osmoosi ja dialyysi—diffuusio kalvojen yli
jotkut kiinnostavimmista diffuusion esimerkeistä tapahtuvat diffuusion nopeuksiin vaikuttavien esteiden kautta. Kun esimerkiksi liottaa turvonnutta nilkkaa Epsom-suolassa, vesi leviää ihon läpi. Monet aineet liikkuvat säännöllisesti solukalvojen läpi; esimerkiksi happi liikkuu sisään, hiilidioksidi ulos, ravinteet sisään ja kuona-aineet ulos. Koska kalvot ovat ohuita rakenteita (tyypillisesti 6.5 × 10-9-10 × 10-9 m poikki) diffuusionopeus niiden kautta voi olla korkea. Diffuusio kalvojen läpi on tärkeä kuljetustapa. Kalvot ovat yleensä selektiivisesti läpäiseviä eli puoliläpäiseviä. (KS. Kuva 3.) Eräällä puolipermeikkisen kalvon tyypillä on pienet huokoset, joiden läpi vain pienet molekyylit pääsevät. Toisentyyppisissä kalvoissa molekyylit voivat itse asiassa liueta kalvoon tai reagoida kalvossa olevien molekyylien kanssa liikkuessaan poikki. Kalvofunktio on itse asiassa paljolti nykyisen tutkimuksen kohteena, johon liittyy fysiologian lisäksi kemia ja fysiikka.
kuva 3. (a) puolipermeikäs kalvo, jossa on pieniä huokosia, joiden läpi vain pienet molekyylit pääsevät. b) tietyt molekyylit liukenevat tähän kalvoon ja diffuusioituvat sen poikki.
osmoosi on veden kulkeutumista puolipitoisen kalvon läpi suuripitoiselta alueelta pienipitoiselle alueelle. Osmoosin taustalla on veden pitoisuuden epätasapaino. Esimerkiksi vettä kertyy elimistöön enemmän kuin Epsom-suolaa. Kun turvonnutta nilkkaa liottaa Epsom-suolassa, vesi siirtyy kehosta suolan pienempään pitoisuusalueeseen. Vastaavasti dialyysi on minkä tahansa muun molekyylin kuljettamista puolipermeikäisen kalvon läpi sen konsentraatioeron vuoksi. Munuaiset käyttävät sekä osmoosia että dialyysia veren puhdistamiseen. Osmoosi voi luoda huomattavan paineen.
mieti, mitä tapahtuu, jos osmoosi jatkuu jonkin aikaa, kuten kuvassa 4 esitetään. Vesi liikkuu osmoosilla vasemmalta oikealle alueelle,jossa se on vähemmän keskittynyttä, jolloin oikealla oleva liuos nousee. Tämä liike jatkuu, kunnes oikealla olevan nesteen ylimääräisen korkeuden luoma paine pgh on riittävän suuri pysäyttämään uuden osmoosin. Tätä painetta kutsutaan vastapaineeksi. Osmoosin pysäyttävää vastapainetta pgh kutsutaan myös suhteelliseksi osmoottiseksi paineeksi, jos kumpikaan liuos ei ole puhdasta vettä, ja sitä kutsutaan osmoottiseksi paineeksi, jos toinen liuos on puhdasta vettä. Osmoottinen paine voi olla suuri, riippuen pitoisuuseron koosta. Jos esimerkiksi puhtaan veden ja meriveden erottaa toisistaan puolipitävä kalvo, joka ei läpäise suolaa, osmoottinen paine on 25,9 atm. Tämä arvo tarkoittaa, että vesi leviää kalvon läpi, kunnes suolaveden pinta nousee 268 m puhtaan veden pinnan yläpuolelle! Yksi esimerkki osmoosin aiheuttamasta paineesta on kasveissa esiintyvä turgor (monet lakastuvat liian kuivina). Turgor kuvaa kasvin tilaa, jossa solussa oleva neste painaa soluseinää vasten. Tämä paine antaa kasville tukea. Dialyysi voi myös aiheuttaa huomattavia paineita.
Kuva 4. a) kaksi sokeri-vesiliuosta, joiden pitoisuudet ovat erilaiset ja jotka erottaa toisistaan puoliperimätön kalvo, joka läpäisee vettä mutta ei sokeria. Osmoosi on oikealla, koska vesi on vähemmän keskittynyt siellä. (B) nesteen taso nousee, kunnes vastapaine pgh on yhtä suuri kuin suhteellinen osmoottinen paine; sitten veden nettosiirto on nolla.
Käänteisosmoosi ja käänteisdialyysi (kutsutaan myös suodatukseksi) ovat prosesseja, jotka tapahtuvat, kun vastapaine riittää kääntämään aineiden normaalin suunnan kalvojen läpi. Vastapaine voidaan luoda luonnollisesti kuten kuvan 4 oikealla puolella. (Mäntä voi myös luoda tämän paineen.) Käänteisosmoosia voidaan käyttää veden suolanpoistoon yksinkertaisesti pakottamalla se kalvon läpi, joka ei läpäise suolaa. Vastaavasti käänteisdialyysillä voidaan suodattaa pois kaikki aineet, joita tietty kalvo ei läpäise.
vielä yksi esimerkki aineiden liikkumisesta kalvojen läpi ansaitsee maininnan. Joskus huomaamme, että aineet kulkevat päinvastaiseen suuntaan kuin odotamme. Esimerkiksi sypressipuiden juuret uuttavat suolavedestä puhdasta vettä, vaikka osmoosi siirtäisi sitä vastakkaiseen suuntaan. Tämä ei ole käänteisosmoosi, koska ei ole vastapainetta aiheuttaa sitä. Sitä, mitä tapahtuu, kutsutaan aktiiviseksi kuljetukseksi, prosessiksi, jossa elävä kalvo kuluttaa energiaa siirtääkseen aineita sen yli. Monet elävät kalvot liikuttavat vettä ja muita aineita aktiivisella kuljetuksella. Esimerkiksi munuaiset eivät käytä vain osmoosia ja dialyysia—ne käyttävät myös merkittävää aktiivista kuljetusta aineiden siirtämiseksi vereen ja pois. On arvioitu, että ainakin 25 prosenttia kehon energiasta kuluu aineiden aktiiviseen kuljettamiseen solutasolla. Aktiivisen liikenteen tutkimus kuljettaa meidät mikrobiologian, biofysiikan ja biokemian maailmoihin, ja se on kiehtova luonnon lakien soveltaminen eläviin rakenteisiin.