拡散と浸透

細胞膜と拡散

細胞が機能するためには、細胞膜を介して物質を細胞質に出入りさせる必要があります。これらの膜は半透性であり、特定の分子は通過できますが、他の分子は通過できません。この分子の動きは、リン脂質二重層とその埋め込まれたタンパク質によって媒介され、その一部は、イオンや炭水化物など、他の方法では膜を通過できない分子の輸送チャネルとして機能します。

セルサイズと表面積対体積比

細胞が非常に小さい理由の1つは、分子を細胞内、細胞内、細胞外に輸送する必要があることです。表面積と体積の関係により、細胞には幾何学的な制約があり、より大きな細胞サイズを支えるのに十分な栄養素を取り込む能力が制限されています。表面積と体積の比率(SA:V)は、表面積と体積のスケーリング係数が異なるため、セルのサイズが大きくなるにつれて減少します。これは、細胞が大きくなると、より多くの細胞体積に栄養素を供給できる膜面積が少なくなることを意味します。

一部のイオンは、高濃度の領域から低濃度の領域への粒子の正味の移動である拡散によって細胞に取り込まれます。これは、濃度勾配を「下降」することとして知られています。拡散は正味の指向性です。粒子の正味の動きは濃度勾配を下っていますが、粒子のランダムな動きにより、粒子は常に両方向に動いています。これは、平衡状態にある溶液中の粒子はまだ移動していますが、一定の交換速度で移動しているため、溶液は均一に混合されたままです。細胞のような水性環境では、このプロセスには、溶質として知られる溶存イオンが水、溶媒中を移動することが含まれます。これは、ビーカーを介して染料が広がるなどの開放的な環境で起こることもあれば、タンパク質チャネルを通過するイオンなどの細胞膜を横切るように行われることもあります。

浸透と水の動き

水は、浸透として知られるプロセスで、拡散によって細胞膜を横切って移動します。浸透とは、特に半透膜を横切る水の移動を指し、溶媒(水など)は溶質(溶解物質)濃度の低い領域から溶質濃度の高い領域に移動します。この場合、半透膜は溶質を通過させません。これは、水がそれ自体の濃度勾配を下って移動し、拡散と同じランダムなプロセスを伴っていると考えることができます。

半透膜によって分離された溶液は、それぞれの相対的な溶質濃度に応じて、高張性、低張性、または等張性として説明できます。高張性(ギリシャ語で「上」を意味する高張性)の溶液は、隣接する溶液よりも溶質の濃度が高く、低張性(ギリシャ語で「下」を意味する低張性)の溶液は溶質の濃度が低くなります。この状況では、溶質濃度が等しくなるまで、水は低張溶液から高張溶液に移動します。等張性溶液(ギリシャ語で「等しい」を意味するiso-)は、溶質の濃度が等しいため、濃度勾配¹はありません。

浸透と植物細胞

動物細胞では、植物に細胞壁が存在するため、細胞内に水が移動する能力が異なります。細胞壁は硬く、非常に小さな分子に対してのみ透過性があります。水が細胞内に移動すると、膜が細胞壁に押し上げられ、静水圧(膨満圧)が発生します。この圧力により、セルに入ることができる水の速度と量が制限されます。水が細胞に移動する可能性は水電位と呼ばれ、圧力電位と溶質電位を量的に組み合わせて定義されます。圧力電位は細胞内の圧力に依存し、溶質電位は細胞内の溶質濃度に依存します。

水ポテンシャルは、水生植物であるエロデアなどの生きた植物細胞で活動している様子を観察できます。顕微鏡下では、細胞質や葉緑体などの細胞小器官が細胞内を移動する細胞質ストリーミング(サイクロシス)と呼ばれる現象をモニターすることができます。このプロセスは、細胞が異なる溶液に浸されると目に見えて変化します。興味深いことに、この動きにより、葉緑体は光合成においてより効率的に機能することができます。彼らは影に出入りし、細胞の明るい領域に再び入るときに光子を収集します³。

浸透のプロセスは、植物が根から葉に水を得るメカニズム、さらには地上数十フィートにまで到達するために不可欠です。簡単に言えば、植物は糖やその他の溶質を根に輸送して、根の内側と外側の間に勾配を生成します。その後、土壌からの水は浸透によって根に移動します。その時点から、蒸散と呼ばれるプロセスにより、水は木部と呼ばれる植物内のチューブに引き上げられ、葉から蒸発します。理想的には、この水柱が確立されると、植物の寿命を通じて無傷のままになります。⁴

この自然発生現象は、価値ある技術の開発に利用されてきました。その一例が浄水です。最近、NASAは、国際宇宙ステーション(ISS)の廃水を浄化し再利用するため、また地球への応用のために、順浸透膜のプロセスを使用する研究を始めています。 ^※2 半透膜を使用して水から不純物を取り除き、安全に飲むことができます。この技術は、ケニア西部⁵の深刻な洪水後の救援活動を支援するために最近導入されました。

参照

1. スールト、アリソン。LibreTexts、化学。8.4浸透と拡散。 [オンライン]2017年10月19日。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. レヴィン、ハワード。NASAフォワード浸透バッグ。NASAケネディ宇宙センター、ケープカナベラル、フロリダ州、アメリカ合衆国。 [オンライン]2018年7月11日。https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. ドドノバSO、ブリチェフAA(2011)。「Chara corallinaの節間における葉緑体の光合成活性に対する細胞質ストリーミングの影響」。植物生理学のロシアジャーナル。59: 35–41.土井:10.1134/S1021443711050050.
4. 浸透と植物栄養。 ハマー、マイケル。2000年、シャクナゲ、Vol.40。
5. ハイドレーション技術の革新。人道的フォワード浸透水ろ過。[オンライン][引用:2018年8月21日]http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.