Что такое осмос в клетке
Осмос
Осмос — это прохождение жидкости через полупроницаемую мембрану со стороны, где концентрация раствора ниже, на сторону, где концентрация раствора выше. Осмос — это основа водного обмена в живых существах.
Осмос был открыт в 1748 г. французским священником и физиком Жаном-Антуаном Нолле, который в качестве грубой мембраны использовал для своих демонстраций мочевой пузырь свиньи. Осмос — это разновидность диффузии, процесса, при котором вещества в жидкости или газе естественным образом равномерно распределяются по раствору. При осмосе мембрана останавливает более крупные молекулы, но вода легко проходит сквозь нее. Вода выравнивает концентрацию веществ в растворе — она перетекает из области с низкой концентрацией вещества к области с более высокой концентрацией. Действие осмоса прекращается, когда концентрация по обе стороны мембраны выравнивается, то есть с одной из сторон становится больше влаги.
Биологические мембраны полупроницаемы: например, молекулы белка слишком крупные, чтобы пройти сквозь нее. Мембраны также остановят заряженные ионы. В диффузии участвуют маленькие молекулы, в том числе молекулы кислорода, углекислого газа, азота и окиси азота. Осмос — главный способ транспортировки воды в клетки и из них.
В биологических системах вода с концентрацией растворенных веществ меньше нормы называется гипотонической; больше нормы — гипертонической. Когда клетка попадает в гипотонический раствор, осмос притягивает воду, и клетка разбухает. Это происходит, например, когда клетку помещают в чистую воду. В гипертоническом растворе, таком как соленая вода, молекулы воды покидают клетку, и она сжимается. С помощью осмоса растения забирают воду из почвы. В клетках корней содержатся растворенные вещества, поэтому молекулы воды поступают внутрь, повышая внутреннее давление и делая клетки упругими. Если растение долгое время лишено воды, давление падает, клетки сжимаются, и растение увядает.
ТРАНСПИРАЦИЯ
Транспирация — это, по сути, встроенный в растения водяной насос. В ходе этого процесса жидкость проходит через растение от корней до мелких пор на нижней стороне листьев, там она испаряется и попадает в воздух в виде водяного пара. По мере испарения воды в верхней части растения в результате осмоса от корней поднимается дополнительная влага — по системе трубок, состоящих из рядов специальных клеток — ксилем. Транспирация совершается быстрее в теплых и ветреных условиях.
Осмос
О́смос (от греч. ὄσμος — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества (меньшей концентрации растворителя).
Более широкое толкование явления осмоса основано на применении Принципа Ле Шателье — Брауна: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.
Содержание
История
Впервые осмос наблюдал А. Нолле в 1748, однако исследование этого явления было начато спустя столетие.
Суть процесса
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.
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. Если принять меры, чтобы концентрации не менялись, осмотическое давление достигнет постоянной величины, когда обратный поток молекул воды сравняется с прямым.
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 выравнять концентрацию раствора в обоих 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.
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.
Значение осмоса
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 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.
Использование в промышленности
Первая в мире электростанция — прототип, использующая для выработки электричества явление осмоса, запущена компанией Statkraft 24 ноября 2009 года в Норвегии вблизи города Тофте. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной; так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной водой моря и пресной водой фьорда развивается явление осмоса, — постоянный поток молекул воды через мембрану в сторону солёной воды. В результате чего давление солёной воды возрастает. [1] Это давление соответствует давлению столба воды в 120 метров высотой, то есть достаточно высокому водопаду. Поток воды достаточен, чтобы приводить в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию. [2] Производство носит ограниченный характер, основная цель — тестирование оборудования. Самый проблематичный компонент электростанции — мембраны. По оценкам специалистов Statkraft мировое производство может составить от 1 600 до 1 700 TWh, что сравнимо с потреблением Китая в 2002. Ограничение связано с принципом действия — подобные электростанции могут быть построены только на морском побережье. [3] Это не вечный двигатель, источником энергии является энергия солнца. Солнечное тепло отделяет воду от моря при испарении и посредством ветра переносит на сушу. Потенциальная энергия используется на гидроэлектростанциях, а химическая энергия долго оставалась без внимания.
Осмос в клетке
Вы будете перенаправлены на Автор24
Осмос – это односторонняя диффузия воды через полупроницаемую мембрану внутрь концентрированного раствора.
Сущность процесса осмоса
Осмос происходит потому, что более концентрированный раствор имеет меньшую концентрацию молекул растворителя и в него путем диффузии могут просочиться молекулы растворителя из раствора с меньшей концентрацией и разбавлять его, пока концентрация внутри мембраны и за ее пределами не станет одинаковой.
