DIFUSION

La difusión es un fenómeno meramente físico que es llevado a cabo por cualquier substancia. Es un fenómeno que observamos en forma cotidiana en muchas circunstancias de nuestra vida. Por ejemplo, cuando colocamos café instantáneo en una taza con agua caliente, si no agistásemos con la cuchara el café, este tendría una tendencia a dispersarse por todo el volumen del agua.

La explicación de los ejemplos anteriores es que, a temperaturas por arriba del cero absoluto (-273 ºK), todos los componentes de la materia están en movimiento; es decir,  poseen cierta cantidad de energía cinética. Este movimiento se realiza al azar, las moléculas se mueven en todas direcciones y en muchos casos, tienen choques entre sí.

Si se considera el aire que respiramos, está compuesto por una mezcla de gases donde el nitrógeno presenta la mayor concentración. Además está compuesto por oxígeno, dióxido de carbono y otros gases en menor proporción y todos forman una mezcla uniforme.

Las moléculas de estos gases se encuentran en constante movimiento al azar y constantemente tienen colisiones entre sí. Las moléculas de nitrógeno están en mayor proporción que las del oxígeno y de los demás gases, sin embargo, todos están mezclados uniformemente en el aire.

Los gases, en comparación con los sólidos o los líquidos, son los que ofrecen la menor resistencia a la difusión de sus moléculas. A presión y temperatura normales, las moléculas de un gas están muy distanciadas unas de otras, con lo cual el número de choques probables que podrían afectar la difusión de un segundo gas en él, es muy pequeño. Un experimento sencillo podría dejar más claro lo expuesto anteriormente.

Si se abre una cápsula de gas bromo dentro de una campana a la cual previamente se le ha sustraído el aire, las moléculas de bromo llenan casi inmediatamente el espacio limitado por la campana. 

Esto es fácil de observar gracias al calor rojo obscuro del gas bromo. Sin embargo, si no se ha sacado el aire de la campana, la difusión del gas bromo se ve notablemente retardada y puede observarse el lento avance del bromo dentro de la campana.         

La comparación de las dos posibilidades, difusión en un vacío parcial y difusión en el aire, nos revela la importancia de la concentración de las moléculas de aire en el que tiene lugar la difusión del gas bromo. Claramente se manifiesta la dificultad de las moléculas de gas bromo para difundir, ocasionada por la presencia de las moléculas de aire. Cuando dichas moléculas están ausentes, la difusión del bromo se lleva a cabo con mucha mayor rapidez.

PRESION DE DIFUSION.

 
Una demostración clásica de la presión de un gas, queda de manifiesto en el funcionamiento del barómetro, un instrumento que sirve para medir la presión atmosférica. Si se llena un tubo de vidrio con mercurio líquido y se invierte con el extremo abierto bajo la superficie de un recipiente de poco fondo conteniendo mercurio, el mercurio descenderá en el tubo una cierta distancia.

La altura alcanzada por la columna de mercurio del tubo de vidrio es de 760 mm a nivel del mar. Es decir que el peso del aire, que actúa sobre la superficie del recipiente conteniendo el mercurio, es suficiente para impulsar la columna de mercurio hasta una altura de 760 mm.

La presión media a nivel del mar o presión  atmosférica normal se expresa como 760 mm de mercurio o una atmósfera (fig. 3 x). Un ejemplo de la presión ejercida por un gas encerrado en un recipiente puede ser observado al inflar un balón. cuando se infla un balón, las moléculas de aire se van concentrando progresivamente, con lo que se origina un aumento de presión.

La presión ejercida por un gas en un recipiente cerrado es la suma de las presiones ejercidas por cada una de las moléculas del gas al golpear simultáneamente las paredes del recipiente.

Un aumento en la concentración del gas significa un aumento en el número de moléculas golpeando las paredes  del balón al mismo tiempo, lo que obviamente provocará un aumento de la presión. La paredes del balón se extenderán para compensar el aumento de presión, dando así una demostración de la capacidad de los gases para ejercer presión.

Se ha demostrado que el gas encerrado en un balón tiene una mayor presión de difusión que el aire exterior. Por consiguiente, si se rompe el balón, el gas encerrado al tener mayor presión de difusión, se dispersará en el aire del ambiente.

