דיפוזיה ואוסמוזה

קרום התא ודיפוזיה

כדי לתפקד, תאים נדרשים להעביר חומרים פנימה והחוצה מהציטופלסמה שלהם דרך קרומי התא שלהם. ממברנות אלה חדירות למחצה, כלומר מולקולות מסוימות מורשות לעבור, אך לא אחרות. תנועה זו של מולקולות מתווכת על ידי דו-שכבת הפוספוליפידים והחלבונים המשובצים בה, שחלקם משמשים כתעלות הובלה למולקולות שאחרת לא היו מסוגלות לעבור דרך הממברנה, כגון יונים ופחמימות.

גודל התא והיחס בין שטח הפנים לנפח

אחת הסיבות לכך שהתאים קטנים כל כך היא הצורך להעביר מולקולות לתוך התא, לאורכו והחוצה ממנו. קיים אילוץ גיאומטרי על התאים בשל הקשר בין שטח הפנים והנפח המגביל את היכולת להביא מספיק חומרים מזינים כדי לתמוך בגודל תא גדול יותר. היחס בין שטח הפנים לנפח (SA:V) פוחת ככל שהתא גדל בשל גורמי קנה המידה השונים של שטח הפנים והנפח. משמעות הדבר היא שככל שהתא גדל, יש פחות שטח קרום המסוגל לספק חומרי מזון לנפח תא גדול יותר.

חלק מהיונים מובאים לתא על ידי דיפוזיה, שהיא התנועה נטו של חלקיקים מאזור של ריכוז גבוה לאזור של ריכוז נמוך יותר. פעולה זו ידועה כהזזת "מטה" בשיפוע ריכוז. הדיפוזיה היא כיוונית נטו; בעוד התנועה נטו של חלקיקים היא במורד שיפוע הריכוז, הם נעים כל הזמן בשני הכיוונים בשל התנועה האקראית של חלקיקים. משמעות הדבר היא כי חלקיקים בתמיסות בשיווי משקל עדיין נעים, אך בשער חליפין קבוע ולכן התמיסה נשארת מעורבת באופן שווה. בסביבה מימית כמו התא, תהליך זה מערב יונים מומסים, המכונים מומסים, הנעים דרך מים, הממס. זה יכול להתרחש בסביבה פתוחה, כגון צבע המתפשט דרך כד, או על פני קרום התא, כגון יונים הנעים דרך תעלת חלבון.

אוסמוזה ותנועת המים

מים נעים על פני קרום התא על ידי דיפוזיה, בתהליך המכונה אוסמוזה. אוסמוזה מתייחסת באופן ספציפי לתנועת מים על פני קרום חדיר למחצה, כאשר הממס (מים, למשל) נע מאזור של ריכוז מומס נמוך (חומר מומס) לאזור של ריכוז מומס גבוה. במקרה זה, הקרום החדיר למחצה אינו מאפשר למומס לעבור. ניתן לחשוב על כך כעל מים הנעים במורד שיפוע הריכוז שלהם וכרוכים באותו תהליך אקראי כמו דיפוזיה.

תמיסות המופרדות על ידי ממברנות חדירות למחצה יכולות להיות מתוארות כהיפרטוניות, היפוטוניות או איזוטוניות בהתאם לריכוזי המומסים היחסיים בכל אחת מהן. בתמיסה היפרטונית (היפר שמשמעותה "מעל" ביוונית) יש ריכוז גדול יותר של מומסים מאשר בתמיסה סמוכה, ואילו בתמיסה היפוטונית (היפו שמשמעותה "מתחת" ביוונית) יש ריכוז נמוך יותר של מומסים. במצב זה, המים יעברו מהתמיסה ההיפוטונית לתמיסה ההיפרטונית עד שריכוזי המומסים יהיו שווים. בתמיסות איזוטוניות (iso- כלומר "שווה" ביוונית) יש ריכוזים שווים של מומס, ולכן אין להם שיפוע ריכוז ¹.

