§35. Транспорт веществ у организмов

Определения и обозначения

Транспорт веществ — перемещение воды, газов, минеральных солей, органических веществ и продуктов обмена внутри организма или между организмом и средой. Благодаря этому клетки получают необходимые вещества, а продукты их жизнедеятельности удаляются или передаются другим клеткам. Понятие охватывает и перенос через мембрану, и движение веществ по всему организму.

Диффузия — самопроизвольное перемещение частиц из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. Частицы движутся хаотично, но в целом их перенос направлен по градиенту концентрации, то есть в сторону её уменьшения. Так могут распространяться, например, молекулы газов на небольшие расстояния.

Осмос — переход молекул воды через избирательно проницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ. Такая мембрана пропускает воду, но ограничивает движение некоторых растворённых частиц. Осмос помогает понять, почему клетки набирают или теряют воду в растворах разной концентрации.

Транспортная система — совокупность органов, тканей и жидкостей, обеспечивающих перенос веществ на значительные расстояния внутри организма. Она необходима, когда отдельные клетки удалены от поверхности, через которую организм обменивается веществами со средой. У растений такую роль выполняют проводящие ткани, у животных — кровеносная и лимфатическая системы вместе с тканевой жидкостью.

Как это устроено

Организму нужно доставлять клеткам воду, кислород, минеральные соли и питательные вещества, а также удалять углекислый газ и другие продукты обмена. Если бы обмен происходил только между организмом и внешней средой, внутренние клетки не получали бы вещества достаточно быстро. Поэтому перенос идёт и между клетками, и между тканями, а у сложных организмов — по всему телу.

На малых расстояниях транспорт часто обеспечивают диффузия и осмос, потому что частицы способны двигаться самостоятельно. Чем сильнее различается концентрация по разные стороны участка, тем больше частиц в среднем перемещается в нужном направлении. Увеличение площади обменной поверхности тоже ускоряет перенос, а большая длина пути его замедляет; поэтому тонкие мембраны и разветвлённые поверхности эффективны для обмена.

Некоторые вещества клетке нужно накапливать там, где их концентрация уже выше, чем снаружи. Самопроизвольный перенос в таком направлении невозможен, поэтому работает активный транспорт: мембранные белки связывают определённые частицы и перемещают их против градиента. На эту работу расходуется энергия АТФ, образующаяся при клеточном дыхании.

Диффузия через белковый канал или переносчик называется облегчённой диффузией: белок помогает веществу пройти через мембрану, но частица всё равно движется по градиенту. На больших расстояниях выгоднее переносить вещества потоком жидкости, поскольку он доставляет их сразу к множеству участков. У животных таким потоком служит кровь, а у растений воду и растворённые вещества проводят ксилема и флоэма.

Способ транспорта зависит от размеров и уровня организации организма. У одноклеточных обмен через поверхность клетки обычно достаточен: расстояния внутри неё малы. У многоклеточных клетки расположены глубже, поэтому появились специализированные ткани и системы; их устройство соответствует образу жизни и потребностям организма, например необходимости снабжать активно работающие ткани.

Основные способы транспорта веществ у организмов

Сначала определите, где находится вещество и куда оно должно переместиться: это помогает установить направление переноса. Затем выясните, движется ли оно по градиенту, через мембрану или вместе с потоком жидкости. Столбец о затратах энергии показывает, нужен ли клетке непосредственный расход АТФ.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, каким способом кислород поступает из воздуха в альвеолы лёгких, а затем из альвеол в кровь. Альвеолы — небольшие воздушные полости лёгких, окружённые капиллярами. Чтобы определить направление переноса, сравним парциальное давление кислорода — долю общего давления, создаваемую этим газом, — в соседних средах.

1. Вдыхаемый воздух проходит по дыхательным путям и попадает в альвеолы. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе выше, чем в поступающей венозной крови.
2. Поэтому кислород диффундирует через тонкую стенку альвеолы и стенку капилляра в кровь. Перенос идёт по разности парциальных давлений и не требует непосредственных затрат АТФ.
3. В воздухе кислород сначала перемещается к альвеолам вместе с потоком при вдохе, а переход из альвеол в кровь происходит диффузией. Это два разных этапа транспорта.

Ответ: с вдыхаемым воздухом кислород достигает альвеол, а из них в кровь переходит диффузией по градиенту парциального давления.

