Осмос это в биологии кратко

Обновлено: 05.07.2024

Осмос и его роль в живых организмах

Осмосом называют диффузию воды через полупроницаемую мембрану из раствора с низкой концентрацией растворенного вещества в раствор с высокой концентрацией растворенного вещества.

Под плазмолизом понимается отделение протопласта клетки от оболочки под действием на клетку гипертонического раствора.

Деплазмолиз – процесс обратный плазмолизу, возвращение протопласта клеток растений из состояния плазмолиза в исходное состояние, характеризующееся нормальным тургором.

Плазмолиз характерен главным образом для клеток растений, обладающих жесткой клеточной стенкой. Животные клетки при помещении в гипертонический раствор, теряя воду, сморщиваются и уменьшаются в размерах. Плазмолиз растительной клетки аналогичен этому процессу, но сморщивание протопласта происходит внутри клеточной стенки. В нормальных условиях плазмалемма растительной клетки плотно прижата к клеточной стенке изнутри под действием тургорного давления. При помещении клетки в раствор, концентрация осмотически активных веществ в котором больше концентрации клеточного сока, то скорость диффузии воды из клеточного сока будет превышать скорость диффузии воды в клетку из окружающего раствора. Вследствие выхода воды из клетки объем клеточного сока сокращается, тургор уменьшается. Уменьшение объема клеточной вакуоли сопровождается отделением цитоплазмы от оболочки. В процессе плазмолиза протопласт теряет воду, уменьшается в размерах и отделяется от клеточной стенки.

Живые ткани растения в какой-то мере могут быть рассмотрены как симпласты (синцитии), поскольку протопласты соседних клеток сообщаются между собой через плазмодесмы – цитоплазматические нити, располагающиеся в канальцах, пронизывающих клеточную стенку. Плазмодесмы располагаются в клетке группами на месте так называемых первичных поровых полей. Роль плазмодесм заключается в обеспечении передачи раздражений и передвижения веществ от клетки к клетке. Протопласт как бы закреплен на клеточной стенке в местах расположения плазмодесм, поэтому при уменьшении объема клетки в процессе плазмолиза протопласт дольше всего остается прикрепленным к клеточной стенке именно в местах плазмодесм.

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.

Осмос

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.

Срезанные цветы

Срезанные цветы помещают в гипотоническую воду (свежая чистая вода подойдет), чтобы в ходе осмоса их стебли наполнились влагой. Свежий вид цветов поддерживается дольше — но в конечном итоге мертвые растения подвергнутся естественному процессу разложения. Живое растение увядает, когда ему не хватает воды, и с помощью воды его можно возродить

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.

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



Рис. 1. Осмос через полупроницаемую мембрану. Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (красные) — нет.

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 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.

Осмос может оказать неблагоприятное воздействие на животных, таких как рыба. Если пресноводную или морскую рыбу поместить в воду, концентрация соли в которой отличается от той, к которой они привыкли, она умрет от попадания слишком большого количества воды в свои клетки или выхода из них. Осмос может влиять и на людей; у человека, зараженного холерой, бактерии перенаселение кишечника, в результате чего кишечник не может поглощать воду. Бактерии фактически обращают поток поглощения, потому что осмос заставляет воду вытекать из кишечных клеток, а не внутрь. Это вызывает сильное обезвоживание и иногда смерть. Более мягкий эффект осмоса – это то, как пальцы становятся черносливыми, когда их помещают в воду на длительный период времени. Они выглядят так в результате вздутия от увеличения воды, поступающей в клетки.

  • диффузия – процесс, при котором молекулы перемещаются из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. Осмос является одним из видов диффузии.
  • Решение – смесь, состоящая из двух или более веществ, где одно вещество, растворенное вещество, растворяется в другое вещество, растворитель.
  • полупроницаемую – также известный как избирательно проницаемый, это означает, что только определенные вещества могут проходить через барьер. Клеточные мембраны полупроницаемы.
  • клетка – самая маленькая единица, которая зарабатывает на жизнь организм, Он включает в себя различные различные части, называемые органеллами, которые выполняют такие функции, как хранение генетического материала и производство белков и энергии.

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 имеет большое значение для жизнедеятельности представителей всех царств живой природы. Все биологические организмы состоят из клеток и внутри них в цитоплазме находится жидкость, которая содержит воду и различные вещества, растворенные в ней. Внутрь клетки вещества поступают строго избирательно, например, ионы, поддерживающие электронейтральность клеток.

Снаружи любая клетка омывается межклеточной жидкостью, которая тоже является водным раствором. Концентрация растворенных веществ внутри клеток гораздо больше, чем в межклеточной жидкости.

Осмос позволяет растворителю перейти из внешней среды в клетку и вызвать ее разбухание или тургор. Целесообразно привести определение данного понятия для формирования полного понимания заявленной темы.

