Осмос. Пример осмоса. Механизмы осмоса.

Добавил пользователь Валентин П.
Обновлено: 14.12.2024

Под осмосом в биологии понимают давление жидкости внутри живой системы.

В жизнедеятельности всех без исключения представителей царств живой природы осмосу отводится важная роль. Живые существа состоят из клеток: внутри клеток в цитоплазме имеется жидкость, содержащая воду и растворенные в ней вещества. Поступление внутрь клетки таких веществ является избирательным. К примеру, так происходит с ионами, поддерживающими электронейтральность клеток.

Снаружи клеток находится межклеточная жидкость — это водный раствор. Отметим, что концентрация растворенных веществ внутри клеток выше в сравнении с межклеточной жидкостью.

Благодаря осмосу осуществляется переход растворителя из внешней среды в клетку с последующим разбуханием или тургором. Что же имеют в виду под тургором в биологии?

Тургор — это давление воды на клеточные стенки, в результате которого клетка приобретает упругость и эластичность.

Благодаря тургору также:

сохраняется форма клетки;
стабилизируется объем внутриклеточной жидкости;
происходит увлажнение растений.

Механизм протекания осмоса

Осмотическое давление обеспечивает процесс минерального питания растений: это достигается за счет восходящего тока воды от корня в направлении листа, а также за счет нисходящего тока жидкости, возвращающего минеральные вещества в круговорот веществ. Внутри ксилемы и флоэмы — это такие разновидности проводящей ткани растительного организма — также поддерживается осмотическое давление.

В человеческом организме полно жидкостей, являющихся частью его внутренней среды. Это лимфа, кровь, тканевая жидкость и др. Для них тоже свойственно наличие осмотического давления, которое они поддерживают на одном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды. Это давление получило название изоосмии. Оно является частью общего процесса обмена веществ. У различных организмов осмотическое давление крови не различается.

При снижении осмотического давления крови, организм удаляет из крови излишек растворенных в ней частиц — таким образом он старается вернуть давление в норму. При повышении осмотического давления происходит возрастание количества кинетически активных частиц.

Осмотическое давление крови осуществляется за счет почек. Непосредственное участие в нем принимает и подкожно жировая клетчатка, накапливающая избыток солей. Регуляция изоосмии происходит, в первую очередь, при помощи центральной нервной системы и желез внутренней секреции.

Различные отклонения осмотического давления от нормы сопровождаются болезненными ощущениями. В случае снижения возникают:

судорога;
рвота;
помутнение сознания.

Здоровый образ жизни и соблюдение питательного и питьевого режима позволяет предотвратить критическое снижение величины осмотического давления в жидкостях человеческого организма.

Есть растворы, обладающие осмотическим давлением определенного стандарта: это изотоники. Если происходит превышение установленного стандарта, то раствор уже называют гипертоническим. В случае уменьшения стандарта речь идет о гипотоническом растворе.

Изотоническими в медицине называются растворы, в которых концентрация солей по отношению к крови равна 0,9%. Обратный процесс осмоса — плазмолиз. В этом случае происходит потеря давления и упругости клетки. Если происходит сильный деплазмолиз, то клетка утрачивает собственную упругость и жизнеспособность. Поддержание нормального осмотического давления позволяет не допустить появления деплазмолиза внутри живой системы.

Нарушения осмоса приводят к гемолизу — это частный случай цитолиза.

Под цитолизом понимают разрушение животных клеток под воздействием разнообразных причин.

К примеру, в случае снижения осмотического давления до 260-300 кПа, то в крови начинают разрушаться все оболочки. У различных организмов критическая величина снижения осмотического давления разная.

В некоторых случаях в клинической практике встречается применение изотонических и гипертонических растворов. Последние вводятся внутривенно при глаукоме для снижения внутриглазного давления (оно возникает как результат повышенного содержания жидкости в передней глазной камере).

Для многих солей характерен слабительный эффект: это глауберова (Na2SO4′ 10H2O) и горькая (MgSO4’ 7H2O) соли. Эти соли плохо всасываются в кровь. В результате высокая их концентрация в кишечнике становится причиной интенсивного перехода воды внутрь кишечника — из окружающих его тканей.

