

dall'ampiezza del

gradiente di pressione (p/x) che conduce il flusso. Jean-Leonard Poiseuille descrisse

l'equazione di questo

flusso nell'equazione:

Velocità del volume di flusso = (r4/8) (p/x) [m3/s]

Questa equazione dimostra che il flusso di massa generato dalla pressione è molto sensibile al

raggio della

tubatura. Infatti se il raggio raddoppia la velocità del flusso del volume aumenterà per un fattore

16 (24). Il

flusso di massa dell'acqua condotto dalla pressione è il meccanismo predominante

responsabile del trasporto

a lunga distanza dell'acqua nella pianta tramite lo xilema. Esso è anche responsabile della

maggior parte del

flusso d'acqua che si verifica nel suolo e nelle pareti cellulari dei tessuti vegetali.

L'osmosi e il gradiente di potenziale idrico

Le membrane delle cellule vegetali sono selettivamente permeabili; cioè esse permettono lo

spostamento

dell'acqua e di altre piccole sostanze cariche attraverso ad esse più facilmente di soluti più

grandi e sostanze

cariche. L'osmosi, come la diffusione e il flusso di massa, avviene spontaneamente in risposta a

una forza

motrice. Nella diffusione semplice il trasporto è garantito da un gradiente di concentrazione, nel

flusso di

massa sa un gradiente di pressione e nell'osmosi entrambi i tipi di gradiente influiscono nel

trasporto.

Comunque, in tutti gli organismi viventi processi come le reazioni biochimiche, l'accumulo di

soluti e il

trasporto a lunga distanza sono garantiti da un input di energia libera. Il potenziale chimico per

ogni soluto è

definito come la somma del potenziale di concentrazione, elettrico e idrostatico, quindi è la

somma di tutte

le forze che possono agire su una molecola e portano ad un trasporto netto:

= 0 + RTlna + PV + zEF + mgh

dove 0 è il potenziale in condizioni standard, R, T, V e F sono rispettivamente la costante dei

gas, la

temperatura in Kelvin, il volume parziale molare della sostanza e la costante di Faraday,

mentre, a è l'attività

(che per soluzioni diluite corrisponde alla concentrazione, ossia alla molalità), P è la pressione,

z è la carica

elettrica della sostanza, E è il potenziale elettrico del sistema in cui si trova la sostanza e m, g e

h sono

rispettivamente la massa della sostanza, l'accelerazione di gravità e l'altezza in cui si trova. Il

potenziale

chimico dell'acqua, secondo questa la precedente relazione, è l'espressione quantitativa

dell'energia libera

associata all'acqua. In termodinamica l'energia libera rappresenta il potenziale per compiere

lavoro. In

questo modo, dunque, il potenziale elettrochimico riferito all'acqua viene denominato potenziale

idrico, che

è rappresentato dal potenziale chimico dell'acqua diviso il volume molale parziale dell'acqua

(Vw, il volume

di una mole d'acqua, 18x10-6 m3 mol-1). Il potenziale idrico è la misura dell'energia libera

dell'acqua per

unità di volume (J m-3); dall'equazione precedente ricaviamo per l'acqua:

= 0 + RTlna + PV+ mgh

0 per convenzione è zero se l'acqua è pura a pressione atmosferica; RTlna è un fattore

dipendente dalla

concentrazione dell'acqua (più è concentrata, più è pura rispetto al soluto e per convenzione

a=1 per l'acqua

pura); V è uguale a 18,03 cm3/mol ovvero 18x10-6 m3/mol; m ossia la massa, invece è uguale

a

H2O=2(1)+16=18. A questo punto dividendo per Vw (o V) troviamo il potenziale idrico dell'acqua

che

quindi sarà espresso come:

(-0/Vw) = (RTlna/Vw) + (PV/Vw) + (mgh/Vw) = w

Il potenziale idrico, w, è anche considerato come l'energia per unità di volume necessaria per

trasportare

acqua reversibilmente ed isotermicamente da un punto del sistema ad uno di riferimento, il tutto

espresso in

unità di pressione (J/m3). Quindi, come possiamo capire, il potenziale idrico serve per definire:

1) la

direzione del flusso idrico attraverso le membrane cellulari e quindi la direzione dell'acqua che si

muove

sempre da un potenziale idrico più alto ad uno più basso fino a raggiungere l'equilibrio, 2)

valutare lo stato

idrico della pianta (nelle foglie il potenziale risulta essere più basso di quello delle radici per cui

l'acqua si

muove dalle radici alle foglie) e, 3) quando il potenziale risulta ridotto le piante vanno incontro a

strett idrico

che influenza diversi processi fisiologici. Comunque, i fattori principali che hanno un effetto sul

potenziale

idrico delle piante sono la concentrazione, la pressione e la gravità. In generale, il potenziale

idrico, come