Если рассмотреть полупроницаемую мембрану (проницаемая для растворителя, непроницаемая для растворенных веществ), то ее поры могут пропускать только маленькие молекулы, одновременно блокируя доступ большим молекулам.
Если полупроницаемая мембрана отделяет раствор сахара от емкости с чистой водой, то изначально концентрация молекул воды в растворе сахара ниже, чем в чистой воде. Количество молекул воды, которые транслируются из чистой воды в сахарный раствор через полупроницаемую мембрану больше, чем то количество воды, которое проникает в обратном направлении.
Некоторое время вода будет переходить через мембрану и распространяться по сосуду с сахаром. Поскольку поры мембраны клеток слишком малы, чтобы пропускать сахарный раствор, то уровень жидкости там, где он находится повышается.
Осмотическое давление – это давление, производимое молекулами растворенного вещества на полупроницаемые стенки сосуда.
Осмотическое давление раствора всегда больше, чем суммарная концентрация гидрофильных (осмотически активных) веществ внутри него. Все растворы по количеству содержания солей делятся на:
Изотонический раствор представляет собой среду, осмотическое давление внутри которой равно осмотическому давлению внутри клетки. В такой среде вода поступает в клетку и не выводится из нее.
Среда, осмотическое давление внутри которой меньше внутриклеточного осмотического давления, называется гипотонической. В такой среде вода транслируется через мембрану во внутриклеточное пространство. При этом клетка раздувается, может произойти разрушение клеточной структуры. Если клетка обладает клеточной стенкой, то она не лопается, но серьезно давит на нее.
Готовые работы на аналогичную тему
Основные механизмы осмоса в клетках
Если осмотическое давление больше осмоса внутри клетки, то ее называют гипертонической. В такой среде вода достаточно быстро выходит через мембрану, клетка сжимается и морщится.
Если вводить в организм гипотонический раствор, клетки крови могут лопаться, а при введении гипертонического раствора сжиматься. Для внутренних вливаний большого объема необходимо использовать изотонический раствор, концентрация которого равна 0.9 % содержания соли (NaCl).
Растительная клетка состоит из протопласта и стенки. При попадании клетки в гипертонический раствор происходит своеобразная реакция, которая называется плазмолизом.
Плазмолиз – это явление сжатия протопласта и его отхождение от стенки.
Плазмолиз может быть обратимым, необратимым. Процесс обратный плазмолизу называют деплазмолизом.
Плазмолиз может быть различных типов:
Значение осмоса заключается в том, что он является базовым клеточным процессом. Мембраны клеток любых типов используют процесс осмоса для поглощения необходимого вещества. Осмотическое давление также обуславливает многие процессы в многоклеточном организме. При этом корни растений поглощают влагу именно путем осмоса. Так как концентрация растворенных веществ внутри растительной клетки больше, чем вне клетки, то она получает достаточное количество воды и не может лопнуть.
Давление воды на стенки клетки называется тургорным давлением. Подобному давлению противостоит клеточная стенка растительной клетки. Клеточная стенка бактерий, которые живут в водной среде также противостоит тургорному давлению.
Для выведения избытка воды, поступающей в клетку животного организма (одноклеточного) существуют специфические образования – сократительные вакуоли. Одноклеточные, обитающие в морях, выкачивают из клеток соли, и осмотическое давление в клетке выравнивается с осмотическим давлением морской воды.
Подобные образования имеют достаточно сложную структуру. Обычно их две и сначала между ними набухают проводящие каналы, затем вода уже переходит в основной клеточный резервуар. В последствии резервуар отделяется от приводящих каналов, и вода выбрасывается путем экзоцитоза за пределы клетки. Две вакуоли работают по принципу противофазы. Каждая вакуоль сокращается в нормальном режиме 12- 15 раз в сутки. В течение одного часа клетка может выбросить объем воды, равный ее объему.
Подводя итог всему вышесказанному, можно сделать вывод о том, что многоклеточные животные формируют среду организма, имеющую изотонический раствор.
Осморегуляция – это процесс регуляции внутренней среды организма, а именно ее осмотического состава.
Таким образом, осмосом называют процесс прохождения воды через мембрану, обладающую свойством избирательной проницаемости, а именно через клеточную мембрану. В данном случае осмос зависит от системы диффузии отдельных молекул воды через данную мембран. Это возможно благодаря наличию особых пор внутри мембраны.
Осмотический ток воды внутри клетки зависит от двух основных факторов:
Благодаря осмосу становится возможным осуществление восходящего и нисходящего тока воды внутри растительного организма, что позволяет переносить питательные вещества с нужной степенью интенсивности ко всем органам растения, как в направлении от корня к листу, так и в направлении от листа к корню.