אוסמוזה ותא הצמח

היכולת של מים לנוע לתוך תאים שונה בין תאי צמחים ובעלי חיים בשל נוכחותו של דופן התא בצמחים. דפנות התא קשיחות וחדירות רק למולקולות קטנות מאוד. כאשר מים נעים לתוך התא, הממברנה נדחפת כלפי מעלה אל דופן התא, ויוצרת לחץ הידרוסטטי, או טורגור. לחץ זה מגביל את קצב וכמות המים שיכולים להיכנס לתא. הסבירות למים לנוע לתוך התא מכונה פוטנציאל מים, המוגדר כמותית כפוטנציאל הלחץ בתוספת הפוטנציאל המומס. פוטנציאל הלחץ תלוי בלחץ בתוך התא ופוטנציאל המומס תלוי בריכוז המומסים בתא.

ניתן לראות פוטנציאל מים בפעולה בתא צמח חי, כגון אלודיאה, צמח ימי. תחת המיקרוסקופ ניתן לעקוב אחר תופעה הנקראת זרימה ציטופלזמית, או ציקלוזיס, שבה ציטופלסמה ואברונים כגון כלורופלסטים נעים ברחבי התא. תהליך זה משתנה באופן ניכר כאשר התאים שקועים בתמיסות שונות. באופן מעניין, תנועה זו מאפשרת לכלורופלסטים לתפקד ביעילות רבה יותר בתהליך הפוטוסינתזה; הם נעים פנימה והחוצה מהצללים, אוספים פוטונים כאשר הם נכנסים מחדש לאזורים המוארים של התאים³.

תהליך האוסמוזה חיוני למנגנון שבו צמחים מקבלים מים מהשורשים שלהם לעלים שלהם, אפילו עשרות מטרים מעל פני הקרקע. בקצרה, צמחים מובילים סוכרים ומומסים אחרים לשורשיהם על מנת ליצור שיפוע בין החלק הפנימי והחיצוני של השורש; מים מהאדמה עוברים לשורש באוסמוזה. מנקודה זו, תהליך שנקרא טרנסספירציה גורם לכך שהמים נמשכים במעלה צינורות בתוך הצמח הנקראים קסילם ומתאדים החוצה את העלים. באופן אידיאלי, ברגע שעמוד מים זה הוקם, הוא נשאר שלם לאורך כל חיי הצמח. ⁴

תופעה טבעית זו שימשה לפיתוח טכנולוגיות יקרות ערך. דוגמה אחת היא בטיהור מים. לאחרונה, נאס"א החלה לחקור שימוש בתהליך של אוסמוזה קדימה כדי לנקות ולעשות שימוש חוזר בשפכים על סיפון תחנת החלל הבינלאומית, כמו גם עבור יישומים הקשורים לכדור הארץ. ² תהליך זה משתמש בקרומים חדירים למחצה כדי להסיר זיהומים מהמים, מה שהופך אותם לבטוחים לשתייה. טכנולוגיה זו נפרסה לאחרונה כדי לסייע במאמצי הסיוע לאחר שיטפון קשה במערב קניה⁵.

הפניות

1. סולט, אליסון. LibreTexts, כימיה. 8.4 אוסמוזה ודיפוזיה. [מקוון] 19 באוקטובר, 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. לוין, הווארד. תיק אוסמוזה קדמי של נאס"א. מרכז החלל קנדי של נאס"א, קייפ קנוורל, פלורידה, ארצות הברית. [מקוון] 11 ביולי, 2018. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. Dodonova SO, Bulychev AA (2011). "השפעת זרימה ציטופלזמית על פעילות פוטוסינתטית של כלורופלסטים בצמתים של צ'ארה קורלינה". כתב העת הרוסי לפיזיולוגיה של הצמח. 59: 35–41. doi:10.1134/S1021443711050050.
4. אוסמוזה ותזונת הצמח. האמר, מייקל. 2000, הרודודנדרון, כרך 40.
5. חידושים בטכנולוגיית הידרציה. אוסמוזה הומניטרית קדימה סינון מים. [מקוון] [מצוטט: 21 באוגוסט 2018.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.