OSMOSIS

El concepto de ósmosis puede definirse como un tipo especial de difusión en el cual una substancia para a través de una membrana semipermeable de una región de mayor concentración a otra en la cual la concentración es más baja.

El proceso osmótico puede ser demostrado con cierta facilidad y utilizando materiales fáciles de conseguir. Dentro de los métodos más comunes para demostrar la presión osmótica se encuentra el siguiente: se sujeta una vejiga de cerdo a una pipeta con una liga, posteriormente se llena con una solución de algún soluto (sacarosa, NaCI, etc.) y se coloca en un recipiente conteniendo agua destilada.            

La vejiga de cerdo tiene las mismas propiedades de la membrana celular, es decir, es diferencialmente permeable y solo permite el paso del agua a través de ella, más no así los solutos. De esta manera el agua podrá circular tanto hacia adentro como hacia afuera de la vejiga. Sin embargo, la velocidad de circulación de dicha agua hacia el interior será mayor que la velocidad del agua que circula hacia el exterior. Eso es debido a que la concentración de agua en el recipiente es mayor que la concentración de agua en la vejiga.

Bajo estas circunstancias, el agua se irá acumulando en la vejiga, lo que provocará una elevación de una columna de agua por el interior de la pipeta. A medida que el agua se acumula en el interior de la vejiga, la solución se va haciendo gradualmente más diluida, con lo cual la velocidad del agua que entra a la vejiga irá disminuyendo.

Es decir, cada vez hay menos diferencia entre la concentración del agua en el recipiente y la del interior de la vejiga. Al final se alcanza un equilibrio en el cual las fuerzas que actúan sobre la entrada del agua hacia la vejiga se igualan a las que actúan a favor de una salida de agua.

Como puede observarse, la ósmosis es muy similar a la difusión, de hecho es un tipo especial de difusión y el único factor distintivo es la presencia de una membrana con permeabilidad diferencial.

Presión Osmótica

 
El término presión osmótica se usa con frecuencia en trabajos dedicados a la fisiología del agua en las plantas. Debido a la dificultad existente para demostrar esta presión y debido a que solo se le puede medir de modo indirecto, el término presión osmótica es difícil de comprender perfectamente. Podemos definir la presión osmótica como la presión necesaria para contrarrestar el paso de agua pura al interior de una solución acuosa a través de una membrana semipermeable evitando así un incremento en el volumen de la solución.

Esta definición implica que la solución éste encerrada en un recinto perfectamente elástico.  Y perfectamente permeable al agua pero no a los solutos, sin embargo, también se habla de presión osmótica refiriéndose a soluciones que no se encuentran encerradas en ninguna estructura semipermeable. La presión osmótica es una propiedad coligativa de una disolución. Es decir es directamente proporcional al número de moléculas de soluto disueltas en una cantidad dada de disolvente.

Así pues, una solución 1 molal de una sustancia no disociada a 0 °C tiene una presión osmótica teórica de -2.7 bares (22.4 atm).  Si tenemos en cuenta que la presión osmótica es directamente proporcional al número de moléculas de soluto por molécula de disolvente.

Una disolución 0.5 molal tiene  una presión osmótica teórica de -11.35 bares. Aunque hablemos de presión osmótica presentada por disoluciones no confinadas no se desarrolla presión en sentido literal de la palabra. Solamente cuando encerramos una de estas disoluciones en una membrana semipermeable dicha presión se pondrá de manifiesto. En realidad el término potencial osmótico se emplea con preferencia al de presión osmótica en los estudios más recientes sobre las relaciones hídricas en las plantas.

Aunque numéricamente sean iguales, los dos términos difieren por su signo. Al ser negativo el potencia osmótico y positiva la presión osmótica.

Presión de turgencia

Tal como se dijo anteriormente, el citoplasma y los orgánulos celulares están encerrados en el interior de una membrana semipermeable, el plasmalema o simplemente,  la membrana protoplasmática. A diferencia de las células animales, en las células vegetales la membrana citoplasmática está rodeada por una estructura rígida y relativamente inélastica llamada pared celular.