Осмос – определение и примеры
Определение осмоса
Осмос это тип диффузия что в биологии обычно связано с клетками. Диффузия – это когда молекулы или атомы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Осмос – это когда вещество пересекает полупроницаемая мембрана чтобы сбалансировать концентрации другого вещества. В биологии обычно это когда растворитель такие как вода течет в или из клетка в зависимости от концентрации растворенное вещество такой как соль. Осмос происходит спонтанно и без какой-либо энергии со стороны клетки.
Растворители и растворенные вещества
Осмос имеет дело с химическими растворами. Растворы состоят из двух частей: растворителя и растворенного вещества. Когда растворенное вещество растворяется в растворителе, конечный продукт называется решение, Соленая вода является примером решения; соль – это раствор, а вода – растворитель.
Типы решений
В биологии существует три различных типа решений, в которых могут находиться клетки: изотонический, гипотонический, а также гипертонический, Различные типы растворов оказывают различное воздействие на клетки из-за осмоса.
изотонический
изотонический раствор имеет одинаковую концентрацию растворенных веществ как внутри, так и снаружи клетки. Например, говорят, что клетка с той же концентрацией соли внутри нее, что и в окружающей воде / жидкости, находится в изотоническом растворе. В этих условиях нет чистого движения растворителя; в этом случае количество воды, входящей и выходящей из мембраны клетки, равно.
гипотонический
В гипотоническое решение В клетке концентрация растворенных веществ выше, чем вне клетки. Когда это происходит, больше растворителя попадет в клетку, чем покинет ее, чтобы сбалансировать концентрацию растворенного вещества.
гипертонический
гипертонический раствор является противоположностью гипотонического решения; вне клетки больше растворенного вещества, чем внутри нее. В этом типе раствора больше растворителя будет выходить из клетки, чем попадать в него, чтобы снизить концентрацию растворенного вещества вне клетки.
Как осмос влияет на клетки
Влияет на осмос растение и клетки животных по-разному, потому что клетки растений и животных могут переносить различные концентрации воды. В гипотоническом решении, клетка животного наполнит слишком много воды и лизируют или взорваться. Тем не менее, растительным клеткам нужно больше воды, чем животным, и они не лопнут в гипотоническом растворе из-за их толстых клеточных стенок; гипотонические растворы идеально подходят для растительных клеток. Оптимальное условие для животной клетки – это находиться в изотоническом растворе с равным количеством воды и растворенных веществ как внутри, так и снаружи. Когда растительная клетка находится в изотоническом растворе, его клетки больше не напыщенный и полон воды, и листья растения будут опадать. В гипертоническом растворе вода будет вымываться из клеток животных и растений, и клетки будут усыхать (у растений это называется плазмолизом). Вот почему слизняки и улитки высыхают и умирают, когда на них посыпается соль; вода покидает их клетки, чтобы сбалансировать более высокую концентрацию соли вне клеток.
На этой фигуре показано влияние осмоса на красный кровь клетки:
Примеры осмоса
Осмос – это то, как растения способны поглощать воду из почвы. Корни растения имеют более высокую концентрацию растворенного вещества, чем окружающая почва, поэтому вода поступает в корни. У растений защитные клетки также страдают от осмоса. Это клетки на нижней стороне листьев, которые открываются и закрываются, чтобы обеспечить газообмен. Когда клетки растения полны воды, защитные клетки набухают и открывают устьица, маленькие отверстия, которые позволяют растению поглощать углекислый газ и выделять кислород.
Проверьте свои знания осмоса
1. Когда клетка содержит более низкую концентрацию растворенного вещества, чем окружающий ее растворитель, говорят, что эта клетка находится в каком виде раствора?A. гипертоническийB. гипотоническийC. изотонический
Ответ на вопрос № 1
верно. Когда раствор имеет более высокую концентрацию растворенного вещества, чем окружающая его клетка, раствор является гипертоническим. Когда клетка находится в гипертоническом растворе, осмос заставит воду вытекать из клетки, чтобы сбалансировать концентрацию растворенного вещества по обе стороны от полупроницаемой мембраны. Когда из клетки вытечет слишком много воды, она сморщится.
2. Изотонические условия идеальны для каких клеток?A. Растительные клеткиB. Животные клеткиC. ОбеD. ни
Ответ на вопрос № 2
В верно. В изотонических растворах чистое движение воды внутрь клетки и из нее одинаково, что обеспечивает сбалансированность и нормальное функционирование клетки животного. Растительные клетки лучше себя чувствуют в гипотонических растворах, где их можно максимально наполнить водой.
