الانتشار والتناضح

أغشية الخلايا وانتشارها

من أجل العمل ، يطلب من الخلايا نقل المواد داخل وخارج السيتوبلازم عبر أغشية الخلايا. هذه الأغشية شبه منفذة ، مما يعني أنه يسمح لجزيئات معينة بالمرور ، ولكن ليس للآخرين. يتم التوسط في حركة الجزيئات هذه بواسطة طبقة ثنائية الفوسفوليبيد والبروتينات المدمجة ، والتي يعمل بعضها كقنوات نقل للجزيئات التي لن تكون قادرة على المرور عبر الغشاء ، مثل الأيونات والكربوهيدرات.

حجم الخلية ونسبة مساحة السطح إلى الحجم

أحد أسباب صغر حجم الخلايا هو الحاجة إلى نقل الجزيئات داخل الخلية وعطاها وخارجها. هناك قيود هندسية على الخلايا بسبب العلاقة بين مساحة السطح والحجم التي تحد من القدرة على جلب ما يكفي من العناصر الغذائية لدعم حجم خلية أكبر. تنخفض النسبة بين مساحة السطح والحجم (SA: V) مع زيادة حجم الخلية بسبب عوامل التحجيم المختلفة لمساحة السطح والحجم. هذا يعني أنه مع نمو الخلية بشكل أكبر ، تقل مساحة الغشاء القادرة على توفير العناصر الغذائية لحجم أكبر من الخلية.

يتم إحضار بعض الأيونات إلى الخلية عن طريق الانتشار ، وهو صافي حركة الجسيمات من منطقة ذات تركيز عال إلى منطقة ذات تركيز أقل. يعرف هذا باسم تحريك "أسفل" تدرج التركيز. الانتشار هو صافي الاتجاه. في حين أن الحركة الصافية للجسيمات تكون أسفل تدرج التركيز ، إلا أنها تتحرك باستمرار في كلا الاتجاهين بسبب الحركة العشوائية للجسيمات. هذا يعني أن الجسيمات في المحاليل عند التوازن لا تزال تتحرك ، ولكن بسعر صرف ثابت بحيث يظل المحلول مختلطا بشكل متساو. في بيئة مائية مثل الخلية ، تتضمن هذه العملية أيونات مذابة ، تعرف باسم المواد المذابة ، تتحرك عبر الماء ، المذيب. يمكن أن يحدث في بيئة مفتوحة ، مثل انتشار الصبغة عبر دورق ، أو عبر غشاء الخلية ، مثل الأيونات التي تتحرك عبر قناة البروتين.

التناضح وحركة الماء

يتحرك الماء عبر أغشية الخلايا عن طريق الانتشار ، في عملية تعرف باسم التناضح. يشير التناضح على وجه التحديد إلى حركة الماء عبر غشاء شبه منفذ ، حيث يتحرك المذيب (الماء ، على سبيل المثال) من منطقة ذات تركيز منخفض للمذاب (مادة مذابة) إلى منطقة ذات تركيز عالي من الذائب. في هذه الحالة ، لا يسمح الغشاء شبه المنفذ بالمرور من المذاب. يمكن اعتبار هذا على أنه ماء يتحرك لأسفل تدرج تركيزه الخاص ويتضمن نفس العملية العشوائية مثل الانتشار.

يمكن وصف المحاليل التي يتم فصلها بواسطة أغشية شبه منفذة بأنها مفرطة التوتر أو hypotonic أو متساوية التوتر اعتمادا على تركيزات المذاب النسبية في كل منها. يحتوي المحلول المفرط التوتر (hyper- بمعنى "أعلاه" باللغة اليونانية) على تركيز أكبر من المواد المذابة مقارنة بالمحلول المجاور ، في حين أن المحلول المنخفض التوتر ( hypo- الذي يعني "أدناه" باللغة اليونانية) يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة. في هذه الحالة ، سينتقل الماء من محلول منخفض التوتر إلى محلول مفرط التوتر حتى تتساوى تركيزات المذاب. المحاليل متساوية التوتر ( iso- التي تعني "متساوية" باللغة اليونانية) لها تركيزات متساوية من المذاب ، وبالتالي لا تحتوي على تدرج تركيز ¹ .