Esta propiedad característica de las plantas permite a sus células aguantar variaciones relativamente amplias de concentración osmótica. En cambio, la célula animal puede vivir solamente en el seno de soluciones cuya concentración osmótica sea idéntica o casi idéntica a la de su propio contenido celular.  Colocada en agua pura la célula vegetal se hincha solamente hasta un cierto límite no muy importante y no estalla.

Gracias a la elevada presión osmótica del contenido celular el agua penetra en la célula, con lo cual la membrana protoplasmática va siendo progresivamente comprimida contra la pared celular.

La presión desarrollada por este fenómeno (es decir. la presión que comprime la membrana celular contra la pared celular) recibe el nombre de presión de turgencia. Gracias a su rigidez la pared celular ejerce una presión igual y opuesta, a la que denominamos presión de pared. Como resultado de esta contraposición de fuerzas, la planta situada en estas condiciones queda en un estado llamado turgente.

Uno de los primero síntomas de déficit de agua en una planta consiste en una pérdida de turgencia que tiene lugar en las células de sus hojas, fenómenos que origina el aspecto marchito de dichas hojas.

DEFICIT EN LA PRESION DE DIFUSION.

El término déficit de presión de difusión abreviado generalmente como DPD, fue introducido por Meyer y Anderson (1952) y fue profusamente difundido, se ha empleado más que cualquier otro. El DPD del agua en una célula o en una solución fue definido como la cantidad en que su presión de difusión es más baja que la del agua pura a la misma temperatura y bajo presión atmosférica. El DPD de una célula podía considerarse como una medida de la presión con la cual se difundiría el agua en la célula sumergida en agua pura. La ecuación para El DPD de una célula es:

DPD= PO-PT

dónde:
PO= Presión Osmótica del contenido de la célula 

PT= Presión de turgencia dentro de la célula.

La terminología del déficit de presión de difusión ha sido muy útil, pero la fisiología vegetal se ha desarrollado a un nivel de sofisticación científica en que debe utilizar la terminología más básica de la fisicoquímica y de la termodinámica.

El término “presión de difusión” se emplea raras veces hoy en día y el término DPD intriga a los que se dedican a las ciencias físicas. En cambio, el término de “potencial químico” se emplea más frecuentemente en las ciencias físicas y en edafología.

Su significado resulta claro además, el empleo de la terminología más básica de la termodinámica facilita la separación y evaluación de los distintos componentes: osmótico, martillo y presión que afectan al potencial total del agua de las células y tejidos por lo tanto, es más actualizado utilizar el concepto de potencial hídrico y no el de DPD.

Antes de entrar a considerar el potencial hídrico es necesario considerar algunos aspectos y conceptos de termodinámica que son necesarios para comprender mejor este potencial.

ENERGIA LIBRE DE GIBBS

La energía libre (G) de un sistema se define como la capacidad del sistema para realizar un trabajo útil. Si el sistema sufre una transición de un estado a otro tal que la energía libre disminuye, entonces G es negativo, y puede ser hecho un trabajo útil durante esta transición.

En este caso la transición es natural y espontánea, ya que no requiere suministro de trabajo del medio circundante. Esta situación puede compararse con la caída de una piedra desde una altura a la tierra, desde un estado de alta energía potencial a otro de más baja energía potencial.

Si durante la transición la energía incrementa, o sea G es positiva, esto solo puede ocurrir si se realiza trabajo sobre el sistema por el medio circundante. Si no hay cambio de energía libre durante la transición G=0, el sistema estará entonces en equilibrio. Esto puede ser análogo a un peso que se mueve horizontalmente a lo largo de una superficie pulida sin considerar la fuerza de fricción.

POTENCIAL QUÍMICO

El potencial químico de una substancia en un sistema es la medida de la capacidad de esa substancia para realizar un trabajo de movimiento. Generalmente se considera que es igual a la energía libre parcial molar de Gibbs. En una disolución simple de un no-electrolito en agua, el potencial químico del agua depende de la energía libre media por molécula y la concentración de agua, es decir, de la fracción molar del agua.

En un sistema cerrado que contiene dos recipientes de la misma capacidad. Uno de ellos (1) contiene un volumen determinado de agua pura y otro (2) contiene el mismo volumen pero de agua más solutos. El sistema se encuentra bajo condiciones ideales de presión y temperatura.