У бактериальных клеток тоже наблюдается осмотическое давление высокой величины. В результате действия антибиотиков (пример — пеннциллин) ингибируется процесс биосинтеза стенок растущих стрептококков. Стенки теряют прочность и легко разрушаются под действием внутреннего осмотического давления. Можно сказать, что осмотическое давление помогает противостоять бактериальным клеткам и формирует иммунитет.

Значение осмоса в биологии

Значение осмоса для живого организма заключается в том, что:

благодаря осмосу мембрана контролирует процесс поступления различных веществ в собственное внутреннее пространство;
осмос обеспечивает потребление влаги и питательных веществ растениями — за счет этого происходит фотосинтез;
осмос отвечает за формирование тургорного давления, обеспечивающего клетки упругостью;
за счет него из клетки выделяются излишки солей и обеспечивается ее жизнеспособность;
происходит реализация деятельности вакуолей — их сократительных форм. Такие образования имеют довольно сложное устройство. У одноклеточных организмов чаще всего два таких органоида.

Первым делом происходит набухание проводящих каналов, а после — трансляция воды в их основной резервуар. После при помощи экзоцитоза происходит отделение резервуара от приводящих каналов. Обе вакуоли осуществляют работу в противофазе. В нормальных физиологических условиях они сокращаются один раз в 12-15 секунд. В течение часа вакуоли способны выбросить из клетки объем воды, примерно равный самому объему клетки.

Понимание и контроль осмотических процессов дает возможность целенаправленно влиять на эти процессы. В медицине и биологии наличие такого влияния очень важно.

Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах

Явление осмоса играет важную роль во многих хими-ческих и биологических системах. Благодаря осмосу регулируется поступление воды в клетки и межклеточ-ные структуры. Упругость клеток (тургор), обеспечиваю-щая эластичность тканей и сохранение определенной формы органов, обусловлена осмотическим давлением. Животные и растительные клетки имеют оболочки или поверхностный слой протоплазмы, обладающие свойст-вами полупроницаемых мембран. При помещении этих клеток в растворы с различной концентрацией наблю-дается осмос.

Растворы, имеющие одинаковое осмотическое дав-ление, называются изотоническими. Если два раство-ра имеют различное осмотическое давление, то раствор с большим осмотическим давлением является гиперто-ническим по отношению ко второму, а второй - гипото-ническим по отношению к первому. При помещении кле-ток в изотонический раствор они сохраняют свой размер и нормально функционируют.

При помещении клеток в гипотонический раствор во-да из менее концентрированного внешнего раствора пе-реходит внутрь клеток, что приводит к их набуханию, а затем к разрыву оболочек и вытеканию клеточного со-держимого. Такое разрушение клеток называется лизи-сом, в случае эритроцитов этот процесс называется ге-молизом. Кровь с клеточным содержимым, выходящим наружу при гемолизе, за свой цвет называется лаковой кровью.

При помещении клеток в гипертонический раствор во-да из клеток уходит в более концентрированный раст-вор, и наблюдается сморщивание (высушивание) кле-ток. Это явление называется плазмолизом.

Биологические жидкости человека (кровь, лимфа, тка-невые жидкости) представляют собой водные растворы низкомолекулярных соединений - NaCI, KCl, СаС1, высокомолекулярных соединений - белков, поли-сахаридов, нуклеиновых кислот и форменных элемен-тов - эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов. Их суммар-ным действием определяется осмотическое давление биологических жидкостей.

Осмотическое давление крови человека при 310°К (37°С) составляет 780 кПа (7,7 атм). Такое же давление создает и 0,9%-ный водный раствор NaCI (0,15 моль/л), который, следовательно, изотоничен с кровью (физио-логический раствор). Однако в крови кроме ионов Na и С1 имеются и другие ионы, а также ВМС и форменные элементы. Поэтому в медицинских целях более пра-вильно использовать растворы, содержащие те же ком-поненты и в том же количестве, что и входящие в состав крови. Эти растворы применяют в качестве кровезаме-нителей в хирургии.

Человеческий организм, помимо осмотического давле-ния, характеризуется постоянством (гомеостазом) и других физико-химических показателей крови например кислот-ности. Допустимые колебания осмотического давления крови весьма незначительны и даже при тяжелой пато-логии не превышают нескольких десятков кПа.

При различных процедурах в кровь человека и живот-ных в больших количествах можно вводить только изо-тонические растворы.

При больших потерях крови (например, после тяже-лых операций, травм) больным вводят по несколько лит-ров изотонического раствора для возмещения потери жидкости с кровью.

Явление осмоса широко используют в медицинской практике. Так, в хирургии применяют гипертонические по-вязки (марлю, смоченную в гипертоническом 10%-ном рас-творе NaCl), которые вводят в гнойные раны.

По закону осмоса ток жидкости раны через марлю направляется наружу, в результате чего рана постоян-но очищается от гноя, микроорганизмов и продуктов распада.

Осмос и осмотическое давление

Если разделить раствор и растворитель при помощи полупроницаемой перегородки (мембраны), пропускающей свободно молекулы растворителя и задерживающей молекулы растворенного вещества, то наблюдается односторонняя диффузия растворителя.

Такого рода диффузия обусловливается тем, что число молекул растворителя в единице объема больше, чем в таком же объеме раствора, так как в растворе часть объема занимают молекулы растворенного вещества. В результате молекулярного движения перемещение молекул растворителя через мембрану из растворителя в раствор преобладает над перемещением их в обратном направлении.

Односторонняя диффузия растворителя к раствору называется осмосом, а сила, обусловливающая осмос, отнесенная к единице поверхности полупроницаемой мембраны, называется осмотическим давлением.

В результате осмоса и диффузии выравнивается концентрация, причем способы, которыми достигается это выравнивание, принципиально различны. В процессе диффузии равенство концентраций достигается перемещением молекул растворенного вещества, а в случае осмоса - перемещением молекул растворителя.

Механизм осмоса нельзя объяснить только тем, что полупроницаемые мембраны играют роль сита с ячейками, через которые свободно проходят молекулы растворителя, но не проходят молекулы растворенного вещества.

По-видимому, механизм осмоса значительно сложнее. Здесь большую роль играют строение и состав мембраны.

В зависимости от природы мембраны механизм осмоса будет различен. В одних случаях через мембрану свободно проходят только те вещества, которые в ней растворяются, в других случаях мембрана взаимодействует с растворителем, образуя промежуточные непрочные соединения, которые легко распадаются, и, наконец, она может представлять и пористую перегородку с определенными размерами пор.

Для измерения осмотического давления в сосуд с полупроницаемыми стенками наливают исследуемый раствор и плотно закрывают пробкой, в которую вставлена трубка, соединенная с манометром. Такой прибор для измерения осмотического давления называется осмометром.

Осмометр с раствором погружают в сосуд с растворителем. В начале процесса растворитель из наружного сосуда диффундирует в осмометр с большей скоростью, чем из него, поэтому уровень жидкости в трубке осмометра поднимается, что создает в ней гидростатическое давление, которое постепенно увеличивается. По мере увеличения гидростатического давления скорости диффузии растворителя в осмометр и из осмометра уравниваются, в результате чего наступает состояние динамического равновесия, подъем жидкости в трубке осмометра прекращается.

Гидростатическое давление, установившееся в результате осмоса, служит мерой осмотического давления.

Измерение осмотического давления при помощи осмометра не всегда возможно с достаточной точностью, так как не существует мембран, способных задерживать все частицы растворенного вещества. Измеряемое значение осмотического давления для одного и того же раствора будет, следовательно, в какой-то мере зависеть от природы мембраны.

Осмотическое давление возникает лишь на границе между раствором и растворителем (или раствором другой концентрации), если эта граница образована полупроницаемой перегородкой. Раствор, содержащийся в обыкновенном сосуде, не оказывает на его стенки никакого иного давления, кроме обычного гидростатического. Поэтому осмотическое давление надо рассматривать не как свойство растворенного вещества, или растворителя, или самого раствора, а как свойство системы из растворителя и раствора с полупроницаемой перегородкой между ними.

Зако́ны Ра́уля — общее название открытых французским химиком Ф. М. Раулем в 1887 г. количественных закономерностей, описывающих некоторые коллигативные (зависящие отконцентрации, но не от природы растворённого вещества) свойства растворов.

