植物細胞の原形質分離と膨圧Plasmolysis and Turgor Pressure in Plant Cells

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 植物細胞を純水に入れると、細胞はどうなると思いますか。動物の赤血球のように破裂するでしょうか。What do you think happens when a plant cell is put into pure water? Will it burst like a red blood cell?💡 植物細胞には、半透膜（細胞膜）の外側にもう一枚の丈夫な壁があります。A plant cell has another strong layer outside its semipermeable membrane (cell membrane).
2. 外液を濃い食塩水にすると、膜を通って移動するのは水と、Na⁺・Cl⁻ のどれだと思いますか。If the outside solution is made a strong salt solution, which do you think moves across the membrane: water, or Na⁺ and Cl⁻?💡 「半透膜」という名前の意味を考えてみましょう。Think about what the name "semipermeable membrane" means.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態（外液濃度 c外 = 0.10 mol/L、液温 T = 298 K）で、画面右上の状態表示、「体積 V/V₀」「浸透圧差 Δπ」「膨圧 P」の値を記録する。In the starting state (Outside conc. c_out = 0.10 mol/L, Temp. T = 298 K), record the status shown at the top right of the canvas and the values of "Volume V/V₀", "Osmotic diff. Δπ", and "Turgor P".
2. 「純水に戻す」を押し、細胞が膨らむ様子と、Δπ と膨圧 P のバー、下の「平衡」の表示を観察する。Press "Pure water" and watch the cell swell, the Δπ and Turgor P bars, and the "Equilibrium" line below them.
3. 「外液濃度 c外」スライダーを 0.30 → 0.50 mol/L へ上げ、さらに「高張液 1.0」を押して、細胞膜（半透膜）が細胞壁から離れていく様子と「c内」「体積 V/V₀」を記録する。Raise the "Outside conc. c_out" slider to 0.30 and then 0.50 mol/L, then press "Hypertonic 1.0". Watch the membrane (semipermeable membrane) pull away from the cell wall and record "c_in" and "Volume V/V₀".
4. その間「イオンの膜通過(累計)」と「膜通過/秒 水」の表示を見て、膜を通っている粒子と通らない粒子を確かめる。Meanwhile, watch "Ions crossing membrane (total)" and "Water crossing membrane /s" to see which particles cross the membrane and which do not.
5. 「純水に戻す」を押して平衡させたあと、「液温 T」を 298 K から 373 K に上げ、Δπ・膨圧 P・体積の変化を記録する。Press "Pure water" and let it reach equilibrium, then raise "Temp. T" from 298 K to 373 K and record how Δπ, Turgor P, and the volume change.

