2. Роль осмоса в биологических системах. Физиология растений осмос
Осмос и осмотическое давление | Учитель биологии Ольга Коновалова
В-первую очередь нужно понять, что в природе практически в любой жидкости растворены те или иные вещества. Будь то вода из лужи, озеро Байкал, цитоплазма клетки или плазма крови. Вещества могут быть растворены самые разнообразные, в том числе и соли. Явления осмоса возникают тогда, когда два раствора с разной концентрацией солей разделены полупроницаемой мембраной, через которую может проходит растворитель (например, вода), но не могут пройти молекулы растворенных веществ.
Здесь важно отвлечься от непосредственно явления осмоса и разобраться в таком термине как осмотическое давление. Научное определение можно прочитать на вики. Но нам важно разобраться с явлением на более простом для понимания уровне. В учебнике по физике обнаружился очень хороший пример: если бросить в стакан с водой сморщенную изюминку, то она через некоторое время разбухнет. Внутрь ее войдет вода (ее молекулы малы и хорошо проходят через кожицу изюминки), а сахара и другие вещества останутся внутри ягоды (их молекулы слишком велики). Вода будет стремится уровнять концентрацию солей внутри и снаружи, но в какой-то момент наступит предел вместимости и процесс поступления воды внутрь остановится. Осмотическое давление — это давление, которое следует приложить к раствору что бы прекратить поступление воды внутрь.
Вернемся к осмосу.
осмос
Если концентрация солей снаружи клетки выше, чем внутри, то вода будет стремиться из клетки в окружающий ее раствор разбавить концентрацию. Клетка будет терять воду. Такой раствор называется гипертонический.
Если концентрация солей снаружи меньше, чем внутри клетки, то вода будет стремится внутрь для того что бы уравнять концентрацию солей. Клетка будет наполнятся водой и может лопнуть, если не будет предпринимать активных действий для удаления воды. Такой раствор называется гипотонический.
Если же концентрация солей и снаружи и внутри равна, то будет происходить взаимный обоюдный обмен без трагических последствий. Такой раствор называется изотонический.
Получается, что осмос — это процесс односторонней диффузии (проникновение, поступление) через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.
Понимание закономерностей осмотических явлений важно в таких темах, как поступление и перемещение растворов в растении, особенности выделительных систем пресноводных и морских жителей (и одноклеточных и многоклеточных), использование физиологического (а по сути изотонического) раствора для внутривенных инъекций.
Для понимания важности осмотических явлений приведем пример: концентрация солей в составе раствора для внутримышечной инъекции должен быть равен концентрации солей в плазме крови (поэтому раствор называют физиологическим, т.е. подходящим для физиологии человека). С точки зрения осмотических явлений такой раствор называют изотоническим. В целом после инъекции концентрация солей в плазме крови не меняется и жизнедеятельность клеток течет своим чередом.
Но если произошла ошибка и раствор инъекции более концентрирован, то из ближайших клеток крови (после укола и введения раствора) в плазму начнет поступать вода («стремясь» разбавить более концентрированную плазму) и клетки крови, например, эритроциты будут терять воду и съеживаться. А соответственно терять функциональность.
Если же раствор для инъекции менее концентрирован, чем плазма крови. То вода из плазмы начнет поступать в клетки крови, например, эритроциты и они станут набухать и лопаться. Что тоже сильно повлияет на функциональность ткани.
uchitelbiologii.ru
Осмос, осмотическое давление и его биологическая роль
Содержание
1. Осмос
2. Осмотическое давление
3. Осмометр – прибор для измерения осмотического давления
4. Биологическая роль осмоса и осмотического давления
5. Осмотическая электростанция
6. Обратный осмос
7. Литература
Глава 1. Осмос
Осмос (греч. osmos толчок, проталкивание, давление) — самопроизвольный переход вещества, обычно растворителя, через полупроницаемую мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя или от раствора меньшей концентрации.
История
Впервые осмос наблюдал Жан-Антуа Нолле в 1748, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.
Суть процесса
Осмос обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций растворов по обе стороны мембраны путем односторонней диффузии молекул растворителя.
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). Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворенного 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 уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.
Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими.
Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу — экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. 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.
В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.
Глава 2. Осмотическое давление
Осмотическое давление (обозначается р) — 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.
Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.
Осмотическое давление может быть весьма значительным. В дереве, например, под действием осмотического давления растительный сок (вода с растворёнными в ней минеральными веществами) поднимается по ксилеме от корней до самой верхушки. Одни только капиллярные явления не способны создать достаточную подъёмную силу — например, секвойям требуется доставлять раствор на высоту даже до 100 метров. При этом в дереве движение концентрированного раствора, каким является растительный сок, ничем не ограничено.
