📌Осмос - Что же мы о нём знаем? Давайте вспомним…
Тот самый таинственный «закон осмоса», согласно которому жидкость в растворе из области меньшей концентрации растворённого в-ва переходит в сторону большей… Но в целом, всё равно не особо понятно, что такое этот ваш осмос и с чем его едят. Давайте разбираться!
О чём поговорим?
📂 Узнаем, что вообще такое осмос – из физической химии
📂Посмотрим на самый простой вариант действия осмоса в физике
📂Вспомним, где осмос есть в биологии. Поговорим о тяжкой судьбе эритроцита в гипотоническом растворе…
📂Немного переключимся на ботанику!
📂Вспомним (или узнаем), что такое устьица… И при чём тут осмос?
1.Обратимся за помощью к физической химии (уххх, страшные слова какие) , а точнее к теории растворов.
📌Напомню, что раствор - это растворитель (например вода) – его много, и какие-то вещества, которые в нём растворены - их в растворе намного меньше. То, сколько же вещества в растворе, определяет его концентрация. Она даёт понять, сколько процентов РАСТВОРЁННОГО ВЕЩЕСТВА во всём нашем растворе.
📌Оттуда мы знаем, что есть у растворов несколько очень интересных свойств – коллигативные свойства. То есть, свойства, которые зависят от КОНЦЕНТРАЦИИ раствора, но не зависят от того, КАКОЕ вещество растворено. Этим веществом может быть соль, глюкоза, аминокислоты, да что угодно! НЕВАЖНО! Растворы всех этих веществ будут обладать коллигативными свойствами.
Таких свойств три:
Раствор кипит при более ВЫСОКОЙ температуре, чем кипит пустой растворитель. (Например: когда мы готовим что-то в кастрюльке на кухне, подсоленная вода будет кипеть при температуре чуть-чуть более высокой, чем кипела бы вода несолёная)
❄Раствор замерзает при более НИЗКОЙ температуре, чем замерзает пустой растворитель.
Наглядный пример – лёд зимой на улице. Все мы знаем, что это вода, которая замёрзла при температуре около 0 градусов по Цельсию. На льду можно легко поскользнуться. Поэтому лёд посыпают солью. Лёд – это замёрзший растворитель – вода, а мы добавляем соль -растворённое вещество. Температура замерзания раствора этой соли – ниже, чем простой воды – поэтому при минусовой температуре под ногами хлюпает вода :)
🧫 Ну и ОСМОС конечно же. Явление перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в сторону БОЛЬШЕЙ концентрации растворённого вещества.
Начнём с примера, приведённого в учебнике физхимии, а позже будем подходить ближе к нашему, биологическому :)
📦Вот у нас есть вот такая вот камера, состоящая из двух секций.
📌В одной из них – просто вода, без растворённого вещества. В другой – вода, с растворённым в ней веществом (красные точки!) Секции отделены друг от друга ПОЛУПРОНИЦАЕМОЙ мембраной. Это значит, что проходить из одной секции в другую через эту мембрану может далеко не всё! Вода вот свободно проходит через нашу мембрану, а вот вещество – нет) Дырки для него слишком маленькие, а для молекул воды – нормас!
💧И что мы видим? Вода из секции с чистой водой переходит в секцию с растворённым веществом! Смотри, сейчас всё утечёт туда, направо, что делать?? А надо дополнительное давление приложить.
📌Есть такая физическая величина, давление! Здесь, в опыте с камерой мы говорим о давлении в целом, и снаружи и изнутри камеры. Пусть какое-то давление (назовём его p, пусть оно будет 7 атмосфер) давит на обе секции ящика с одинаковой силой. Или давление, приложенное к обеим секциям ящика одинаково. В таких условиях вода так и будет утекать направо➡. Но если с правой стороны мы приложим давление больше, чем слева, и будем его увеличивать? (p+«пи», например 7+2=9 атм)
💧Тогда, в какой-то момент вода ПЕРЕСТАНЕТ переходить направо. Вообще. Совсем. Ура!
✅Дополнительное давление (пи, здесь 2 атм), которое мы приложили называется осмотическим давлением!
Теперь вспомним биологию. Вот плазматическая мембрана нашей клетки. Она – тоже ПОЛУПРОНИЦАЕМАЯ. Далеко не всё через неё может свободно, вот так запросто пройти.
❗Поэтому, если у нас есть какие-то растворённые вещества в среде, окружающей клетки (например в крови), и их там больше/меньше чем в клетке – будет снова происходить осмос – так же как в камере у наших друзей физхимиков. Только одна секция – очень большая – наш организм, а другая – маленькая клеточка)
✅Напомню, неважно, какое вещество! Это может быть растворённый NaCl, растворённая глюкоза и так далее – не важно, что. Главное – сколько!
🩸Пусть у нас в плазме крови плавают эритроциты.
📉Из темы «Кровь» мы знаем, что если растворённых в-вв снаружи больше, чем в клетках – то вода выходит из эритроцитов, а они сморщатся.
📈Если в клетках больше, то вода пойдёт в клетку – эритроцит начнёт набухать от воды и в конце концов лопнет!
🩸А как же осмотическое давление? Неужели нельзя приложить такое давление, чтобы эритроцит выжил? На практике нет 😔В теории – да, но такого увеличения давления эритроцит просто не выдержит. Давить на него вода будет изнутри, эритроцит будет набухать и всё равно лопнет (((((
Но некоторые клетки научились разбухать, достигать осмотического давления и не лопаться! Как?
📌Нужна прочная клеточная стенка. Эритроцит – животная клетка, стенки у него нет.
🌾А вот клетки растений ИМЕЮТ клеточную стенку из целлюлозы. Настоящий неразрываемый доспех.
📌На рисунке мы видим типичную растительную клетку, в которой растворено какое-то вещество
📈Под клеточной стенкой объём цитоплазмы увеличивается из-за поступающей воды, но клетка не лопается. И давление, оказываемое на клетку, в какой-то момент становится таким, что вода в неё больше не притекает.
🌾Здесь появляется новая терминология. Состояние растительной клетки, в котором она раздута и вода в неё больше не притекает называется тургор. А общее давление, которое приложено изнутри к стенке клетки (начальное давление p начала набухания + осмотическое (пи), то есть 7 + 2 = 9 атм, если вернуться к нашему примеру) – называется тургорное давление)
Вот так и к ботанике перешли)
Растения научились использовать явление осмоса в своих целях :)
🌾Вспомним строение листа. Его покровная ткань – эпидерма имеет особые образования – устьица. Они нужны для осуществления газообмена и транспирации – выведения избыточной воды.
🌾Устьице состоит из пары особых клеток - замыкающих, между ними располагается устьичная щель. Щель может расширяться и сужаться, регулируя транспирацию и газообмен. 📉Когда воды в устьичных клетках мало, замыкающие клетки плотно прилегают друг к другу и устьичная щель остаётся закрытой.
📈Но если концентрация растворённых веществ в цитоплазме замыкающих клеток увеличится, то вода начнёт поступать в клетки! Когда воды в замыкающих клетках много, она давит на клеточные стеки и заставляет клетки растягиваться, между замыкающими клетками появляется щель.
❓Как нам создать высокую концентрацию растворённых веществ в замыкающих клетках устьиц?
✅Мы помним, что осмос — коллигативное свойство раствора, нам совсем не важно, ЧТО за вещества растворены!
🌾Вот у нас синтезировалась в хлоропластах замыкающих клеток глюкоза. Затем собралась в полимер – крахмал, который клетка запасла.
📈И тут клетке вдруг понадобилось ПОВЫСИТЬ концентрацию растворённых веществ в клеточном соке. Поступает сигнал, крахмал разваливается на мономеры глюкозы – растворённого вещества в клетке стало много, пошёл процесс осмоса – вода поступает в замыкающие клетки. (рисунок 1)
(📌Кроме глюкозы сильно увеличивает концентрацию растворённых веществ ионы К+, активно закачивающиеся в клетку специальными насосами.)
📉Если устьице надо закрыть – глюкоза полимеризуется в крахмал – концентрация растворённых веществ понижается, вода выходит наружу, клетки становятся тоньше и закрывают устьичную щель) (рисунок 2)
🌾Ещё, говоря о роли осмоса в жизни растений, можно вспомнить вертикальный транспорт в стебле и корне. Минеральных веществ и воды к вышележащим частям растения)
🌾Вода в листьях испаряется, растворённые вещества никуда не деваются. По закону осмоса, в сторону большого количества растворённых веществ поступает вода с самого низу, которая также приносит в вышележащие части растения минеральные вещества)
Спасибо за внимание!