אוסמוזה: תהליך, סוגים, הבדלים עם דיפוזיה ודוגמאות - ביולוגיה - 2025

אוסמוזה היא מי עקירת תופעה פסיביים דרך קרום. זו יכולה להיות קרום תאים, אפיתל או קרום מלאכותי. מים עוברים מאזור של לחץ אוסמוטי נמוך (או במקום בו המים שופעים יותר) לאזור עם לחץ אוסמוטי גבוה יותר (או במקום בו מים פחות שופעים).

תהליך זה הוא בעל רלוונטיות ביולוגית ומזמין סדרה של תהליכים פיזיולוגיים, גם אצל בעלי חיים וגם אצל צמחים.

מקור: OpenStax

החוקר הראשון שדיווח על התופעה האוסמוטית היה אבבה ז'אן אנטואן נולט. בשנת 1748 עבדה נולט עם ממברנות תאים של בעלי חיים והבחינה שכאשר הונחו מים טהורים בצד אחד של הממברנה ופתרון עם אלקטרוליטים מדוללים בצד השני, המים עברו לאזור עם מומסים.

כך תואר מעבר המים לטובת שיפוע הריכוז שלהם וזה נקרא אוסמוזה. המונח בא מהשורשים היווניים אוסמוס, שמשמעותו לדחוף.

בשנת 1877 ערך וילהלם פלפל את המחקרים הראשונים בנושא לחץ אוסמוטי. התכנון הניסוי שלו כלל שימוש ב"קרום "פרוקסיאניד נחושת על פני גביע חימר נקבובי, והוליד קרום המאפשר מעבר מולקולות מים.

הממברנות המלאכותיות של פלפל היו מספיק חזקות בכדי לעמוד בלחצים אוסמוטיים משמעותיים ולא לקרוס. חוקר זה הצליח להסיק כי הלחץ האוסמוטי הוא פרופורציונלי לריכוז המומסים.

תהליך

תנועת מים דרך קרום מאזור בריכוז נמוך לאזור בריכוז גבוה נקרא אוסמוזה. תהליך זה מתרחש מאזור עם הלחץ האוסמוטי הנמוך ביותר ללחץ האוסמוטי הגבוה ביותר.

תחילה אמירה זו יכולה להיות מבלבלת - ואף סותרת. אנו רגילים לתנועה פסיבית "גבוהה לנמוכה". לדוגמא, החום יכול להיות מטמפרטורות גבוהות לנמוכות, הגלוקוז מתפזר מאזורים בעלי ריכוז גבוה לאזורים פחות מרוכזים וכן הלאה.

כפי שציינו, המים החווים את תופעת האוסמוזה עוברים מלחצים נמוכים ללחצים גבוהים. זה מתרחש מכיוון שהמים בשפע יותר לנפח יחידה שבהם המומס פחות שופע.

כלומר, במהלך אוסמוזה המים נעים למקום בו הם (המים) שופעים יותר למקום בו הם פחות שופעים. לכן יש להבין את התופעה מנקודת מבטם של מים.

חשוב לזכור כי אוסמוזה מסדירה את תנועת המים דרך הממברנות ואינה משפיעה באופן ישיר על תנועת המומסים. כאשר המומסים מתפזרים, הם עושים זאת על ידי עקוב אחר שיפועים בריכוז הכימי שלהם. רק מים עוקבים אחר מדרגת הריכוז של הלחץ האוסמוטי.

לחץ אוסמוטי

לחצים?

אחד ההיבטים המבלבלים ביותר כשמדובר בהבנת תהליך האוסמוזה הוא השימוש במילה לחצים. כדי למנוע בלבול, חשוב להבהיר כי פיתרון כשלעצמו אינו מפעיל לחץ הידרוסטטי בגלל הלחץ האוסמוטי שלו.

לדוגמא, לפיתרון גלוקוז 1 M יש לחץ אוסמוטי של 22 אטם. עם זאת, הפיתרון אינו "מתפוצץ" בקבוקי זכוכית וניתן לאחסן באותו אופן כמו מים טהורים מכיוון שפתרון מבודד אינו מתורגם ללחץ הידרוסטטי.

