OSMOZA: PROCES, RODZAJE, RÓŻNICE Z DYFUZJĄ I PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2025

Osmozy jest zjawiskiem biernym przemieszczenie wody przez membranę. Może to być błona komórkowa, nabłonek lub sztuczna błona. Woda przemieszcza się z obszaru o niskim ciśnieniu osmotycznym (lub gdzie woda jest bardziej obfita) do regionu o wyższym ciśnieniu osmotycznym (lub gdzie woda jest mniej obfita).

Proces ten ma znaczenie biologiczne i organizuje szereg procesów fizjologicznych, zarówno u zwierząt, jak iu roślin.

Źródło: OpenStax

Pierwszym badaczem, który zgłosił zjawisko osmotyczne, był Abbé Jean Antoine Nollet. W 1748 roku Nollet pracował z błonami komórek zwierzęcych i zauważył, że kiedy czysta woda została umieszczona po jednej stronie membrany, a roztwór z rozcieńczonymi elektrolitami po drugiej stronie, woda przemieszczała się do regionu z substancjami rozpuszczonymi.

W ten sposób opisano przechodzenie wody na korzyść gradientu stężenia i nazwano to osmozą. Termin pochodzi od greckiego korzenia osmos, co oznacza pchać.

W 1877 roku Wilhelm Pfeller przeprowadził pierwsze badania ciśnienia osmotycznego. Jego projekt eksperymentalny obejmował zastosowanie „membrany” żelazocyjanku miedzi na powierzchni porowatego glinianego kubka, dając początek membranie, która umożliwiała przepływ cząsteczek wody.

Sztuczne membrany Pfellera były wystarczająco mocne, aby wytrzymać znaczne ciśnienia osmotyczne i nie zapadały się. Ten badacz był w stanie stwierdzić, że ciśnienie osmotyczne jest proporcjonalne do stężenia substancji rozpuszczonej.

Proces

Ruch wody przez membranę z obszaru o niskim stężeniu do obszaru o wysokim stężeniu nazywa się osmozą. Proces ten zachodzi od obszaru o najniższym ciśnieniu osmotycznym do najwyższego ciśnienia osmotycznego.

Na początku to stwierdzenie może być mylące - a nawet sprzeczne. Jesteśmy przyzwyczajeni do pasywnego ruchu „od góry do dołu”. Na przykład ciepło może przebiegać od wysokich do niskich temperatur, glukoza dyfunduje z regionów o wysokim stężeniu do mniej skoncentrowanych i tak dalej.

Jak wspomnieliśmy, woda, w której występuje zjawisko osmozy, przechodzi od niskiego ciśnienia do wysokiego. Dzieje się tak, ponieważ woda jest bardziej obfita na jednostkę objętości, gdy substancja rozpuszczona jest mniej obfita.

Oznacza to, że podczas osmozy woda przemieszcza się tam, gdzie jest jej więcej (woda), tam, gdzie jest jej mniej. Dlatego zjawisko należy rozumieć z perspektywy wody.

Należy pamiętać, że osmoza kieruje ruchem wody przez membrany i nie wpływa bezpośrednio na ruch substancji rozpuszczonych. Kiedy substancje rozpuszczone dyfundują, robią to, podążając za gradientami ich własnego stężenia chemicznego. Tylko woda podąża za gradientem stężenia ciśnienia osmotycznego.

Ciśnienie osmotyczne

Presje?

Jednym z najbardziej zagmatwanych aspektów, jeśli chodzi o zrozumienie procesu osmozy, jest użycie słowa „ciśnienie”. Aby uniknąć nieporozumień, ważne jest, aby wyjaśnić, że roztwór sam w sobie nie wywiera ciśnienia hydrostatycznego ze względu na ciśnienie osmotyczne.

Na przykład 1 M roztwór glukozy ma ciśnienie osmotyczne 22 atm. Jednak roztwór nie "eksploduje" szklanych butelek i można go przechowywać w taki sam sposób jak czystą wodę, ponieważ wydzielony roztwór nie przekłada się na ciśnienie hydrostatyczne.

Termin presja jest używany tylko z powodu historycznego wypadku, ponieważ pierwsi naukowcy badający te zjawiska byli fizycznymi i chemicznymi.

Tak więc, jeśli dwa roztwory różniące się ciśnieniem osmotycznym zostaną rozdzielone membraną, powstanie ciśnienie hydrostatyczne.

Ciśnienia osmotyczne i hydrostatyczne

Proces osmozy prowadzi do powstania ciśnienia hydrostatycznego. Różnica ciśnień prowadzi do wzrostu poziomu bardziej stężonego roztworu, w miarę jak woda do niego dyfunduje. Podnoszenie się poziomu wody trwa do momentu, gdy prędkość netto ruchu wody wyniesie zero.

Przepływ netto uzyskuje się, gdy ciśnienie hydrostatyczne w przedziale II jest wystarczające, aby zmusić cząsteczki wody z powrotem do zachowania I, z taką samą szybkością, z jaką osmoza powoduje przemieszczanie się cząsteczek z przedziału I do II.

Ciśnienie wody, które powoduje wycofanie się cząstek (z przedziałów I do II) nazywane jest ciśnieniem osmotycznym roztworu w przedziale II.

Jak kontrolowany jest przepływ wody w komórkach?

Dzięki zjawisku osmotycznemu woda może biernie przemieszczać się przez błony komórkowe. Z historycznego punktu widzenia wiadomo, że zwierzętom brakuje aktywnego systemu transportu wody, który kontrolowałby przepływ tej substancji.

Jednak aktywne systemy transportu substancji rozpuszczonych mogą zmienić kierunek ruchu wody w korzystnym kierunku. W ten sposób aktywny transport substancji rozpuszczonych jest jednym ze sposobów, w jaki zwierzęta wykorzystują energię metaboliczną do kontrolowania kierunku transportu wody.

Ujęcie ilościowe

Istnieją wzory matematyczne, które umożliwiają pomiar szybkości, z jaką woda przechodzi przez membrany w wyniku osmozy. Równanie do obliczenia tego jest następujące:

Szybkość transportu osmotycznego wody = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Gdzie Π ₁ i Π ₂ to ciśnienia osmotyczne roztworów po obu stronach membrany, a X to odległość, która je dzieli.

Zależność (Π ₁ –Π ₂ / X) jest znana jako gradient ciśnienia osmotycznego lub gradient osmotyczny.

Ostatnim terminem w równaniu jest K to współczynnik proporcjonalności, który zależy od temperatury i przepuszczalności membrany.

Różnice z dyfuzją

Co nadaje?

Dyfuzja zachodzi w wyniku przypadkowego ruchu termicznego rozpuszczonych lub zawieszonych cząsteczek, co powoduje ich dyspersję z regionów o wysokich stężeniach do najniższych. Szybkość dyfuzji można obliczyć za pomocą równania Ficka.

Jest to proces egzergoniczny ze względu na wzrost entropii reprezentowany przez losowe rozmieszczenie cząsteczek.

W przypadku, gdy substancja jest elektrolitem, należy wziąć pod uwagę całkowitą różnicę ładunku między dwoma przedziałami - oprócz stężeń.

Osmoza to szczególny przypadek dyfuzji

Dyfuzja i osmoza nie są terminami przeciwstawnymi, a tym bardziej wykluczającymi się pojęciami.

Cząsteczki wody mają zdolność szybkiego przemieszczania się przez błony komórkowe. Jak wyjaśniliśmy, dyfundują z obszaru o niskim stężeniu substancji rozpuszczonej do obszaru o wysokim stężeniu w procesie zwanym osmozą.

Wydaje się nam dziwne mówienie o „stężeniu wody”, ale ta substancja zachowuje się jak każda inna substancja. Oznacza to, że dyfunduje na korzyść gradientu stężenia.

Jednak niektórzy autorzy używają terminu „dyfuzja wody” jako synonimu osmozy. Stosowanie go dosłownie do systemów biologicznych może być błędne, ponieważ wykazano, że szybkość osmozy przez błony biologiczne jest wyższa niż można by oczekiwać po prostym procesie dyfuzji.

W niektórych systemach biologicznych woda przechodzi przez prostą dyfuzję przez błonę komórkową. Jednak niektóre komórki mają specjalne kanały do ​​przepuszczania wody. Najważniejsze to akwaporyny, zwiększające prędkość przepływu wody przez membranę.

Przykłady

W systemach biologicznych przepływ wody przez błony komórkowe ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia dziesiątek procesów fizjologicznych. Oto kilka przykładów:

Wymiana osmotyczna u ryb słodkowodnych

Ciekawym przykładem roli osmozy u zwierząt jest wymiana wody, która zachodzi u ryb żyjących w wodach słodkich.

Zwierzęta zamieszkujące zbiorniki słodkiej wody są w stałym poborze wody z rzeki lub stawu, w którym żyją, do swoich ciał, ponieważ stężenie osocza krwi i innych płynów ustrojowych ma znacznie wyższe stężenie niż woda. .

Gatunek ryb Carassius auratus żyje w środowiskach słodkowodnych. Osoba o masie 100 gramów może zyskać około 30 gramów wody dziennie dzięki ruchowi wody w swoim ciele. Ryby mają - energetycznie kosztowne - systemy nieustannego usuwania nadmiaru wody.

Ponowne wchłanianie cieczy

W układzie pokarmowym zwierząt dla prawidłowego funkcjonowania musi wystąpić zjawisko osmozy. Przewód pokarmowy wydziela znaczną ilość płynu (rzędu litrów), który musi zostać ponownie wchłonięty przez osmozę przez komórki wyściełające jelita.

W przypadku, gdy ten system nie wykonuje swojej pracy, mogą wystąpić ciężkie przypadki biegunki. Przedłużenie tej nieprawidłowości może prowadzić do odwodnienia pacjenta.

Turgor w roślinach

Objętość wody wewnątrz komórek zależy od stężenia zarówno środowiska wewnętrznego, jak i zewnętrznego, a przepływ jest koordynowany przez zjawiska dyfuzji i osmozy.

Jeśli komórka zwierzęca (taka jak erytrocyt) zostanie umieszczona w pożywce, która sprzyja przedostawaniu się wody, może pęknąć. Natomiast komórki roślinne mają ścianę, która chroni je przed stresem osmotycznym.

W rzeczywistości rośliny inne niż zdrewniałe wykorzystują to ciśnienie generowane przez pasywne wchodzenie wody. To ciśnienie pomaga utrzymać jędrność różnych organów roślin, takich jak liście. Gdy tylko woda zacznie wypływać z komórek, komórka traci jędrność i więdnie.

Bibliografia

1. Cooper, GM, Hausman, RE i Hausman, RE (2000). Komórka: podejście molekularne. Prasa ASM.
2. Eckert, R., Randall, R., & Augustine, G. (1988). Fizjologia zwierząt: mechanizmy i adaptacje. WH Freeman & Co.
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. i Anderson, M. (2004). Fizjologia zwierząt. Sinauer Associates.
4. Karp, G. (2009). Biologia komórkowa i molekularna: koncepcje i eksperymenty. John Wiley & Sons.
5. Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J. i Johnson, G. (2016). E-Book o biologii komórki. Elsevier Health Sciences.
6. Schmidt-Nielsen, K. (1997). Fizjologia zwierząt: adaptacja i środowisko. Cambridge University Press.