Bilancio idrico

BILANCIO IDRICO

Pianta→ resilienza, ovvero capacità di resistere e reagire alle difficoltà della vita mettendo in atto svariate strategie; Acqua e metabolismo: l'acqua è il costituente principale degli organismi viventi. Nel caso delle cellule vegetali, per esempio di una foglia, essa può rappresentare più del 90% del peso fresco cellulare (indice di metabolismo attivo). Non tutti gli organi della pianta hanno un contenuto così elevato di H2O. Nei semi, allo stato quiescente, l'acqua si trova intorno al 12% del peso: il lento metabolismo si riattiva nelle prime fasi di germinazione. La presenza di acqua è una condizione indispensabile per la vita e la sua disponibilità è un fattore limitante. - Coinvolgimento Indiretto: è il mezzo disperdente in cui si muovono le molecole; - Coinvolgimento Diretto: partecipa alla reazione chimica; L'acqua che entra dentro la cellula determina una pressione endocellulare.

Detta pressione diturgore, essenziale per molti processi cellulari, tra cui l'espansione cellulare. La pressione diturgore inoltre contribuisce alla rigidità e alla stabilità meccanica dei tessuti non lignificati.

A livello della pianta: l'acqua è indispensabile in quanto, insieme ad essa, attraverso l'apparato radicale, la pianta assorbe anche i sali minerali. L'acqua assorbita attraverso l'apparato radicale viene poi traspirata a livello fogliare, dove avverrà il processo di traspirazione, che rappresenta la forza motrice che permette la salita della linfa grezza e garantisce l'ulteriore assorbimento di H2O e sali minerali dal terreno.

Molecola d'acqua: il ruolo dell'acqua è strettamente legato alle sue proprietà chimico-fisiche. L'atomo di ossigeno ha 6 e- negli orbitali esterni (è più elettronegativo dell'atomo di idrogeno che ne ha solo 1) e quindi attrae gli elettroni dell'idrogeno.

Questo porta a una parziale carica negativa sull'ossigeno e una parziale carica positiva su ogni atomo di idrogeno.

Acqua → molecola polare, assume il carattere di un dipolo;

Non possiede carica netta → neutra, dovuta all'asimmetrica distribuzione di cariche;

L'esteso numero di legami idrogeno dell'acqua (fino a 4 per molecola) determina le proprietà di:

• Coesione → attrazione reciproca fra le molecole;
• Adesione → attrazione delle molecole d'acqua nei confronti di una fase solida come la parete cellulare o una superficie vetrosa;

Le molecole di acqua, in un'interfaccia aria/acqua, sono attratte dalle vicine molecole d'acqua dai legami idrogeno (legami intermolecolari dovuti alla polarità della molecola) e questa interazione è molto più forte di qualsiasi interazione con la fase gassosa adiacente. Una bolla di gas sospesa in un liquido assume una forma sferica per minimizzare l'interfaccia gas/liquido.

Per aumentare l'interfaccia aria/acqua, i legami idrogeno devono essere spezzati attraverso l'immissione di energia. L'energia necessaria per aumentare l'interfaccia gas-liquido è detta tensione superficiale.

NB: se l'interfaccia aria acqua è curva la tensione superficiale produce una forza netta perpendicolare all'interfaccia stessa;

Caratteristiche chimico fisiche dell'acqua: dovute alla presenza dei legami H- elevato calore latente di evaporazione; Mantenimento dello stato liquido in un range di temperature

Avvengono le reazione chimiche anche in condizioni estreme- elevato calore di fusione;- elevato calore specifico; Permettono alle foglie di mantenere la T° al di sotto di quella dell'aria,- elevata conducibilità termica; quindi l'adattamento ad ambienti esposti al sole

Le forze di coesione, adesione e tensione superficiale generano il movimento dell'acqua per un fenomeno conosciuto come capillarità.

I legami idrogeno conferiscono all'acqua una elevata forza di tensione, ovvero la forza massima per unità di superficie che una colonna continua d'acqua può sopportare prima di rompersi (risalita di una colonna d'acqua nel tubo capillare). Movimento dell'acqua: Il movimento dell'acqua viene considerato a livello cellulare, con particolare attenzione alle forze fisiche che ne determinano il movimento e a livello dell'intera pianta. Secondo le leggi della termodinamica, l'acqua si sposta seguendo un gradiente di potenziale chimico (μ), ovvero l'energia libera per mole di una determinata specie chimica. Essendo però un parametro difficile da misurare per stimare il movimento, si è formulato il concetto di potenziale idrico, ovvero il potenziale chimico dell'acqua rapportato al suo volume molare e indicato con Ψ. Quando l'acqua si sposta dal terreno all'atmosfera all'interno della pianta,viaggia attraverso strutture molto diverse e anche il meccanismo di trasporto varia a seconda del tipo di struttura (parete cellulare, citoplasma, doppio strato lipidico, spazi aeriferi). I processi fondamentali (forze motrici) che regolano il movimento dell'acqua sono:

1. Diffusione: l'acqua e le sostanze in essa disciolte si muovono per diffusione, cioè per effetto delle attività cinetiche o moti termici casuali delle molecole e degli ioni. Le molecole di H2O e i soluti tendono a muoversi dalla zona a maggior concentrazione a quella a minor concentrazione fino al raggiungimento di un equilibrio. La diffusione rappresenta la naturale tendenza dei sistemi a spostarsi verso lo stato di energia più basso possibile (aumento di entropia = diminuzione di energia libera). Per tutti i processi spontanei la variazione di energia libera ΔG è negativa.
2. Flusso di massa: il movimento dell'acqua può avvenire anche attraverso flussi di massa, che sono movimenti direzionati di grandi quantità di acqua. Questo tipo di trasporto avviene ad esempio nelle piante, dove l'acqua viene assorbita dalle radici e trasportata verso le foglie attraverso i vasi conduttori.
3. Osmosi: l'osmosi è un processo di diffusione dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile. L'acqua si sposta dalla soluzione meno concentrata (ipotonica) alla soluzione più concentrata (ipertonica) al fine di equilibrare le concentrazioni dei soluti.