המונח לחצים משמש רק בגלל תאונה היסטורית, שכן המדענים הראשונים שחקרו את התופעות היו פיזיות וכימיות.

כך, אם מופרדים שני פתרונות השונים בלחצי האוסמוטי שלהם על ידי קרום, ייווצר לחץ הידרוסטטי.

לחצים אוסמוטיים והידרוסטטיים

תהליך האוסמוזה מוביל להיווצרות לחץ הידרוסטטי. הפרש הלחץ מביא לעליית רמת הפתרון המרוכז יותר, שכן המים מתפזרים לתוכו. עליית מפלס המים נמשכת עד שקצב תנועת המים נטו שווה לאפס.

זרימה נטו מושגת כאשר הלחץ ההידרוסטטי בתא II מספיק בכדי לאלץ את מולקולות המים חזרה להתנהגות I, באותו קצב בו אוסמוזה גורמת למולקולות לעבור מתא I ל- II.

לחץ המים הגורם לסגת החלקיקים (מתאים I עד II) נקרא הלחץ האוסמוטי של התמיסה בתא II.

כיצד נשלטת זרימת המים בתאים?

הודות לתופעה האוסמוטית, מים יכולים לעבור באופן פסיבי דרך קרומי התא. באופן היסטורי, ידוע כי לבעלי חיים אין מערכת הובלת מים פעילה לשליטה על זרימת החומר הזה.

עם זאת, מערכות הובלה מומסת פעיל יכולות לשנות את כיוון תנועת המים לכיוון חיובי. באופן זה, הובלת מומסים פעילה היא דרך אחת שבה בעלי חיים משתמשים באנרגיה המטבולית שלהם כדי לשלוט על כיוון הובלת המים.

קְבִיעַת כָּמוּת

ישנן נוסחאות מתמטיות המאפשרות מדידה של הקצב בו המים יחצו את הממברנות על ידי אוסמוזה. המשוואה לחישוב היא כדלקמן:

קצב הובלה אוסמוטי של מים = K (Π ₁ –Π ₂ / X). כאשר Π ₁ ו- Π ₂ הם הלחצים האוסמוטיים של התמיסות משני צידי הממברנה ו- X הוא המרחק המפריד ביניהם.

הקשר (Π ₁ –Π ₂ / X) מכונה שיפוע לחץ אוסמוטי או שיפוע אוסמוטי.

המונח האחרון במשוואה הוא K הוא מקדם המידתיות התלוי בטמפרטורה ובחדירות הממברנה.

הבדלים עם דיפוזיה

מה משדר?

דיפוזיה מתרחשת על ידי תנועה תרמית אקראית של מולקולות מומסות או תלויות, הגורמת להתפזרותן מאזורי הריכוזים הגבוהים לנמוכים ביותר. ניתן לחשב את קצב הדיפוזיה באמצעות משוואת Fick.

זהו תהליך אקסרגוני בגלל הגידול באנטרופיה המיוצגת על ידי התפלגות אקראית של המולקולות.

במקרה שהחומר הוא אלקטרוליטי, יש לקחת בחשבון את ההבדל הכולל בין המטענים בין שני התאים - בנוסף לריכוזים.

אוסמוזה היא מקרה מסוים של דיפוזיה

דיפוזיה ואוסמוזה אינם מונחים מנוגדים, מושגים פחות פחות הדדיים.

למולקולות מים יכולת לנוע במהירות דרך קרומי התא. כפי שהסברנו, הם מתפזרים מאזור של ריכוז מומסים נמוך לאחד בריכוז גבוה בתהליך שנקרא אוסמוזה.

נראה לנו מוזר לדבר על "ריכוז מים", אבל חומר זה מתנהג כמו כל חומר אחר. כלומר, זה מתבדל לטובת שיפוע הריכוז שלו.

עם זאת, כמה מחברים משתמשים במונח "דיפוזיה של מים" כמילה נרדפת לאוסמוזה. החלתו באופן מילולי על מערכות ביולוגיות יכולה להיות שגויה, מכיוון שהוכח ששיעור האוסמוזה דרך ממברנות ביולוגיות גבוה ממה שהיה ניתן לצפות בתהליך דיפוזיה פשוט.

בכמה מערכות ביולוגיות, מים עוברים על ידי דיפוזיה פשוטה דרך קרום התא. עם זאת, בחלק מהתאים יש תעלות מיוחדות למעבר מים. החשובים ביותר נקראים אקפורפינים, מה שמגדיל את מהירות זרימת המים דרך הממברנה.

דוגמאות

בתוך מערכות ביולוגיות, תנועת מים דרך קרומי התא חשובה מכדי להבנת עשרות תהליכים פיזיולוגיים. חלק מהדוגמאות הן:

חילופי אוסמוטי בדגי מים מתוקים

דוגמה מעניינת לתפקיד אוסמוזה בבעלי חיים היא חילופי המים המתרחשים בדגים החיים במים מתוקים.

בעלי חיים המאכלסים גופות של מים מתוקים נמצאים בצריכה קבועה של מים מהנהר או הבריכה בהם הם חיים בגופם, שכן ריכוז פלסמת הדם ונוזלי גוף אחרים הם בעלי ריכוז גבוה בהרבה מזה של מים. .

זן הדגים של קרסיוס אאוראטוס חי בסביבות מים מתוקים. אדם שיש לו מסה של 100 גרם יכול להרוויח כ- 30 גרם מים ליום בזכות תנועת המים בגופו. לדגים מערכות - יקרות אנרגטית - להיפטר ללא הפסקה מעודף מים.

ספיגה חוזרת של נוזלים

במערכת העיכול של בעלי חיים, חייבת להופיע תופעה של אוסמוזה על מנת שהיא תתפקד כראוי. דרכי העיכול מפרישות כמות משמעותית של נוזלים (בסדר גודל של ליטר) שיש לספוג מחדש על ידי אוסמוזה על ידי התאים הקווים את המעיים.

במקרה שמערכת זו לא מבצעת את עבודתה, עלולים להופיע אירועי שלשול חמורים. התארכות תקלה זו עלולה להוביל להתייבשות המטופל.

טורגור בצמחים

נפח המים בתאים תלוי בריכוז הסביבה הפנימית והחיצונית, והזרימה מתוזמנת על ידי תופעות דיפוזיה ואוסמוזה.

אם תא בעלי חיים (כמו אריתרוציט) ממוקם במדיום שמעודד כניסת מים, הוא עלול להתפוצץ. לעומת זאת, לתאי צמחים יש קיר שמגן עליהם מפני לחץ אוסמוטי.

למעשה, צמחים לא מיוערים מנצלים את הלחץ הזה הנוצר מכניסתם הפסיבית של מים. לחץ זה עוזר לשמור על איברי צמחים שונים, כמו עלים, turgid. ברגע שהמים מתחילים לזרום מהתאים, התא מאבד את הטרגיטיות שלו ונובלים.

הפניות

1. קופר, GM, Hausman, RE, & Hausman, RE (2000). התא: גישה מולקולרית. עיתונות ASM.
2. Eckert, R., Randall, R., & Augustine, G. (1988). פיזיולוגיה של בעלי חיים: מנגנונים והתאמות. WH Freeman & Co.
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., and Anderson, M. (2004). פיזיולוגיה של בעלי חיים. מקורבי סינאור.
4. Karp, G. (2009). ביולוגיה תאית ומולקולרית: מושגים וניסויים. ג'ון וויילי ובניו.
5. פולארד, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J., & Johnson, G. (2016). ספר ביולוגיה תאית. מדעי הבריאות Elsevier.
6. שמידט-נילסן, ק '(1997). פיזיולוגיה של בעלי חיים: הסתגלות וסביבה. הוצאת אוניברסיטת קיימברידג '.