3確かめようCheck

1. 純水（c外 = 0）に入れたとき、細胞は破れましたか。平衡のとき Δπ と膨圧 P はいくらでしたか。In pure water (c_out = 0), did the cell burst? What were Δπ and Turgor P at equilibrium?→ 破れなかった。体積は V/V₀ ≈ 1.13 で止まり、膨潤（膨圧で張り詰め）の状態になった。このとき Δπ = P ≈ 1314 kPa で、正味の水移動はゼロになった。It did not burst. The volume stopped at about V/V₀ ≈ 1.13 and the cell became turgid (firm from turgor). At that point Δπ = P ≈ 1314 kPa and the net water flow was zero.
2. c外 を 0.50 mol/L や 1.0 mol/L にしたとき、細胞はどうなりましたか。平衡のときの c内 はいくらでしたか。What happened to the cell when c_out was 0.50 mol/L or 1.0 mol/L? What was c_in at equilibrium?→ 水が細胞から外液へ流出し、原形質が細胞壁から離れて丸く縮む原形質分離が起きた。平衡では c内 が c外 と同じになり（0.50 mol/L で V/V₀ = 0.600、1.0 mol/L で 0.300）、Δπ = P = 0 kPa になった。細胞壁と膜のすき間には外液が入っていた。Water flowed out of the cell and plasmolysis occurred: the protoplast pulled away from the wall and shrank into a rounder shape. At equilibrium c_in became equal to c_out (V/V₀ = 0.600 at 0.50 mol/L and 0.300 at 1.0 mol/L), and Δπ = P = 0 kPa. The gap between the wall and the membrane filled with outside solution.
3. Na⁺ や Cl⁻ は膜を通過しましたか。Did Na⁺ or Cl⁻ cross the membrane?→ 通過しなかった。「イオンの膜通過(累計)」は 0 個のままで、膜で反射した回数だけが増えた。膜を通って出入りしたのは水分子だけで、細胞壁は全透性なのでイオンも通り抜けた。No. "Ions crossing membrane (total)" stayed at 0, and only the number of bounces off the membrane increased. Only water molecules crossed the membrane; the cell wall is fully permeable, so ions did pass through it.
4. 純水中で温度を 298 K から 373 K に上げると、Δπ と膨圧 P はどう変わりましたか。In pure water, how did Δπ and Turgor P change when the temperature was raised from 298 K to 373 K?→ Δπ = P は約 1314 kPa から約 1604 kPa に増え、体積も V/V₀ ≈ 1.13 から約 1.16 にわずかに増えた。浸透圧は絶対温度 T に比例する（ファントホッフの法則）。Δπ = P rose from about 1314 kPa to about 1604 kPa, and the volume grew slightly from V/V₀ ≈ 1.13 to about 1.16. Osmotic pressure is proportional to the absolute temperature T (van 't Hoff's law).

4考えようThink further

1. 純水中でも水の流入が止まるのはなぜでしょうか。内液の浸透圧はまだ外液より高いのに。Why does water stop flowing in even in pure water, when the inside osmotic pressure is still higher than outside?→ 細胞が膨らむと細胞壁が押し広げられ、壁が押し返す膨圧 P が生じる。P が Δπ と等しくなると、水を押し込む力と押し返す力がつり合い、正味の流入がゼロになる（dV/dt = Lp(Δπ − P) = 0）。動物細胞には細胞壁がないので、この歯止めがなく破裂しやすい。As the cell swells it pushes the cell wall outward, and the wall pushes back with turgor pressure P. When P equals Δπ, the push of water inward and the push back balance, so net inflow becomes zero (dV/dt = Lp(Δπ − P) = 0). Animal cells have no wall, so they lack this limit and burst easily.
2. c外 = 0.30 mol/L のとき、体積が V₀ のまま変わらなかったのはなぜでしょうか。Why did the volume stay at V₀ when c_out = 0.30 mol/L?→ このモデルの内液は V₀ のとき NaCl 相当 0.30 mol/L なので、外液と等張になり Δπ = 0 になる。膨圧も 0 で、どちらにも水が移動しない。これより濃い外液では原形質分離が始まる（限界原形質分離）。In this model the cell sap is 0.30 mol/L NaCl-equivalent at V₀, so the outside is isotonic and Δπ = 0. Turgor is also 0, so water moves in neither direction. With a stronger outside solution, plasmolysis begins (incipient plasmolysis).

よくある誤解Common misconceptions

• 「濃い食塩水では塩が細胞に入って細胞が縮む」という誤解。半透膜を通るのは水だけで、Na⁺ や Cl⁻ は通らない。細胞が縮むのは水が外へ出ていくからである。"In strong salt water, salt enters the cell and makes it shrink." Only water crosses the semipermeable membrane; Na⁺ and Cl⁻ do not. The cell shrinks because water leaves it.
• 「植物細胞も水を吸い続けて破裂する」という誤解。細胞壁の弾性が膨圧として押し返すので、Δπ = P となった時点で吸水は止まる。"Plant cells also keep taking in water until they burst." The elastic cell wall pushes back as turgor pressure, so water uptake stops when Δπ = P.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)