3. Что происходит с клеткой животного в гипотоническом растворе?A. Эффекта пренебрежимо мало, так как концентрация растворенного вещества на обеих сторонах мембраны одинакова.B. Вода вылетит из клетки, заставив ее сморщиться.C. Вода устремится в камеру, и она станет мутной.D. Вода будет устремляться в клетку, вызывая ее лизис (взрыв).
Ответ на вопрос № 3
D верно. Когда клетка находится в гипотоническом растворе, концентрация растворенного вещества в клетке выше, чем концентрация растворенного вещества в окружающей ее воде. Вода попадет в камеру и может привести к ее взрыву. A описывает изотонический раствор, B описывает гипертонический раствор, а C описывает растительную клетку в гипотоническом растворе.
Осмос живой клетки
Необходимым условием жизнедеятельности организма является транспорт одного очень важного вещества, а именно воды. Хотя вода совершенно необходима живой клетке, однако клетка не располагает никакой специальной системой ни для ее поглощения, ни для ее вывода наружу. Вода проходит сквозь клеточную мембрану совершенно свободно путем так называемого осмоса.
Осмотическое движение воды зависит от двух главных факторов:
При прочих равных условиях вода стремится переходить через избирательно проницаемую мембрану от менее концентрированного раствора к раствору с более высокой общей концентрацией всех растворенных частиц (рис.1. ).
Рис. 1. Осмос в искусственной системе. Трубку, содержащую раствор глюкозы и закрытую с одного конца мембраной, пропускающей воду, но не пропускающей глюкозу, опускают закрытым концом в сосуд с водой. Вода может проходить через мембрану в том и в другом направлении; однако молекулы глюкозы в трубке мешают движению соседних молекул воды, и потому больше воды входит в трубку, чем выходит из нее. Раствор поднимается в трубке до тех пор, пока давление его столба не станет достаточным для того, чтобы вытеснять воду из трубки с такой же скоростью, с какой она поступает внутрь.
Однако при этом в какой-то момент вода, поступившая в более концентрированный раствор, может развить такое давление, что это давление будет вытеснять ее наружу с такой же скоростью, с какой она поступает внутрь.
Не обладая способностью насасывать или откачивать воду непосредственно, клетки регулируют приток и отток воды, изменяя концентрацию находящихся в них растворенных веществ. Чтобы поглотить больше воды, клетка поглощает больше ионов различных солей, молекул глюкозы или других растворимых соединений. В результате в клетке повышается концентрация растворенных частиц. Вода по законам осмоса начинает поступать в клетку, стремясь к выравниванию своей собственной концентрации по обе стороны мембраны.
Так работает эта система до тех пор, пока концентрация растворенных веществ вне клетки и в клетке примерно одинакова. А что происходит, когда концентрация внутри и вне клетки очень сильно разнится? Если в среде концентрация растворенных веществ выше, чем в самой клетке, или если средой для клетки служит практически сухой воздух, то клетка теряет воду и сморщивается, как это бывает, когда растения привядают в сухой жаркий день. С оттоком воды содержимое клетки сжимается и отходит от клеточных стенок (рис. 2).
Рис. 2. Тургор и завядание у растений.
А. Растительные клетки, окруженные разбавленным раствором, поглощают воду путем осмоса через клеточную мембрану и остаются тургесцентными.
Б. Растительные клетки, окруженные концентрированным раствором, теряют воду вследствие осмоса, и растение завядает.
Если, однако, увядшее растение поместить в воду, то вода вновь поступает в клетки. Они становятся тургесцентными, т.е. набухают от воды и снова прижимаются к клеточным стенкам, подчиняясь тургорному давлению, направленному изнутри наружу. Клеточные стенки способны растягиваться лишь до известного предела, после которого они начинают оказывать противодавление, вытесняющее воду из клеток с такой же скоростью, с какой она в них поступает. Таким способом клеточные стенки защищают клетки: не дают им лопнуть под напором избытка воды.
Многие животные клетки, если поместить их в чистую воду или в очень разбавленный раствор, лопаются, потому что у них нет клеточных стенок (рис. 3).
Рис. 3. Осмос в животной клетке.
А. Животная клетка в разбавленном растворе поглощает воду до тех пор, пока не лопнет
Б. Животная клетка в концентрированном растворе теряет воду и сморщивается
Во избежание этого лекарственные препараты, предназначенные для внутривенного введения, готовят не на чистой воде, а на специальных солевых растворах. Животные клетки, соприкасающиеся с водой постоянно, например клетки, выстилающие желудочно-кишечный тракт человека, обладают приспособлениями, которые не дают им поглощать слишком много воды. Когда мы пьем воду, она всасывается и распределяется постепенно; именно поэтому клетки в нашем организме и не лопаются.