Después de un cambio en el tiempo, se espera encontrar que el volumen del recipiente con agua pura, disminuya su volumen original y aumente el volumen del recipiente que contiene agua más solutos, aunque no en la misma medida en que el agua pura disminuye.

La explicación al comportamiento del sistema descrito, se basa en la siguiente: las moléculas de agua pura tienen un potencial químico (m ap), es decir, tienen la capacidad de realizar un trabajo de movimiento y por consecuencia se mueven constantemente en todas direcciones, de ahí que resulte lógico pensar que algunas moléculas de agua rompen la tensión superficial y escapan fuera del recipiente.

En el caso del agua con solutos, ocurre lo mismo, las moléculas de agua están en constante movimiento (por su potencial químico) pero solamente aquellas que no están asociadas a los solutos. Un soluto, por tener cargas eléctricas en la periferia, puede neutralizar el movimiento de algunas moléculas de agua por una simple atracción eléctrica.

De esta manera, solamente las moléculas que conservan su energía libre y que no han sido neutralizadas por los solutos, tendrán capacidad de movimiento. Por esta razón, del segundo recipiente escapan menos moléculas de agua comparadas con las que están llegando desde el recipiente 1, obteniéndose así, un ingreso neto de agua que al final aumentará el volumen inicial del recipiente que contiene al agua más solutos.

Si diseñamos otro sistema y modificamos un poco el anterior colocando una membrana semipermeable entre los dos recipientes, ocurrirá lo mismo que en el caso anterior, solo que ahora las moléculas no escaparán de los recipientes, sino que atravesarán la membrana semipermeable libremente hacia el recipiente que contiene agua más solutos.

Las moléculas de agua libres del segundo recipiente, también atravesarán la membrana pero no así los solutos disueltos que se quedan en el recipiente.

Como se ha planteado, existe flujo de agua en ambas direcciones, aunque se mueve más agua del recipiente 1 al 2, que del 2 al 1. Esto trae como consecuencia que el volumen del recipiente 2 aumente hasta que el número de moléculas libres de soluto de éste recipiente que atraviesan la membrana, sea el  mismo número de las moléculas de agua pura que intentan pasa al recipiente 2. Cuando ocurra ésta situación, puede decirse que existe un equilibrio en las moléculas que atraviesan la membrana y el volumen en ambos lados, aunque es diferente, permanece constante.

El diseño de un tercer sistema sirve para acercarnos más a la realidad. hasta ahora se ha utilizado el ejemplo del agua pura, aunque  en realidad es difícil de encontrar en estado natural. El agua en la naturaleza siempre tendrá algunos solutos disueltos, por lo que nunca será agua pura.

En éste nuevo sistema, en el recipiente 1 existe agua con solutos y en el recipiente 2 también. Ahora es necesario decidir en cual recipiente existe una mayor cantidad de solutos disueltos. Supongamos que es en el segundo, recipiente donde hay más solutos disueltos y recordemos que ambos recipientes tienen el mismo volumen de agua.

Al igual que en los sistemas anteriores, el agua libre de solutos se estará moviendo en todas direcciones (por su potencial químico) y algunas moléculas atravesarán la membrana semipermeable para ir al otro recipiente. Ahora existen solutos en ambos lados, pero dependiendo de donde haya menos solutos y más agua libre, es de donde se moverá la mayor cantidad de agua hacia donde haya menos agua y más solutos.

Dicho de otra manera, el agua se moverá del recipiente que contenga el mayor potencial químico hacia donde exista agua con menos potencial químico.

Los ejemplos anteriores nos sirven para explicar como el agua del suelo entra a la raíz, es decir, como ocurre la absorción del agua por la planta.

En el suelo existe agua mezclada con solutos (partículas de arcilla, iones minerales, materia orgánica, etc.), por otro lado, en cada célula de la raíz, también existe agua mezclada con solutos (proteínas, azúcares, iones minerales, etc, que están disueltos en el citoplasma celular), dependiendo de donde existan menos solutos y más agua libre, es hacia donde se moverá el agua que se encuentra libre de solutos.

Generalmente en el suelo existe más agua libre por unidad de volumen, comparado con el citoplasma celular, por lo que el agua tiende a atravesar la membrana celular y se introduce de ésta manera a la raíz.