Первый закон Рауля связывает давление насыщенного пара над раствором с его составом; он формулируется следующим образом:

· Парциальное давление насыщенного пара компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причём коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым компонентом.

Для бинарного раствора, состоящего из компонентов А и В (компонент А считаем растворителем) удобнее использовать другую формулировку:

· Относительное понижение парциального давления пара растворителя над раствором не зависит от природы растворённого вещества и равно его мольной доле в растворе.

На поверхности оказывается меньше способных испаряться молекул растворителя, ведь часть места занимает растворённое вещество.

Растворы, для которых выполняется закон Рауля, называются идеальными. Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых очень близки по физическим и химическим свойствам (оптические изомеры, гомологи и т. п.), и образование которых не сопровождается изменением объёма и выделением либо поглощением теплоты. В этом случае силы межмолекулярного взаимодействиямежду однородными и разнородными частицами примерно одинаковы, и образование раствора обусловлено лишь энтропийным фактором.

Растворы, компоненты которых существенно различаются по физическим и химическим свойствам, подчиняются закону Рауля лишь в области очень малых концентраций; при больших концентрациях наблюдаются отклонения от закона Рауля. Случай, когда истинные парциальные давления паров над смесью больше, чем вычисленные по закону Рауля, называют положительными отклонениями. Противоположный случай, когда парциальные давления паров компонентов оказываются меньше вычисленных — отрицательные отклонения.

Причиной отклонений от закона Рауля является то обстоятельство, что однородные частицы взаимодействуют друг с другом иначе, чем разнородные (сильнее в случае положительных и слабее в случае отрицательных отклонений).

Реальные растворы с положительными отклонениями от закона Рауля образуются из чистых компонентов с поглощением теплоты (ΔН_раств > 0); объём раствора оказывается больше, чем сумма исходных объёмов компонентов (ΔV > 0). Растворы с отрицательными отклонениями от закона Рауля образуются с выделением теплоты (ΔН_раств < 0); объём раствора в этом случае будет меньше, чем сумма исходных объёмов компонентов (ΔV < 0).

Тот факт, что давление паров над раствором отличается от давления паров над чистым растворителем, существенно влияет на процессы кристаллизации и кипения. Из первого закона Рауля выводятся два следствия, касающиеся понижения температуры замерзания и повышения температуры кипения растворов, которые в объединённом виде известны как второй закон Рауля.

Условием кристаллизации является равенство давления насыщенного пара растворителя над раствором давлению пара над твёрдым растворителем. Поскольку давление пара растворителя над раствором всегда ниже, чем над чистым растворителем, это равенство всегда будет достигаться при температуре более низкой, чем температура замерзания растворителя. Так, океанская вода начинает замерзать при температуре около минус 2 °C.

Разность между температурой кристаллизации растворителя T°_fr и температурой начала кристаллизации раствора T_fr есть понижение температуры кристаллизации.

· Понижение температуры кристаллизации бесконечно разбавленных растворов не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрациираствора.

Поскольку по мере кристаллизации растворителя из раствора концентрация последнего возрастает, растворы не имеют определённой температуры замерзания и кристаллизуются в некотором интервале температур.

Жидкость кипит при той температуре, при которой общее давление насыщенного пара становится равным внешнему давлению. Если растворённое вещество нелетуче (то есть давлением его насыщенных паров над раствором можно пренебречь), то общее давление насыщенного пара над раствором равно парциальному давлению паров растворителя. В этом случае давление насыщенных паров над раствором при любой температуре будет меньше, чем над чистым растворителем, и равенство его внешнему давлению будет достигаться при более высокой температуре. Таким образом, температура кипения раствора нелетучего вещества T_b всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя при том же давлении T°_b.

· Повышение температуры кипения бесконечно разбавленных растворов нелетучих веществ не зависит от природы растворённого вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации раствора

Коэффициенты пропорциональности К и Е в приведённых выше уравнениях — соответственно криоскопическая и эбулиоскопическая постоянные растворителя, имеющие физический смысл понижения температуры кристаллизации и повышения температуры кипения раствора с концентрацией 1 моль/кг. Для воды они равны 1.86 и 0.52 K·моль −1 ·кг соответственно. Поскольку одномоляльный раствор не является бесконечно разбавленным, второй закон Рауля для него в общем случае не выполняется, и величины этих констант получаютэкстраполяцией зависимости из области малых концентраций до m = 1 моль/кг.

Для водных растворов в уравнениях второго закона Рауля моляльную концентрацию иногда заменяют молярной. В общем случае такая замена неправомерна, и для растворов,плотность которых отличается от 1 г/см³, может привести к существенным ошибкам.

Второй закон Рауля даёт возможность экспериментально определять молекулярные массы соединений, неспособных к диссоциации в данном растворителе; его можно использовать также для определения степени диссоциации электролитов.

Законы Рауля не выполняются для растворов (даже бесконечно разбавленных), которые проводят электрический ток — растворов электролитов. Для учёта этих отклонений Вант-Гоффвнёс в приведённые выше уравнения поправку — изотонический коэффициент i, неявно учитывающий диссоциацию молекул растворённого вещества:

Неподчинение растворов электролитов законам Рауля и принципу Вант-Гоффа послужили отправной точкой для создания С. А. Аррениусом теории электролитической диссоциации.

Упругость Насыщения - упругость водяного пара, максимально возможная приданной температуре. Она тем больше, чем выше температура воздуха. По еедостижении начинается конденсация водяного пара.

Эбуллиоскопическая константа- разница между температурой кипения раствора и температурой чистого растворителя.

Криоскопическая константа- разница между температурой замерзания раствора и температурой чистого растворителя.

74. Явление осмоса, его роль в биологических системах. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.

Растворы изотонические, гипо- и гипертонические.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества (см. Рис. 1). Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.

Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.

Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Осмотическое давление (обозначается π) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану. Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.

ЗАКОН ВАНТ-ГОФФА описывает зависимость ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ разбавленных растворов от температуры и молярной концентрации раствора:
Вант-Гофф пришел к заключению, что закон Авогадро справедлив и для разбавленных растворов. Он экспериментально установил, что осмотическое давление, представляющее собой меру стремления двух различных растворов по обе стороны мембраны к выравниванию концентрации, в слабых растворах зависит не только от концентрации, но и от температуры и, следовательно, подчиняется законам термодинамики газов. Вант-Гофф выразил осмотическое давление формулой РV = iRT, где Р означает осмотическое давление вещества, растворенного в жидкости; V - объем; R - газовую постоянную; Т - температуру и i - коэффициент, который для газов часто равен 1, а для растворов, содержащих соли, - больше единицы. Вант-Гофф смог объяснить, почему изменяется значение i, связав этот коэффициент с числом ионов, находящихся в растворе. Проведенные Вант-Гоффом исследования разбавленных растворов явились обоснованием теории электролитической диссоциации С.Аррениуса. Впоследствии Аррениус приехал в Амстердам и работал вместе с Вант-Гоффом.

Изотонический раствор (изоосмотический раствор) - раствор, осмотическое давление которого равно осмотическому давлению плазмы крови; например, 0,9 % водный раствор хлорида натрия, 5 % водный раствор глюкозы. Все эти растворы используются в терапии различных заболеваний с целью снятия интоксикации и других проявлений болезни. Изотонические расвторы, в отличие от гипертонических и гипертонических (не применяются для внутривенного введения) не приводят к гемолизу эритроцитов при внутривенном введении.

Гипотонические растворы отличаются от изотонического меньшей концентрацией и соответственно меньшим осмотическим давлением. При контакте с тканями вода из гипотонических растворов поступает в клетки тканей. Вследствие этого они набухают, а при чрезмерном накоплении в них воды наступает разрыв клеточных оболочек, т. е. лизис клеток.

Применение гипотонических растворов натрия хлорида в практике очень ограничено. В ряде случаев они используются для приготовления растворов веществ, применяемых для инфильтрационной анестезии. Действиеанестетиков в гипотонических растворах усиливается, так как последние способствуют более глубокому проникновению веществ в ткани.