Задача 2. Определите, что произойдёт с растительной и животной клетками в гипертоническом растворе. Гипертоническим называют раствор, в котором концентрация растворённых веществ выше, чем внутри клетки. Сравнение концентраций позволяет предсказать направление осмоса.

1. Вода проходит через избирательно проницаемую мембрану в сторону раствора с большей концентрацией растворённых веществ. В данном случае она будет выходить из обеих клеток.
2. Животная клетка потеряет часть воды и уменьшится в объёме. У растительной клетки содержимое отойдёт от клеточной стенки, но сама стенка сохранит общую форму клетки.

Ответ: обе клетки теряют воду; животная сморщивается, а у растительной возникает плазмолиз — отставание содержимого клетки от стенки.

Задача 3. Сравните перенос воды и минеральных веществ по ксилеме с переносом органических веществ по флоэме. Нужно указать, откуда поступает вещество, в каком направлении оно может перемещаться и за счёт чего поддерживается движение. Источником вещества называют орган или ткань, где оно образуется или поступает в растение.

1. Ксилема переносит воду и растворённые минеральные вещества преимущественно от корней к листьям. Испарение воды листьями создаёт тягу, а свойства молекул воды помогают поддерживать непрерывный поток.
2. Флоэма переносит органические вещества, главным образом сахара, от источников к потребителям. Источниками могут быть листья, где образуются сахара, а потребителями — растущие органы и запасающие ткани.
3. Направление по флоэме зависит от расположения источника и потребителя, поэтому нельзя сводить его к движению только вверх или только вниз. Различие концентраций и давления в проводящей ткани помогает перемещать раствор.

Ответ: ксилема обычно проводит воду и минеральные вещества вверх от корней, а флоэма переносит органические вещества от источника к потребителю; направление по флоэме определяется их расположением.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой транспорт через мембрану требует затрат АТФ. Так думают, потому что активный перенос часто приводят как яркий пример работы мембраны, но обычная диффузия и осмос идут без непосредственного расхода энергии клетки. Проверьте себя: если частицы движутся по градиенту, а белок лишь помогает им пройти, это пассивный перенос.

Ошибка — путать диффузию с осмосом и называть осмосом движение любых частиц. Осмос — частный случай переноса, в котором через избирательно проницаемую мембрану движется именно вода. Чтобы проверить ответ, задайте вопрос: какое вещество пересекает мембрану и есть ли она?

Ошибка — утверждать, что вещества всегда движутся только от корня к листьям или только от источника к потребителю. Такие схемы кажутся удобными, но направление определяется видом вещества, расположением органов и текущими условиями. Проверьте формулировку: для флоэмы укажите источник и потребителя, а не постоянное направление по сторонам света.

Ошибка — смешивать перенос через мембрану с транспортом по организму в целом. В первом случае речь идёт о перемещении частиц на уровне клетки, во втором — о доставке веществ на большие расстояния, например кровью или проводящими тканями. Проверяйте масштаб процесса и механизм: мембранный белок и поток жидкости — не одно и то же.

Связь с другими темами

Для понимания транспорта нужны знания о строении клеточной мембраны, концентрации и её градиенте, а также об АТФ и клеточном дыхании. Эти понятия помогают объяснить, почему одни вещества проходят пассивно, а другие переносятся с затратой энергии. Транспорт связан с фотосинтезом, дыханием и минеральным питанием растений, а у животных — с работой кровеносной и лимфатической систем.

Доставка веществ и удаление продуктов обмена поддерживают гомеостаз — относительное постоянство внутренней среды организма. Поэтому тема помогает разобраться в выделении, регуляции функций и приспособлениях к условиям среды. Например, особенности транспорта важны для понимания того, как организмы снабжают клетки при разных размерах тела и образе жизни.

Что запомнить

• Транспорт веществ необходим для обмена организма с окружающей средой и взаимодействия клеток.
• Диффузия идёт по градиенту концентрации и не требует затрат энергии.
• Осмос — это диффузия воды через избирательно проницаемую мембрану.
• Активный транспорт идёт против градиента концентрации и требует энергии АТФ.
• На большие расстояния вещества переносятся потоками жидкостей.
• У растений главные проводящие ткани — ксилема и флоэма.
• У животных транспорт веществ обеспечивают кровь, лимфа и тканевая жидкость.