اسمز چیست و چه تاثیراتی بر سیستم های بیولوژیک دارد؟
اسمز حرکت خالص خود به خودی مولکولهای حلال از طریق یک غشا با قابلیت نفوذ انتخابی به منطقه ای با غلظت املاح بالاتر در جهتی است که تمایل دارد غلظت املاح در دو طرف مساوی شود. با اعمال فشار خارجی به دو طرف ماده حل شونده ، می توان جریان اسمزی را متوقف یا معکوس کرد که به آن اسمز معکوس نیز گفته می شود. حداقل فشار لازم برای توقف انتقال حلال را فشار اسمزی می نامند. مبحث تعریف اسمز در زیست دهم به این موارد پرداخته است.
این فرایند که از نظر زیست شناسی بسیار مهم است اولین بار در سال ۱۸۷۷ توسط یک فیزیولوژیست گیاهی آلمانی ، ویلهلم پففر مورد مطالعه قرار گرفت. قبل از وی مطالعات دقیق کمتری در مورد کاربرد اسمز در غشاهای تراوا (به عنوان مثال ، مثانه حیوانات) و عبور آب از آنها در جهت مخالف انجام شده بود. اصطلاح عمومی اسمز در سال ۱۸۵۴ توسط یک شیمی دان انگلیسی توماس گراهام مطرح شد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.
اهمیت اسمز در بیولوژی چیست؟
اسمز یک فرایند حیاتی در سیستم های بیولوژیکی است زیرا غشاهای بیولوژیکی نیمه تراوا هستند. به طورکلی ، این غشاها در برابر مولکولهای بزرگ و قطبی مانند یونها ، پروتئین ها و پلی ساکاریدها نفوذ ناپذیر هستند ، در حالی که به مولکول های غیر قطبی یا آبگریز مانند لیپیدها و همچنین مولکول های کوچک مانند اکسیژن ، دی اکسید کربن ، نیتروژن و نیتریک اکساید نفوذ پذیر هستند.
نفوذ پذیری به حلالیت ، بار یا شیمی و همچنین اندازه املاح بستگی دارد. مولکول های آب از طریق غشای پلاسما ، غشای تونوپلاست (واکوئل) یا پروتوپلاست با پخش شدن در لایه فسفولیپیدی از طریق آکواپورین ها حرکت می کنند. اسمز وسیله اصلی انتقال آب به سلول ها و خارج از آنها را فراهم می کند. فشار تورگور یک سلول تا حد زیادی توسط اسمز در سراسر غشای سلول بین داخل سلول و محیط نسبتاً هیپوتونیک آن حفظ می شود.
مثال هایی از اسمز
اسمز در گیاهان کمک می کند آب را از طریق ریشه های خود جذب کنند. ریشه های گیاه غلظت املاح بیشتری نسبت به خاک اطراف دارند ، بنابراین آب به ریشه ها سرازیر می شود. در گیاهان ، سلولهای محافظ نیز تحت تأثیر اسمز قرار می گیرند. اینها سلولهایی در زیر برگها هستند که باز و بسته می شوند تا امکان تبادل گاز فراهم شود. وقتی سلولهای گیاه پر از آب شود ، سلولهای محافظ متورم می شوند و روزنه ها را باز می كنند ، سوراخ های كوچكی كه به گیاه اجازه می دهد دی اکسید كربن گرفته و اکسیژن آزاد كند.
از طرف دیگر اسمز می تواند بر حیواناتی مانند ماهی اثرات سو بگذارد. اگر ماهیان آب شیرین یا آب شور در آبی قرار بگیرند که غلظت نمکی متفاوت از گذشته داشته باشد با ورود یا خروج بیش از حد آب به سلولها خواهند مرد.
این پدیده می تواند بر روی انسان نیز تأثیر بگذارد. تاثیر اسمز در سلولهای انسانی را می توان در یک فرد آلوده به وبا نشان داد که باکتریها به تعداد زیاد در روده ها جمع شده و باعث می شوند روده ها قادر به جذب آب نباشند. این باکتری ها در واقع جریان جذب را معکوس می کنند زیرا اسمز باعث می شود آب به جای ورود از سلول های روده خارج شود. این مسئله باعث کم آبی شدید و گاهی مرگ می شود.
انواع اسمز
آندوسموز – هنگامی که ماده ای در محلول هیپوتونیک قرار می گیرد ، مولکول های حلال به داخل سلول حرکت می کنند و سلول دچار تورم می شود یا دپلاسمولیز می شود. این پدیده به عنوان آندوسموز شناخته می شود.
