Осмос в биологии¶

Осмос — это процесс самопроизвольного переноса молекул растворителя (в биологических системах — преимущественно воды) через полупроницаемую мембрану из области с более низкой концентрацией растворённого вещества в область с более высокой концентрацией. В биологии осмос играет ключевую роль: он обеспечивает транспорт воды через клеточные мембраны, определяет водный баланс клеток и тканей, участвует в работе почек, кишечника и растительных клеток.

¶Механизм осмоса

Клеточная мембрана обладает свойством избирательной проницаемости: молекулы воды проходят через неё свободно (в том числе через аквапорины — специальные белковые каналы), тогда как многие растворённые вещества — ионы, сахара, аминокислоты — транспортируются медленно или требуют для этого энергии. Когда по обе стороны мембраны оказывается раствор с разной осмотической концентрацией, вода начинает двигаться в сторону большего содержания растворённых частиц. Это движение продолжается до тех пор, пока гидростатическое давление (осмотическое давление) не уравновесит разницу концентраций.

Осмотическое давление можно определить по формуле Ван-т-Гоффа: π = iCRT, где C — молярная концентрация раствора, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура, i — фактор Ван-т-Гоффа, учитывающий диссоциацию вещества на ионы. Для нелетучих растворённых веществ осмотическое давление зависит только от числа частиц в единице объёма, а не от их химической природы.

¶Осмос в клетках животных

Эритроциты — удобная модель для изучения осмоса. В изотоническом растворе (около 0,9 % NaCl) клетки сохраняют нормальную форму. В гипотоническом растворе вода поступает внутрь, клетка набухает и может разрушиться — происходит гемолиз. В гипертоническом растворе, наоборот, вода выходит из клетки, и эритроцит сморщивается (экламптоцитоз). Те же явления наблюдаются в клетках тканей: нарушение осмотического баланса лежит в основе отёков, обезвоживания и ряда патологических состояний.

Почки человека обеспечивают концентрирование мочи именно за счёт осмоса: в петле Генле вода диффундирует из канальца в гипертоническую интерстициальную среду мозгового вещества почки, что позволяет экономить воду при выведении продуктов обмена.

¶Осмос в клетках растений

Растительные клетки имеют дополнительное препятствие для набухания — жёсткую клеточную стенку из целлюлозы. В гипотоническом растворе вода заполняет вакуоль, тургорное давление растёт, но клеточная стенка препятствует разрыву. Именно тургор обеспечивает упругость листьев и стеблей. В гипертоническом растворе вакуоль отдаёт воду, плазмолемма отходит от клеточной стенки — наступает плазмолиз. Если клетку вернуть в гипотоническую среду, возможно восстановление тургора (деплазмолиз).

¶Осмос и осморегуляция

Организмы решают проблему осмотического давления по-разному. Осмоконформаторы (многие морские беспозвоночные) не поддерживают осмотическое давление тела на постоянном уровне, а следуют за давлением среды. Осморегуляторы (костные рыбы, млекопитающие, птицы) активно поддерживают осмотическое давление внутренних жидкостей, расходуя энергию на ионообменные процессы в жабрах, нефронах и других органах.

Пресноводные рыбы постоянно теряют воду по осмосу и вынуждены много пить, а избыток ионов выводить через почки и жабры. Морские костные рыбы, наоборот, теряют воду в солёной среде и восполняют её за счёт питья морской воды, активно выделяя избыток солей. Морские акулы и костистые рыбы хрящевых акул решают задачу иначе — накапливают в крови мочевину и триметиламиноксид, что приравнивает их осмотическое давление к давлению морской воды.

¶Опыты по изучению осмоса

В школьной биологии осмос демонстрируют с помощью осмометра — сосуда, разделённого полупроницаемой мембраной. При заполнении одной половины раствором сахарозы вода переходит в неё, и уровень жидкости поднимается. Другая распространённая демонстрация — картофельная «лодочка»: в выемку насыпают сахар и помещают в дистиллированную воду; через несколько часов лодочка заполняется жидкостью, а при использовании концентрированного раствора — наоборот, «сморщивается».

¶Значение осмоса

Осмос обеспечивает поступление воды в клетки, участвует в переносе воды через кишечный эпителий, в работе слёзных и потовых желёз, в поддержании тонуса растений. Нарушение осмотического баланса приводит к отёкам, дегидратации, нарушению нервной и мышечной проводимости, что делает понимание осмоса основой физиологии, медицины и сельского хозяйства (полив, хранение продуктов, консервирование).

¶Историческая справка

Явление осмоса впервые наблюдал французский физик Жан-Антуан Нолле в 1748 году, экспериментируя с животными мембранами и винным спиртом. Термин «осмос» ввёл в употребление в XIX веке французский физик Рене Дюамель. Количественную теорию осмотического давления разработали Вильгельм Пфеффер и Якобус Хендрик Ван-т-Гофф, последний получил за эту работу первую Нобелевскую премию по химии в 1901 году.

¶История

• Нолле Ж.-А. Observations sur les phénomènes qui se passent dans plusieurs expériences, 1748.
• Пфеффер В. Осмотические исследования, 1877.
• Ван-т-Гофф Я. Г. Вклад в историю и теорию осмотического давления, 1887.