Co to jest osmoza? Definicja i zastosowanie
- Szczegóły
Życie, jakie znamy - w każdej kropli wody, na skrawku liścia, w każdym ludzkim ciele - jest pod wieloma względami ukształtowane przez niezwykłe i nieuchwytne zjawisko. Zanim zgłębimy tajniki osmozy i jej zastosowania, poznajmy najpierw genezę terminu. "Osmoza", od greckiego słowa oznaczającego "pchnięć" czy też "impuls", została po raz pierwszy użyta przez francuskiego fizyka J.A. Nolleta w 1747 roku.
Pionierski eksperyment, wykorzystujący zwierzęcy pęcherz do oddzielenia dwóch komór - jednej z winem, a drugiej z wodą - ukazał podstawy tego fenomenu. Osmoza jest bowiem przemieszczaniem rozpuszczalnika (np. wody) przez błonę półprzepuszczalną z roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu wyższym.
Można by osmozę zdefiniować jako podróż wody przez niewidzialne mosty, tworzone przez różnice w stężeniu substancji rozpuszczonych - jak scena między dwoma światami, które dążą do harmonii.
Definicja osmozy
Osmoza według Merriam-Webster to „przemieszczanie się rozpuszczalnika (takiego jak woda) przez półprzepuszczalną membranę do roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej, która ma tendencję do wyrównywania stężeń substancji rozpuszczonej po obu stronach membrany”.
Zjawisko osmozy jest wszechobecne i spełnia kluczowe funkcje w przyrodzie oraz w naszej codzienności. Osmoza jest nie tylko kluczowa dla życia na poziomie komórkowym. Nasze zdrowie, na wielu płaszczyznach, jest zależne od tego ukrytego, ale wszechmocnego procesu.
Przeczytaj także: Jak rozpoznać twardą wodę?
Gdy zarówno na komórkowym, jak i na większym poziomie pojawia się dysproporcja stężeń - ciałko nasze wzywa do działania.
Mechanizm działania osmozy
Osmoza (z gr. ōsmós - popchnięcie) jest zjawiskiem fizycznym polegającym na samorzutnym przenikaniu, czyli dyfuzji wolnych cząsteczek wody przez błonę selektywnie przepuszczalną (np. błonę komórkową) zgodnie z gradientem jej potencjału chemicznego.
Przepływ wody przez błonę odbywa się więc od roztworu rozcieńczonego o wyższym potencjale chemicznym wody (wyższym stężeniu wody i niższym stężeniu substancji rozpuszczonej) (tzw. roztworu hipotonicznego/hipoosmotycznego) do roztworu bardziej stężonego o niższym potencjale chemicznym wody (niższym stężeniu wody i wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej) (tzw. roztworu hipertonicznego/hiperosmotycznego).
Osmoza ustaje po niemal całkowitym wyrównaniu się stężeń roztworów po obu stronach błony selektywnie przepuszczalnej. Dyfuzja cząsteczek wody przez błonę jest rodzajem transportu biernego nie wymagającego dodatkowych nakładów energetycznych ze strony komórki, odbywającego się przy udziale białek transportowych zwanych akwaporynami.
Siłę napędową osmozy stanowi różnica potencjałów chemicznych między roztworami, która w roztworze hipertonicznym wywołuje ciśnienie hydrostatyczne równoważące niższy potencjał chemiczny wody i przeciwdziałające dalszemu przenikaniu cząsteczek wody przez błonę (tzw. ciśnienie osmotyczne, π).
Przeczytaj także: Poradnik: Lokalizacja i wymiana filtra powietrza Dacia 1.4
Ciśnienie osmotyczne (π) dla roztworu doskonałego (idealnego) i czystego rozpuszczalnika (silnie rozcieńczonego roztworu wodnego) opisuje poniższe równanie:
π=cRT
gdzie:
- c - stężenie molowe substancji rozpuszczonej [mol/dm³]
- R - stała gazowa [J/mol·K] (R=8,314 J/mol·K)
- T - temperatura [K]
Roztwory stężone zawierające dużą ilość substancji rozpuszczonych i niewielką ilość wody (roztwory hipertoniczne) zgodnie z powyższą zależnością wywierają więc znacznie większe ciśnienie osmotyczne niż roztwory rozcieńczone składające się ze niewielkich ilości substancji rozpuszczonych i dużej ilości wody (roztwory hipotoniczne).
Osmoza może zostać przerwana pod wpływem wzrostu ciśnienia w roztworze hipertonicznym. Istnieje również możliwość zmiany kierunku przemieszczania się cząsteczek wody przy przyłożeniu ciśnienia o znacznie większej wartości i skierowanego przeciwnie niż panujące w układzie ciśnienie osmotyczne.
