30.13: Transporte de Agua y Solutos en Plantas - Potencial de Agua y Soluto

Objetivos de aprendizaje

• Describir el potencial de agua y soluto en plantas

Potencial de agua

Las plantas son fenomenales ingenieros hidráulicos. Usando solo las leyes básicas de la física y la simple manipulación de la energía potencial, las plantas pueden mover el agua a la cima de un árbol de 116 metros de altura. Las plantas también pueden usar la hidráulica para generar suficiente fuerza para dividir rocas y abrochar las aceras. El potencial hídrico es crítico para mover el agua a las hojas para que pueda tener lugar la fotosíntesis.

Figura\(\PageIndex{1}\): Potencial hídrico en plantas: Con alturas que se acercan a los 116 metros, (a) las secuoyas costeras (Sequoia sempervirens) son los árboles más altos del mundo. Las raíces de las plantas pueden generar fácilmente suficiente fuerza para (b) abrocharse y romper aceras de concreto.

El potencial hídrico es una medida de la energía potencial en el agua, o la diferencia de energía potencial entre una muestra de agua dada y 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 (ψ _w ^{H2O pura}) se designa como un valor de cero (aunque el agua pura contiene mucha energía potencial, esa energía es ignorada). Los valores de potencial hídrico para el agua en una raíz, tallo u hoja de una planta se expresan, por lo tanto, en relación con ψ _w ^{H2O pura}.

El potencial hídrico en las soluciones vegetales está influenciado por la concentración de solutos, presión, gravedad y factores llamados efectos matriciales. El potencial hídrico se puede desglosar en sus componentes individuales usando la siguiente ecuación:

ψ _sistema = ψ _total = ψ _s + ψ _p + ψ _g + ψ _m

donde

• ψ _s = potencial de soluto
• ψ _p, = potencial de presión
• ψ _g, = potencial de gravedad
• ψ _m = potencial mátrico

“Sistema” puede referirse al potencial hídrico del agua del suelo (ψ ^suelo), el agua de la raíz (ψ ^raíz), el agua del tallo (ψ ^tallo), el agua foliar (ψ ^hoja) o el agua en la atmósfera (ψ ^atmósfera), cualquiera que sea el sistema acuoso que se esté considerando. A medida que los componentes individuales cambian, elevan 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 de agua al sistema o compartimento con un menor potencial de agua. Esto hace que la diferencia de potencial hídrico entre los dos sistemas (Δ) vuelva a cero (Δ = 0). Por lo tanto, para que el agua se mueva a través de la planta desde el suelo hasta el aire (un proceso llamado transpiración), las condiciones deben existir como tales:

ψ ^suelo > ψ ^raíz > ψ ^tallo > ψ ^hoja > ψ ^atmósfera.

El agua solo se mueve en respuesta a Δ, no en respuesta a los componentes individuales. Sin embargo, debido a que los componentes individuales influyen en el _sistema ψ total, una planta puede controlar el movimiento del agua manipulando los componentes individuales (especialmente ψ _s).

Potencial de soluto

El potencial soluto (ψ _s), también llamado potencial osmótico, es negativo en una célula vegetal y cero en agua destilada. Los valores típicos para el citoplasma celular son —0.5 a —1.0 MPa. Los solutos reducen el potencial hídrico (resultando en un ψ _w negativo) al consumir parte de la energía potencial disponible en el agua. Las moléculas de soluto pueden disolverse en el 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 entrar en solución. La energía en los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de soluto y el agua ya no está disponible para hacer trabajo en el sistema porque está atada en el enlace. En otras palabras, la cantidad de energía potencial disponible se reduce cuando se agregan solutos a un sistema acuoso. Así, ψ _s disminuye con el aumento de la concentración de soluto. Debido a que ψ _s es uno de los cuatro componentes del _sistema ψ o ψ _total, una disminución en ψ _s provocará una disminución en ψ _total. 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 se moverá del suelo a las células radiculares de una planta a través del proceso de ósmosis. Es por ello que el potencial soluto a veces se denomina potencial osmótico.

Figura\(\PageIndex{1}\): Potencial soluto: En este ejemplo con una membrana semipermeable entre dos sistemas acuosos, el agua se moverá de una región de mayor a menor potencial hídrico hasta alcanzar el equilibrio. Los solutos (ψ _s), la presión (ψ _p) y la gravedad (ψ _g) influyen en el potencial total de agua para cada lado del tubo (ψ _{total derecho o izquierdo}) y, por lo tanto, la diferencia entre ψ _total en cada lado (Δ). (ψ _m, el potencial debido a la interacción del agua con sustratos sólidos, se ignora en este ejemplo porque el vidrio no es especialmente hidrófilo). El agua se mueve en respuesta a la diferencia de potencial hídrico entre dos sistemas (los lados izquierdo y derecho del tubo).

Las células vegetales pueden manipular metabólicamente ψ _s (y por extensión, ψ _total) añadiendo o eliminando moléculas de soluto. Por lo tanto, las plantas tienen control sobre ψ _total a través de su capacidad de ejercer control metabólico sobre ψ _s.

Puntos Clave

• Las plantas utilizan el potencial hídrico para transportar el agua a las hojas para que pueda realizarse la fotosíntesis.
• El potencial hídrico es una medida de la energía potencial en el agua, así como la diferencia entre el potencial en una muestra de agua dada y el agua pura.
• El potencial hídrico está representado por la ecuación ψ _sistema = ψ _total = ψ _s + ψ _p + ψ _g + ψ _m.
• El agua siempre se mueve del sistema con un mayor potencial hídrico al sistema con un menor potencial hídrico.
• El potencial de soluto (ψ _s) disminuye con el aumento de la concentración de soluto; una disminución en ψ s provoca una disminución en el potencial hídrico total.
• El potencial hídrico interno de una célula vegetal es más negativo que el agua pura; esto hace que el agua se mueva del suelo a las raíces de las plantas por ósmosis..

Términos Clave

• potencial de soluto: presión (potencial osmótico) que debe aplicarse a una solución para evitar el flujo de agua hacia adentro a través de una membrana semipermeable
• transpiración: la pérdida de agua por evaporación en plantas terrestres, especialmente a través de los estomas; acompañada de una absorción correspondiente desde las raíces
• potencial hídrico: la energía potencial del agua por unidad de volumen; designada por ψ