El concepto de potencial hídrico se refiere al potencial químico que tiene el agua. Recordemos que el concepto de potencial químico es muy general, ya que se refiere a la energía con que cuenta cualquier compuesto químico para realizar un trabajo de movimiento. En el caso del potencial hídrico, se refiere a la capacidad que tiene el agua de llevar a cabo un trabajo de movimiento.

El potencial hídrico (y) es un término que fue propuesto para expresar la diferencia entre el potencial químico del agua en cualquier punto del sistema (yw) y el potencial químico del agua pura (ywo) bajo condiciones estándar de presión y temperatura en un volumen dado.

El potencial hídrico se puede determinar de la siguiente manera:
                              

y= mw - mwo= R T In e/eo

                 

dónde:
R, es la constante de los gases ideales (Joules/mol/grados); T es la temperatura absoluta (oK); 

e, es la presión de vapor del agua a temperatura T;  

eo, es la presión del agua pura a la misma temperatura.

Las unidades de RT In e/eo Joules/mol -1. Cuando e/eo es menor que 1, como es el caso de los sistemas biológicos, In e/eo es negativo y potencial hídrico es expresado como un valor con signo negativo. El potencial hídrico puede ser incrementado ya sea por presión mecánica o bien por aumento en la temperatura del sistema y puede ser disminuido por la presencia de solutos disueltos.

Los potenciales químicos generalmente son expresados en unidades de energía (erg/mol^-1) y el potencial hídrico también puede ser expresado en las mismas unidades, aunque es más conveniente el uso de unidades de presión (atmósferas o bares) para explicar las relaciones hídricas de la planta. Las unidades de energaía pueden ser convertidas a unidades de presión dividiéndolas entre el volumen parcial molal del agua:

                 mw  - mwo        R T In e/eo
                     ----------------      =  ----------------------
                Vw                      Vw

Las unidades de esta ecuación son:

erg/mol
------------= erg/cm³ = dina/cm²,     1 bar= 0.987 atm. = 106  dinas/cm²
cm³/mol

COMPONENTES DEL POTENCIAL HIDRICO

Para analizar los componentes del potencial hídrico (y), hagámoslo partiendo de una célula. Para simplificar consideremos que una célula vegetal típica está constituida por una vacuola, una pared celular y una capa citoplasmática. La vacuola contiene una solución acuosa. La pared puede presionar sobre el contenido celular e inducir una presión hidrostática dentro de la vacuola. La capa de citoplasma junto con la pared es la matriz de la célula.

Potencial mátrico.- La palabra mátrico se deriva de la matriz celular. El potencial mátrico (ym) expresa la afinidad adsortiva del agua a las substancias coloidales y a la superficies en las células vegetales; por ejemplo, los materiales protoplasmáticos y de la pared celular.

El potencial mátrico (ym) tiene una contribución negativa al potencial hídrico, ya que las fuerzas matriciales disminuyen el potencial químico del agua en ese sistema en relación con el potencial químico del agua en el sistema estándar de agua pura.

Su valor es considerable en los tejidos con células no vacuoladas y en tejidos deshidratados en los que como en las semillas secas, el agua se sostiene fundamentalmente por fuerzas adsortivas. En plantas herbáceas el potencial mátrico es despreciable; su valor en varios tejidos se ha calculado que es alrededor de -0.1 bar.

Potencial de soluto.- Es la disminución del potencial hídrico debido a las substancias ióncas o no-ióncas en solución.

El potencial de soluto (ys) depende del número total de partículas en solución, ya sean iones o moléculas y es independiente de su tipo y de su carga.

La contribución del potencial de soluto al potencial hídrico es negativo, ya que si una solución contiene solutos, el potencial hídrico será menor que el del agua, porque la presencia de solutos disminuye la concentración de agua en la solución. Su valor varía entre -10 y -20 bar en plantas herbáceas.

Potencial de presión.- Además de la presión atmosférica a la que están sometidos todos los objetos, los animales o las plantas en la superficie terrestre, la presión normal ejercida sobre el contenido de una célula vegetal se debe principalmente a la fuerza de tensión y fuerza elástica de la pared celular. Como resultado de la presión de la pared dirigida hacia adentro, se desarrolla una presión hidrostática en la vacuola. Esta es la presión de turgencia o potencial de presión (yp ).

