OSMOSIS: กระบวนการประเภทความแตกต่างกับการแพร่กระจายและตัวอย่าง - ชีววิทยา - 2025

ออสโมซิเป็นปรากฏการณ์น้ำกระจัดเรื่อย ๆ ผ่านเมมเบรน อาจเป็นเยื่อหุ้มเซลล์เยื่อบุผิวหรือเยื่อเทียม น้ำเคลื่อนจากบริเวณที่มีความดันออสโมติกต่ำ (หรือบริเวณที่น้ำมีปริมาณมาก) ไปยังบริเวณที่มีแรงดันออสโมติกสูงกว่า (หรือบริเวณที่น้ำมีปริมาณน้อยกว่า)

กระบวนการนี้มีความเกี่ยวข้องทางชีววิทยาและจัดทำชุดของกระบวนการทางสรีรวิทยาทั้งในสัตว์และในพืช

ที่มา: OpenStax

นักวิจัยคนแรกที่รายงานปรากฏการณ์ออสโมติกคือAbbé Jean Antoine Nollet ในปี 1748 Nollet ทำงานกับเยื่อหุ้มเซลล์ของสัตว์และสังเกตเห็นว่าเมื่อวางน้ำบริสุทธิ์ไว้ที่ด้านหนึ่งของเมมเบรนและสารละลายที่มีอิเล็กโทรไลต์เจือจางอยู่อีกด้านหนึ่งน้ำจะเคลื่อนเข้าสู่บริเวณที่มีตัวถูกละลาย

ดังนั้นจึงมีการอธิบายการไหลของน้ำที่สนับสนุนการไล่ระดับความเข้มข้นของมันและเรียกว่าออสโมซิส คำนี้มาจากรากภาษากรีก osmos ซึ่งหมายถึงการผลักดัน

ในปีพ. ศ. 2420 Wilhelm Pfeller ได้ทำการศึกษาความดันออสโมติกเป็นครั้งแรก การออกแบบการทดลองของเขาเกี่ยวข้องกับการใช้ "เมมเบรน" ทองแดงเฟอร์โรไซยาไนด์บนพื้นผิวของถ้วยดินที่มีรูพรุนทำให้เกิดเมมเบรนที่อนุญาตให้ผ่านโมเลกุลของน้ำได้

เยื่อเทียมของ Pfeller มีความแข็งแรงเพียงพอที่จะทนต่อแรงดันออสโมติกที่สำคัญและไม่ยุบตัว นักวิจัยคนนี้สามารถสรุปได้ว่าความดันออสโมติกเป็นสัดส่วนกับความเข้มข้นของตัวถูกละลาย

กระบวนการ

การเคลื่อนที่ของน้ำผ่านเมมเบรนจากบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงเรียกว่าออสโมซิส กระบวนการนี้เกิดขึ้นจากบริเวณที่มีความดันออสโมติกต่ำสุดไปจนถึงความดันออสโมติกสูงสุด

ในตอนแรกคำพูดนี้อาจสร้างความสับสน - และขัดแย้งกันด้วยซ้ำ เราคุ้นเคยกับการเคลื่อนไหวแบบ "สูงไปต่ำ" แบบพาสซีฟ ตัวอย่างเช่นความร้อนอาจอยู่ในอุณหภูมิสูงไปต่ำกลูโคสจะกระจายจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นน้อยและอื่น ๆ

ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วน้ำที่ประสบกับปรากฏการณ์ออสโมซิสจะเคลื่อนที่จากความกดดันต่ำไปสู่ความกดดันสูง สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากน้ำมีปริมาณมากขึ้นต่อหน่วยปริมาตรซึ่งตัวถูกละลายมีความอุดมสมบูรณ์น้อยกว่า

นั่นคือในระหว่างการออสโมซิสน้ำจะเคลื่อนที่ไปในที่ที่มีปริมาณมากขึ้นไปยังที่ที่มีความอุดมสมบูรณ์น้อยกว่า ดังนั้นจึงต้องเข้าใจปรากฏการณ์จากมุมมองของน้ำ

สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าออสโมซิสควบคุมการเคลื่อนที่ของน้ำผ่านเมมเบรนและไม่ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของตัวถูกละลายโดยตรง เมื่อตัวถูกละลายแพร่กระจายพวกเขาทำได้โดยการไล่ระดับตามความเข้มข้นทางเคมีของตัวเอง เฉพาะน้ำตามการไล่ระดับความเข้มข้นของความดันออสโมติก

แรงดันออสโมซิส

ความกดดัน?

หนึ่งในแง่มุมที่สับสนที่สุดในการทำความเข้าใจกระบวนการออสโมซิสคือการใช้คำว่ากดดัน เพื่อหลีกเลี่ยงความสับสนสิ่งสำคัญคือต้องชี้แจงว่าการแก้ปัญหาด้วยตัวเองไม่ได้ใช้แรงดันไฮโดรสแตติกเนื่องจากความดันออสโมติก

ตัวอย่างเช่นสารละลายกลูโคส 1 M มีความดันออสโมติก 22 atm อย่างไรก็ตามสารละลายจะไม่ "ระเบิด" ขวดแก้วและสามารถเก็บไว้ในลักษณะเดียวกับน้ำบริสุทธิ์เนื่องจากสารละลายที่แยกได้ไม่ได้เปลี่ยนเป็นความดันไฮโดรสแตติก

คำว่าแรงกดดันถูกนำมาใช้เนื่องจากอุบัติเหตุทางประวัติศาสตร์เท่านั้นเนื่องจากนักวิทยาศาสตร์กลุ่มแรกที่ศึกษาปรากฏการณ์เหล่านี้ ได้แก่ ทางกายภาพและทางเคมี

ดังนั้นหากสารละลายสองตัวที่มีความดันออสโมติกแตกต่างกันถูกแยกออกจากกันด้วยเมมเบรนความดันไฮโดรสแตติกจะถูกสร้างขึ้น

แรงดันออสโมติกและไฮโดรสแตติก

กระบวนการออสโมซิสนำไปสู่การก่อตัวของแรงดันไฮโดรสแตติก ความแตกต่างของความดันนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของระดับของสารละลายที่มีความเข้มข้นมากขึ้นเมื่อน้ำกระจายเข้าไป การเพิ่มขึ้นของระดับน้ำจะดำเนินต่อไปจนกระทั่งอัตราการเคลื่อนที่ของน้ำสุทธิเท่ากับศูนย์

การไหลสุทธิจะเกิดขึ้นได้เมื่อความดันไฮโดรสแตติกในช่อง II เพียงพอที่จะบังคับให้โมเลกุลของน้ำกลับเข้าสู่พฤติกรรม I ในอัตราเดียวกับที่การออสโมซิสทำให้โมเลกุลเคลื่อนที่จากช่อง I ไปยัง II

ความดันของน้ำที่ทำให้อนุภาคถอย (จากช่อง I ถึง II) เรียกว่าความดันออสโมติกของสารละลายในช่อง II

การไหลของน้ำในเซลล์มีการควบคุมอย่างไร?

เนื่องจากปรากฏการณ์ออสโมติกทำให้น้ำสามารถเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ ในอดีตเป็นที่ทราบกันดีว่าสัตว์ต่างๆไม่มีระบบขนส่งทางน้ำที่ใช้งานได้เพื่อควบคุมการไหลของสารนี้

อย่างไรก็ตามระบบขนส่งตัวถูกละลายที่ใช้งานอยู่สามารถเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่ของน้ำไปในทิศทางที่ดีได้ ด้วยวิธีนี้การขนส่งตัวถูกละลายเป็นวิธีหนึ่งที่สัตว์ใช้พลังงานในการเผาผลาญเพื่อควบคุมทิศทางการขนส่งทางน้ำ

ปริมาณ

มีสูตรทางคณิตศาสตร์ที่ช่วยให้สามารถวัดอัตราที่น้ำจะข้ามเยื่อโดยการออสโมซิส สมการในการคำนวณมีดังต่อไปนี้:

อัตราการลำเลียงน้ำด้วยออสโมติก = K (Π ₁ –Π ₂ / X) โดยที่Π ₁และΠ ₂คือแรงดันออสโมติกของสารละลายทั้งสองด้านของเมมเบรนและ X คือระยะห่างที่แยกพวกมัน

ความสัมพันธ์ (Π ₁ –Π ₂ / X) เรียกว่าการไล่ระดับความดันออสโมติกหรือการไล่ระดับสีแบบออสโมติก

คำสุดท้ายในสมการคือ K คือค่าสัมประสิทธิ์ของสัดส่วนที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและการซึมผ่านของเมมเบรน

ความแตกต่างกับการแพร่กระจาย

กระจายเสียงคืออะไร?

การแพร่กระจายเกิดขึ้นโดยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนแบบสุ่มของโมเลกุลที่ละลายหรือแขวนลอยซึ่งทำให้เกิดการกระจายตัวจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังระดับต่ำสุด อัตราการแพร่กระจายสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการฟิค

เป็นกระบวนการที่ผิดปกติเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีซึ่งแสดงโดยการกระจายแบบสุ่มของโมเลกุล

ในกรณีที่สารนั้นเป็นอิเล็กโทรไลต์ต้องคำนึงถึงความแตกต่างทั้งหมดของประจุระหว่างสองช่อง - นอกเหนือจากความเข้มข้น

Osmosis เป็นกรณีเฉพาะของการแพร่กระจาย

การแพร่กระจายและการออสโมซิสไม่ได้เป็นปฏิปักษ์ต่อคำศัพท์แนวคิดที่ไม่เหมือนใครซึ่งกันและกัน

โมเลกุลของน้ำมีความสามารถในการเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ดังที่เราอธิบายไว้พวกมันแพร่กระจายจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลายต่ำไปยังหนึ่งในความเข้มข้นสูงในกระบวนการที่เรียกว่าออสโมซิส

ดูเหมือนเป็นเรื่องแปลกสำหรับเราที่จะพูดถึง“ ความเข้มข้นของน้ำ” แต่สารนี้มีพฤติกรรมเหมือนสารอื่น ๆ นั่นคือมันกระจายไปตามการไล่ระดับความเข้มข้นของมัน

อย่างไรก็ตามผู้เขียนบางคนใช้คำว่า "การแพร่กระจายของน้ำ" เป็นคำพ้องความหมายของการออสโมซิส การนำไปใช้กับระบบชีวภาพอย่างแท้จริงอาจเป็นสิ่งที่ผิดเนื่องจากแสดงให้เห็นว่าอัตราการดูดซึมผ่านเยื่อชีวภาพนั้นสูงกว่าที่คาดไว้โดยกระบวนการแพร่กระจายอย่างง่าย

ในระบบชีวภาพบางระบบน้ำผ่านการแพร่กระจายอย่างง่ายผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ อย่างไรก็ตามเซลล์บางชนิดมีช่องพิเศษสำหรับทางเดินของน้ำ ที่สำคัญที่สุดเรียกว่า aquaporins เพิ่มความเร็วของการไหลของน้ำผ่านเมมเบรน

ตัวอย่าง

ภายในระบบทางชีววิทยาการเคลื่อนที่ของน้ำผ่านเยื่อหุ้มเซลล์มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจกระบวนการทางสรีรวิทยาหลายสิบอย่าง ตัวอย่างบางส่วน ได้แก่ :

การแลกเปลี่ยนออสโมติกในปลาน้ำจืด

ตัวอย่างที่น่าสนใจของบทบาทของการออสโมซิสในสัตว์คือการแลกเปลี่ยนน้ำที่เกิดขึ้นในปลาที่อาศัยอยู่ในน้ำจืด

สัตว์ที่อาศัยอยู่ในแหล่งน้ำจืดจะได้รับน้ำจากแม่น้ำหรือบ่อน้ำที่พวกมันอาศัยเข้าสู่ร่างกายอย่างต่อเนื่องเนื่องจากความเข้มข้นของพลาสมาในเลือดและของเหลวในร่างกายอื่น ๆ มีความเข้มข้นสูงกว่าน้ำมาก .

ปลาสายพันธุ์ Carassius auratus อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมน้ำจืด บุคคลที่มีมวล 100 กรัมสามารถรับน้ำได้ประมาณ 30 กรัมต่อวันเนื่องจากการแทนที่ของน้ำภายในร่างกายของเขา ปลามีระบบ - มีราคาแพงมาก - เพื่อกำจัดน้ำส่วนเกินอย่างต่อเนื่อง

การดูดซึมของเหลวกลับคืนมา

ในระบบทางเดินอาหารของสัตว์ต้องเกิดปรากฏการณ์ออสโมซิสเพื่อให้มันทำงานได้อย่างถูกต้อง ระบบทางเดินอาหารจะหลั่งของเหลวจำนวนมาก (ตามลำดับลิตร) ซึ่งจะต้องดูดซึมกลับโดยการออสโมซิสโดยเซลล์ที่อยู่ในลำไส้

ในกรณีที่ระบบนี้ไม่ทำงานอาจเกิดเหตุการณ์ท้องร่วงอย่างรุนแรง การยืดเวลาของความผิดปกตินี้อาจทำให้ผู้ป่วยขาดน้ำได้

Turgor ในพืช

ปริมาตรของน้ำภายในเซลล์ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสภาพแวดล้อมทั้งภายในและภายนอกและการไหลจะถูกควบคุมโดยปรากฏการณ์ของการแพร่กระจายและการออสโมซิส

ถ้าเซลล์สัตว์ (เช่นเม็ดเลือดแดง) ถูกวางไว้ในสื่อที่กระตุ้นให้น้ำเข้าก็อาจแตกออกได้ ในทางตรงกันข้ามเซลล์พืชมีผนังที่ปกป้องพวกมันจากความเครียดออสโมติก

ในความเป็นจริงพืชที่ไม่ใช่ไม้จะใช้ประโยชน์จากแรงดันนี้ที่เกิดจากการป้อนน้ำแบบพาสซีฟ ความดันนี้ช่วยรักษาอวัยวะต่าง ๆ ของพืชเช่นใบไม้ turgid ทันทีที่น้ำเริ่มไหลออกจากเซลล์เซลล์จะสูญเสียความขุ่นและเหี่ยวเฉา

อ้างอิง

1. Cooper, GM, Hausman, RE, & Hausman, RE (2000) เซลล์: วิธีการทางโมเลกุล ASM กด
2. Eckert, R. , Randall, R. , & Augustine, G. (1988). สรีรวิทยาของสัตว์: กลไกและการปรับตัว WH ฟรีแมนแอนด์โค
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M. , & Anderson, M. (2004). สรีรวิทยาของสัตว์. Sinauer Associates
4. Karp, G. (2552). ชีววิทยาระดับเซลล์และโมเลกุล: แนวคิดและการทดลอง John Wiley & Sons
5. Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J. , & Johnson, G. (2016). E-Book ชีววิทยาของเซลล์ วิทยาศาสตร์สุขภาพเอลส์เวียร์
6. Schmidt-Nielsen, K. (1997). สรีรวิทยาของสัตว์: การปรับตัวและสิ่งแวดล้อม. สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์