Тургор – это давление воды на стенки клетки, придающее ей упругость и эластичность.

Кроме того, тургор способствует:

  • сохранение формы клеток;
  • стабилизация объема внутриклеточной жидкости;
  • увлажнение растений.

Механизм протекания процесса

Благодаря осмотическому давлению становится возможным минеральное питание растений, поскольку именно оно обеспечивает восходящий ток воды от корня к листу и нисходящий ток жидкости для возвращения минеральных веществ в круговорот веществ. Осмотическое давление также поддерживается внутри ксилемы и флоэмы, которые являются разновидностями проводящей ткани растительного организма.

Также в организме человека присутствует ряд жидкостей, составляющих его внутреннюю среду: лимфу, кровь, тканевую жидкость. Они также обладают осмотическим давлением поддерживают его на постоянном уровне вне зависимости от температуры окружающей среды. Такое давление называют изоосмией и оно является составной частью общего процесса обмена веществ. Осмотическое давление крови различных организмов неодинаково.

Готовые работы на аналогичную тему

Если осмотическое давление крови снижается, то организм старается его воссоздать, удаляя из крови избыток растворенных частиц. Если же давление повышается, то число кинетически активных частиц значительно возрастает. Осмотическое давление крови поддерживается почками, но в этом процессе также участвует подкожно жировая клетчатка, которая накапливает избыток солей. Изоосмия регулируется, прежде всего, центральной нервной системой, а также деятельностью желез внутренней секреции.

Отклонение осмотического давления крови вызывает болезненное состояние. Симптомами его понижения являются:

  • судороги,
  • рвота,
  • помутнение сознания.

Для предотвращения критического снижения величины осмотического давления в жидкостях организма необходимо соблюдать здоровый образ жизни и нормальный питательный и питьевой режим.

Растворы, которые имеют осмотическое давление, принятое за стандарт, называют изотоническими. При превышении установленной величины раствор признают гипертоничесмким, сниженное осмотическое давление наделяет раствор гипотоническим свойством.

В медицине изотоническими по отношению к крови являются растворы с концентрацией солей 0,9%. Обратным процессом по отношению к осмосу можно признать плазмолизом. Он отражает потерю давления и упругости клетки. При сильном деплазмолизе клетка теряет собственную упругость и жизнеспособность. Для того, чтобы не допустить возникновения деплазмолиза внутри живой системы необходимо поддерживать нормальное осмотическое давление.

При нарушении осмоса может возникнуть гемолиз. Этот процесс является частным случаем цитолиза.

Цитолиз – это разрушение животных клеток под влиянием различных причин.

Например, в крови происходит разрушение всех оболочек, если осмотическое давление снижается до 260-300 кПа. Величина снижения осмотического давления, критическая для разных организмов может быть различной.

В клинической практике в некоторых случаях применяются изотонические и гипертонические растворы. Гипертонические растворы вводят внутривенно при глаукоме, чтобы снизить внутриглазное давление из – за повышенного содержания жидкости в передней глазной камере. Многие соли обладают слабительным действием, а именно глауберова (Na2SO4• 10H2O) и горькая (MgSO4• 7H2O) соли. Данные типы солей всасываются в кровь достаточно плохо, и их высокая концентрация в кишечнике способствует интенсивному переходу воды внутрь кишечника из тех тканей, которые окружают его.

Бактериальные клетки также обладают осмотическим давлением высокой величины. При действии антибиотиков (например, пенициллина) ингибируется процесс биосинтеза стенок растущих стрептококков. Они становятся непрочными и под действием внутреннего осмотического давления легко разрушаются. Таким образом, осмотическое давление способствует противостоянию бактериальным клеткам, поэтому формируют иммунитет.

Осмос является важным биологическим процессом и его значение заключается в следующем:

  • осмос позволяет мембране контролировать процесс поступления различных веществ в собственное внутреннее пространство;
  • обеспечивает потребление влаги и питательных веществ растениями, благодаря чему возможен фотосинтез;
  • формирует тургорное давление, как возможность придания клетки упругости;
  • выделение избытка солей из клетки, чтобы поддержать ее жизнеспособность;
  • реализация деятельности вакуолей, а именно их сократительных форм. Эти образования устроены достаточно сложно. Одноклеточные организмы обычно имеют два подобных органоида.

Сначала набухают приводящие каналы, затем вода транслируется в их основной резервуар. В последствии он отделяется от приводящих каналов путем экзоцитоза. Две вакуоли работают в противофазе, каждая при нормальных физиологических условиях сокращается один раз в 12—15 с. За час вакуоли выбрасывают из клетки объём воды, примерно равный объёму клетки.

Тем самым понимание и контроль осмотических процессов формируют умение оказывать целенаправленное влияние на их протекание, что имеет крайне важное значение в медицине и биологии.

Читайте также: