OSMOZE: PROCESS, VEIDI, ATŠĶIRĪBAS AR DIFŪZIJU UN PIEMĒRI - BIOLOĢIJA - 2025

Osmozes ir pasīvs parādība pārvietojums ūdens caur membrānu. Tas var būt šūnu membrāna, epitēlijs vai mākslīgā membrāna. Ūdens pārvietojas no zema osmotiskā spiediena (vai kur ūdens ir daudz bagātīgāks) uz reģionu ar augstāku osmotisko spiedienu (vai kur ūdens ir mazāk bagātīgs).

Šis process ir bioloģiski nozīmīgs, un tas organizē virkni fizioloģisko procesu gan dzīvniekiem, gan augiem.

Avots: OpenStax

Pirmais pētnieks, kurš ziņoja par osmotisko fenomenu, bija Abbé Jean Antoine Nollet. 1748. gadā Nollets strādāja ar dzīvnieku šūnu membrānām un pamanīja, ka, kad membrānas vienā pusē ievieto tīru ūdeni, bet otrā - šķīdumu ar atšķaidītiem elektrolītiem, ūdens pārvietojās šajā reģionā ar šķīstošām vielām.

Tādējādi tika aprakstīta ūdens pāreja par labu tā koncentrācijas gradientam, un to sauca par osmozi. Termins nāk no grieķu saknēm osmos, kas nozīmē virzīt.

1877. gadā Vilhelms Pfellers veica pirmos osmotiskā spiediena pētījumus. Viņa eksperimentālais dizains ietvēra vara ferocianīdu "membrānas" izmantošanu uz poraina māla kausa virsmas, radot membrānu, kas ļāva iziet ūdens molekulām.

Pfellera mākslīgās membrānas bija pietiekami izturīgas, lai izturētu ievērojamu osmotisko spiedienu un nesabruktu. Šis pētnieks varēja secināt, ka osmotiskais spiediens ir proporcionāls izšķīdušās vielas koncentrācijai.

Process

Ūdens kustību caur membrānu no zemas koncentrācijas zonas uz augstas koncentrācijas zonu sauc par osmozi. Šis process notiek no apgabala ar zemāko osmotisko spiedienu līdz augstākajam osmotiskajam spiedienam.

Sākumā šis apgalvojums var būt mulsinošs - un pat pretrunīgs. Mēs esam pieraduši pie pasīvas "augstas līdz zemas" kustības. Piemēram, siltums var būt no augstas līdz zemai temperatūrai, glikoze izkliedējas no reģioniem ar augstu koncentrāciju līdz mazāk koncentrētiem apgabaliem utt.

Kā mēs minējām, ūdens, kas piedzīvo osmozes parādību, pārvietojas no zema spiediena uz augstu spiedienu. Tas notiek tāpēc, ka ūdens ir daudz bagātīgāks uz tilpuma vienību, kur šķīstošais ir mazāk bagātīgs.

Tas ir, osmozes laikā ūdens pārvietojas tur, kur tas (ūdens) ir bagātīgāks, uz turieni, kur tas ir mazāk bagātīgs. Tāpēc parādība jāsaprot no ūdens viedokļa.

Ir svarīgi atcerēties, ka osmoze regulē ūdens kustību caur membrānām un tieši neietekmē izšķīdušo vielu kustību. Kad izšķīst difūze, viņi to izdara, ievērojot savas ķīmiskās koncentrācijas gradientus. Tikai ūdens seko osmotiskā spiediena koncentrācijas gradientam.

Osmotiskais spiediens

Spiediens?

Viens no mulsinošākajiem aspektiem, kad jāsaprot osmozes process, ir vārda spiediena lietošana. Lai izvairītos no neskaidrībām, ir svarīgi paskaidrot, ka pats risinājums osmotiskā spiediena dēļ nerada hidrostatisko spiedienu.

Piemēram, 1 M glikozes šķīdumam osmotiskais spiediens ir 22 atm. Tomēr šķīdums "neizsprāgst" stikla pudeles un to var uzglabāt tāpat kā tīru ūdeni, jo izolēts šķīdums nepārvēršas hidrostatiskā spiedienā.

Termini spiedieni tiek lietoti tikai vēsturiskas avārijas dēļ, jo pirmie zinātnieki, kas pētīja šīs parādības, bija fizikāli un ķīmiski.

Tādējādi, ja divus risinājumus, kas atšķiras pēc to osmotiskā spiediena, atdala ar membrānu, tiks izveidots hidrostatiskais spiediens.

Osmotiskais un hidrostatiskais spiediens

Osmozes process noved pie hidrostatiskā spiediena veidošanās. Spiediena starpība noved pie koncentrētāka šķīduma līmeņa paaugstināšanās, jo ūdens tajā izkliedējas. Ūdens līmeņa celšanās turpinās, līdz ūdens neto kustības ātrums ir vienāds ar nulli.

Tīkla plūsma tiek sasniegta, ja hidrostatiskais spiediens II nodalījumā ir pietiekams, lai piespiestu ūdens molekulas atgriezties pie I uzvedības ar tādu pašu ātrumu, kāds osmoze izraisa molekulu pārvietošanos no I nodalījuma uz II.

Ūdens spiedienu, kas izraisa daļiņu atkāpšanos (no I līdz II nodalījumam), sauc par šķīduma osmotisko spiedienu II nodalījumā.

Kā tiek kontrolēta ūdens plūsma šūnās?

Pateicoties osmotiskajai parādībai, ūdens var pasīvi pārvietoties pa šūnu membrānām. Vēsturiski ir zināms, ka dzīvniekiem trūkst aktīvas ūdens transporta sistēmas, lai kontrolētu šīs vielas plūsmu.

Tomēr aktīvās izšķīdušās transporta sistēmas var mainīt ūdens kustības virzienu labvēlīgā virzienā. Tādā veidā aktīvs izšķīdušais transports ir viens no veidiem, kā dzīvnieki izmanto savu metabolisma enerģiju, lai kontrolētu ūdens pārvadāšanas virzienu.

Kvantitatīvā noteikšana

Ir matemātiskas formulas, kas ļauj izmērīt ātrumu, ar kādu ūdens šķērsos membrānas ar osmozes palīdzību. Vienādojums, lai to aprēķinātu, ir šāds:

Ūdens osmotiskais transportēšanas ātrums = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Kur Π ₁ un Π ₂ ir šķīdumu osmotiskie spiedieni abās membrānas pusēs, un X ir attālums, kas tos atdala.

Attiecības (Π ₁ –Π ₂ / X) sauc par osmotiskā spiediena gradientu vai osmotisko gradientu.

Pēdējais vienādojuma termins ir K ir proporcionalitātes koeficients, kas atkarīgs no temperatūras un membrānas caurlaidības.

Atšķirības ar difūziju

Kas ir apraide?

Difūzija notiek pēc nejaušas izšķīdušo vai suspendēto molekulu kustības, kas izraisa to izkliedi no zemas koncentrācijas reģioniem. Izkliedes ātrumu var aprēķināt, izmantojot Fika vienādojumu.

Tas ir eksergonisks process sakarā ar entropijas palielināšanos, ko attēlo molekulu nejaušs sadalījums.

Gadījumā, ja viela ir elektrolītiska, papildus koncentrācijām jāņem vērā arī kopējā starpība starp diviem nodalījumiem.

Osmoze ir īpašs difūzijas gadījums

Difūzija un osmoze nav pretēji termini, daudz mazāk savstarpēji izslēdzoši jēdzieni.

Ūdens molekulām ir spēja ātri pārvietoties pa šūnu membrānām. Kā mēs paskaidrojām, procesā, ko sauc par osmozi, tie izkliedējas no apgabala ar zemu izšķīdušo vielu koncentrāciju uz tādu, kurā ir augsta koncentrācija.

Mums šķiet dīvaini runāt par “ūdens koncentrāciju”, taču šī viela uzvedas tāpat kā jebkura cita viela. Tas ir, tas izkliedējas par labu tā koncentrācijas gradientam.

Tomēr daži autori terminu "ūdens difūzija" izmanto kā osmozes sinonīmu. To burtiski lietot bioloģiskajās sistēmās var būt nepareizi, jo ir pierādīts, ka osmozes ātrums caur bioloģiskajām membrānām ir lielāks nekā tas, ko varētu sagaidīt vienkāršs difūzijas process.

Dažās bioloģiskās sistēmās ūdens caur šūnu membrānu iziet vienkāršā difūzijā. Tomēr dažām šūnām ir speciāli kanāli ūdens caurbraukšanai. Vissvarīgākos sauc par akvaporīniem, palielinot ūdens plūsmas ātrumu caur membrānu.

Piemēri

Bioloģiskajās sistēmās ūdens kustībai caur šūnu membrānām ir izšķiroša nozīme, lai izprastu desmitiem fizioloģisko procesu. Daži piemēri:

Osmotiskā apmaiņa saldūdens zivīs

Interesants piemērs par osmozes lomu dzīvniekiem ir ūdens apmaiņa, kas notiek zivīs, kas dzīvo saldūdenī.

Dzīvnieki, kas apdzīvo saldūdens objektus, pastāvīgi ieņem ūdeni no upes vai dīķa, kur viņi dzīvo, jo tā asins plazmā un citos ķermeņa šķidrumos ir daudz augstāka nekā ūdenī. .

Carassius auratus zivju sugas dzīvo saldūdens vidē. Cilvēks, kura masa ir 100 grami, dienā var iegūt apmēram 30 gramus ūdens, pateicoties ūdens kustībai savā ķermenī. Zivīm ir sistēmas - enerģētiski dārgas -, lai pastāvīgi atbrīvotos no liekā ūdens.

Šķidrumu reabsorbcija

Dzīvnieku kuņģa-zarnu trakta sistēmā osozes parādībai jānotiek, lai tā pareizi darbotos. Gremošanas trakts izdala ievērojamu daudzumu šķidruma (litru secībā), kuru šūnas, kas izdalās zarnas, jāabsorbē ar osmozi.

Ja šī sistēma neveic savu darbu, var rasties smagi caurejas gadījumi. Šīs nepareizas darbības pagarināšana var izraisīt pacienta dehidratāciju.

Turgors augos

Ūdens tilpums šūnās ir atkarīgs gan no iekšējās, gan ārējās vides koncentrācijas, un plūsmu organizē difūzijas un osmozes parādības.

Ja dzīvnieka šūna (piemēram, eritrocīts) tiek ievietota barotnē, kas veicina iekļūšanu ūdenī, tā var eksplodēt. Turpretī augu šūnām ir siena, kas aizsargā tās no osmotiskā stresa.

Faktiski augi, kas nav kokaugi, izmanto šo spiedienu, ko rada pasīva ūdens iekļūšana. Šis spiediens palīdz saglabāt dažādus augu orgānus, piemēram, lapas, turgid. Tiklīdz ūdens sāk izplūst no šūnām, šūna zaudē turgumu un skaustu.

Atsauces

1. Cooper, GM, Hausman, RE, & Hausman, RE (2000). Šūna: molekulārā pieeja. ASM prese.
2. Ekerts, R., Randals, R., un Augustīns, G. (1988). Dzīvnieku fizioloģija: mehānismi un pielāgojumi. WH Freeman & Co.
3. Hils, RW, Vīzija, GA, Andersons, M., un Andersons, M. (2004). Dzīvnieku fizioloģija. Sinauer Associates.
4. Karp, G. (2009). Šūnu un molekulārā bioloģija: jēdzieni un eksperimenti. Džons Vilijs un dēli.
5. Pollards, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J., & Johnson, G. (2016). Šūnu bioloģijas e-grāmata. Elsevier veselības zinātnes.
6. Schmidt-Nielsen, K. (1997). Dzīvnieku fizioloģija: adaptācija un vide. Cambridge University Press.