Взаимодействие эритроцитов с растворами в зависимости от их осмотического давления.
Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клетке крови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине лекарства, предназначенные для введения в кровь, растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия (поваренной соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношению к цитоплазме) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3-5-10 %, гипертонические растворы), то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. В случае растительных клеток происходит отрыв протопласта от клеточной оболочки, что называется плазмолизом. Обратный же процесс, происходящий при помещении сжавшихся клеток в более разбавленный раствор, — соответственно, деплазмолизом.
Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нём веществ (или ионов, если молекулы вещества диссоциируют), следовательно, осмотическое давление является коллигативным свойством раствора. Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей на некий закон идеального газа:
p= i CRT
где i — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора, выраженная через комбинацию основных единиц СИ, то есть, в моль/м3, а не в привычных моль/л; R — универсальная газовая постоянная; T — термодинамическая температура раствора.
Это показывает также схожесть свойств частиц растворённого вещества в вязкой среде растворителя с частицами идеального газа в воздухе. Правомерность этой точки зрения подтверждают опыты Ж. Б. Перрена (1906): распределение частичек эмульсии смолы гуммигута в толще воды в общем подчинялось закону Больцмана.
Осмотическое давление, которое зависит от содержания в растворе белков, называется онкотическим (0,03 — 0,04 атм.). При длительном голодании, болезни почек концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани, где рОНК больше. При гнойных процессах рОНК в очаге воспаления возрастает в 2-3 раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения белков. В организме осмотическое давление должно быть постоянным ( 7,7 атм.). Поэтому пациентам вводят изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно р плазмы 7,7 атм. - 0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор глюкозы). Гипертонические растворы, у которых р больше, чем осмотическое давление плазмы, применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % NaCl), для удаления аллергических отёков (10 % CaCl2, 20 % глюкоза), в качестве слабительных лекарств (Na2SO4•10h3O, MgSO4•7h3O).
Закон осмотического давления можно использовать для расчёта молекулярной массы данного вещества (при известных дополнительных данных).
Осмотическое давление измеряют специальным прибором
Глава 3. Осмометр – прибор для измерения осмотического давления
Осмометр - (осмо- + греч. metreo измерять) прибор для измерения осмотического давления или концентрации осмотически активных веществ; применяется при биофизических и биохимических исследованиях.
Принципиальная схема осмометра: А — камера для раствора; Б — камера для растворителя; М — мембрана. Уровни жидкости в трубках при осмотическом равновесии: а и б — в условиях равенства внешних давлений в камерах А и Б, когда rА = rБ, при этом Н — столб жидкости, уравновешивающий осмотическое давление; б — в условиях неравенства внешних давлений, когда rА — rБ = p.
Осмометры давления пара
Этот тип приборов отличается тем, что для измерения требуется минимальный объем пробы (единицы микролитров), что имеет большое значение, когда из объекта исследования нельзя взять больший объем. Однако по причине малости объема пробы осмометры давления пара имеют большую погрешность по сравнению с другими. Кроме того, результат измерения зависит от изменения атмосферного давления. Основное применение эти приборы нашли в научных исследованиях и педиатрической практике для исследований крови новорожденных, взятой из пальчика или пяточки. Диапазон измеряемых концентраций ограничивается 2000 ммоль/кг Н2О. В российских ЛПУ они не нашли широкого применения. В Европейском союзе осмометры давления пара производит фирма Dr .Knauer, Gonotec (Германия), в США - фирма Wescor .
Мембранные осмометры
На свойстве осмоса строятся осмометры, называемые мембранными. В их конструкции могут использоваться как искусственные мембраны (например, целлофан), так и природные (например, кожа лягушки).
Приборы этого типа используются для измерения так называемого коллоидно-осмотического давления крови (КОД), которое создается высокомолекулярной (более 30000 Д) составляющей общей концентрации осмотически активных частиц, содержащихся в плазме крови. Это давление называется также онкотическим и создается преимущественно белками. КОД составляет менее 3 ммоль/кг Н2О и поэтому незначительно влияет на общее осмотическое давление, но имеет определяющее значение для процессов транскапиллярного обмена. Эта составляющая общего давления имеет важное диагностическое значение. Мембранные осмометры производят фирмы Dr. Knauer , Gonotec , Германия (Osmomat 050), в США - фирма Wescor. Интересно, что фирма доктора Кнауэра предлагает всю линейку осмометров, перекрывая, таким образом, весь диапазон частиц с молекулярной массой, включая миллионные.
mirznanii.com
юрин физиология растений - Стр 23
ную, и клетки вместо того чтобы поглощать воду, выделяли ее, протопласт отходил от клеточной оболочки. Плазмолиз наступал как реакция на раздражение — привычную морскую воду заменяли разбавленной.
Âнастоящее время можно сформулировать следующее правило: факторы, стимулирующие дыхание, стимулируют и поступление воды в клетку, и наоборот, факторы, ингибирующие дыхание или разъединяющие этот процесс и синтез АТФ, ведут к уменьшению поступления воды. В этом можно убедиться на примере простого опыта. Если предварительно взвешенные кусочки клубня картофеля опустить в водный раствор динитрофенола (ДНФ), ингибирующего синтез АТФ, а потом снова взвесить, можно выявить, что они поглотили меньше воды, чем контрольные, на которые ДНФ не действовал. Таким образом, поступление воды — процесс, связанный с затратой энергии.
Зачем для работы каждого механизма поступления воды необходима энергия? Чтобы вода попадала в клетку за счет набухания, необходимо иметь акцепторы воды и, в первую очередь, белки. В этом случае энергия тратится на синтез белков, а также на синтез структурных элементов клеточной стенки.
Когда действует электроосмос, необходимо создание РП. Она образуется, как мы отметили, при асимметричном распределении ионов, для создания которого при активном переносе веществ необходимо расходовать энергию.
На осмотический механизм поступления воды влияет несколько факторов. Для осмоса необходимо иметь растворы разной концентрации по обеим сторонам мембраны; энергия, как уже отмечалось выше, тратится на активный транспорт растворенных веществ в вакуоль и создание градиента концентраций.
Осмотически активные вещества, которые накапливаются в вакуоли, являются продуктами метаболизма, и, таким образом, для их образования также необходима энергия.
Энергия необходима для сохранения избирательной проницаемости мембраны.
Âзависимости от возраста клетки различные механизмы поглощения воды играют определенную роль. Во взрослой клетке с большой центральной вакуолью главным является осмотиче- ский механизм. В эмбриональной клетке, не имеющей центральной вакуоли, но быстро синтезирующей белковые молекулы, способные притягивать диполи воды, основным механизмом становится набухание.
studfiles.net
2. Роль осмоса в биологических системах
Роль осмоса в биологических процессах как растительного, так и животного мира колоссальна. Осмос вместе с диализом является одной из причин, обусловливающих поступление влаги и некоторых растворенных в ней веществ из почвы по стеблю или стволу растения к листьям. Нередко при этом подъем растительных соков происходит на высоту в несколько метров и возникающая разность давлений у основания гидростатического столба и его наивысшей точки измеряется несколькими атмосферами.
Живая клетка растения окружена полупроницаемой оболочкой, через которую проходят молекулы воды и не проходит большинство веществ, находящихся в клеточном соке. Если такая клетка соприкасается, например, с почвенным раствором, то происходит осмос и проникающая в клетку вода создает в ней давление, достигающее иногда 0,4—2,0 мПа (4—20 атм). Это повышенное давление придает клеткам определенную упругость и напряжение — так называемый тургор, позволяющий растению сохранять вертикальное положение и определенную форму. Осмотический градиент, определяющий собой силу, с которой вода всасывается в клетку, численно равен разности между осмотическим и тургорным давлениями. Если клетки отмирают, то это означает, что перестает действовать механизм осмоса, давление в клетках падает и растение увядает.
Если растительная клетка попадает в среду раствора с повышенной концентрацией солей и других растворимых веществ, то это приводит к осмосу, при котором вода диффундирует из клетки к раствору. При этом протоплазма отслаивается от оболочки, клетка сморщивается, а все растение теряет тургор и устойчивость, свойственную ему в нормальном состоянии. Это явление называется плазмолизом. При погружении плазмолизированных клеток в воду, протоплазма вновь набухает, растение восстанавливает тургор в первоначальный вид. Происходит так называемый деплазмолиз, который можно видеть, помещая начинающие поникать срезанные цветы в воду.
Осмотическое давление крови человека довольно постоянно и при 37 °С достигает 0,74—0,78 МПа. Оно обусловлено главным образом присутствием в плазме крови катионов и анионов солей (кристаллоидов) и в меньшей степени осмотическими свойствами коллоидных частиц или осмотическим давлением (порядка 0,0025—0,0040 МПа). Присутствие в плазме крови форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов или кровяных пластинок) практически не отражается на величине осмотического давления. Постоянство осмотического давления в крови регулируется выделением паров воды при дыхании, работой почек, выделением пота и т. д.
Указанному осмотическому давлению крови человека отвечает осмомолярная концентрация растворенных в плазме веществ, составляющая 0,303 моль/л.
В медицинской и фармацевтической практике изотоническими называют растворы, характеризующиеся таким же осмотическим давлением, как и плазма крови, в частности 0,85 %-ный раствор хлорида натрия (146,0 моль/м3). В столь разбавленных растворах NаС1 изотонический коэффициент Вант-Гоффа можно считать равным 2, и расчетное значение осмотического давления для этих растворов при 37 °С будет равно
Изотоническим по отношению к плазме крови является также 4,5—5,0 %-ный раствор глюкозы.
Растворы, обладающие более высоким осмотическим давлением, чем плазма крови, называют гипертоническими, а растворы, имеющие более низкое осмотическое давление, — гипотоническими. Во всех случаях, когда в кровяное русло, мышечную ткань, спинно-мозговой канал и т. д. с определенными терапевтическими целями вводят солевые растворы (физиологические растворы), необходимо заботиться о том, чтобы такая операция не привела к “осмотическому конфликту”—резкому несоответствию между осмотическим давлением плазмы крови, межклеточной или спинно-мозговой жидкостей и осмотическим давлением, которым обладает вливаемый раствор.
Если, например, вводимый внутривенно раствор гипертоничен по отношению к крови, то при этом будет происходить осмос воды из внутренней части эритроцитов в окружающую их плазму, эритроциты будут обезвоживаться и сморщиваться. Если же вводимый раствор гипотоничен по отношению к крови, то осмос будет осуществляться в обратном направлении — внутрь эритроцитов, эритроциты при этом будут увеличиваться в объеме, что может привести к разрыву оболочки. В результате этих разрывов гемоглобин, находящийся внутри эритроцитов, будет поступать в плазму и смешиваться с ней. Это явление называется гемолизом или эритроцитолизом. Начальная стадия гемолиза наступает уже при снижении осмотического давления в плазме до 0,36—0,40 МПа, а полный гемолиз — при снижении его до 0,26— 0,30 МПа. Опасные последствия гемолиза зависят не только от разницы осмотических давлений по обе стороны оболочки эритроцита, но также от клеточной проницаемости, которую можно снизить введением, например, строфантина, новурита, гепарина и др.
Гемолиз является частным случаем более общего явления — цитолиза — разрушения животных и растительных клеток под влиянием различных причин, чаще всего разницы осмотических давлений по обе стороны полупроницаемой оболочки клетки.
Осмос и диализ лежат в основе целого ряда физиологических процессов, происходящих в организме человека и животных. При их посредстве осуществляются усвоение пищи, окислительные процессы, связанные с дыханием, распределение питательных веществ, переносимых с кровью, и жидкостной обмен в тканях, выделение продуктов жизнедеятельности (мочи, кала) и др. Потребляя чрезмерно соленую или сладкую пищу, человек испытывает жажду, которая сигнализирует о возрастании в клеточных и межклеточных жидкостях осмотического давления. При купании в морской воде замечается покраснение глаз с незначительными болевыми ощущениями (осмос воды из глазного яблока в морскую воду, где осмотическое давление несколько выше; происходит как бы некоторое усыхание). При купании же в пресной воде болевые ощущения, резь в глазах более заметны, ибо при этом осмос воды направлен внутрь глазного яблока.
studfiles.net
Осмос | Info-Farm.RU
Осмос (рус. Осмос, англ. Osmosis, нем. Osmose f) — спонтанный переход, односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций раствора с обеих сторон мембраны. Характеризуется осмотическим давлением, равным избыточному внешнему давлению, которое нужно приложить со стороны раствора, чтобы прекратить осмос. Играет важную роль в физиологических процессах, используется при исследовании полимеров, биологических структур.
Осмос является одним из примеров Коллигативные свойств растворов, то есть такой которые зависят только от количества растворенных частиц, но не зависят от их природы.
Сущность процесса
Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше от подвижности растворенных 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. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается ниже, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворенного вещества. Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в обратном направлении. Соответственно, объем раствора будет увеличиваться (а концентрация — уменьшаться), тогда как объем растворителя будет соответственно уменьшаться.
Например, к яичной скорлупы с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, снизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, которые достигли равновесия, называются изотоническими.
Осмос, направленный внутрь ограниченного объема жидкости, называется эндосмосом, наружу — экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлено осмотическим давлением. Он 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 направлению процесса в противоположную сторону — обратной диффузии растворителя.
В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворенных веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, употребляется как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.
Значение осмоса
Воздействия осмоса на живые клетки на примере эритроцитов, находящихся в гипо-, изо- или гипертоническом растворах
В живых организмах
Осмос — это явление, существенно влияет на существование живых клеток. Клеточные мембраны более проницаемы для воды чем для большинства ионов, малых гидрофильных молекул и макромолекул. Такая разница во многом возникает вследствие наличия в мембранах белков аквапоринов, что пропускают только молекулы воды. Если клетка находится в изотоническом растворе (0,9% хлорида натрия или 5% глюкозы для человеческих клеток), она не теряет и не приобретает воды. В гиперотоничому среде, то есть в среде с большим осмолярностью, клетка сморщивается вследствие обезвоживания, а в гипотоничому наоборот — набухает, и если поступления воды не удается остановить, это приводит к разрыва, осмотического лизиса, клетки.
В естественных условиях клетки преимущественно сталкиваются с проблемой пребывания в гипотонических растворах. Чтобы предотвратить осмотическому лизису они выработали ряд приспособлений. Например бактериальные, грибные и растительные клетки имеют жесткую клеточную стенку, которая может препятствовать избыточному поступлению воды. Растения используют осмос для достижения механической устойчивости и упругости: высокая концентрация растворенных веществ в центральных вакуолях приводит к затягиванию воды в клетки, но это влечет НЕ набухания, а увеличение давления мембран на клеточные стенки, то есть возникновения тургора. В результате клетки, и все тело растения, становятся твердыми и упругими. Обезвоживание приводит к увяданию растений. Растительные клетки могут регулировать тургорного давление путем изменения концентрации осмотически активных веществ, таких как сахароза и неорганические ионы, в центральной вакуоли и цитоплазме. С этим связано много аспектов жизни растения: закрывания-открывания устьиц, создания давления в ситовидных трубках флоэмы, который необходим для транспортировки продуктов фотосинтеза, фитогормонов и других веществ, создание корневого давления, необходимого для переноса воды и минеральных веществ, осуществления движений, таких как открывания-закрывания лепестков, подъема-опускания листьев и т.
Некоторые пресноводные простейшие, которые живут в гипотоническому растворе, имеют специальные органеллы — сократительные вакуоли, выкачивают лишнюю воду из клеток. Многоклеточные животные поддерживают осмолярность плазмы крови и тканевой жидкости такой же, как в цитоплазме клеток. Для этого клетки активно скачивают ионы Na + и некоторые другие в тканевую жидкость.
Осмотические свойства растворов также влияют и на формы запасания энергии живыми клетками. Так они сохраняют углеводы в виде полисахаридов (крахмала и гликогена), а не моно- или олигосахаридов. Поскольку осмос растет пропорционально количеству частиц растворенного вещества, а не к их массы, 1 г гилкогену, молекулы которого содержат по 1000 остатков глюкозы, увеличивать омолярнисть цитоплазмы в такой же степени, как и 1 мг глюкозы.
Осмос также играет важную роль в экологии водоемов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимается или падает — жители этих вод погибают через губительное действие осмоса.
В лабораторной практике
Осмос широко используют в лабораторной технике при определении молярных характеристик полимеров, концентрирования 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.
Протоколы выделения клеточных фракций, обогащенных митохондриями, пластидами или лизосомами, учитывают тот факт, что эти органеллы окружены полупроницаемую мембрану. Поэтому фракционирования проводят в буферах с достаточным концентрацией сахарозы или иной инертного вещества для предотвращения осмотическому лизису.
Диализ, основанный на осмотических свойствах растворов, используют для очистки высокомолекулярных веществ от низкомолекулярных примесей. Для этого раствор макромолекул с примесями помещают в мешочек из полупроницаемого материала, пропускающего только маленькие молекулы. Этот мешочек погружают в растворитель и оставляют на некоторое время, за которое низкомолекулярные вещества диффундируют в растворитель. Метод диализа также используют для изучения связывания макромолекул с маленькими молекулами, например ферментов с ингибиторами, нуклеиновых кислот с антибиотиками и т.
Изображения по теме
info-farm.ru
Природа процессов диффузии и осмоса
из "Курс физиологии растений Издание 3"
Жизнедеятельность организма, всех его органов и клеток возможна лишь при непрерывно протекающих в них процессах обмена веществ. Клетка поглощает вещества из соседних клеток или из окружающей ее внешней среды и одновременно передает образующиеся в ней продукты обмена соседним клеткам или выделяет их во внешнюю среду. [c.64] Способность протоплазмы к непрерывному обмену с окружающей средой несет на себе черты избирательности. Из большого количества веществ, находящихся вне клетки, в нормальных условиях внутрь последней проникают определенные соединения в определенных соотношениях с другими. Соответственно этому лишь определенные продукты жизнедеятельности подвергаются протоплазмой десорбции и выделяются клеткой в окружающую среду. Способность относиться активно избирательно к различным воздействиям со стороны факторов внешней среды является одним из специфических свойств живой материи, возникшим и закрепившимся в процессе развития жизни. [c.64] В явлениях поглощения и выделения веществ клеткой играют большую роль процессы диффузии и осмоса. Как известно, частицы составляющих протоплазму веществ обладают определенной кинетической энергией, что является причиной их непрерывного движения. Передзил ение диспергированного вещества из одной части системы в другую называется диффузией. Диффузия представляет собой не хаотическое движение молекул, а является движением направленным, характер которого определяется влиянием ряда факторов. Диффузия зависит, в частности, от активности диффундирующих молекул, от градиента концентрации растворов. Скорость этого процесса определяется величиной и массой молекул, их химической природой, а также вязкостью среды, температурой, электростатическими показателями системы и рядом других условий. Так, среди электролитов наиболее высокой способностью к диффузии обладают кислоты и щелочи, точнее ионы Н+ и 0Н , тогда как другие анионы и катионы диффундируют с заметно меньшей скоростью. [c.64] Отмеченная выше, сложность и гетерогенность строения протоплазмы обусловливает неодинаковую скорость диффузии в различных частях одной и той же клетки. [c.65] Если диффундирующие вещества встречают на своем пути перепонку с различной проницаемостью для растворителя и растворенного вещества, то характер передвижения веществ в такой системе сильно изменяется, становится более сложным. [c.65] Это обусловлено тем, что в растворах разной концентрации частицы растворителя обладают различной свободной энергией, т. е. различной активностью. Активность частиц растворителя тем ниже, чем выше концентрация данного раствора, и наоборот. Наиболее активны, очевидно, частицы чистого растворителя (раствор нулевой концентрации). [c.65] Вследствие этого в присутствии полупроницаемой перепонки молекулы растворителя будут передвигаться более интенсивно из растворов менее концентрированных в растворы более концентрированные. [c.65] Хотя сущность осмотических явлений еще окончательно не вскрыта, однако несомненно, что осмотическое давление имеет кинетическую природу. Оно является следствием беспорядочного теплового движения молекул растворенного вещества и обусловленных этим движением ударов молекул о непроницаемую для них перегородку. Молекулы веществ, которые свободно диффундируют через стенки перегородки, кинетического давления не создают. [c.65] Некоторое представление о природе осмоса можно получить из следующего примера. Представим себе, что полупроницаемая перепонка разделяет друг от друга воду и водный раствор какого-либо вещества. Допустим, что частицы растворителя смачивают перепонку и легко через нее диффундируют. В том случае, если концентрация частиц растворителя под перепонкой выше, чем над перепонкой, количество частиц растворителя, проникающих в единицу времени через перепонку в направлении снизу вверх, будет выше, чем количество частиц того же растворителя, передвигающихся в противоположном направлении. Очевидно, что для достижения равновесия необходимо приложить к раствору, находящемуся над перепонкой, некоторое давление. [c.65] Давление, которое необходимо приложить к раствору, чтобы преодолеть повышенную активность частиц чистого растворителя по сравнению с их активностью в растворе и тем самым уравнять скорости передвижения в обоих направлениях, эквивалентно осмотическому давлению этого раствора. [c.65] Осмотическое давление, развиваемое водным раствором какого-либо вещества, отделенным от воды полупроницаемой перепонкой, пропорционально количеству вещества, содержащегося в единице объема растворителя, и очень мало зависит от свойств самого вещества, величины молекулы и др. [c.66] Более совершенную модель создал через 50 лет немецкий ботаник Пфеффер. Мелкопористый фарфоровый сосуд он помещал в раствор Си304, вслед за тем — в раствор желтой кровяной соли. Такая обработка приводит к заполнению пор сосуда студенистым осадком ферроцианида меди Си2[Ре(СЫ)б], который и обладает свойствами полупроницаемой перепонки. С помощью сконструированного таким путем осмометра Пфеффер получил возможность измерить величину осмотического давления у многих растений в различных условиях. [c.66]Вернуться к основной статье
chem21.info
Осмос в живых клетках - Справочник химика 21
Осмос имеет большое значение в процессах жизнедеятельности животных и растений. Он обусловливает поднятие воды по стеблю растения, рост клетки и многие другие явления. Осмотическое давление в клетках обусловливает их своеобразную упругость и эластичность, а также способствует сохранению определенной формы стеблями и листьями растений. Каждая живая клетка имеет либо оболочку, либо поверхностный слой протоплазмы, обладающие свойством полупро-ницаемости. Если клетку поместить в раствор, концентрация которого равна концентрации клеточного сока, то состояние клетки не изменится, так как осмотическое давление в клетке и в растворе одинаково. [c.123]
Осмос и осмотическое давление играют огромную роль в процессах жизнедеятельности организмов. Например, с ним связано распределение воды в организме. Каждая живая клетка — микроскопическая осмотическая система. [c.82]
Если к чистой воде или раствору приложить давление, то водный потенциал возрастает, поскольку у жидкости возникает тенденция переместиться в другое место. Такая ситуация возможна в живой клетке. Например, когда за счет осмоса в нее поступает вода, клетка набухает, и внутри нее повышается давление, называемое тургорным (разд, 13.1.7). Сходным образом водный потенциал плазмы крови повышается до положительной отметки кровяным давлением в почечных клубочках. Гидростатический потенциал обычно положителен, но в некоторых случаях, например когда столб воды, висящий в ксилеме, растягивается, он может стать отрицательным (возникает отрицательное давление). [c.100]
Огромную роль осмос играет в живой природе. Стенки каждой клетки организма представляют собой полупроницаемую перегородку, и поэтому обмен веществ, перенос метаболитов и регулирование концентрации веществ в клетке и внеклеточном пространстве осуществляются в результате осмоса. [c.155]
Явление осмоса широко распространено в природе, так как стенки клеток живых организмов являются полупроницаемыми, пропуская одни и задерживая другие вещества, тем самым осуществляя обмен веществ. Так, стенки эритроцитов (красных кровяных телец) непроницаемы для хлорида натрия, но проницаемы для воды. Если эритроциты ввести в раствор хлорида натрия, осмотическое давление которого больше, чем осмотическое давление внутри клеток (так называемый гипертонический раствор), то вода диффундирует из клеток наружу и клетки сжимаются. В растворе, осмотическое давление которого меньше внутреннего (гипотонический раствор), осмос происходит в противоположном направлении, и клетки набухают. Растворы, которые имеют одинаковые осмотические давления (по отношению к данной мембране по отношению к другой они могут быть не- [c.252]
Осмотические явления, наблюдаемые в организмах, обусловливаются теми же причинами, какие действуют в рассмотренных нами осмотических моделях. Осмотическое давление в клетках подчиняется всем основным газовым законам. Однако в явления осмоса вносят значительные коррективы сама структура живых образований и процессы жизнедеятельности, непрерывно протекающие в живых организмах. [c.131]
Осмотическое давление в клетках подчиняется газовым законам. При этом следует учитывать, что на осмос значительное влияние оказывает структура живых образований и процессы жизнедеятельности в организмах. В организм постоянно должны поступать питательные вещества. Если бы оболочка клеток была идеальной мембраной, пропускающей только молекулы растюр ителя, но препятствующей проникновению молекул растворенного вещества, то процессы питания были бы невозможны, что естественно привело бы к гибели организма. [c.97]
Опыт 13.1. Изучение осмоса в живых растительных клетках [c.102]
Из этих данных видно, что поступление веществ в убитые клетки подчинено совершенно иным законам, чем поступление тех же соединений в клетки живые. Если в первом случае речь может идти о процессах диффузии и осмоса, т. е. о поступлении пассивном, то в случае живых клеток необходимо признать, что в этом процессе участвуют специфические активные механизмы. Вопрос о природе этих сил окончательно не решен. Широким признанием пользуются взгляды, согласно которым решающая роль в регулировании проницаемости принадлежит дыханию — процессу, поставляющему свободную химическую энергию, с потреблением которой связано любое проявление жизнедеятельности клетки. [c.82]
Основную роль в исследовании осмоса сыграли в это время работы ботаников. Именно ботаники первыми начали изучать живое, как теперь говорят, на клеточном уровне. И это естественно, потому что впервые клетки были обнаружены именно у растений они часто более крупные, чем животные клетки, и, главное, отделены друг от друга четко видимой под микроскопом перегородкой. [c.53]
Явление осмоса в живых клетках. Диффузия, осмос и осмотическое давление играют важную роль в животных и растительных организмах. Протоплазма клеток представляет собой идеальную полупроницаемую перегородку, через которую в клетку могут проникать или удаляются из нее только определенные вещества, но она непроницаема для других веществ. Так, стенки эритроцитов (красных кровяных телец) непроницаемы для хлорида натрия, но проницаемы для воды. Если эритроциты ввести в раствор хлорида натрия, осмотическое давление которого больше, чем осмотическое давление внутри клеток гипертонический раствор), то вода диффундирует из клеток наружу, и клетки сжимаются. В растворе, осмотическое давление которого меньше внутреннего давления гипотонический раствор), осмос происходит в противоположном направлении. Вода извне проникает в клетки, при этом они набухают. Объем клеток увеличивается до тех пор, пока их стенки не лопаются и содержимое не вытекает в окружающую жидкость. Два раствора, которые имеют одинаковое осмотическое давление независимо от состава растворенных веществ, обусловливающих это давление, называются изотоническими или изоосмоти-ческими растворами. Жидкость крови, в которой взвешены красные кровяные тельца,— плазма крови — является изотонической с жидкостью, находящейся в красных кровяных тельцах и других клетках организма. [c.161]
Эти явления могут быть использованы и для определения осмотического давления в живых клетках, особенно в клетках растений. Внешняя проницаемая оболочка из клетчатки покрыта протоплазмой, которая играет роль полупроницаемой перегородки. Если такую клетку ввести в гипертонический раствор, то вода выходит изнутри через протоплазму. Протоплазменная оболочка морщится, отрываясь от оболочки из клетчатки,— происходит плазмолиз. Более разбавленный раствор, в котором плазмолиз прекращается, является изотоническим по отношению к жидкости, находящейся внутри клетки. При введении в гипотонические растворы клетки набухают за счет проникающей извне через протоплазменную оболочку воды. Поскольку в обычных условиях вода, поглощаемая растениями, содержит мало растворенных веществ, она проникает через оболочку и создает внутри клетки давление, которое действует на стенки клетки (тургесцентность). Это давление определяет упругость растений, особенно молодых, зеленых. Когда клетки при испарении теряют больше воды, чем проникает снаружи за счет осмоса, они теряют упругость, растение как бы увядает. [c.162]
В тканях растений осмотич. давление составляет 0,5-2 МПа (у растений в пустынях - более 10 МПа). Гидростатич. давление, возникшее яо внутриклеточных структурах в результате осмоса, наз. тургором. Это давление придает прочность и упругость тканям живых организмов. Если клетка отмирает, оболочка теряет св-во полупроницаемос-ти, тургор исчезает (растение вянет). Осмотич. давление-главная причина, обеспечивающая движение воды в растениях и ее подъем от корней до вершины. Клетки листьев, теряя воду, осмотически всасывают ее из клеток стебля, а последний-из клеток корня, берущих, в свою очередь, воду из почвы. Для роста и развития растений важно соотношение между осмотич. давлением почвенного р-ра и клеточного сока. Растение может нормально развиваться лишь тогда, когда осмотич. давление клеточного сока больше осмотич. давления почвенного р-ра. [c.419]
Если растительная клетка контактирует с раствором, водный потенциал которого ниже, чем у ее содержимого (например, с концентрированным сахарным сиропом см. опыт 13.1), то вода будет выходить из нее за счет осмоса через плазмалемму (рис. 13.2). Сначала воды станет меньше в цитоплазме, а затем и в вакуоле, откуда она выйдет сквозь тонотшаст. Протопласт, т. е. живое содержимое растительной клетки, окруженное клеточной стенкой, спадется и отойдет от этой стенки, как бы сжавшись внутри нее. Этот процесс называется плазмолизом, а клетка в таком состоянии — плазмолизироваппой. Момент, когда протопласт еще прилегает к клеточной стенке, но уже перестал оказывать на нее давление, называется начальным плазмолизом. В этот момент клетка теряет тургор, т. е. становится вялой. Вода будет покидать протопласт до тех пор, пока его содержимое по водному потенциалу не сравняется с окружающим раствором. Тогда установится равновесное состояние, и спадение протопласта прекратится. [c.101]
| Рис. 13.2. Влияние растворов различной концентрации на растительные клетки. В растворе, водный потенциал которого выше, чем водный потенциал клетки (гипотоническая среда), вода за счет осмоса будет проникать в клетку и каетка набухает (становится тургесцентной). Если водный потенциал раствора ниже, чем водный потенциал клетки (гипертоническая среда), то вода покидает ее за счет осмоса, и живая часть клетки (протопласт) отстает от клеточной стенки и следует за сокращающейся вакуолью (плазмолиз). Если водные потенциалы клетки и раствора одинаковы (изотоническая среда), то никаких изменений не происходит. |  |
Первый этап — это этап нормальной жизнедеятельности растений и живых организмов, когда МДК-эффект регулирует осмос и полупропицаемость мембран. В земной коре — это изохимический метаморфизм и перекристаллизация, образование контактовых роговиков. В клетках можно выделить два этапа деятельности МДК-эффекта 1) этап свободной деятельности, когда клетка способна делиться. 2) этап стесненной деятельности в составе тканей, когда клетка уже не способна делиться, т.к. зажата среди других клеток. [c.331]
Но МДК-эффект в клетках растений и живых организмов создает осмос и регулирует избирательную проницаемость и полупропицаемость мембран. [c.384]
chem21.info