Гипертонические растворы, растворы, осмотическое давление которых выше осмотического давления в растительных или животных клетках и тканях. В зависимости от функциональной, видовой и экологической специфики клеток осмотическое давление в них различно, и раствор, гипертоничный для одних клеток, может оказаться изотоничным или даже гипотоничным для др. При погружении растительных клеток в Г. р. он отсасывает воду из клеток, которые уменьшаются в объёме, а затем дальнейшее сжатие прекращается и протоплазма отстаёт от клеточных стенок (см. Плазмолиз). Эритроциты крови человека и животных в Г. р. также теряют воду и уменьшаются в объёме. Г. р. в сочетании с гипотоническими растворами иизотоническими растворами применяют для измерения осмотического давления в живых клетках и тканях.

Суть процесса осмоса в клетке и основные его механизмы

Осмотическое давление клетки или осмос представляет собой одностороннюю диффузию воды через полунепроницаемую мембрану внутрь концентрированного раствора.

Протекание осмоса связано с тем, что у более концентрированного раствора отмечается меньшая концентрация молекул растворителя. Путем диффузии в него могут просачиваться молекулы растворителя из раствора с меньшей концентрацией, тем самым разбавляя его. Разбавление происходит до того момента, пока концентрация внутри мембраны и за ее пределами не станет одинаковой.

При рассмотрении полупроницаемой мембраны (она является проницаемой для растворителя и непроницаемой для растворенных веществ), то видно, что ее поры способны пропускать лишь маленькие молекулы. Одновременно с этим доступ большим молекулам блокируется.

В случае, когда полупроницаемая мембрана отделяет раствор сахара от емкости с чистой водой, то первоначально концентрация молекул воды в растворе сахара ниже, чем в чистой воде. Транслируемые из чистой воды в сахарный раствор через полупроницаемую мембрану молекулы воды находятся в большем количестве, чем количество проникающей в обратном направлении воды.

Какое-то время вода переходит через мембрану и распространяется по сосудам с сахаром. Из-за того, что поры мембраны клеток очень маленькие для пропускания сахарного раствора, то уровень жидкости в том месте, где он находится, повышен.

Осмотическое давление — давление, которое производят молекулы растворенного вещества на полупроницаемые стенки сосуда.

Осмотическое давление раствора всегда будет большим чем суммарная концентрация гидрофильных (то есть, осмотически активных) веществ, находящихся внутри него. Исходя из количества содержания солей, все растворы можно поделить на:

изотонические;
гипотонические;
гипертонические.

Под изотоническим раствором понимают среду, где осмотическое давление равно осмотическому давлению внутри клетки. В такой среде отмечается поступление воды в клетку, из которой она не выводится.

Гипотоническая среда — это среда, внутри которой осмотическое давление меньше внутриклеточного осмотического давления. В такой среде обеспечивается трансляция воды через мембрану во внутриклеточное пространство. Происходит раздувание клетки, а иногда — разрушение клеточной структуры. Если у клетки имеется клеточная стенка, то она не лопается. При этом, стенка сильно давит на клетку.

Основные механизмы осмоса в клетках

В случае, если осмотическое давление больше, чем осмос внутри клетки, то такая клетка называется гипертонической. Такая среда обеспечивает довольно быстрый вход воды через мембрану, происходит сжимание и смарщивание клетки.

При введении в организм гипотоничекого раствора, может произойти лопание клеток крови. При введении гипертонического раствора — клетки сжимаются.

В случаях, когда необходимо вливание большого объема, используют изотонический раствор с концентрацией 0,9% содержания соли (NaCl).

Растительную клетку составляют протопласт и стенки. Когда клетка попадает в гипертонический раствор, происходит специфическая реакция — плазмолиз.

Плазмолиз представляет собой явление сжатия протопласта и отхождение его от стенки.

Есть обратимый и необратимый плазмолиз.

Также можно выделить процесс, который противоположен плазмолизу — деплазмолиз.

Есть несколько вариантов плазмолиза:

стандартный, для которого свойственно протекания со средней скоростью;
судорожный, который отличается тем, что клетка приобретает игольчатый вид. Это связано с тем, что протопласты близко расположенных клеток соединяются с этой клеткой при помощи плазмодесм (мостиков).

Значение осмоса

Основное значение осмоса в том, что это базовый клеточный процесс. Процесс осмоса используется мембранами различных клеток, чтобы поглощать нужные вещества. Осмотическое определяет и влияет на множество процессов, происходящих в многоклеточном организме.

