Осмос і Тургорний Тиск: Водного Одностороннього Проходження Через Клеточну Стіну

Розсідання води через вибійну мембрану

Осмос є особливим випадком дифузії: це чисто рух води через напівпроникний мембран – таку, що дозволяє невеликим водним молекулам вільно проходити, але блокує більші розчинені речовини – від сторони з нижчою концентрацією розчинених речовин до сторони з вищою. В осмісі жодного разу не потрібно, щоб розчинені молекули рухалися; це повністю вода, яка реагує на різницю концентрацій, яку вона може зрівняти, але розчинник не може, оскільки лише вода проходить через пори мембрани.

Чому 'зниження до підвищення' насправді є звичайним дифузійним процесом

Слід припинити думати в термінах концентрації розчинених речовин і замість цього відслідковувати концентрацію води безпосередньо: розчин із більшою кількістю розчиненої речовини, за визначенням, має пропорційно менше води на одиницю об’єму порівняно з більш розбавленим розчином. Водоподібні молекули з обох боків мембрани постійно перебувають у русі через термодинамічні коливання та перетинають її в обох напрямках у будь-який момент часу; чистий потік просто є дифузією води вниз за своїм концентраційним градієнтом, від де вода відносно концентрована (розбавлений розчин) до того місця, де вона відносно розведена (концентрований розчин) — це фізика, що лежить в основі того ж самого процесу, що й поширення барвника рівномірно через воду, але обмежена одним молекулярним розміром, достатнім для проходження крізь мембрану.

Гіпотонічний, гіпертонічний, ізотонічний

Порівняйте концентрацію розчинених речовин зовні клітини з концентрацією всередині неї, і три режими безпосередньо випливають із правила дифузії вище:

гіпотонічний розчин зовні менш концентрований ніж всередині -> чистий потік води внутрьо, клітина збільшується ізотонічний розчин зовні рівний всередині -> відсутній чистий потік води, клітина стабільна gіпертонічний розчин зовні більш концентрований ніж всередині -> чистий потік води назовні, клітина зменшується

Тварина клітина в сильно гіпотонічному розчині може збільшитися до тих пір, поки її мембрана не лопається (лізоцим), оскільки у неї немає твердого шару, щоб протистояти тиску. Клітина рослини в тому ж гіпотонічному розчині замість цього збільшується лише до тих пір, поки її тверда целюлозна оболонка штовхає назад з абсолютною силою протилежної сили — і це саме те, що є тургорним тиском.

hypotonic solution   outside less concentrated than inside -> net water IN, cell swells
isotonic solution    outside equal to inside                -> no net water flow, cell stable
hypertonic solution  outside more concentrated than inside   -> net water OUT, cell shrinks

Тургорний тиск: стінка протистоїть

Коли вода входить до клітини рослини, оточеної стінкою, мембрана клітини стискається навколо стінки, і стінка чинить опір, створюючи внутрішній гідростатичний тиск, який називається тургорним тиском. Це не побічний ефект, який потрібно мінімізувати – це механізм підтримки, який утримує рослинні тканини без волокна в стані; добре зволожене рослина стоїть прямо, оскільки кожна її клітина наповнена тургорним тиском, протистоючи своїй стінці, так само як надувна шина утримує форму завдяки внутрішньому повітряному тиску та стійкій оболонці. Ця залежність зафіксована рівнянням водного потенціалу від ботаніка-гідрологіка:

psi = psi_s + psi_p psi загальний водний потенціал клітини (визначає напрямок чистого потоку води) psi_s потенціал розчинених речовин (осмотичний потенціал; більше розчиненої речовини -> більш негативний) psi_p потенціал тиску (тургорний тиск; позитивний, коли стінка чинить опір) вода рухається від вищого psi до нижчого psi – завжди У стані рівноваги в гіпотетичному розчині тургорний тиск (psi_p, позитивний) зростає до тих пір, поки він точно не компенсує негативний потенціал розчинених речовин, що притягує воду всередину, і чистого потоку більше немає – клітина повністю наповнена тургорним тиском, не тому, що вода переставила зусилля ввійти, а тому, що опір стінки точно збалансував осмотичний тяг.

psi = psi_s + psi_p

psi     total water potential of the cell (drives the direction of net water flow)
psi_s   solute potential (osmotic potential; more solute -> more negative)
psi_p   pressure potential (turgor pressure; positive when the wall pushes back)

water moves from higher psi to lower psi -- always

Плазмоліз: зворотний наратив

Помістіть одну й ту ж рослинну клітину в гіпертонічний розчин, і вода витікає за ідентичним правилом дифузії, але тепер клітинна мембрана відокремлюється від твердої стінки, коли стискається цитоплазма, що тягнеться всередину – плазмоліз. На відміну від зникнення об'єму в тваринах, стінка сама не руйнується (вона міцна і не слідує за мембраною всередину), що й пояснює візуальну діагностику плазмолізу під мікроскопом: ви бачите, як мембрана та цитоплазма відриваються від стінки, яка залишається на місці. Це також фізична основа для соління або цукрування їжі як стародавнього методу консервації – сильно гіпертонічне середовище плазмолізує мікроорганізми та рослинні клітини, витягуючи воду з будь-якої організмів, які намагаються рости на їжі.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Osmosis і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.