En contraste con el potencial de soluto y el potencial mátrico, el potencial de presión, es casi siempre positivo y se define como la presión por encima de una atmósfera ejercida sobre el sistema.

La presión de turgencia o potencial de presión varía en muchas plantas de cultivo con valores que van desde + 3 hasta +5 bar durante el mediodía, hasta +5 bar o más durante la noche. De lo anterior podemos concluir que la fórmula del potencial hídrico será:

y = ym  + ys +yp

Los valores de y, ym, ys y yp se expresan frecuentemente en unidades de presión como son: bares, atmósferas o cm3 de columna de agua.  Sin embargo, pueden también expresarse en unidades de energía libre, así por ejemplo en J g-1 o erg g-1. 

Es necesario tener en cuenta que cuando se convierten unidades de presión (bares, atm, dinas cm^-2) a unidades de energía libre, son iguales numéricamente, pero que sus dimensiones son diferentes. El valor absoluto del potencial hídrico de una célula o tejido, depende en principio del potencial osmótico.

El potencial osmótico varía en mayor frecuencia dentro del rango de - 4 a - 30 bares (p. ej. presión osmótica entre + 4 a + 30 bares). Sin embargo, pueden encontrarse valores más altos y también considerablemente más bajos.

Existe una amplia variación en los diferentes valores promedio del potencial osmótico del contenido celular, para algunos tipos de plantas, por ejemplo: suculentas - 3 a - 7 bares, plantas acuáticas sobre - 8 bares, plantas de pantano - 9 a - 14 bares, plantas de sombra - 7 a - 9 bares, plantas cultivadas de regiones templadas - 10  a - 20 bares, plantas de sol - 12 a - 20 bares, coníferas - 16 a - 22 bares, plantas siempre verdes - 15 a - 23 bares, plantas de regiones semiáridas - 20 a - 40 bares, halofitas - 20 a - 60 bares (en ocasiones hasta - 200 bares).  Los tubérculos y los bulbos tienen valores desde - 7 a - 21 bares, frutos desde - 9 (tomate) a - 38 bares (uvas).

En una completa saturación, el potencial osmótico negativo es equilibrado por el potencial positivo de presión (presión de la pared celular y células circunvecinas), de manera que el potencial hídrico de la célula completa es igual a cero. El potencial hídrico de la célula puede ser inferior al potencial osmótico, p. ej. cuando el valor del déficit de presión de difusión es más alto que el valor de la presión osmótica.

El potencial de presión alcanza su máximo valor en condiciones de saturación completa con el valor de turgencia máximo, cuando este es numéricamente igual al valor negativo del potencial osmótico, entonces llega a ser cero con la pérdida de turgencia cuando el potencial hídrico en células vacuoladas es igual al potencial osmótico del contenido vacuolar.

En la mayoría de las plantas cultivadas,  la pérdida de turgencia ocurre a potenciales hídricos por arriba de - 20 bares.

Métodos para medir el potencial hídrico de células y tejidos.

Se ha descrito un gran número de métodos para determinar el potencial hídrico celular de un tejido. Sin embargo, es difícil aceptar un método de manera universal y solamente la experiencia determinará cuál es el mejor método para un propósito en particular.

Los métodos para medir el potencial hídrico básicamente son de tres tipos: 1) métodos de compensación, 2) métodos directos de medición de la presión de vapor del agua en el tejido y 3) método de la cámara de presión.

Métodos de compensación. En los métodos de compensación, se toma en cuenta una solución con un potencial osmótico conocido el cual es igual al potencial hídrico del tejido (o en algunos casos, de células individuales) que se analiza. La solución utilizada es isotónica.

Método de medición de la presión de vapor de agua. Este es un método directo donde se coloca la muestra en un vaso cerrado y sellado y se mide la presión de vapor de agua. En este caso se utilizan termopares que se conectan a un psicrómetro.

Método de la cámara de presión. En este método, el potencial hídrico de las células de la hoja es compensado por una presión externa aplicada a la hoja. El punto de compensación es alcanzado o determinado cuando el agua empieza a fluir desde las células del mesófilo de la hoja hacia el interior de los vasos del xilema en contra del gradiente osmótico del contenido de los vasos.