Осмос — это пример диффузии, при которой молекулы имеют тенденцию равномерно распределяться в пространстве. В отличие от диффузии, которая может происходить во всех средах (газе, жидкости и твердом теле), осмос происходит только в жидкостях и (очень часто) в газах.
Что такое осмос?
Осмос — это процесс, при котором растворители, такие как вода, переходят из раствора с более низкой концентрацией в раствор с более высокой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Это пассивный процесс, а это значит, что он происходит без затрат энергии.
Но что такое полупроницаемая мембрана? Что ж, это своего рода барьер, через который проходят одни молекулы или вещества, но не другие. Например, пластиковая пленка позволяет водяному пару и воздуху проходить через нее, но не пище или воде. Точно так же мембраны клеток пропускают воду и определенные растворенные вещества (крошечные молекулы, растворенные в растворителе), блокируя при этом другие растворенные вещества.
Этот процесс был впервые задокументирован французским физиком Жаном-Антуаном Нолле в 1748 году. Более века спустя немецкий химик изобрел высокоселективные осаждающие мембраны, продвигая искусство и технику измерения осмотического потока.
Как это работает?
Осмос всегда пытается уравнять концентрацию по обе стороны мембраны. Поскольку растворенное вещество не может проходить через мембрану, перемещаться должен только растворитель (вода). По мере приближения к равновесию раствор становится более стабильным. Таким образом, осмос поддерживает законы термодинамики.
Виды осмоса
Обычно бывает два типа осмоса:
- Эндосмос: когда клетка помещается в раствор с более высокой концентрацией воды, чем клетка, растворитель (например, вода) перемещается в клетку. Это заставляет клетку набухать или подвергаться деплазмолизу.
- Экзосмос: когда клетка помещается в раствор, который имеет более высокую концентрацию растворенного вещества, чем клетка, растворитель выходит из клетки. Это приводит к тому, что клетка становится вялой или подвергается плазмолизу.
Чтобы лучше объяснить это явление, мы перечислили несколько очень хороших примеров осмоса, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.
13. Изюм в воде
Тип: Эндосмос
Поскольку растворитель (чистая вода) входит в клетку изюма, это является примером эндосмоса.
12. Картофель в сахарном растворе
Тип: Экзосмос
Если положить картофель в сахарный раствор, он со временем сожмется. Это связано с тем, что в клетках картофеля концентрация воды намного выше, чем в растворе сахара, поэтому вода выходит из картофеля через его мембрану в раствор сахара.
Поскольку растворитель выходит из клеток картофеля и попадает в раствор сахара, пытаясь достичь равновесия, это пример экзосмоса.
11. Растения поглощают воду из почвы
Тип: Эндосмос
В то время как растения поглощают воду по всей своей поверхности (листья, стебли и корни), большая часть воды поглощается корневыми волосками. Эти корневые волоски действуют как полупроницаемый барьер, позволяя молекулам воды (растворителю) перемещаться от высокой концентрации (почва) к низкой концентрации (корни).
В результате корневые волосковые клетки становятся более набухшими, а их осмотическое давление (способность впитывать растворители) падает.
Затем молекулы воды перемещаются в трубки, называемые сосудами ксилемы, и транспортируются к листьям. Внутри клеток ксилемы молекулы воды оказывают сильное влияние друг на друга за счет водородных связей. Когда вода испаряется через устьица (крошечные поры на листьях), через клетки ксилемы корня выводится больше воды, чтобы заменить то, что было потеряно.
10. Соль на слизнях
Тип: Экзосмос
Соль и слизни плохо сочетаются. Вы когда-нибудь задумывались, почему соль убивает слизней и улиток? Влажная кожа слизняка действует как полупроницаемая мембрана. Высокая концентрация соли на коже слизняка вытягивает воду из его клеток посредством осмоса.
Вода выходит наружу, потому что это уравновешивает концентрацию соли между внешней и внутренней стороной кожи слизняка. Как и большинству других живых организмов, слизням для обслуживания нужна вода. А когда они теряют слишком много воды, они сморщиваются и умирают.
9. Красные кровяные тельца, помещенные в пресную воду
Тип: Эндосмос
Красные кровяные тельца придают крови характерный цвет и переносят кислород из легких в ткани. Эритроциты млекопитающих маленькие, круглые и двояковогнутые — они имеют форму гантели в профиль и имеют полупроницаемую клеточную мембрану.
При помещении в пресную воду вода попадает в клетки посредством осмоса, вызывая набухание клеток. Это происходит потому, что концентрация ионов и других растворенных частиц внутри эритроцита выше, чем вне его.
Количество воды, которая может попасть в клетки, контролируется давлением клеточной мембраны, действующим на содержимое клетки. В большинстве случаев клетка потребляет больше воды, чем может выдержать ее мембрана, что приводит к взрыву клетки. Это явление называется гемолизом.
Читайте также: Ткань лен для интерьера
Однако, когда красные кровяные тельца помещаются в раствор с более высокой концентрацией растворенного вещества, вода выходит из клетки. В результате клетки становятся меньше и имеют зубчатую форму.
8. Рыбы впитывают воду через кожу и жабры
Тип: эндосмос или экзосмос в зависимости от вида рыб.
Если поместить морскую или пресноводную рыбу в воду с разной концентрацией соли, она погибнет из-за попадания или выхода воды в ее клетки.
Кровь и физиологические жидкости пресноводных рыб намного соленее, чем вода, в которой они плавают. Таким образом, вода проходит через их жабры. Точно так же рыба, обитающая в океане, имеет тенденцию терять воду через жабры.
Как и человеческое тело, рыбьему телу для наилучшего функционирования необходима определенная концентрация соли. Они не могут противостоять слишком большому количеству воды, втекающей или вытекающей через жабры. Пресноводная рыба лопнет, а морская засохнет.
Однако этого не происходит, потому что их жабры содержат специализированные клетки, которые выборочно перекачивают соль в кровь или из нее. Клетки пресноводных рыб регулярно переносят соль, а клетки морских рыб регулярно ее выкачивают. А поскольку океанская вода очень соленая, рыба откачивает излишки соли через жабры и почки.
7. Полоскание горла с соленой водой избавляет от боли в горле
Тип: экзосмос (избыток жидкости выбрасывается из тканей горла).
Соленая вода на самом деле не лечит боль в горле, но помогает уменьшить боль и дискомфорт. Это потому, что соленая вода содержит более высокую концентрацию растворенного вещества (соли), чем то, что присутствует в тканях нашего горла.
Более конкретно, осмотическое давление соленой воды больше, чем давление в жидкости окружающих клеток. Поэтому, когда мы полощем горло, избыток жидкости выходит из тканей горла, уменьшая отек и облегчая боль.
6. Сахар на клубнике
Тип: Экзосмос
Наружная мембрана клубники действует как полупроницаемый слой между ее внутренней и внешней частью. Внутренняя часть уже содержит воду и натуральный сахар. При посыпании сахара на срезанную клубнику, большее количество сахара за пределами клеток плода (в сочетании со способностью сахара притягивать воду) вызывает движение воды наружу к поверхности клубники.
Этот процесс можно использовать для приготовления вкусных продуктов, таких как мацерированная клубника, желе и джемы. Его также можно использовать для продления срока хранения фруктов.
5. Консервирование продуктов питания
Тип: Экзосмос (клетки бактерий теряют воду)
Причина, по которой мы можем долго наслаждаться вареньем и солеными огурцами, не опасаясь их порчи, — это осмос. Оба они представляют собой концентрированные пищевые продукты, содержащие большое количество сахара (в случае джемов), солей, масел, уксуса и других специй (в случае солений).
Они действуют не только как усилители вкуса, но и как отличные консерванты, убивая бактерии и предотвращая рост других вредных микроорганизмов.
Высокая концентрация сахара и соли гипертонически воздействует на клетки бактерий. Клетки бактерий теряют воду из-за более высоких концентраций снаружи и становятся менее проводящими для поддержания роста микроорганизмов.
4. Переваренная пища всасывается в тонком и толстом кишечнике
Тип: Эндосмос
Когда вы пьете воду или едите пищу, она движется изо рта по пищеводу в желудок. Внутри желудка пища распадается на множество мелких частей, которые смешиваются с желудочными жидкостями. Смесь образует густую полужидкую массу, называемую химусом. Когда химус попадает в тонкий кишечник, происходит осмос.
Клетки кишечного эпителия (которые образуют слизистую оболочку кишечника) имеют более низкую концентрацию, чем химус. Таким образом, чтобы достичь равновесия, растворитель (вода) проникает в эти клетки через полупроницаемые мембраны, забирая с собой некоторые питательные вещества.
Рядом с эпителиальными клетками находятся капилляры. И питательные вещества, и вода проходят через клетки капилляров в кровоток.
3. Патогенные бактерии мешают кишечным клеткам
Бактерии холеры, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа
Тип: Экзосмос
Некоторые патогенные бактерии, такие как Vibrio cholerae, способны вмешиваться в каналы транспорта ионов кишечных клеток человека. Они производят энтеротоксины, которые изменяют проницаемость эпителиальных клеток кишечной стенки за счет образования пор.
В результате осмоса вода и другие жидкие соединения выводятся из организма, что приводит к сильному обезвоживанию и диарее. Эти бактерии могут крепко держаться за клетки кишечника, в то время как обычные бактерии, живущие в нашем желудке, вымываются. Таким образом, бактерии холеры получают достаточно области для роста и размножения. Умный крошечный микроб, не так ли?
Читайте также: Палатки с непромокаемой тканью
2. Вызванная контактными линзами сухость глаз
Тип: Экзосмос
Знаете ли вы, почему мы помещаем контактные линзы в физиологический раствор? Почему не чистая вода? Это связано с тем, что физиологический раствор для контактных линз содержит такую же концентрацию соленой воды, как и ваш глаз.
Когда вы держите линзы внутри раствора, они остаются влажными, мягкими и удобными. В противном случае они имеют тенденцию впитывать влагу из глаз посредством осмоса, поскольку теряют воду во время носки.
1. Очистка воды
Тип: обратный осмос
Одним из самых популярных и экономичных методов фильтрации воды является обратный осмос. Как следует из названия, это процесс обратного осмоса — растворитель проходит через полупроницаемую мембрану в направлении, противоположном направлению естественного осмоса, когда он подвергается гидростатическому давлению, превышающему осмотическое давление.
Проще говоря, обратный осмос — это метод разделения, при котором давление (большее, чем осмотическое) заставляет растворитель проходить через полупроницаемую мембрану, которая с одной стороны удерживает растворитель (загрязняющие вещества), а с другой — позволяет чистому растворителю (питьевой воде) перейти на другую сторону.
Этот процесс широко используется для удаления из воды распространенных загрязняющих веществ, в том числе пестицидов свинца, нитратов, фтора, сульфатов, мышьяка, бактерий и многого другого.
Роль осмоса в биологических процессах
Осмос имеет большое значение в жизнедеятельности человека, животных и растительных организмов. Как известно, все биологические ткани состоят из клеток, внутри которых находится жидкость (цитоплазма), представляющая собой раствор различных веществ в Н2О. Оболочка клетки полупроницаема и через нее достаточно свободно проходит вода.
Ионы электролитов и молекулы других веществ оболочка пропускает строго избирательно.
Снаружи клетки омываются межклеточной жидкостью, тоже представляющей собой водный раствор. Причем концентрация растворенных веществ внутри клеток больше чем в межклеточной жидкости. Вследствие осмоса наблюдается переход растворителя из внешней среды в клетку, что вызывает ее частичное набухание или тургор. При этом клетка приобретает соответствующую упругость и эластичность. Тургор способствует сохранению определенной формы органов у животных организмов, стеблей и листьев у растений. В срезанных растениях в результате испарения воды объем меж- и внутриклеточной жидкости уменьшается, снижается осмотическое давление, упругость клеток понижается и растение вянет. Увлажнение растений, помещение их в воду вызывает осмос и снова сообщает тканям упругость.
Кровь, лимфа, тканевые жидкости человека представляют собой водные растворы молекул и ионов многих веществ и обладают вследствие этого определенным осмотическим давлением. Причем на протяжении всей жизни организма биологические жидкости сохраняют свое давление на постоянном уровне независимо от состояния внешней среды. Это явление называется иначе изоосмией человеческого организма и является составной частью более общего процесса – гомеостаза или постоянства ряда физико-химических показателей внутренней среды человека в изменяющихся внешних условиях.
Изоосмия особенно присуща таким биологическим жидкостям как кровь и лимфа. Так осмотическое давление крови у человека практически постоянно и при 37 о С изменяется в пределах 740-780 кПа (т.е., почти в 8 раз больше атмосферного).
Осмотическое давление крови у разных живых организмов неодинаково. Так у лягушек оно ниже, чем у человека, а у некоторых морских животных, наоборот, больше.
При изменении осмотического давления крови организм стремится восстановить его, удалив из крови избыточное количество растворенных частиц (если давление повышается) или, наоборот, увеличивая число кинетически активных частиц (если давление понижается). Основную роль в регуляции осмотического давления крови играют почки. В меньшей степени в сохранении изоосмии участвуют ткани печени и подкожной клетчатки. Они способны накапливать избыточные количества солей. При поражении почек вклад подкожной клетчатки в поддержание осмотического давления резко увеличивается. Содержание солей в ее клетках возрастает, что приводит вследствие осмоса к значительному увеличению объема клеток и появлению отечности.
Изоосмия регулируется, прежде всего, центральной нервной системой и деятельностью желез внутренней секреции.
Отклонение осмотического давления крови от нормы вызывает болезненное состояние. Так при его понижении наблюдается рвота, судороги, затемнение сознания. Повышение осмотического давления сопровождается отечностью, нарушением сердечной деятельности.
В некоторых случаях изменение осмотического давления в ограниченных участках тканей могут быть довольно большими. Так при локальных воспалительных процессах белковые молекулы в клетках распадаются на массу более мелких фрагментов, увеличивая тем самым число растворенных частиц в них. Вода из окружающих тканей и сосудов устремляется в эти клетки и значительно увеличивает их объем. При этом в районе воспалительного очага возникает опухоль. При ее разрезе или проколе гнойная жидкость вытекает из нее под большим давлением.
Читайте также: Если машина пропускает ткань
Растворы, осмотическое давление которых равно осмотическому давлению раствора принятого за стандарт, называются изотоническими.В медицине осмотическое давление растворов сравнивают с осмотическим давлением крови. Изотоническими по отношению к крови являются 0,9% (0,15 М) растворNaClи 4,5-5% раствор глюкозы. В этих растворах концентрация частиц растворенного вещества такая же, как и в плазме крови. Отличие состоит лишь в том, что в состав крови входит не толькоNaClили глюкоза, но и целый ряд других веществ. Их суммарная концентрация носит названиеосмолярности(изотонической концентрации) и представляет собой химическое количество всех кинетически активных (т.е., способных к самостоятельному движению) частиц (независимо от их формы, размеров и природы), содержащихся в 1 литре плазмы крови.
Осмолярная концентрация крови у человека составляет 0,287-0,303 моль/л.
Изотонические растворы NaClи глюкозы называют частофизиологическими растворами. Хотя в настоящее время этот термин для них признан неудачным, т.к. строго говоря, истинным физиологическим раствором является раствор по своему количественному и качественному составу максимально приближенный к плазме крови.
Растворы, обладающие более высоким осмотическим давлением, чем плазма крови, называются гипертоническими, а растворы, имеющие более низкое давление – гипотоническими.
При различных лечебных процедурах в кровь человека в больших количествах следует вводить только изотонические растворы, чтобы не вызвать осмотический конфликт из-за резкого несоответствия между осмотическим давлением биологической жидкости и вводимого раствора.
При контакте клетки с гипертоническим раствором происходит отток воды из клетки через мембрану в окружающую среду. Клетка при этом теряет свою упругость, вследствие обезвоживания и уменьшается в объеме (сморщивается).Нормальное течение физических и химических процессов в ней нарушается (рис. 25).
Рис. 25. Схематическое изображение процессов плазмолиза (а) и лизиса (б), протекающих в результате помещения клетки, соответственно, в гипертонический или гипотонический растворы.
Данное явление называется плазмолизомилиэкзосмосом.
Плазмолиз в большинстве случаев является обратимым процессом. Плазмолизированные клетки, помещенные в изотонический раствор, вновь набухают, восстанавливая свою жизнедеятельность. Но при слишком сильном и продолжительном обезвоживании клетка может потерять свою жизнеспособность.
При контакте с гипотоническим раствором вода из внешней среды переходит внутрь клетки. В результате этого увеличивается, и может произойти разрыв ее оболочки. Данное явление называется лизисом или эндосмосом (рис. 25).
Если в качестве клеточной культуры использовать эритроциты, то вследствие разрыва их оболочек внешняя среда окрасится гемоглобином в красный цвет. В этом случае данное явление называют иначе гемолизом(илиэритроцитолизом).
Гемолиз является частным случаем более общего явления – цитолиза (разрушения животных и растительных клеток под влиянием различных причин).
В крови разрушение оболочки у всех эритроцитов наступает если ее осмотическое давление снижается до 260-300 кПа. Цвет крови при этом частично изменяется и принимает характерный, «лаковый» оттенок.
В клинической практике в некоторых случаях могут применяться не только изотонические, но и гипертонические растворы. Например, в хирургии используют марлевые полоски, смоченные в гипертоническом растворе NaClдля наложения на гнойные раны. При этом вследствие осмоса ток жидкости направляется по марле наружу из раны, что способствует постоянному очищению раны от гноя, микроорганизмов, продуктов распада и т.д. (рис. 26).
Рис. 26. Принцип применения гипертонических повязок для очистки пораженных тканей от гноя и продуктов распада
Гипертонические растворы вводят внутривенно при глаукоме, чтобы снизить внутриглазное давление из-за повышенного содержания жидкости в передней камере глаза.
Явлением осмоса объясняют слабительное действие глауберовой (Na2SO4· 10H2O) и горькой (MgSO4· 7H2O) солей.
Эти соли плохо всасываются в кровь и поэтому их высокая концентрация в кишечнике вызывает интенсивный переход воды внутрь него из окружающих тканей, способствуя послабляющему действию.
Многие бактериальные клетки имеют высокое осмотическое давление. При действии антибиотиков (например, пенициллина) ингибируется процесс биосинтеза стенок растущих стрептококков. Они становятся непрочными и под действием внутреннего осмотического давления легко разрушаются.
Таким образом, понимание и контроль осмотических процессов, а также умение оказывать на их протекание то или иное воздействие имеет крайне важное значение в биологии и медицине.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом