osmoza i dializa-Dyfuzja przez membrany
niektóre z najciekawszych przykładów dyfuzji występują poprzez bariery, które wpływają na szybkość dyfuzji. Na przykład, gdy moczysz opuchniętą kostkę w soli Epsom, woda dyfunduje przez skórę. Wiele substancji regularnie przemieszcza się przez błony komórkowe; tlen się przemieszcza, dwutlenek węgla się przemieszcza, składniki odżywcze się, a odpady się, na przykład. Ponieważ membrany są cienkimi strukturami (zazwyczaj 6.5 × 10-9 do 10 × 10-9 m średnicy) szybkość dyfuzji przez nie może być wysoka. Dyfuzja przez membrany jest ważną metodą transportu. Membrany są zazwyczaj selektywnie przepuszczalne lub półprzepuszczalne. (Patrz Rysunek 3.) Jeden rodzaj półprzepuszczalnej membrany ma małe pory, które umożliwiają przejście tylko małym cząsteczkom. W innych typach błon cząsteczki mogą faktycznie rozpuszczać się w błonie lub reagować z cząsteczkami w błonie podczas poruszania się. Funkcja membrany jest w rzeczywistości przedmiotem wielu aktualnych badań, obejmujących nie tylko fizjologię, ale także chemię i fizykę.
Rysunek 3. (a) półprzepuszczalna membrana z małymi porami, które umożliwiają przejście tylko małym cząsteczkom. (b) niektóre cząsteczki rozpuszczają się w tej błonie i dyfundują przez nią.
osmoza to transport wody przez półprzepuszczalną membranę z regionu o wysokim stężeniu do regionu o niskim stężeniu. Osmoza jest napędzana przez brak równowagi w stężeniu wody. Na przykład woda jest bardziej skoncentrowana w organizmie niż w soli Epsom. Kiedy moczysz opuchniętą kostkę w soli Epsom, woda przemieszcza się z twojego ciała do obszaru o niższym stężeniu w soli. Podobnie dializa jest transportem jakiejkolwiek innej cząsteczki przez półprzepuszczalną membranę ze względu na różnicę stężeń. Zarówno osmoza, jak i dializa są wykorzystywane przez nerki do oczyszczania krwi. Osmoza może wytworzyć znaczne ciśnienie.
zastanów się, co się stanie, jeśli osmoza trwa przez jakiś czas, jak pokazano na rysunku 4. Woda przemieszcza się osmozą z lewej strony do obszaru po prawej stronie, gdzie jest mniej skoncentrowana, powodując wzrost roztworu po prawej stronie. Ruch ten będzie kontynuowany, aż ciśnienie pgh utworzone przez dodatkową wysokość płynu po prawej stronie będzie wystarczająco duże, aby zatrzymać dalszą osmozę. Ciśnienie to nazywa się ciśnieniem zwrotnym. Przeciwciśnienie pgh, które zatrzymuje osmozę, jest również nazywane względnym ciśnieniem osmotycznym, jeśli żaden z roztworów nie jest czystą wodą, i nazywa się ciśnieniem osmotycznym, jeśli jeden roztwór jest czystą wodą. Ciśnienie osmotyczne może być duże, w zależności od wielkości różnicy stężeń. Na przykład, jeśli czysta woda i woda morska są oddzielone półprzepuszczalną membraną, która nie przepuszcza soli, ciśnienie osmotyczne wyniesie 25,9 atm. Wartość ta oznacza, że woda będzie dyfundować przez membranę, aż powierzchnia słonej wody wzrośnie 268 m ponad powierzchnię czystej wody! Jednym z przykładów ciśnienia wytwarzanego przez osmozę jest turgor w roślinach (wiele więdnie, gdy jest zbyt sucha). Turgor opisuje stan rośliny, w którym płyn w komórce wywiera nacisk na ścianę komórkową. To ciśnienie daje wsparcie instalacji. Dializa może również powodować znaczne naciski.
Rysunek 4. a) dwa roztwory cukru i wody o różnych stężeniach, oddzielone półprzepuszczalną membraną, która przepuszcza wodę, ale nie cukier. Osmoza będzie po prawej stronie, ponieważ woda jest tam mniej skoncentrowana. (b) poziom płynu wzrasta, aż przeciwciśnienie pgh jest równe względnemu ciśnieniu osmotycznemu; wtedy transfer netto wody wynosi zero.
Odwrócona osmoza i odwrócona dializa (zwana również filtracją) to procesy, które zachodzą, gdy ciśnienie wsteczne jest wystarczające do odwrócenia normalnego kierunku substancji przez membrany. Przeciwciśnienie może być wytworzone w sposób naturalny, jak po prawej stronie rysunku 4. (Tłok może również wytworzyć to ciśnienie.) Odwrócona osmoza może być używana do odsalania wody poprzez po prostu wymuszanie jej przez membranę, która nie przepuści soli. Podobnie, dializa wsteczna może być stosowana do odfiltrowania substancji, których dana błona nie przejdzie.
na wzmiankę zasługuje kolejny przykład przemieszczania się substancji przez błony. Czasami okazuje się, że substancje przechodzą w kierunku przeciwnym do tego, co oczekujemy. Korzenie cyprysa, na przykład, wydobywają czystą wodę ze słonej wody, chociaż osmoza poruszałaby ją w przeciwnym kierunku. Nie jest to odwrócona osmoza, ponieważ nie ma ciśnienia wstecznego, aby ją spowodować. To, co się dzieje, nazywa się transportem aktywnym, procesem, w którym żywa błona zużywa energię do przemieszczania substancji przez nią. Wiele żywych błon przenosi wodę i inne substancje poprzez aktywny transport. Nerki, na przykład, wykorzystują nie tylko osmozę i dializę—wykorzystują również znaczący transport aktywny do przenoszenia substancji do krwi i z krwi. W rzeczywistości szacuje się, że co najmniej 25% energii organizmu jest wydatkowane na aktywny transport substancji na poziomie komórkowym. Badanie transportu aktywnego przenosi nas w świat mikrobiologii, Biofizyki i biochemii i jest fascynującym zastosowaniem praw natury do żywych struktur.