Przeczytaj także: Woda destylowana: charakterystyka
Proces ten, zwany osmozą odwróconą, wykorzystywany jest do odsalania wody morskiej.
Wpływ osmozy na równowagę wodną komórek roślinnych i zwierzęcych
Osmoza odpowiada za utrzymywanie równowagi wodnej i prawidłowego stężenia substancji rozpuszczonych (np. jonów nieorganicznych, cukrów) w komórkach roślinnych i zwierzęcych niezależnie od zmieniających się warunków środowiska zewnętrznego. Warunki te zależą od toniczności roztworu otaczającego komórkę (zdolności roztworu do stymulacji pobierania lub oddawania wody przez komórkę), która warunkowana jest zarówno przez stężenie substancji rozpuszczonej, jak i przepuszczalność błony komórkowej komórki roślinnej lub zwierzęcej.
Środowisko zewnętrzne, w zależności od swej toniczności, wywiera określony wpływ na równowagę wodną komórki:
- Środowisko izotoniczne (izoosmotyczne) - stężenie substancji rozpuszczonej i wody jest równe stężeniu tych składników we wnętrzu komórki (cechują się takim samym potencjałem chemicznym wody i ciśnieniem osmotycznym); woda przemieszcza się swobodnie przez błonę w obydwu kierunkach - objętość komórki nie ulega zmianie;
- Środowisko hipotoniczne (hipoosmotyczne) - stężenie substancji rozpuszczonej jest niższe natomiast stężenie wody jest wyższe niż stężenie tych składników we wnętrzu komórki (otoczenie zewnętrzne cechuje się wyższym potencjałem chemicznym wody i niższym ciśnieniem osmotycznym); woda przenika przez błonę do wnętrza komórki, zwiększając jej objętość - komórka pęcznieje i ostatecznie ulega rozpadowi (lizie);
- Środowisko hipertoniczne (hiperosmotyczne) - stężenie substancji rozpuszczonej jest wyższe natomiast stężenie wody jest niższe niż stężenie tych składników we wnętrzu komórki (otoczenie zewnętrzne cechuje się niższym potencjałem chemicznym wody i wyższym ciśnieniem osmotycznym); woda przenika przez błonę na zewnątrz komórki, powodując kurczenie się komórki lub jej zawartości (protoplastu) i rozpad komórki.
Rośliny i zwierzęta wykształciły szereg adaptacji przeciwdziałających nadmiernej utracie bądź gromadzeniu wody w ich organizmach, czego przykłady stanowią ściana komórkowa u roślin, kurczliwe wodniczki tętniące u słodkowodnych protistów lub mechanizmy regulacji ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych (osmoregulacji) występujące u zwierząt.
Zjawiska osmotyczne u organizmów roślinnych
Większość gatunków roślin występuje w środowiskach hipotonicznych - siedliskach wód słodkich i słonawych oraz siedliskach lądowych zasilanych wodą pochodzącą z opadów atmosferycznych (np. wodą deszczową). Rośliny utrzymują swą równowagę wodną dzięki obecności sztywnej ściany komórkowej, która chroni je przed wnikaniem nadmiernych ilości wody.
Cząsteczki wody wnikające na drodze osmozy do komórki powodują pęcznienie jej protoplastu (żywej części komórki otoczonej błoną komórkową) do momentu, w którym zaczyna on wywierać nacisk na ścianę komórkową. Ściana komórkowa wywiera wówczas na protoplast ciśnienie wsteczne (tzw. ciśnienie turgorowe) równoważące ciśnienie osmotyczne panujące we wnętrzu komórki, co uniemożliwia dalsze pobieranie wody.
Osmoza odpowiada za pobieranie (absorpcję) wody z roztworu glebowego i jej transport do nadziemnych części roślin. Ciśnienie turgorowe warunkuje sztywność tkanek łodygi oraz rozwiniętą postać liści umożliwiające utrzymywanie określonego kształtu i pozycji rośliny; pełni również istotną rolę w regulacji wymiany gazowej w aparatach szparkowych (otwieranie i zamykanie szparek).
Rośliny żyjące w środowiskach hipertonicznych, np. siedliskach słonowodnych (morzach, oceanach) lub słonych siedliskach lądowych (np. solniskach przybrzeżnych i śródlądowych, obszarach pustynnych i półpustynnych), są stale narażone na utratę wody przenikającej na drodze osmozy na zewnątrz komórki. Zaburzenie równowagi wodnej skutkuje plazmolizą (kurczeniem się protoplastu i jego odstawaniem od ściany komórkowej), co prowadzi do zasychania i śmierci rośliny.
