Установлено, что одно- (К+ и Na+) и двухвалентные катионы (Са2+) вызывают различное и даже противоположное физиологическое действие на цитоплазму (об этом свидетельствует разная форма плазмолиза). Ионы калия и натрия способствуют большей обводненности цитоплазмы (колпачковый плазмолиз), а катионы кальция делают цитоплазму более вязкой, менее проницаемой (судорожный плазмолиз). Чистые соли металлов, не содержащие примесей, всегда влияют на организм растения и животного токсически. Так, еще в конце прошлого века была установлена токсичность раствора хорошо очищенной соли NaCl, концентрация которой соответствовала концентрации морской воды. Достаточно было добавить незначительное количество солей Са и Mg, чтобы обезвредить действие NaCl. Так, в чистом растворе хлорида натрия из оплодотворенных яиц морских ежей не развивалось ни одного зародыша; при добавлении 1 см3 сильно разбавленного раствора CaSO4 развивалось 3% зародышей, 2 см3 — 20%, 5 см3 — 75%. Хорошо очищенный раствор кальциевой соли также был ядовитым. Токсичность ее можно снять добавлением солей натрия.
Явление антагонизма ионов можно наблюдать при развитии корневой системы растений, выращиваемых в следующих растворах (0,12 н.): 1) \(\ce{NaCl + KCl + CaCl_2}\); 2) \(\ce{NaCl + CaCl_2}\); 3) \(\ce{CaCl_2}\); 4) \(\ce{NaCl}\).
Проростки пшеницы или ячменя, появившиеся в этих растворах, различны: в первых двух растворах корневая системы будет нормальной, а во вторых двух она почти не развивается. Этот опыт наглядно иллюстрирует явление антагонизма ионов, который в большей мере наблюдается между одно- и двухвалентными катионами. В явлениях антагонизма действие ионов зависит от их валентности. Установлено, что чем выше валентность данного иона, тем в меньшей концентрации проявляется его антагонистическое действие.
Растворы, в которых токсического действия солей нет, называются физиологически уравновешенными; в них комбинации различных концентраций отдельных ионов находятся в таких соотношениях, при которых растения будут лучше развиваться. Природным уравновешенным раствором является морская вода, она очень близка по своему составу к крови и лимфе животных.
Чем же объясняется антагонистическое действие солей в водном растворе? Как известно, соль диссоциирует на электрически заряженные ионы (катионы и анионы); антагонистическое действие солей обусловливается влиянием ионов на физико-химические свойства цитоплазмы. Очевидно, здесь прежде всего имеет значение противоположное влияние разных ионов на коагуляцию коллоидов и на степень их обводненности. Установлено, что белки, находясь в изоэлектрической точке, имеют минимальную адсорбирующую силу и способность к набуханию, что обусловливается поглощением различных катионов. У большинства растительных белков изоэлектрическая точка находится при pH около 7; если реакция смещена в щелочную сторону, то ионы водорода и двухвалентный катион кальция снижают набухание белков; наоборот, ионы ОН-, К+ и Na+ в этих условиях усиливают набухание коллоидов.
Как избыточное набухание, так и потери воды цитоплазмой вызывают нарушение нормального хода обмена веществ в клетках. При смене количественного соотношения концентраций двух солей их одностороннее действие на гидратацию коллоидов цитоплазмы не проявляется. Поэтому если разные ионы солей не будут приводить к такому состоянию цитоплазмы, то и обмен веществ будет проходить наиболее эффективно. Указанное состояние цитоплазмы возможно при действии на нее уравновешенных растворов.
А. Л. Курсанов считает, что явление антагонизма ионов можно объяснить теорией клеточных переносчиков. Известно, что антагонизм ионов наблюдается при одновременной адсорбции различных ионов клеткой из внешнего раствора; поступление в клетку одного иона приводит к вытеснению из нее другого, что является результатом конкуренции веществ, проникающих в клетку.
В растениях наблюдаются также синергизм и аддитивность действия компонентов смеси солей. Синергическое действие солей заключается в том, что одна из них усиливает действие другой. Синергизм бывает положительным и отрицательным. Так, Д. А. Сабининым было установлено, что внесение смеси азотно-фосфорных удобрений под хлопчатник превышает сумму прироста урожая, полученного от внесения отдельно азотных и фосфорных удобрений. На дерново-подзолистых супесчаных почвах при близком соотношении содержания азота и фосфора и небольшом количестве молибдена и марганца последние при их внесении в почву проявляют синергическое действие, а при более высоком уровне питания растений картофеля фосфорными удобрениями молибден и марганец проявляют антагонистическое действие. Отрицательный синергизм проявляется тогда, когда токсическое действие одной соли усиливается токсическим действием другой.
Аддитивность — это действие смеси солевых растворов, которое равно сумме действия отдельных компонентов. Она наблюдается при осмосе; если соли не влияют на электрическую диссоциацию компонентов, то осмотическое давление равно сумме парциальных осмотических давлений солей, входящих в смесь.