Osmose et Dialyse — Diffusion à travers les membranes
Certains des exemples les plus intéressants de diffusion se produisent à travers des barrières qui affectent les taux de diffusion. Par exemple, lorsque vous trempez une cheville enflée dans du sel d’Epsom, l’eau diffuse à travers votre peau. De nombreuses substances se déplacent régulièrement à travers les membranes cellulaires; l’oxygène entre, le dioxyde de carbone sort, les nutriments entrent et les déchets sortent, par exemple. Parce que les membranes sont des structures minces (typiquement 6.5 × 10-9 à 10 × 10-9 m de diamètre) les taux de diffusion à travers eux peuvent être élevés. La diffusion à travers les membranes est un mode de transport important. Les membranes sont généralement sélectivement perméables, ou semi-perméables. (Voir Figure 3.) Un type de membrane semi-perméable a de petits pores qui ne laissent passer que de petites molécules. Dans d’autres types de membranes, les molécules peuvent en fait se dissoudre dans la membrane ou réagir avec les molécules de la membrane tout en se déplaçant à travers. La fonction membranaire, en fait, fait l’objet de nombreuses recherches actuelles, impliquant non seulement la physiologie mais aussi la chimie et la physique.
Figure 3. (a) Une membrane semi-perméable avec de petits pores qui ne laissent passer que de petites molécules. (b) Certaines molécules se dissolvent dans cette membrane et diffusent à travers elle.
L’osmose est le transport de l’eau à travers une membrane semi-perméable d’une région de forte concentration vers une région de faible concentration. L’osmose est entraînée par le déséquilibre de la concentration en eau. Par exemple, l’eau est plus concentrée dans votre corps que dans le sel d’Epsom. Lorsque vous trempez une cheville enflée dans du sel d’Epsom, l’eau sort de votre corps dans la région à plus faible concentration du sel. De même, la dialyse est le transport de toute autre molécule à travers une membrane semi-perméable en raison de sa différence de concentration. L’osmose et la dialyse sont utilisées par les reins pour nettoyer le sang. L’osmose peut créer une pression importante.
Considérez ce qui se passe si l’osmose persiste pendant un certain temps, comme illustré à la figure 4. L’eau se déplace par osmose de la gauche vers la région de droite, où elle est moins concentrée, provoquant la montée de la solution de droite. Ce mouvement se poursuivra jusqu’à ce que la pression pgh créée par la hauteur supplémentaire de fluide à droite soit suffisamment grande pour arrêter l’osmose. Cette pression s’appelle une contre-pression. La contre-pression pgh qui arrête l’osmose est également appelée pression osmotique relative si aucune solution n’est de l’eau pure, et elle est appelée pression osmotique si une solution est de l’eau pure. La pression osmotique peut être importante, en fonction de la taille de la différence de concentration. Par exemple, si l’eau pure et l’eau de mer sont séparées par une membrane semi-perméable qui ne laisse passer aucun sel, la pression osmotique sera de 25,9 atm. Cette valeur signifie que l’eau diffusera à travers la membrane jusqu’à ce que la surface de l’eau salée s’élève à 268 m au-dessus de la surface de l’eau pure! Un exemple de pression créée par osmose est la turgescence dans les plantes (beaucoup flétrissent lorsqu’elles sont trop sèches). La turgescence décrit l’état d’une plante dans laquelle le fluide d’une cellule exerce une pression contre la paroi cellulaire. Cette pression donne un soutien à la plante. La dialyse peut également entraîner des pressions importantes.
Figure 4. a) Deux solutions eau-sucre de concentrations différentes, séparées par une membrane semi-perméable qui laisse passer l’eau mais pas le sucre. L’osmose sera à droite, car l’eau y est moins concentrée. (b) Le niveau du fluide augmente jusqu’à ce que la contre-pression pgh soit égale à la pression osmotique relative ; alors, le transfert net d’eau est nul.
L’osmose inverse et la dialyse inverse (également appelée filtration) sont des processus qui se produisent lorsque la contre-pression est suffisante pour inverser la direction normale des substances à travers les membranes. La contre-pression peut être créée naturellement comme sur le côté droit de la figure 4. (Un piston peut également créer cette pression.) L’osmose inverse peut être utilisée pour dessaler l’eau en la forçant simplement à travers une membrane qui ne laissera pas passer le sel. De même, la dialyse inverse peut être utilisée pour filtrer toute substance qu’une membrane donnée ne laissera pas passer.
Un autre exemple du mouvement des substances à travers les membranes mérite d’être mentionné. Nous constatons parfois que les substances passent dans la direction opposée à ce à quoi nous nous attendons. Les racines de cyprès, par exemple, extraient l’eau pure de l’eau salée, bien que l’osmose la déplace dans la direction opposée. Ce n’est pas l’osmose inverse, car il n’y a pas de contre-pression pour la provoquer. Ce qui se passe s’appelle le transport actif, un processus dans lequel une membrane vivante dépense de l’énergie pour déplacer des substances à travers elle. De nombreuses membranes vivantes déplacent l’eau et d’autres substances par transport actif. Les reins, par exemple, n’utilisent pas seulement l’osmose et la dialyse — ils utilisent également un transport actif important pour déplacer les substances dans et hors du sang. En fait, on estime qu’au moins 25% de l’énergie du corps est dépensée pour le transport actif de substances au niveau cellulaire. L’étude du transport actif nous transporte dans les domaines de la microbiologie, de la biophysique et de la biochimie et c’est une application fascinante des lois de la nature aux structures vivantes.