Непосредственно путем осмоса происходит поглощение влаги корнями растений.

Внутри растительной клетки концентрация растворенных веществ выше, чем вне клетки: таким образом она получает оптимальное количество воды и не лопается.

Давление воды на стенки клетки — это тургорное давление: ему противостоит клеточная стенка растительной клетки. Также тургорному давлению противостоит клеточная стенка бактерий, обитающих в водной среде.

Чтобы излишки воды выводились из клетки животного одноклеточного организма, возникли специфические образования — сократительные вакуоли. Обитающие в морях одноклеточные получают из клеток соли. В это время происходит выравнивание осмотического давления в клетке с осмотическим давлением морской воды.

У таких образований отмечается довольно сложная структура. Обычно в организме присутствуют две сократительные вакуоли, между которыми набухают проводящие каналы. Выброс воды за пределы клетки происходит путем экзоцитоза.

Работа двух вакуолей осуществляется по принципу противофазы. Сокращение каждой вакуоли происходит в нормальном режиме — то есть, 12-15 раз в сутки. В течение одного часа клеткой может выбрасываться объем воды, который равен ее объему.

Из информации выше следует, что у многоклеточных животных формируется среда с изотоническим раствором.

Осморегуляция представляет собой процесс регуляции внутренней среды организма — ее осмотического состава.

Так, осмос — это процесс, в ходе которого вода проходит через мембрану с избирательной проницаемостью (через клеточную мембрану). Наблюдается зависимость осмоса от диффузии отдельных молекул воды через данную мембрану. Такой процесс является возможным благодаря наличию особых пор внутри мембраны.

Выделяют два основных фактора, определяющих осмотический ток воды внутри клетки:

Концентрация всех растворенных в воде частиц — по обеим сторонам мембраны.
Давление, создаваемое каждым раствором.

Осмос обеспечивает восходящий и нисходящий ток воды внутри растительного организма. Это дает возможность переносить питательные вещества с определенной интенсивностью ко всем органам растения: от корня к листу и от листа к корню.

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Осмос - процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.

Движущей силой процесса является разность концентраций растворителя по обе стороны мембраны. Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу - экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Это осмотическое давление возникает соответственно Принципу Ле-Шателье из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса - обратной диффузии растворителя.

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки. Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию. Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высокоминерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.

Человечество с древних времен, использовало эффект осмоса в процессе засаливания пищи. В результате происходил плазмолиз клеток патогена.

Осмос всегда широко использовался в лабораторных исследованиях. С помощью лабораторной техники, использующей явление осмоса, специалисты могут определить молярную характеристику полимеров, концентрацию растворов. Также с помощью осмоса проводят исследования над разнообразными биологическими структурами. Осмотические явления довольно часто используют в промышленности для получения разнообразных полимерных материалов. Совсем недавно осмос начали использовать для выработки электроэнергии. В последнее время очень популярными стали системы по очистке жидкостей и воды, использующие осмос и обратный осмос. Такие системы могут эксплуатироваться как в промышленных объемах, так и на бытовом уровне. В наше время, в каждом магазине бытовой техники можно встретить фильтры для очистки воды, использующих технологию обратного осмоса. Роль осмоса и его значение в будущем будет еще большей, так как проблема очистки воды становится все более острой.

ЛИТЕРАТУРА

1. ЭБС «Лань»: Афанасьев, Б. Н. Физическая химия [Электронный ресурс] : учебное пособие / Б. Н. Афанасьев, Ю. П. Акулова. - Электрон. дан. - СПб. : Лань, 2012. - 464 с.

2. ЭБС «Лань»: Нигматуллин, Н. Г. Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс]: учебное пособие. - Электрон. дан. - СПб. : Лань, 2015. - 276 с.

3. Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия : учебник для студентов с.-х. вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1983. - 408 с. : ил. - (Высшее образование. Гр.).

4. Хмельницкий, Р. А. Физическая и коллоидная химия : Учебник для с.-х. спец. вузов. - М. : Высш. шк., 1988. - 400 с. : ил.

5. Стромберг, А. Г. Физическая химия : учебник для студентов вузов по хим. специальностям. - 6-е изд., стер. - М. : Высш. шк., 2006. - 527 с. : ил. - (Гр.).

Читайте также: