ОСМОС: ПРОЦЕСС, ВИДЫ, ОТЛИЧИЯ С ДИФФУЗИЕЙ И ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Осмос представляет собой пассивное перемещение явления воды через мембрану. Это может быть клеточная мембрана, эпителий или искусственная мембрана. Вода перемещается из области с низким осмотическим давлением (или где воды больше) в область с более высоким осмотическим давлением (или где воды меньше).

Этот процесс имеет биологическое значение и управляет рядом физиологических процессов как у животных, так и у растений.

Источник: OpenStax

Первым исследователем, сообщившим об осмотическом феномене, был аббат Жан Антуан Нолле. В 1748 году Нолле работал с мембранами клеток животных и заметил, что, когда чистая вода помещалась с одной стороны мембраны, а раствор с разбавленными электролитами - с другой стороны, вода перемещалась в область с растворенными веществами.

Таким образом, был описан переход воды в пользу градиента ее концентрации и назван осмосом. Термин происходит от греческого корня osmos, что означает «толкать».

В 1877 году Вильгельм Пфеллер провел первые исследования осмотического давления. Его экспериментальный план включал использование «мембраны» из ферроцианида меди на поверхности пористой глиняной чашки, что дало начало мембране, которая позволяла проходить молекулам воды.

Искусственные мембраны Пфеллера были достаточно прочными, чтобы выдерживать значительное осмотическое давление и не разрушаться. Этот исследователь смог сделать вывод, что осмотическое давление пропорционально концентрации растворенного вещества.

Обработать

Движение воды через мембрану из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией называется осмосом. Этот процесс происходит от области с самым низким осмотическим давлением до самого высокого осмотического давления.

Поначалу это утверждение может сбивать с толку - и даже противоречить. Мы привыкли к пассивному движению «от высокого к низкому». Например, тепло может переходить от высоких к низким температурам, глюкоза диффундирует из областей с высокой концентрацией в области с меньшей концентрацией и так далее.

Как мы уже упоминали, вода, испытывающая явление осмоса, переходит от низкого давления к высокому. Это происходит потому, что воды больше на единицу объема, чем растворенных веществ.

То есть во время осмоса вода перемещается там, где ее (воды) больше, туда, где ее меньше. Следовательно, это явление следует понимать с точки зрения воды.

Важно помнить, что осмос управляет движением воды через мембраны и не влияет напрямую на движение растворенных веществ. Когда растворенные вещества диффундируют, они делают это, следуя градиентам их собственной химической концентрации. Только вода подчиняется градиенту осмотического давления.

Осмотическое давление

Давление?

Когда дело доходит до понимания процесса осмоса, одним из самых запутанных аспектов является использование слова «давление». Чтобы избежать путаницы, важно уточнить, что раствор сам по себе не оказывает гидростатического давления из-за своего осмотического давления.

Например, 1 М раствор глюкозы имеет осмотическое давление 22 атм. Однако раствор не «взрывает» стеклянные бутылки и может храниться так же, как чистая вода, поскольку изолированный раствор не преобразуется в гидростатическое давление.

Термин «давление» используется только для обозначения исторической случайности, поскольку первые ученые, изучавшие эти явления, были физическими и химическими.

Таким образом, если два раствора с разным осмотическим давлением разделены мембраной, будет создано гидростатическое давление.

Осмотическое и гидростатическое давление

Процесс осмоса приводит к образованию гидростатического давления. Разница давлений приводит к повышению уровня более концентрированного раствора, так как вода диффундирует в него. Повышение уровня воды продолжается до тех пор, пока чистая скорость движения воды не станет равной нулю.

Чистый поток достигается, когда гидростатическое давление в отсеке II достаточно, чтобы заставить молекулы воды вернуться к поведению I с той же скоростью, с которой осмос заставляет молекулы перемещаться из отсека I во II.

Давление воды, которое заставляет частицы отступать (из отсеков I в II), называется осмотическим давлением раствора в отсеке II.

Как контролируется поток воды в ячейках?

Благодаря осмотическому феномену вода может пассивно проходить через клеточные мембраны. Исторически известно, что у животных отсутствует активная система водного транспорта, чтобы контролировать поток этого вещества.

Однако активные системы транспорта растворенных веществ могут изменить направление движения воды в благоприятном направлении. Таким образом, активный транспорт растворенных веществ является одним из способов, с помощью которого животные используют свою метаболическую энергию для управления направлением водного транспорта.

Количественная оценка

Существуют математические формулы, позволяющие измерить скорость, с которой вода будет проходить через мембраны за счет осмоса. Уравнение для его расчета следующее:

Осмотическая скорость переноса воды = K ( ₁ –Π ₂ / X). Где ₁ и Π ₂ - осмотическое давление растворов с обеих сторон мембраны, а X - расстояние, которое их разделяет.

Отношение ( ₁ –Π ₂ / X) известно как градиент осмотического давления или осмотический градиент.

Последний член в уравнении - это коэффициент пропорциональности, который зависит от температуры и проницаемости мембраны.

Отличия от диффузии

Что такое вещание?

Диффузия происходит за счет случайного теплового движения растворенных или взвешенных молекул, которое вызывает их рассеивание из областей с высокими концентрациями в области с более низкими концентрациями. Скорость диффузии можно рассчитать с помощью уравнения Фика.

Это экзэргонический процесс из-за увеличения энтропии, представленного случайным распределением молекул.

В случае, если вещество является электролитическим, необходимо учитывать общую разницу в заряде между двумя отсеками - в дополнение к концентрациям.

Осмос - это частный случай диффузии

Диффузия и осмос не являются противоположными терминами, тем более взаимоисключающими понятиями.

Молекулы воды обладают способностью быстро перемещаться через клеточные мембраны. Как мы объясняли, они диффундируют из области с низкой концентрацией растворенных веществ в область с высокой концентрацией в процессе, называемом осмосом.

Нам кажется странным говорить о «концентрации воды», но это вещество ведет себя как любое другое вещество. То есть он распространяется в пользу своего градиента концентрации.

Однако некоторые авторы используют термин «диффузия воды» как синоним осмоса. Применять его буквально к биологическим системам может быть неправильно, поскольку было показано, что скорость осмоса через биологические мембраны выше, чем можно было бы ожидать при простом процессе диффузии.

В некоторых биологических системах вода проходит простой диффузией через клеточную мембрану. Однако в некоторых камерах есть специальные каналы для прохождения воды. Наиболее важные из них называются аквапоринами, увеличивающими скорость потока воды через мембрану.

Примеры

В биологических системах движение воды через клеточные мембраны имеет решающее значение для понимания десятков физиологических процессов. Вот несколько примеров:

Осмотический обмен у пресноводных рыб

Интересным примером роли осмоса для животных является водный обмен, который происходит у рыб, обитающих в пресных водах.

Животные, населяющие водоемы с пресной водой, постоянно получают воду из реки или пруда, в котором они живут, в свои тела, поскольку концентрация плазмы крови и других жидкостей организма намного выше, чем концентрация воды. .

Вид рыб Carassius auratus обитает в пресноводных средах. Человек с массой 100 граммов может получать около 30 граммов воды в день благодаря движению воды внутри своего тела. У рыб есть энергозатратные системы для постоянного избавления от лишней воды.

Реабсорбция жидкостей

В желудочно-кишечной системе животных для правильного функционирования должно происходить явление осмоса. Пищеварительный тракт выделяет значительное количество жидкости (порядка литров), которая должна быть реабсорбирована посредством осмоса клетками, выстилающими кишечник.

Если эта система не выполняет свою работу, могут возникнуть тяжелые диареи. Продолжение этой неисправности может привести к обезвоживанию пациента.

Тургор у растений

Объем воды внутри клеток зависит от концентрации как внутренней, так и внешней среды, а поток управляется явлениями диффузии и осмоса.

Если животную клетку (например, эритроцит) поместить в среду, которая способствует проникновению воды, она может лопнуть. Напротив, у растительных клеток есть стенка, которая защищает их от осмотического стресса.

Фактически, недревесные растения используют это давление, создаваемое пассивным проникновением воды. Это давление помогает сохранить припухлость различных органов растения, например, листьев. Как только вода начинает вытекать из клеток, клетка теряет опухоль и увядает.

Ссылки

1. Купер, Г. М., Хаусман, Р. Е., и Хаусман, Р. Е. (2000). Клетка: молекулярный подход. АСМ пресс.
2. Эккерт Р., Рэндалл Р. и Августин Г. (1988). Физиология животных: механизмы и адаптации. WH Freeman & Co.
3. Хилл, Р. У., Вайс, Джорджия, Андерсон, М., и Андерсон, М. (2004). Физиология животных. Sinauer Associates.
4. Карп, Г. (2009). Клеточная и молекулярная биология: концепции и эксперименты. Джон Вили и сыновья.
5. Поллард, Т. Д., Эрншоу, В. К., Липпинкотт-Шварц, Дж., И Джонсон, Г. (2016). Электронная книга по клеточной биологии. Elsevier Health Sciences.
6. Шмидт-Нильсен, К. (1997). Физиология животных: адаптация и среда. Издательство Кембриджского университета.