Осмотическое давление это в биологии кратко

Обновлено: 02.07.2024

Явление осмотического давления в воде было обнаружено и описано еще в 1748 году французским физиком-экспериментатором Жаном-Антуаном Нолле.

Проводя свой эксперимент, Нолле наполнил сосуд этанолом и, закрыв его плотной мембраной, опустил в емкость с чистой водой. Под действием физических сил вода поступала внутрь сосуда с концентрированной жидкостью и создавала там давление, под действием которого сосуд раздувался. В процессе его эксперимента хватало пяти часов, чтобы объем в сосуде увеличился, а мембрана раздулась. Тогда он решил провести обратный опыт и наполнил колбу водой, поместив ее в сосуд со спиртом. Объем в колбе стал уменьшаться, а мембрана начала прогибаться вниз.

Нолле объяснил это явление, как избирательный перенос молекул через мембрану: когда жидкость с меньшей плотностью легко проходила через стенки мембраны, вторая, концентрированная, не могла осуществить диффузию.

Позже было доказано, что если к концентрированному раствору будет приложено давление, то перенос молекул растворителя можно замедлить или остановить в зависимости от величины давления. Наименьшее давление, за исключением давления самого растворителя, которое нужно приложить к раствору, чтобы предотвратить перемещение молекул чистого вещества через мембрану, было названо"«соматическое", а сам процесс произвольного перехода молекул растворителя стали называть "осмос".

От чего зависит осмотическое давление воды

Важным условием осмоса является наличие полупроницаемой мембраны, то есть такого материала, поры которого будут достаточного размера, чтобы свободно пропускать молекулы растворителя и удерживать в растворе частицы растворенного вещества.

Осмотическое давление воды зависит от двух основных факторов:

Это объясняется уравнением Вант-Гоффа. Осмотическое давление воды равно: π = RCT,

где R - универсальная газовая постоянная,

С - концентрация вещества,

Ученый выявил, что осмотическое давление жидкостных растворов, подчиняется тем же законам, что и давление газовых систем. С помощью данного уравнения определяется величина давления.

Оно не зависит от состава растворенного вещества, поэтому осмотическое давление считается коллигативным свойством раствора, то есть обусловленным самопроизвольным движением молекул, их количеством, а не составом.

Для возникновения осмотического давления воды в системе необходимо два критерия:

присутствие полупроницаемой мембраны;
нахождение двух растворов с разной концентрацией по обе стороны от перегородки.

Как определить осмотическое давление воды

На практике величину осмотического давления воды определяют при помощи специального прибора - осмометра. Так измерения могут происходить статическим путем и динамическим.

При статическом методе измерение осуществляется только после установления равновесия в системе: раствор - мембрана - растворитель. Самым простым способом величина определяется по высоте столба жидкости в трубке осмометра. К его недостаткам можно отнести сложность определения момента равновесия и значительные временные затраты.

Динамический метод определение осмотического давления воды позволяет быстро и точно получить результат. Он основывается на определении объемной скорости пропускания и выдавливания молекул растворителя через мембраны с различным давлением в ячейке с последующим вычислением промежуточных значений среди полученных результатов.

Многие приборы позволяют проводить вычисления обоими методами. Единственным важным условиям проведения измерения является правильный подбор полупроницаемой мембраны. На практике чаще всего применяются:

пленки из целлофана;
природные и синтетические полимеры;
пористые керамические и стеклянные перегородки;
мембраны растительного и животного происхождения.

Роль осмотического давления воды для живых организмов

Осмос имеет большое значение в окружающей среде и деятельности человека. Например, он участвует в переносе жидкости в стволах высоких деревьев, в наполнении водой клеток и межклеточных структур живых организмов. Биологические жидкости человека - тканевые жидкости, кровь, лимфа тоже поддаются законам осмотического давления. В лабораторных условиях с его помощью исследуют характеристики вновь получаемых полимерных веществ, а в промышленности используют для очистки воды от минералов методом обратного осмоса.

Не менее важную роль осмос играет в экологии водоемов. При изменении концентрации солей в воде, обитатели могут погибнуть, так, например, если поместить пресноводное животное в морскую воду, то оно вскоре потеряет пятую часть своего веса, а если морского обитателя перенести в пресную воду, то из-за диффузии молекул повысится уровень внутриклеточной жидкости, клетки его органов разбухнут и лопнут.

