Кейс — экспериментальная схема (коротко)
- Объект: животные клетки (эритроциты человека или культуры клеток), растительные клетки (луковая чешуйка или Elodea).
- Растворы: дистиллированная вода ($0\%$ NaCl), гипотонический ($0.45\%$ NaCl), изотонический (физиологический) ($0.9\%$ NaCl), гипертонический ($3\%$ NaCl); для растений дополнительно серия сахарозы: $0.2\text{M}$, $0.5\text{M}$, $1.0\text{M}$.
- Время наблюдения: $0,1,5,10,30\text{min}$. Репликаты: $n\ge 3$.
Ожидаемые результаты и как их фиксировать
- Животные клетки:
- Гипотонический (дист. вода): быстрое набухание, гемолиз — клетки лопаются; ожидаемо большая доля лизированных клеток (приближённо ~100% при сильном гипотоническом шоке). Фиксация: измерение оптической плотности супернатанта при $540\text{nm}$ (OD540) — рост при гемолизе; изменение среднего диаметра по микрофотографиям.
- Изотонический ($0.9\%$): нет заметных изменений, контроль стабильности.
- Гипертонический ($3\%$): сжатие/склёвывание (crenation), уменьшение диаметра; низкий уровень лизиса. Фиксация: % целых клеток по микроскопии, изменение диаметра.
- Растительные клетки:
- Гипотонический (вода): тургорное состояние (плотно прижата плазма к клеточной стенке), клетки тургидные; фиксируется смещение/расположение хлоропластов, увеличение клеточного объёма.
- Изотонический / слабая гипертония ($0.2\text{M}$ сахарозы): флацидное состояние, небольшие изменения.
- Сильная гипертония ($\ge 0.5\text{M}$ сахарозы, ориентировочно): плазмолиз — протопласт отходит от клеточной стенки, образование межстеночного зазора; при очень высоких концентрациях возможен необратимый циторризис. Фиксация: % плазмолизованных клеток, расстояние между мембраной и стенкой по микрофотографиям, изменение площади/объёма клетки.
Механизмы (кратко, с формулой)
- Осмос: пассивный перенос растворителя через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией растворённых веществ в область с большей концентрацией. Движущая величина — осмотическое давление; в приближённой форме для разбавленных растворов:
$$\Pi =iCRT$$ где $\Pi$ — осмотическое давление, $i$ — ионный коэффициент Вант-Гоффа, $C$ — молярная концентрация растворимых частиц, $R$ — газовая постоянная, $T$ — абсолютная температура.
- Плазмолиз (растения): при потере воды протопласт (цитоплазма + плазматическая мембрана) уменьшается и отстаёт от жёсткой клеточной стенки; процесс может быть обратимым (при восстановлении воды) или необратимым (циторризис) если повреждены мембрана/органеллы.
- Животные клетки без клеточной стенки: при осмотическом набухании мембрана не ограничена стенкой — возможен лизис (разрыв), при потере воды — сморщивание (crenation), но не плазмолиз.
Контрольные измерения и контрольные условия
- Изотонический контроль: $0.9\%$ NaCl для животных; для растений — слабый раствор с известной осмолярностью.
- Нуль-время: фиксировать состояние до внесения раствора.
- Репликация: $n\ge 3$ на каждую точку.
- Температура и pH одинаковы для всех проб.
- Калибровка микроскопа/камеры; автоматизированный подсчёт клеток (или ручной с чёткими критериями).
- Количественные методы: OD540 для гемолиза; подсчёт % целых/плазмолизованных клеток; измерение диаметра/площади клеток по изображению; при возможности — измерение осмолярности растворов (осмометр).
- Временные точки: $0,1,5,10,30\text{min}$ (и при необходимости более длительные).
- Отрицательный контроль: клетки в собственном среде (без изменения осмолярности).
- Положительный контроль: известный лизирующий/плазмолизующий раствор для проверки методики.
Короткие рекомендации по интерпретации
- Для животных: значимое увеличение OD540 и снижение % целых клеток = гемолиз; уменьшение диаметра без роста OD540 = дегидратация/кренование.
- Для растений: рост % плазмолизованных клеток и увеличивающееся расстояние мембрана–стенка с ростом концентрации — подтверждение осмотического оттока воды.
Если нужно, могу предложить шаблон таблицы наблюдений и формулы для расчёта процентов и изменения диаметра.