Диффузия и осмос

Диффузия и осмос являются важными понятиями, которые объясняют, как вода и другие материалы, необходимые клеткам, переносятся через клеточные мембраны.

Давайте сначала поговорим о диффузии. Он определяется как суммарное перемещение частиц из области высокой концентрации в область с более низкой концентрацией. Постепенное изменение концентрации между двумя областями называется градиентом концентрации. Хотя диффузия является суммарно направленной, частицы постоянно движутся в обоих направлениях из-за случайного движения, поэтому даже в равновесии, когда плотность частиц одинакова по всему градиенту концентрации, частицы продолжают двигаться в обоих направлениях с постоянной скоростью обмена.

Точно так же вода перемещается по клеточным мембранам путем диффузии в процессе, называемом осмосом, но не все может свободно проходить через клеточные мембраны, поэтому их называют полупроницаемыми. Это важно, потому что это означает, что клетки могут регулировать и поддерживать различные концентрации растворенных веществ внутри и снаружи своих мембран. В зависимости от относительных концентраций растворов, разделенных полупроницаемыми мембранами, мы называем их гипотоническими, изотоническими или гипертоническими. Гипотонический – это когда концентрация растворенного вещества внутри клетки выше, чем снаружи. Изотонический — это когда концентрация растворенного вещества внутри равна внешней концентрации. Гипертонический — это когда концентрация внешнего растворенного вещества превышает внутреннюю концентрацию растворенного вещества. Это может повлиять на движение воды в клетку и из нее, поскольку вода движется к области большей концентрации растворенного вещества. В свою очередь, это может повлиять на форму клеток, вызывая вздутие клеток в гипотонических растворах, отсутствие изменений формы в изотонических растворах и сморщивание клетки в присутствии гипертонических растворов.

Способность воды проникать в клетки различается между растительными и животными клетками из-за наличия дополнительной клеточной стенки растения. Клеточные стенки жесткие и проницаемы только для небольших молекул. Когда вода проникает в клетки растений, мембрана прижимается к клеточной стенке, создавая гидростатическое или тургорное давление. Это давление ограничивает количество и скорость, с которой вода может попасть в ячейку.

Диффузия также является основным ограничивающим фактором для размера клеток и помогает объяснить, почему одноклеточные организмы, как правило, очень малы. Многоклеточные организмы состоят из множества мелких клеток, что обеспечивает большее отношение общей площади поверхности к объему и увеличивает скорость диффузии. Многие аспекты нашей физиологии, такие как дыхание и пищеварение, зависят от диффузии. Например, в легких человека есть много маленьких альвеол, которые похожи на маленькие карманы. Эта дополнительная площадь поверхности делает легкое более эффективным при диффузии газов в кровоток и из него.

В этой лаборатории вы будете использовать две модели клеток, агаровый куб и диализную трубку для проверки принципов диффузии и осмоса.