osmose og dialyse—Diffusion på tværs af membraner
nogle af de mest interessante eksempler på diffusion forekommer gennem barrierer, der påvirker diffusionshastighederne. For eksempel, når du suger en hævet ankel i Epsom-salt, diffunderer vand gennem din hud. Mange stoffer bevæger sig regelmæssigt gennem cellemembraner; ilt bevæger sig ind, kulsyre bevæger sig ud, næringsstoffer går ind, og affald går ud, for eksempel. Fordi membraner er tynde strukturer (typisk 6.5 10-9 til 10 10-9 m på tværs) diffusionshastigheder gennem dem kan være høje. Diffusion gennem membraner er en vigtig transportmetode. Membraner er generelt selektivt permeable eller semipermeable. (Se Figur 3.) En type semipermeabel membran har små porer, der kun tillader små molekyler at passere igennem. I andre typer membraner kan molekylerne faktisk opløses i membranen eller reagere med molekyler i membranen, mens de bevæger sig over. Membranfunktion er faktisk genstand for meget aktuel forskning, der ikke kun involverer fysiologi, men også Kemi og fysik.
figur 3. (a) en semipermeabel membran med små porer, der kun tillader små molekyler at passere igennem. (B) visse molekyler opløses i denne membran og diffunderer over den.
osmose er transport af vand gennem en semipermeabel membran fra et område med høj koncentration til et område med lav koncentration. Osmose er drevet af ubalancen i vandkoncentration. For eksempel er vand mere koncentreret i din krop end i Epsom-salt. Når du suger en hævet ankel i Epsom-salt, bevæger vandet sig ud af din krop ind i regionen med lavere koncentration i saltet. Tilsvarende er dialyse transport af ethvert andet molekyle gennem en semipermeabel membran på grund af dens koncentrationsforskel. Både osmose og dialyse bruges af nyrerne til at rense blodet. Osmose kan skabe et betydeligt pres.
overvej hvad der sker, hvis osmose fortsætter i nogen tid, som illustreret i figur 4. Vand bevæger sig ved osmose fra venstre ind i regionen til højre, hvor det er mindre koncentreret, hvilket får opløsningen til højre til at stige. Denne bevægelse vil fortsætte, indtil trykket pgh skabt af den ekstra højde af væske til højre er stort nok til at stoppe yderligere osmose. Dette tryk kaldes et modtryk. Modtrykket pgh, der stopper osmose, kaldes også det relative osmotiske tryk, hvis ingen af opløsningerne er rent vand, og det kaldes det osmotiske tryk, hvis en opløsning er rent vand. Osmotisk tryk kan være stort afhængigt af størrelsen af koncentrationsforskellen. For eksempel, hvis rent vand og havvand adskilles af en semipermeabel membran, der ikke passerer salt, vil osmotisk tryk være 25,9 atm. Denne værdi betyder, at vand diffunderer gennem membranen, indtil saltvandsoverfladen stiger 268 m over renvandsoverfladen! Et eksempel på tryk skabt af osmose er turgor i planter (mange visner, når de er for tørre). Turgor beskriver tilstanden af en plante, hvor væsken i en celle udøver et tryk mod cellevæggen. Dette tryk giver planten støtte. Dialyse kan ligeledes forårsage betydelige pres.
figur 4. (a) to sukker-vand-opløsninger med forskellige koncentrationer, adskilt af en semipermeabel membran, der passerer vand, men ikke sukker. Osmose vil være til højre, da vand er mindre koncentreret der. (B) væskeniveauet stiger, indtil modtrykket pgh er lig med det relative osmotiske tryk; derefter er nettooverførslen af vand nul.
omvendt osmose og omvendt dialyse (også kaldet filtrering) er processer, der opstår, når modtrykket er tilstrækkeligt til at vende den normale retning af stoffer gennem membraner. Modtryk kan skabes naturligt som på højre side af figur 4. (Et stempel kan også skabe dette tryk.) Omvendt osmose kan bruges til afsaltning af vand ved blot at tvinge det gennem en membran, der ikke passerer salt. Tilsvarende kan omvendt dialyse bruges til at filtrere ethvert stof, som en given membran ikke vil passere.
et yderligere eksempel på bevægelse af stoffer gennem membraner fortjener omtale. Vi finder nogle gange, at stoffer passerer i retning modsat det, vi forventer. Cypress trærødder ekstraherer for eksempel rent vand fra saltvand, selvom osmose ville bevæge det i den modsatte retning. Dette er ikke omvendt osmose, fordi der ikke er noget modtryk for at forårsage det. Hvad der sker kaldes aktiv transport, en proces, hvor en levende membran bruger energi til at flytte stoffer over den. Mange levende membraner flytter vand og andre stoffer ved aktiv transport. Nyrerne bruger for eksempel ikke kun osmose og dialyse—de anvender også betydelig aktiv transport til at flytte stoffer ind og ud af blodet. Faktisk anslås det, at mindst 25% af kroppens energi bruges til aktiv transport af stoffer på cellulært niveau. Undersøgelsen af aktiv transport fører os ind i mikrobiologi, biofysik og biokemi, og det er en fascinerende anvendelse af naturlovene på levende strukturer.