التناضح والخلية النباتية

تختلف قدرة الماء على الانتقال إلى الخلايا بين الخلايا النباتية والحيوانية بسبب وجود جدار خلوي في النباتات. جدران الخلايا صلبة وقابلة للاختراق فقط للجزيئات الصغيرة جدا. عندما يتحرك الماء إلى الخلية ، يتم دفع الغشاء لأعلى على جدار الخلية ، مما يؤدي إلى ضغط هيدروستاتيكي أو تورم. يحد هذا الضغط من معدل وكمية الماء التي يمكن أن تدخل الخلية. يشار إلى احتمالية انتقال الماء إلى الخلية باسم إمكانات الماء ، والتي تعرف كميا على أنها جهد الضغط بالإضافة إلى إمكانات الذوبان. يعتمد جهد الضغط على الضغط داخل الخلية ويعتمد جهد المذاب على تركيز المذاب في الخلية.

يمكن ملاحظة إمكانات الماء أثناء العمل في خلية نباتية حية ، مثل Elodea ، وهو نبات مائي. تحت المجهر ، يمكن مراقبة ظاهرة تسمى التدفق السيتوبلازمي ، أو cyclosis ، حيث تتحرك السيتوبلازم والعضيات مثل البلاستيدات الخضراء في جميع أنحاء الخلية. تتغير هذه العملية بشكل واضح عندما يتم غمر الخلايا في محاليل مختلفة. ومن المثير للاهتمام أن هذه الحركة تسمح للبلاستيدات الخضراء بالعمل بشكل أكثر كفاءة في عملية التمثيل الضوئي. يتحركون داخل وخارج الظلال ، ويجمعون الفوتونات عندما يدخلون مرة أخرى إلى المناطق المضاءة من الخلايا ³ .

تعتبر عملية التناضح ضرورية للآلية التي تحصل فيها النباتات على الماء من جذورها إلى أوراقها ، حتى على ارتفاع عشرات الأقدام فوق مستوى سطح الأرض. باختصار ، تنقل النباتات السكريات والمواد المذابة الأخرى إلى جذورها من أجل توليد تدرج بين داخل الجذر وخارجه ؛ ثم ينتقل الماء من التربة إلى الجذر عن طريق التناضح. من تلك النقطة ، تؤدي عملية تسمى النتح إلى سحب المياه لأعلى أنابيب داخل النبات تسمى نسيج الخشب وتبخر الأوراق. من الناحية المثالية ، بمجرد إنشاء عمود الماء هذا ، يظل سليما طوال عمر النبات. ⁴

تم استخدام هذه الظاهرة التي تحدث بشكل طبيعي لتطوير تقنيات قيمة. أحد الأمثلة على ذلك في تنقية المياه. في الآونة الأخيرة ، بدأت ناسا في دراسة استخدام عملية التناضح الأمامي لتنظيف وإعادة استخدام مياه الصرف الصحي على متن محطة الفضاء الدولية ، وكذلك للتطبيقات المتجهة إلى الأرض. ² تستخدم هذه العملية أغشية شبه منفذة لإزالة الشوائب من الماء ، مما يجعلها آمنة للشرب. تم نشر هذه التكنولوجيا مؤخرا للمساعدة في جهود الإغاثة بعد فيضان شديد في غرب كينيا ⁵.

المراجع

1. سولت ، أليسون. LibreTexts ، الكيمياء. 8.4 التناضح والانتشار. [عبر الإنترنت] 19 أكتوبر 2017. https://chem.libretexts.org/LibreTexts/University_of_Kentucky/UK٪3A_CHE_103_-_Chemistry_for_Allied_Health_(Soult)/Chapters/Chapter_8٪3A_Properties_of_Solutions/8.4٪3A_Osmosis_and_Diffusion.
2. ليفين ، هوارد. حقيبة التناضح الأمامي لناسا. مركز كينيدي للفضاء التابع لناسا ، كيب كانافيرال ، فلوريدا ، الولايات المتحدة. [عبر الإنترنت] 11 يوليو 2018. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. دودونوفا سو ، بوليشيف AA (2011). "تأثير التدفق السيتوبلازمي على نشاط التمثيل الضوئي للبلاستيدات الخضراء في السلاسل الداخلية ل Chara Corallina ". المجلة الروسية لفسيولوجيا النبات . 59: 35–41. دوي: 10.1134 / S1021443711050050.
4. التناضح وتغذية النبات. هامر ، مايكل. 2000 ، الرودودندرون ، المجلد 40.
5. ابتكارات تكنولوجيا الترطيب. تنقية المياه بالتناضح الأمامي الإنساني. [عبر الإنترنت] [مقتبس: 21 أغسطس 2018.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.