Осмотическое давление морской воды

Осмотическое давление морской воды составляет примерно 25 бар, что существенно выше осмотического давления пресной воды. Поэтому процесс опреснения морской воды методом обратного осмоса проходит при существенно больших давлениях (40-60 бар). Естественно, для разных морей и океанов величина осмотического давления будут разниться за счет разной концентрации солей.

Где применяют осмотическое давление воды

Знание и правильное применение законов осмотического давления воды необходимо в медицине, биологии, энергетике и промышленности. На них основываются многие физико-биологические процессы, процессы получения веществ, а также способы очистки воды.

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.

Действие осмотического давления соответствует знаменитому принципу Ле Шателье и второму закону термодинамики: биологическая система в данном случае стремится выровнять концентрацию веществ в растворе в двух средах, которые разделяет полупроницаемая мембрана.

Содержание статьи

Осмотическое давление в природе и жизни человека
Зачем нужна физика
Какое применение физики в медицине

Что такое осмотическое давление

Под осмотическим давлением понимают гидростатическое давление, которое воздействует на растворы. При этом сами жидкости должны быть разделены полупроницаемой мембраной. В подобных условиях через мембрану процессы диффузионного растворения не идут.

Полупроницаемыми называют мембраны, проницаемость которых высока лишь для определенных веществ. Примером полупроницаемой мембраны может служить пленка, которая прилегает к яичной скорлупе изнутри. Она задерживает молекулы сахара, но не препятствует движению молекул воды.

Явление осмоса имеет место в тех средах, где подвижные свойства растворителя превышают таковые у растворенных веществ.

Свойства осмотического давления

Осмотическое давление характеризуется свойством тоничности, которое считается его градиентной мерой. Речь идет о потенциале различия между парой растворов, которые отделены друг от друга мембраной полупроницаемого типа.

Вещество, которое в сравнении с другим раствором имеет более существенный показатель осмотического давления, называют гипертоническим раствором. Гипотонический раствор имеет низкий показатель осмотического давления. Поместите подобный раствор в замкнутое пространство (к примеру, в кровяную клетку) – и вы увидите, как осмотическое давление разорвет мембрану клетки.

Когда в кровь вводят лекарства, они в самом начале смешиваются с изотоническим раствором. Чтобы осмотическое давление клеточной жидкости было уравновешенным, хлорид натрия в растворе должен содержаться в определенной пропорции. Если бы лекарства изготавливали на основе воды, осмотическое давление разрушало бы кровяные клетки. При создании растворов с большой концентрацией веществ вода будет вынуждена покидать клетки – в итоге они станут сжиматься.

В отличие от животных клеток, в растительных под действием давления их содержимое подвергается отрыву от оболочки. Это явление именуют плазмолизом.

Взаимосвязь между раствором и осмотическим давлением

Химическая природа веществ, содержащихся в растворе, не оказывает влияния на величину осмотического давления. Этот показатель определяется количеством вещества в растворе. Осмотическое давление станет расти с увеличением в растворе активных веществ.

Так называемое онкотическое осмотическое давление зависит от количества содержащихся в растворе белков. При длительном голодании или заболевании почек уровень концентрации белков в организме понижается. Вода из тканей переходит в сосуды.

Условием для создания осмотического давления являются наличие полупроницаемой мембраны и присутствие с двух ее сторон растворов. При этом концентрация их должна быть различной. Клеточная мембрана способна пропускать частички определенных размеров: к примеру, через нее может пройти молекула воды.

Если использовать специальные материалы, обладающие способностью разделения, можно отделять друг от друга компоненты смесей.

Значение осмотического давления для биологических систем

Если биологическая структура содержит перегородку полупроницаемого типа (тканевую или клеточную оболочку), то постоянный осмос станет создавать чрезмерное гидростатическое давление. Становится возможным гемолиз, при котором происходит разрыв оболочки клетки. Противоположный процесс наблюдается, если клетку поместить в концентрированный раствор соли: содержащаяся в клетке вода проникнет через мембрану в солевой раствор. Результатом станет сморщивание клетки, она утрачивает стабильное состояние.

Поскольку мембрана проницаема лишь для частиц определенного размера, она способна выборочно пропускать вещества. Допустим, вода через мембрану проходит свободно, тогда как молекулам этилового спирта сделать это не удастся.

Примерами самых простых мембран, через которые проходит вода, но не проходят многие другие растворенные в воде вещества, могут служить:

пергамент;
кожа;
специфические ткани растительного и животного происхождения.

Механизм осмоса определяется в организмах животных природой самих мембран. Иногда мембрана функционирует по принципу решета: задерживает большие частицы и не препятствует движению малых. В иных случаях через мембрану способны проходить молекулы лишь определенных веществ.

Осмос и связанное с ним давление играют чрезвычайно важную роль в развитии и функционировании биологических систем. Постоянный перенос воды внутрь клеточных структур обеспечивает упругость тканей и их прочность. С различиями в проницаемости тканей для воды прямым образом связаны процессы усвоения пищи и обмен веществ.

Осмотическое давление служит механизмом, посредством которого в клетки подаются нутриенты. У высоких деревьев биологически активные элементы за счет осмотического давления поднимаются на высоту до нескольких десятков метров. Предельная высота растений в земных условиях определяется в том числе и показателями, которые характеризуют осмотическое давление.

Почвенная влага вместе с питательными веществами подается в растения благодаря осмотическим и капиллярным явлениям. Осмотическое давление в растениях может достигать 1,5 мПа. Более низкие показатели давления имеют корни растений. Увеличение осмотического давления от корней к листьям чрезвычайно важно для движения соков по растению.

Осмос регулирует подачу воды в клетки и межклеточные структуры. Благодаря осмотическому давлению сохраняется вполне определенная форма органов.

Биологические жидкости человека – это водные растворы низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений, полисахаридов, белков, нуклеиновых кислот. Осмотическое давление в системе определяется совокупным действием этих компонентов.

К биологическим жидкостям относятся:

лимфа;
кровь;
тканевые жидкости.

При медицинских процедурах следует использовать растворы, которые содержат те же компоненты, которые включены в состав крови. И в тех же количествах. Растворы такого типа нашли широкое применение в хирургии. Однако в кровь человека или животных в значительных количествах можно вводить лишь изотонические растворы, то есть те, которые достигли равновесия.

При 37 градусах Цельсия осмотическое давление человеческой крови составляет примерно 780 кПа, что соответствует 7,7 атм. Допустимые и безвредные колебания осмотического давления несущественны и даже в случае тяжелой патологии не превышают некоторых минимальных значений. Объясняется это тем, что организм человека характеризуется гомеостазом – постоянством физических и химических показателей, влияющих на жизнедеятельность.

Осмос широко применяется в медицинской практике. В хирургии давно и успешно используют гипертонические повязки. Смоченная в гипертоническом растворе марля помогает справляться с гнойными ранами. В соответствии с законом осмоса жидкость из раны направляется наружу. В итоге рана постоянно очищается от продуктов распада.

Осмотическое давление – это сила, которая заставляет растворитель переходить через полупроницаемую мембрану в раствор [1] .

Осмотическое давление раствора выражают в единицах осмолярности. Осмолярным называют раствор, содержащий один осмоль вещества в 1 л растворителя [1] . Осмотическое давлениеу бактериальных клеток в 2 раза меньше, чем у животных. В молодых клетках грамотрицательных бактерий оно достигает 20–25 атмосфер, в старых – 2–3 атмосферы [3] .

В отношении бактерий роль раствора вне бактериальной клетки играет питательная среда. Внутри – протоплазма с растворенными в ней веществами. Полупроницаемая мембрана – цитоплазматическая мембрана [1] .

Роль осмотического давления в жизнедеятельности бактерий

Осмотическое давление играет большую роль в обеспечении жизнеспособности микроорганизмов [2] . Величина осмотического давления зависит от концентрации растворенных в воде соединений. При низкой концентрации и следственно низком осмотическом давлении – раствор является гипотоническим раствром. При высокой концентрации и высоком осмотическом давлении – раствор называют гипертоническим раствором [1] .

При оптимальной концентрации растворенных в питательной среде веществ для микроорганизма создаются наилучшие условии роста и развития. Увеличение концентрации и осмотического давления приводит к задержке роста организма, поскольку в растворах с более высоким осмотическим давлением, чем внутри микробной клетки, микроорганизмы не выживают. Это связано с тем, что в данном случае вода устремляется из клетки наружу (к более концентрированному раствору). В результате клетка обезвоживается и протопласт сжимается. Это явления называют плазмолизом [1] .

Питательная среда с низким осмотическим давление так же губительна для микробов, поскольку в этом случае вода без ограничения поступает в клетку и цитоплазматическая мембрана не выдерживает внутреннего давления и лопается. Данное явление носит название плазмоптиза [1] .

Разделение микробов по отношению к величине осмотического давления

По отношению к величине осмотического давления выделяются несколько групп экстремофилов:

Читайте также: