Τι είναι η όσμωση;

Όσμωση αναφέρεται στην κίνηση των μορίων σε μια επιλεκτικά διαπερατή μεμβράνη. Η διαδικασία της όσμωσης έχει μόρια απλωμένα σε μια βαθμίδα μεμβράνης έως ότου οι συγκεντρώσεις των μορίων είναι περίπου ισοδύναμες και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Η όσμωση είναι μια κρίσιμη διαδικασία στους βιολογικούς οργανισμούς, που βοηθά στον έλεγχο των επιπέδων μορίων όπως τα λιπίδια, το άζωτο, το διοξείδιο του άνθρακα, το νερό και το οξυγόνο. Η όσμωση είναι η κύρια μέθοδος μέσω της οποίας το νερό μεταφέρεται μέσα και έξω από τα κύτταρα και αυτή η λειτουργία είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της ομοιόστασης των κυττάρων.

Αυτή είναι η σύντομη απάντηση για το τι είναι η όσμωση, αλλά ας δούμε πιο προσεκτικά πώς η όσμωση επηρεάζει την κίνηση των μορίων σε μια μεμβράνη και πώς αυτή επηρεάζει τη λειτουργία ενός κυττάρου.

Ορισμός της όσμωσης

Η διαδικασία της όσμωσης είναι η διασπορά των μορίων του διαλύτη σε μια ημιπερατή μεμβράνη, που μετακινούνται από μια περιοχή υψηλότερης μοριακής συγκέντρωσης σε μια περιοχή χαμηλότερης συγκέντρωσης ή για να το θέσω με άλλο τρόπο τα μόρια μετακινούνται από πιο συμπυκνωμένα διαλύματα σε πιο αραιά διαλύματα. Η κίνηση των μορίων θα συνεχιστεί έως ότου η βαθμίδα συγκέντρωσης - ο αριθμός των μορίων που είναι διασκορπισμένα σε όλη την περιοχή - κατανεμηθεί περίπου ισοδύναμα. Ο πιο συνηθισμένος διαλύτης που μετακινείται από την όσμωση είναι το νερό, αν και άλλοι διαλύτες όπως το αέριο και άλλες μορφές υγρού μπορεί μερικές φορές να υποστούν όσμωση.

Οι μεμβράνες μέσα από τις οποίες κινούνται τα μόρια του διαλύτη είναι ημιπερατές με την έννοια ότι αφήνουν να περάσουν μόνο ορισμένα είδη μορίων. Μεγάλα, πολικά μόρια όπως πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, ιόντα και παρόμοια μόρια δεν μπορούν να κινηθούν κατά μήκος της μεμβράνης. Ωστόσο, μικρά μη πολικά μόρια όπως το άζωτο, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα μπορούν να κινηθούν κατά μήκος της μεμβράνης.

Όταν υπάρχουν διαλύματα και στις δύο πλευρές μιας ημιπερατής μεμβράνης, τα σωματίδια των διαλυμένων ουσιών δεν μπορούν να περάσουν από μόνα τους τη μεμβράνη. Αντίθετα, τα μόρια του διαλύτη κινούνται κατά μήκος της μεμβράνης. Καθώς τα μόρια του διαλύτη διασκορπίζονται, το σύστημα κινείται πιο κοντά σε μια κατάσταση ισορροπίας. Όσο πιο ισομερώς διασπείρονται τα μόρια τόσο πιο σταθερό είναι το σύστημα.