اگزوسموز – هنگامی که ماده ای در محلول هایپرتونیک قرار می گیرد ، مولکول های حلال به خارج از سلول حرکت می کنند و سلول شل می شود و یا تحت پلاسمولیز قرار می گیرد. این پدیده به عنوان اگزوسمز شناخته می شود.
اثر اسمز بر روی سلول ها
این پدیده به طور متفاوتی بر سلول ها تأثیر می گذارد. سلول حیوانی وقتی در محلول هیپوتونیک قرار گیرد در مقایسه با سلول گیاهی لیز می شود زیرا سلول گیاه دیواره های ضخیمی دارد و به آب بیشتری نیاز دارد. به همین دلیل وقتی سلول های گیاهی در یک محلول هیپوتونیک قرار بگیرند ، نمی ترکند. در واقع ، یک محلول هیپوتونیک برای سلول های گیاهی ایده آل است. سلول حیوانی فقط در محلول ایزوتونیک زنده می ماند. در یک محلول ایزوتونیک ، سلولهای گیاه دیگر تورگر نمی شوند و برگهای گیاه می ریزند. در مبحث فرایند اسمز شیمی دهم به این موارد پرداخته شده است.
فاکتورهای موثر بر اسمز
فشار اسمزی
همانطور که قبلاً ذکر شد ، با افزایش فشار در منطقه ای با غلظت املاح بالا ممکن است با اسمز مقابله شود. نیرو در واحد سطح یا فشار مورد نیاز برای جلوگیری از عبور آب از طریق یک غشا با قابلیت نفوذ انتخابی و به محلول با غلظت بیشتر معادل فشار اسمزی محلول یا تورگور است. فشار اسمزی خاصیت هم افزایی است ، به این معنی که خاصیت آن به غلظت ماده حل شونده بستگی دارد اما به محتوای آن یا هویت شیمیایی آن بستگی ندارد.
شیب اسمزی
شیب اسمزی تفاوت غلظت بین دو محلول در دو طرف غشا نیمه تراوا است و برای بیان تفاوت درصد غلظت ذره خاص حل شده در محلول استفاده می شود. معمولاً هنگام مقایسه محلول هایی که غشای نیمه تراوا بین آنها وجود دارد که باعث می شود آب بین دو محلول و به سمت محلول هایپرتونیک (محلول با غلظت بالاتر) حرکت کند از شیب اسمزی استفاده می شود.
در نهایت ، نیروی ستون آب در طرف هیپرتونیک غشاء نیمه تراوا با نیروی انتشار در سمت هیپوتونیک (طرف با غلظت کمتر) برابر خواهد شد و تعادل ایجاد می کند. با رسیدن به تعادل آب به جریان خود ادامه می دهد اما در هر دو جهت در مقادیر مساوی با نیرو مساوی جریان می یابد بنابراین محلول را تثبیت می کند.
انواع محلول های اسمزی
در زیست شناسی ، سه نوع محلول مختلف وجود دارد که سلول ها می توانند در آن قرار بگیرند: ایزوتونیک ، هیپوتونیک و هیپرتونیک. انواع مختلفی از محلول ها به دلیل اسمز تأثیرات متفاوتی بر سلول ها دارند.
ایزوتونیک
یک محلول ایزوتونیک غلظت مشابهی از املاح در داخل و خارج سلول دارد. به عنوان مثال ، سلولی که غلظت مشابهی از نمک را در داخل و مایع اطراف خود دارد در واقع درون یک محلول ایزوتونیک قرار گرفته است. تحت این شرایط ، هیچ حرکت خالصی از حلال وجود ندارد. در این حالت ، مقدار آب ورودی و خروجی از غشا سلول برابر است.
هیپوتونیک
در یک محلول هیپوتونیک ، غلظت املاح بیشتری در داخل سلول نسبت به خارج سلول وجود دارد. هنگامی که این اتفاق می افتد ، حلال بیشتری به سلول وارد می شود تا غلظت املاح متعادل شود.
هیپرتونیک
محلول هایپرتونیک نقطه مقابل محلول هایپوتونیک است. املاح خارج از سلول بیشتر از داخل آن است. در این نوع محلول ها ، حلال بیشتری از سلول خارج می شود تا غلظت املاح در خارج سلول کاهش یابد.