La velocità di diffusione (V) varia in funzione.

La velocità di diffusione (V) è determinata dall'area attraverso la quale si muovono le molecole (A) e dalla differenza di concentrazione (Δc) ed è definita dalla Legge Di Fick:

V: velocità di diffusione (molecole/s): numero di molecole di soluto o di acqua che si muovono nell'unità di tempo.

Il segno negativo è dovuto al fatto che il flusso si realizza da zone a maggior concentrazione verso zone a minor concentrazione.

V = - D * A * Δc

D: Coefficiente di diffusione, varia da sostanza a sostanza (m^2/s).

A: Area della superficie attraverso cui si muovono le molecole (m^2).

Δc: Differenza di concentrazione (mol/m^3).

L: Distanza entro la quale si muovono le molecole (m).

Conseguenze:

• Concentrazione: la velocità di diffusione dipende dal fattore Δc, ovvero che tanto più esso è elevato, tanto maggiore sarà la velocità di diffusione.
• Distanza: se il valore di Δc è uguale ma il denominatore (L) è maggiore, si avrà un

Rapporto Δc/Lpiù piccolo e quindi una minore velocità di diffusione;

Area di contatto: (a livello cellulare) la velocità di diffusione è tanto maggiore quanto più A ègrande, cioè la superficie di contatto (es. amplificazione della superficie di contatto tra due cellule conseguente al ripiegamento della membrana che si ha nelle transfer cells del floema);

Tempo di diffusione: con questa formula possiamo calcolare il tempo che una sostanza impiega per dimezzare la sua concentrazione iniziale: 2t = (distanza)c=1/2 D

Esempio: calcolando il tempo di diffusione delle molecole di H O dentro la cellula (dimensione media: 50 μm), o il tempo di diffusione delle molecole di vapor acqueo dall’interno della foglia all’aria esterna (distanza: 1 mm), i risultati che si otterrebbero, avrebbero un valore espresso in μsecondi. Il tempo quindi è molto breve, perciò compatibile con lo spostamento delle molecole

inconsiderazione per diffusione. Nel caso in cui si dovesse considerare una distanza maggiore, come ad esempio 5 m (altezza fusto di una pianta, trasporto xilematico), il calcolo condurrebbe ad un risultato espresso in giorni: questo tempo non è chiaramente compatibile con i tempi in cui deve avvenire il trasporto nello xilema. Quindi, l'acqua si muove per diffusione:

• dentro la cellula (da un punto ad un altro della cellula);
• alcune sostanze (H2O, CO2, glicerolo, O2) possono diffondere all'interno o all'esterno della cellula in funzione del gradiente di concentrazione;
• vapor acqueo che si porta dall'interno della foglia all'atmosfera (traspirazione);
• Flusso di massa: è il movimento di gruppi di molecole d'acqua in risposta ad un gradiente di pressione (acqua nelle tubature, flusso di un fiume, caduta della pioggia ecc). Nel caso delle piante corrisponde al flusso in un condotto a sezione circolare (xilema/floema) ed è

regolato dalla Legge di Poiseuille: J : velocità di flusso; W ΔP = ΔΨ / Δx r : raggio; 44J = πr ΔP/8η; P: Differenza di pressione fra due estremi; η: viscosità del liquido; Il flusso di massa dipende dal raggio e dal gradiente di pressione (non dipende invece dal gradiente di concentrazione). Il movimento di acqua nello xilema e nel floema avviene per flusso di massa. 3- Osmosi: è la diffusione di molecole d'acqua attraverso una membrana semipermeabile (ovvero che si lascia attraversare dal solvente ma non dal soluto). Le molecole d'acqua si spostano da dove sono più concentrate (acqua pura o soluzione a minor concentrazione) a dove sono meno concentrate (soluzione più concentrata) quindi secondo un gradiente di concentrazione. Nella cellula il movimento di H2O è regolato dal processo di osmosi in quanto l'ambiente esterno è separato da quello endocellulare da una membrana. Il movimento di acquaprosegue fino a che:

• Cellula animale: la cellula si espande fino alla rottura della membrana;
• Cellula vegetale: l'espansione del volume cellulare è vincolata meccanicamente dalla presenza della parete cellulare;

Nella cellula vegetale l'acqua tende ad entrare in quanto i soluti sono molto concentrati rispetto all'ambiente esterno, quindi si muove per diffusione secondo il suo gradiente di concentrazione. L'acqua entra nel vacuolo, il quale si rigonfia fino a toccare la parete cellulare esercitando così una pressione verso la parete. Per gradiente di concentrazione, le molecole di acqua sono spinte ad entrare, mentre per gradiente di pressione le molecole sono spinte ad uscire. Quindi, si crea ad un certo punto una situazione di equilibrio tale per cui tante sono le molecole che entrano e tante sono le molecole che escono: la cellula è turgida. Tutti e 3 i processi avvengono spontaneamente in risposta ad un forza motrice:

1. Processo Forza

motrice

Diffusione Gr