ОСМОЗ: ПРОЦЕС, ТИПИ, ВІДМІННОСТІ З ДИФУЗІЄЮ ТА ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Осмос є пасивне переміщення явища води через мембрану. Це може бути клітинна мембрана, епітелій або штучна мембрана. Вода рухається з області низького осмотичного тиску (або там, де вода рясніша), до області з більш високим осмотичним тиском (або там, де вода менш рясна).

Цей процес має біологічне значення і організовує низку фізіологічних процесів як у тварин, так і у рослин.

Джерело: OpenStax

Першим дослідником, який повідомив про осмотичне явище, був абат Жан Антуан Ноллет. У 1748 році Ноллет працював з мембранами клітин тварин і помітив, що коли на одну сторону мембрани поміщають чисту воду, а з іншого - розчин з розведеними електролітами, вода переміщується в область з розчинниками.

Таким чином, було описано проходження води на користь її концентраційного градієнта, і воно отримало назву осмос. Термін походить від грецького коріння осмос, що означає підштовхувати.

У 1877 році Вільгельм Пфеллер зробив перші дослідження осмотичного тиску. Його експериментальна конструкція передбачала використання мідної фероціанідної «мембрани» на поверхні чашки з пористої глини, що породило мембрану, яка дозволяла проходити молекули води.

Штучні мембрани Пфеллера були досить міцними, щоб протистояти значним осмотичним тискам і не руйнуватися. Цей дослідник зміг зробити висновок, що осмотичний тиск пропорційний концентрації розчиненої речовини.

Процес

Рух води через мембрану від області низької концентрації до області високої концентрації називається осмосом. Цей процес відбувається від області з найнижчим осмотичним тиском до найвищого осмотичного тиску.

Спочатку це твердження може бути заплутаним - і навіть суперечливим. Ми звикли до пасивного руху "від високого до низького". Наприклад, тепло може бути від високої до низької температури, глюкоза дифундує від регіонів високої концентрації до менш концентрованих районів тощо.

Як ми вже згадували, вода, яка зазнає явища осмосу, переходить від низького до високого тиску. Це відбувається тому, що вода є більш рясною на одиницю об'єму, де розчинний рідше.

Тобто під час осмосу вода рухається там, де вона (вода) рясніша туди, де вона менш рясна. Тому явище треба розуміти з точки зору води.

Важливо пам’ятати, що осмос регулює рух води через мембрани і не впливає безпосередньо на рух розчинених речовин. Коли розчинні речовини дифундують, вони роблять це, дотримуючись градієнти власної хімічної концентрації. Тільки вода слідує за градієнтом концентрації осмотичного тиску.

Осмотичний тиск

Тиск?

Одним з найбільш заплутаних аспектів, що стосується розуміння процесу осмосу, є використання слова тиск. Щоб уникнути плутанини, важливо уточнити, що розчин сам по собі не чинить гідростатичного тиску через його осмотичного тиску.

Наприклад, 1 М розчин глюкози має осмотичний тиск 22 атм. Однак розчин не «вибухає» скляних пляшок і може зберігатися так само, як чиста вода, оскільки ізольований розчин не перетворюється на гідростатичний тиск.

Термін тиск використовується лише через історичну аварію, оскільки перші вчені, які вивчали ці явища, були фізичними та хімічними.

Таким чином, якщо два розчини, що відрізняються за своїм осмотичним тиском, будуть розділені мембраною, буде створено гідростатичний тиск.

Осмотичний і гідростатичний тиск

Процес осмосу призводить до утворення гідростатичного тиску. Різниця тиску призводить до підвищення рівня більш концентрованого розчину, оскільки вода в нього дифундує. Підвищення рівня води триває до тих пір, поки чистий темп руху води не дорівнює нулю.

Чистий потік досягається тоді, коли гідростатичний тиск у відсіку II є достатнім для того, щоб змусити молекули води повернутися до поведінки I, з тією ж швидкістю, що і осмос, змушує молекули переміщуватися з відділення I в II.

Тиск води, який змушує частинки відступати (від відсіків I до II), називається осмотичним тиском розчину у відділенні II.

Як контролюється надходження води в клітини?

Завдяки осмотичному явищу вода може пасивно переміщатися через клітинні мембрани. Історично відомо, що тваринам не вистачає активної системи транспортування води для контролю потоку цієї речовини.

Однак активні транспортні системи розчинника можуть змінювати напрямок руху води у сприятливому напрямку. Таким чином, активний транспорт розчинних речовин - це один із способів, яким тварини використовують свою метаболічну енергію для управління напрямком водного транспорту.

Кількісне визначення

Існують математичні формули, які дозволяють вимірювати швидкість, з якою вода перетне мембрани по осмосу. Рівняння для його обчислення таке:

Осмотична швидкість транспортування води = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Де Π ₁ і Π ₂ - осмотичні тиски розчинів по обидва боки мембрани, а X - відстань, яка їх розділяє.

Співвідношення (Π ₁ –2 ₂ / X) відоме як градієнт осмотичного тиску або осмотичний градієнт.

Останнім членом рівняння є K - коефіцієнт пропорційності, який залежить від температури та проникності мембрани.

Відмінності з дифузією

Що таке мовлення?

Дифузія відбувається випадковим тепловим рухом розчинених або суспендованих молекул, що викликає їх дисперсію з областей високих концентрацій до найнижчих. Швидкість дифузії можна обчислити за допомогою рівняння Фіка.

Це ексергонічний процес, зумовлений збільшенням ентропії, представленим випадковим розподілом молекул.

У разі, якщо речовина є електролітичним, необхідно враховувати загальну різницю заряду між двома відділеннями - крім концентрацій.

Осмоз є особливим випадком дифузії

Дифузія та осмос - це не протилежні терміни, а тим більше поняття взаємовиключення.

Молекули води мають здатність швидко рухатися через клітинні мембрани. Як ми пояснили, вони дифундують від області низької концентрації розчиненої речовини до однієї з високою концентрацією в процесі, який називається осмосом.

Нам здається дивним говорити про «концентрацію води», але ця речовина поводиться як будь-яка інша речовина. Тобто, вона дифундує на користь свого градієнта концентрації.

Однак деякі автори використовують термін "дифузія води" як синонім осмосу. Застосовувати його буквально до біологічних систем може бути помилковим, оскільки було показано, що швидкість осмосу через біологічні мембрани вище, ніж очікувалась при простому дифузійному процесі.

У деяких біологічних системах вода проходить шляхом простої дифузії через клітинну мембрану. Однак деякі клітини мають спеціальні канали для проходження води. Найважливішими називаються аквапорини, збільшуючи швидкість потоку води через мембрану.

Приклади

У біологічних системах рух води через клітинні мембрани має вирішальне значення для розуміння десятків фізіологічних процесів. Деякі приклади:

Осмотичний обмін у прісноводній рибі

Цікавим прикладом ролі осмосу у тварин є водний обмін, який відбувається у риб, які мешкають у прісних водах.

Тварини, які населяють тіла прісної води, знаходяться в постійному надходженні води з річки чи ставу, де вони мешкають у їхні тіла, оскільки концентрація плазми крові та інших рідин тіла має значно більшу концентрацію, ніж концентрація води. .

Вид риб Carassius auratus живе в прісноводних середовищах. Людина, яка має масу 100 грам, може набирати близько 30 грамів води в день завдяки руху води всередині свого тіла. Риби мають системи - енергетично дорогі - постійно позбавлятися від зайвої води.

Реабсорбція рідин

У шлунково-кишковій системі тварин має відбуватися явище осмосу, щоб воно нормально функціонувало. Шлунково-кишковий тракт виділяє значну кількість рідини (порядку літрів), яка повинна бути реабсорбована осмосом клітинами, що лінії кишечника.

Якщо ця система не виконує свою роботу, можуть виникнути важкі діареї. Подовження цієї несправності може призвести до зневоднення пацієнта.

Тургор в рослинах

Об'єм води всередині клітин залежить від концентрації як внутрішнього, так і зовнішнього середовища, а потік оркестрований явищами дифузії та осмосу.

Якщо тваринна клітина (наприклад, еритроцит) поміщена в середовище, яка дозволяє потрапляти води, вона з часом може лопнути. На відміну від рослинних клітин є стінка, яка захищає їх від осмотичного стресу.

Насправді, не деревні рослини користуються цим тиском, створюваним пасивним потраплянням води. Цей тиск допомагає зберігати різні органи рослини, наприклад листя, твердих. Як тільки вода починає витікати з клітин, клітина втрачає свою твердість і в’яне.

Список літератури

1. Cooper, GM, Hausman, RE, & Hausman, RE (2000). Клітина: молекулярний підхід. ASM преса.
2. Eckert, R., Randall, R., and Augustine, G. (1988). Фізіологія тварин: механізми та пристосування. WH Freeman & Co.
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., & Anderson, M. (2004). Фізіологія тварин. Sinauer Associates.
4. Карп, Г. (2009). Клітинна та молекулярна біологія: концепції та експерименти. Джон Вілі та сини.
5. Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J., & Johnson, G. (2016). Електронна книга з біології клітин. Науки про здоров’я Ельзев'є.
6. Шмідт-Нільсен, К. (1997). Фізіологія тварин: адаптація та навколишнє середовище. Cambridge University Press.