Rośliny morskie przystosowały się do życia w wodach o dużym zasoleniu dzięki koncentracji dużych ilości substancji rozpuszczonych w cytozolu (np. jonów soli) co sprawia, że ich komórki są izotoniczne (izoosmotyczne) w stosunku do otoczenia. Rośliny słonolubne (słonorośla) rozwiązały problem ciągłej utraty wody dzięki utrzymywaniu wysokiego ciśnienia osmotycznego soku komórkowego wypełniającego wakuole (wysokiego stężenia substancji rozpuszczonych), gromadzeniu wody w tkankach lub usuwaniu nadmiaru jonów soli na zewnątrz organizmu dzięki wyspecjalizowanym gruczołom solnym na liściach.
Zjawiska osmotyczne u organizmów zwierzęcych
Osmoza stanowi podstawę gospodarki wodno-elektrolitowej organizmów zwierzęcych za pośrednictwem różnorodnych mechanizmów osmoregulacyjnych (tzw. osmoregulacji), które polegają na utrzymywaniu względnej równowagi wodnej i regulacji ciśnienia osmotycznego płynów ustrojowych, czyli stężenia substancji rozpuszczonych (np. jonów nieorganicznych).
Komórki zwierzęce, w odróżnieniu od komórek roślinnych, nie posiadają ściany komórkowej, w związku z czym zwierzęta narażone są zarówno na wnikanie nadmiernych ilości wody do organizmu (środowiska hipotoniczne) jak i jej nadmierną utratę (środowiska hipertoniczne).
Zwierzęta słodkowodne zasiedlające środowiska hipotoniczne charakteryzują się wyższym stężeniem osmotycznym płynów ustrojowych organizmu (czyli wyższym stężeniem substancji rozpuszczonych) w porównaniu do otaczającej je wody. Zwierzęta te narażone są w związku z tym na nieustanny napływ cząsteczek wody w procesie osmozy (przez skrzela, skórę, podczas pobierania pokarmu) i utratę jonów soli na drodze dyfuzji.
Ryby słodkowodne utrzymują równowagę wodną i prawidłowe ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych organizmu dzięki całkowitemu ograniczeniu picia wody i wydalaniu dużych ilości rozcieńczonego moczu oraz pobieraniu (absorpcji) utraconych jonów soli z otoczenia (wraz z pożywieniem lub za pomocą wyspecjalizowanych komórek zlokalizowanych na listkach skrzelowych, tzw. jonocytów).
Zwierzęta morskie i oceaniczne zasiedlające środowiska hipertoniczne cechują się niższym ciśnieniem osmotycznym płynów ustrojowych organizmu (czyli niższym stężeniem substancji rozpuszczonych) w porównaniu do swego otoczenia, w związku z czym narażone są na ciągłą utratę wody i wnikanie nadmiernych ilości jonów soli. Zwierzęta te utrzymują równowagę wodną i odpowiednie ciśnienie osmotyczne płynów ustrojowych na dwa różne sposoby.
- Osmokonformery (większość bezkręgowców) są izoosmotyczne względem wody słonej dzięki koncentracji dużych ilości substancji rozpuszczonych w komórkach ciała.
- Osmoregulatory (niektóre bezkręgowce, większość kręgowców) reguluje gospodarkę wodno-elektrolitową dzięki piciu wody i wydalaniu niewielkich ilości moczu oraz eliminowaniu jonów soli przez skrzela i nerki bądź gruczoły solne (np. gruczoły nosowe albatrosów i legwanów morskich).
Zastosowanie osmozy
Osmoza to ważny proces zarówno w przyrodzie, jak i w społeczeństwie. Przyjrzyjmy się bliżej niektórym zastosowaniom i przypadkom osmozy wokół nas.
Konserwowanie żywności
Osmoza to odwieczna technika służąca do konserwowania mięsa. Zazwyczaj proces ten określany jest jako „ solanka ” - mięso jest krojone na mniejsze kawałki, a następnie zamykane w bardzo stężonym roztworze słonej wody.
W ciągu kilku dni lub tygodni woda w mięsie zmieni się z niskiego stężenia substancji rozpuszczonej (w mięsie) do wysokiego stężenia substancji rozpuszczonej (w roztworze słonej wody). Utrata wody sprawia, że mięso staje się niegościnnym miejscem dla rozwoju bakterii, co pomaga w konserwacji mięsa.
Naturalny proces roślinny
Osmoza jest tym, co pozwala roślinom przetrwać. W szczególności proces osmozy pobiera wodę z korzeni rośliny do liści. Osiąga się to za pomocą gradientu soli. Najniższa część rośliny, czyli korzenie, mają najmniej soli. Najwyższa część rośliny, liście, ma najwyższe stężenie soli. To powoduje, że woda jest stale wciągana w górę w kierunku liści.
Rośliny wykorzystują również osmozę do innych celów. Wyspecjalizowane komórki, zwane „ komórkami ochronnymi ”, rosną i kurczą się w odpowiedzi na ilość wody w roślinie. Kiedy roślina jest nasączona wodą, jej komórki pęcznieją i tworzą w liściu maleńkie otwory. Pozwala to na ucieczkę wody. Kiedy roślina ma mało wody, komórki kurczą się, powodując zamknięcie tego samego otworu, oszczędzając w ten sposób wodę.
Wchłanianie wody
Pijemy wodę, ale także nasze komórki wchłaniają ją przez osmozę w taki sam sposób, jak robią to korzenie roślin. Wraz ze wzrostem stężenia produktów przemiany materii w komórce wzrasta ciśnienie osmotyczne między wnętrzem i zewnętrzem ściany komórkowej, która jest błoną półprzepuszczalną, a komórka wchłania wodę z krwi, która jest bardziej rozcieńczonym roztworem niż w przypadku cytoplazma komórki.
Nawet podstawowe składniki odżywcze i minerały są przenoszone przez osmozę do komórek.
Dializa nerek
Nerki są ważnym organem naszego organizmu, który pomaga w usuwaniu odpadów i materiałów toksycznych. Osmoza ma na celu odzyskanie wody z odpadów. Dializa nerek jest przykładem osmozy. W tym procesie dializator usuwa produkty przemiany materii z krwi pacjenta przez membranę dializacyjną (działa jak membrana półprzepuszczalna) i przekazuje je do zbiornika roztworu dializacyjnego. Czerwone krwinki, które są większe, nie mogą przejść przez błonę i są zatrzymywane we krwi.
Osmoza - ciekawostki
- Czy kiedykolwiek próbowałeś moczyć suszone owoce w wodzie, co wtedy się stało? Cóż, gdy namoczymy suszone owoce w wodzie, pęcznieją i to wszystko dzieje się z powodu osmozy.
- Kiedy siedzimy w wannie lub zanurzamy na dłuższą chwilę palce w wodzie, skóra pomarszczy się. Jest to także spowodowane osmozą. Skóra naszych palców wchłania wodę i powiększa się co prowadzi do jej pomarszczenia.
- Zwykle odczuwamy pragnienie po zjedzeniu słonego jedzenia. Sól jest substancją rozpuszczoną i po spożyciu dużej ilości nasze komórki zostają skoncentrowane solą, która wyzwala proces pragnienia. Tak więc nasze komórki chłoną wodę i czujemy się spragnieni, a więc zaczynamy pić wodę.
- W przypadku bólu gardła komórki i tkanki otaczające gardło są spuchnięte z powodu nadmiaru wody. Słona woda, której używamy do płukania gardła, ma mniejsze stężenie wody niż komórki gardła. Tak więc cząsteczki wody przemieszczają się ze spuchniętych komórek gardła do słonej wody: zmniejszenie bólu i obrzęku.
- Miękkie soczewki kontaktowe składają się z materiałów półprzepuszczalnych. Jeśli nosisz soczewki kontaktowe po przechowywaniu ich w sterylnym roztworze soli fizjologicznej, stężenie soli w soczewkach odpowiada zawartości soli w naturalnym płynie nawilżającym oczy, soczewki więc pozostają wilgotne, miękkie i wygodne. Jeśli przechowujesz soczewki w wodzie destylowanej, stężenie soli w płynie oka jest wyższe i woda wypływa z soczewek; powoli je wysuszając.
Osmoza w krzyżówkach
W krzyżówkach osmoza występuje pod postacią:
- zjawisko przenikania płynów
- biologiczne przenikanie
- przenikanie przez błonę
- przenikanie rozpuszczalnika
- przenikanie na granicy roztworów
W ujęciu technologicznym, osmoza daje nam narzędzia do rozwiązywania wyzwań nowoczesnego świata. Przykładem może być dializa nerek, gdzie osmoza służy do oczyszczania krwi z toksyn.
Niewidzialna siła osmozy stanowi podstawę funkcjonowania wielu ekosystemów. Balans wodno-mineralny w organizmie jest kluczowy dla zdrowia.
Zjawisko osmozy, od dawnych technik solenia mięsa po nowoczesne metody leczenia medycznego jak dializa, jest nieodzownym elementem naszego życia. Oswojenie się z osmozą to krok ku głębszemu poznaniu tajemnic naszego świata i własnego zdrowia.
Osmoza to szansa na dociekanie, eksperymentowanie i stosowanie wiedzy w praktyce. To zaproszenie do świata nauki, którego sekrety czekają na odkrycie.
Pamiętaj: Informacje w tym artykule służą poszerzeniu wiedzy i nie powinny zastępować kontaktu ze specjalistą.
tags: #co #to #jest #osmoza #definicja