Παραδείγματα όσμωσης

Παραδείγματα όσμωσης περιλαμβάνουν την αντίδραση των ερυθρών αιμοσφαιρίων όταν εισάγονται σε δείγμα γλυκού νερού. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια στο σώμα έχουν μια ημιπερατή μεμβράνη, η οποία επιτρέπει στο νερό να κινείται κατά μήκος της μεμβράνης. Επειδή τα ερυθρά αιμοσφαίρια έχουν συγκεντρώσεις μορίων διαλυμένης ουσίας, όπως ιόντα, που είναι υψηλότερες από τις συγκεντρώσεις που βρίσκονται έξω από το κύτταρο, το νερό έξω από το κύτταρο θα μετακινηθεί μέσω της μεμβράνης λόγω όσμωσης. Το αποτέλεσμα αυτής της κίνησης είναι ότι τα ερυθρά αιμοσφαίρια θα διογκωθούν επειδή η συγκέντρωση των μορίων των ερυθρών αιμοσφαιρίων δεν μπορεί να φτάσει σε κατάσταση ισορροπίας. Η κυτταρική μεμβράνη ασκεί πίεση στα περιεχόμενα του κυττάρου, επηρεάζοντας το πόσο νερό θα κινηθεί μέσα στο κύτταρο. Το κύτταρο παίρνει συχνά περισσότερο νερό από αυτό που μπορεί να περιέχει και ως αποτέλεσμα το κύτταρο σκάει. Σχετιζόμενος με αυτό το φαινόμενο είναι ο όρος οσμωτική πίεση, ο οποίος αναφέρεται στο επίπεδο εξωτερικής πίεσης που απαιτείται για να διασφαλιστεί ότι δεν υπάρχει καθαρή μετατόπιση των μορίων κατά μήκος της ημιπερατής μεμβράνης.

Ένα άλλο παράδειγμα όσμωσης σχετίζεται με τον τρόπο με τον οποίο μετατοπίζονται τα μέταλλα και τα άλατα στο νερό. Το ίδιο το νερό θα ρέει στα κύτταρα. Η κίνηση κατά μήκος της πλασματικής μεμβράνης και η οσμωτική διαδικασία βοηθά στη διατήρηση της σωστής συγκέντρωσης αλατιού, γλυκόζης και νερού, η οποία είναι απαραίτητη για την πρόληψη της κυτταρικής βλάβης. Αυτή η διαδικασία μπορεί να γίνει μάρτυρας στη δράση όταν κοιτάζουμε ψάρια του αλμυρού νερού. Τα ψάρια του αλμυρού νερού έχουν εξελιχθεί για να ζουν σε υδάτινα σώματα με υψηλές συγκεντρώσεις αλατόνερου. Λόγω των υψηλών συγκεντρώσεων αλατιού στο νερό, το κύτταρο του ψαριού πρέπει να έχει χαμηλότερη συγκέντρωση αλατιού. Επομένως, το αλάτι στο περιβάλλοντα περιβάλλον τραβάει νερό από το σώμα του ψαριού και η ωσμωτική διαδικασία ρυθμίζεται έτσι.

Αντίθετα, τα ψάρια του γλυκού νερού πρέπει να διατηρούν την ομοιόστασή τους με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο. Όπως ίσως μπορείτε να μαντέψετε, τα κύτταρα των ψαριών του γλυκού νερού έχουν συγκεντρώσεις αλατιού υψηλότερες από το περιβάλλον. Χάρη στην όσμωση, τα ψάρια δεν χρειάζεται να πίνουν νερό γιατί το αλάτι στα κύτταρα τους απορροφά το νερό.

Η όσμωση είναι κρίσιμη για την επιβίωση των ανθρώπινων κυττάρων και του ανθρώπινου σώματος γενικότερα, με την όσμωση να ρυθμίζει τη σωστή λειτουργία των νεφρών. Τα νεφρικά κύτταρα χρησιμοποιούν όσμωση για να τραβήξουν νερό από τα απόβλητα άλλων συστημάτων οργάνων. Στην πραγματικότητα, η αιμοκάθαρση είναι ένα παράδειγμα της διαδικασίας της όσμωσης. Τα άτομα που πάσχουν από νεφρικές παθήσεις υποβάλλονται σε αιμοκάθαρση, η οποία τραβάει τα απόβλητα από το αίμα, τραβώντας τα μόρια μέσω μιας μεμβράνης αιμοκάθαρσης. Τα μόρια στη συνέχεια διοχετεύονται σε μια δεξαμενή γεμάτη με διάλυμα αιμοκάθαρσης. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια θα διατηρηθούν στο ίδιο το αίμα επειδή είναι πολύ μεγάλα για να περάσουν από τη μεμβράνη, αλλά τα απόβλητα αφαιρούνται.

Θεωρείται επίσης ότι το δέρμα των ανθρώπων που ζαρώνει μετά από βύθιση για μεγάλο χρονικό διάστημα στο νερό είναι αποτέλεσμα όσμωσης, αν και πρόσφατη έρευνα αμφισβήτησε αυτήν την ιδέα.

Παραλλαγές όσμωσης

Υπάρχουν παραλλαγές της όσμωσης όπως η αντίστροφη όσμωση και η μπροστινή όσμωση. Η αντίστροφη όσμωση είναι μια διαδικασία που έχει διαλύτες πίεσης στις μεμβράνες. Στην αντίστροφη όσμωση, η μία πλευρά της μεμβράνης διατηρεί τη διαλυμένη ουσία ενώ ο καθαρός διαλύτης ωθείται στην άλλη πλευρά της μεμβράνης. Η αντίστροφη όσμωση ωθεί τον διαλύτη από την προεπιλεγμένη θέση του σε μια περιοχή υψηλής συγκέντρωσης στην περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης διαλυμένης ουσίας με υπερβολική οσμωτική πίεση.

Η μπροστινή όσμωση χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό του νερού από τα διαλύματα με άλλες διαλυμένες ουσίες σε αυτό. Το διάλυμα υψηλότερης οσμωτικής πίεσης χρησιμοποιείται για να ωθήσει το νερό μέσα από μια ημιπερατή μεμβράνη έτσι ώστε το «διάλυμα τροφοδοσίας» (το διάλυμα με χαμηλότερη οσμωτική πίεση) να καταλήγει να συμπυκνώνεται καθώς αραιώνεται το διάλυμα υψηλότερης πίεσης. Το πρόσφατα αραιωμένο διάλυμα είτε αποστέλλεται μέσω δευτερογενούς επεξεργασίας είτε χρησιμοποιείται απευθείας. Η μπροστινή όσμωση χρησιμοποιείται συχνά για πράγματα όπως η επεξεργασία νερού, η αφαλάτωση και ο καθαρισμός του νερού.

Ιστορία της όσμωσης

Η διαδικασία της όσμωσης τεκμηριώθηκε για πρώτη φορά από τον Jean-Antoine Nollet γύρω στο 1748. Ενώ ο Jean-Antoine Nollet ήταν ο πρώτος άνθρωπος που περιέγραψε το φαινόμενο, ο πραγματικός όρος επινοήθηκε από τον René Joachim Henri Dutrochet, έναν Γάλλο γιατρό. Ο Ντουτροσέ βάσισε τη λέξη όσμωση στις λέξεις  "εξωσωμώση" και "ενδοσμώση". Ο Moritz Traube ανέπτυξε πιο εξελιγμένες τεχνικές για τη μέτρηση της οσμωτικής ροής το 1867.

Διάχυση

Η διάχυση είναι μια άλλη μέθοδος μεταφοράς μάζας στη βιολογία και τη χημεία, και ενώ περιλαμβάνει επίσης τη μετακίνηση μορίων, διαφέρει από την όσμωση σε σημαντικούς τρόπους.

Η διάχυση συμβαίνει όταν τα μόρια, τα ιόντα και το νερό φεύγουν ή εισέρχονται στα κύτταρα. Η κυτταρική διάχυση συμβαίνει όταν τα μόρια μετακινούνται από μια περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης σε μια περιοχή χαμηλότερης συγκέντρωσης. Αυτή η κίνηση θα συνεχίσει να συμβαίνει έως ότου και τα δύο μισά της περιοχής έχουν περίπου την ίδια ποσότητα μορίων μαζί τους έως ότου η κατανομή των μορίων είναι περίπου ίση. Διαφορετικά κύτταρα μπορεί να έχουν διαφορετικούς ρυθμούς διάχυσης.

Υπάρχουν πολλοί τύποι διάχυσης στη βιολογία, με δύο από τις πιο κοινές μορφές διάχυσης να είναι η ενεργητική μεταφορά και η παθητική μεταφορά. Η διαφορά μεταξύ αυτών των δύο διαφορετικών μορφών μυθοπλασίας είναι ότι η ενεργή μεταφορά χρησιμοποιεί ενέργεια για να ωθήσει μόρια από μια περιοχή χαμηλότερης συγκέντρωσης μια υψηλότερη συγκέντρωση, ενώ στην παθητική μεταφορά τα μόρια διασκορπίζονται φυσικά από μια περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης σε μια περιοχή χαμηλότερης συγκέντρωσης. /P>

Η παθητική μεταφορά συμβαίνει φυσικά με αυτές τις ουσίες να κινούνται σε μια ημιπερατή μεμβράνη χωρίς να χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί ενέργεια για να γίνει αυτό. Ο ρυθμός με τον οποίο μεταφέρονται οι ουσίες σχετίζεται με τη διαπερατότητα της μεμβράνης. Η μεμβράνη ενός κυττάρου ελέγχει τους τύπους ουσιών που μπορούν να κινηθούν μέσα από αυτό, επιτρέποντας σε ορισμένες ουσίες να κινούνται μέσα από αυτό ενώ εμποδίζουν άλλες. Ο ρυθμός διαπερατότητας επηρεάζει το πόσο εύκολα οι ουσίες μπορούν να μετακινηθούν κατά μήκος της μεμβράνης, με παράδειγμα ένα κυτταρικό τοίχωμα. Τα φυτικά κύτταρα έχουν κυτταρικά τοιχώματα που περιβάλλουν την εσωτερική κυτταρική μεμβράνη και αυτή η δομή έχει πολύ χαμηλή διαπερατότητα, κρατώντας τα περισσότερα μόρια έξω.

Η διευκολυνόμενη διάχυση μπορεί να θεωρηθεί ως υποτύπος παθητικής μεταφοράς. Με τη διευκόλυνση της διάχυσης, οι ειδικές πρωτεΐνες μεταφοράς επιτρέπουν στα μόρια να κινούνται πιο εύκολα στην κυτταρική μεμβράνη. Αυτές οι πρωτεΐνες μεταφοράς επιτρέπουν σε μεγαλύτερα μόρια να διεισδύσουν στην κυτταρική μεμβράνη όταν οι άνδρες δεν ήταν σε θέση να το κάνουν. Μόρια όπως η γλυκόζη μεταφέρονται κατά μήκος της μεμβράνης και διαχέονται μέσω διευκολυνόμενης διάχυσης. Σε διευκολυνόμενη διάχυση, μια πρωτεΐνη φορέας συνδέεται με το μόριο και το μόριο έλκεται μέσω της κυτταρικής μεμβράνης από αυτήν την πρωτεΐνη.

Η ενεργή μεταφορά είναι το εννοιολογικό αντίθετο της παθητικής μεταφοράς, μεταφέροντας μόρια από μια περιοχή χαμηλότερης συγκέντρωσης σε μια περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης. Η πρωτογενής ενεργή μεταφορά χρησιμοποιεί μεταβολική ενέργεια για να εξαναγκάσει τα μόρια να διασχίσουν μια κυτταρική μεμβράνη. Ωστόσο, υπάρχει ένας τύπος ενεργής μεταφοράς που αναφέρεται ως δευτερεύουσα ενεργή μεταφορά. Ενώ τα κυτταρικά συστήματα μεταφοράς χρησιμοποιούνται για τη μετακίνηση μορίων σε αυτή τη δευτερεύουσα μορφή μεταφοράς, το ATP δεν χρησιμοποιείται για να το κάνει. Αντίθετα, αντλίες εντροπίας και ιόντων χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά των μορίων και προκύπτει μια διαφορά στο χημικό δυναμικό.