Օսմոս և տոնիկություն

Երբևէ մի քանի օր շարունակ մոռացե՞լ ես ջրել բույսը, հետո վերադարձել ես՝ պարզելով, որ քո՝ ժամանակին թարմ ճարճրուկը թոշնել է: Եթե այո, ապա արդեն գիտես, որ ջրային հավասարակշռությունը շատ կարևոր է բույսերի համար: Բույսը թոշնում է, քանի որ ջուրը դուրս է գալիս բջիջներից՝ պատճառ դառնալով, որ բջիջները կորցնեն իրենց ներքին ճնշումը, որը կոչվում է տուրգորային ճնշում, և որը սովորաբար աջակցում է բույսին:

Ինչո՞ւ է ջուրը դուրս գալիս բջիջներից: Բջիջների արտաքին միջավայրի ջրի քանակությունը նվազում է, երբ բույսը ջուր է կորցնում, սակայն իոնների և այլ մասնիկների քանակությունն այնտեղ մնում է անփոփոխ: Լուծված նյութի կոնցենտրացիայի մեծացումը մղում է ջուրը բջջից դուրս՝ արտաբջջային տարածություններ՝ օսմոս կոչվող գործընթացի արդյունքում:

Պաշտոնապես օսմոսը ջրի գումարային շարժն է կիսաթափանցիկ թաղանթի միջով՝ լուծույթի ցածր կոնցենտրացիայով հատվածից դեպի լուծույթի բարձր կոնցենտրացիայով հատվածը: Սա սկզբում կարող է տարօրինակ թվալ, քանի որ մենք սովորաբար խոսում ենք ջրում լուծված նյութերի դիֆուզիայի մասին, ոչ թե հենց ջրի տեղաշարժի մասին: Սակայն օսմոսը կարևոր է կենսաբանական շատ գործընթացներում և հաճախ տեղի է ունենում հենց այն ժամանակ, երբ նյութերը դիֆուզիայի են ենթարկվում կամ փոխադրվում են: Այստեղ ավելի մանրամասն կտեսնես, թե ինչպես է օսմոսը տեղի ունենում և ինչ դեր է խաղում բջիջների ջրային հավասարակշռության մեջ:

Ինչո՞ւ է ջուրը շարժվում լուծված նյութի ցածր կոնցենտրացիայով հատվածից դեպի բարձր կոնցենտրացիայով հատվածը:

Սա իրականում բարդ հարց է: Որպեսզի այս հարցին պատասխանենք, եկ մի քայլ հետ գնանք և վերհիշենք, թե ինչու է տեղի ունենում դիֆուզիա: Դիֆուզիայի ժամանակ մոլեկուլները շարժվում են բարձր կոնցենտրացիայով հատվածից դեպի ցածր կոնցենտրացիայով հատվածը ոչ թե որովհետև դրանք տեղյակ են իրենց շրջապատողներից, այլ որպես հավանականությունների արդյունք: Երբ միացությունը գազային կամ հեղուկ վիճակում է, դրա մոլեկուլները կլինեն հաստատուն, պատահական շարժման մեջ՝ հարվածելով կամ սահելով միմյանց շուրջը: Եթե նյութի շատ մոլեկուլներ կան Ա մասում և ոչ մի մոլեկուլ՝ Բ մասում, դա շատ անհավանական է, իրականում նաև անհնարին, որ մոլեկուլը պատահականորեն կշարժվի Բ-ից Ա: Մյուս կողմից՝ չափազանց հավանական է, որ մոլեկուլը Ա-ից կշարժվի Բ: Դու կարող ես նկատել՝ ինչպես են այդ բոլոր մոլեկուլներն Ա մասում միմյանց հարվածում, իսկ դրանցից որոշները՝ ցատկում դեպի Բ մասը: Այսպիսով՝ մոլեկուլների գումարային շարժը կլինի Ա-ից Բ այնքան ժամանակ, մինչև կոնցենտրացիաները կհավասարվեն:

Օսմոսի դեպքում կարող ես կրկին մտածել մոլեկուլների մասին ՝ այս անգամ ջրի, որոնք թաղանթով բաժանված են երկու մասի: Եթե մասերից ոչ մեկը ոչ մի լուծված նյութ չպարունակի, ապա ջրի մոլեկուլները հավասարապես կշարժվեն մասերի միջև երկու ուղղությամբ էլ։ Բայց եթե մի մասում ավելացնենք նյութ, դա կազդի ջրի մոլեկուլների մի մասից մյուսը շարժվելու հավանականության վրա, մասնավորապես այն կնվազեցնի այդ հավանականությունը:

Ինչո՞ւ է այդպես: Կան տարբեր բացատրություններ: Այն, որն ունի լավագույն գիտական օժանդակությունը, պնդում է, որ լուծված նյութի մոլեկուլները, որոնք հարվածում են թաղանթին, ֆիզիկապես բախվում են ջրի մոլեկուլներին և նվազեցնում թաղանթի մյուս կողմն անցնելու հավանականությունը$^{1,2}$start superscript, 1, comma, 2, end superscript։

Անկախ ճշգրիտ մեխանիզմներից՝ կարևորն այն է, որ որքան շատ լուծված նյութ է ջուրը պարունակում, այնքան քիչ ընդունակ կլինի թաղանթով դեպի հարակից մասը շարժվելու: Սա հանգեցնում է ջրի գումարային շարժին՝ լուծված նյութի ավելի ցածր կոնցենտրացիայով հատվածներից դեպի ավելի բարձր կոնցենտրացիայով հատվածներ:

Այս գործընթացը ցուցադրված է անոթում ստորև տրված փորձով, որտեղ կլինի ջրի գումարային շարժ՝ ձախ հատվածից դեպի աջ, մինչև լուծված նյութերի կոնցենտրացիաները գրեթե կհավասարվեն: Ուշադրություն դարձրու, որ դրանք այս դեպքում կատարելապես չեն հավասարվի, քանի որ աջից ջրի բարձրացող սյան կողմից հիդրոստատիկ ճնշումը կհակադրվի օսմոտիկ շարժիչ ուժին՝ ստեղծելով հավասարակշռություն, որը դադարում է հավասար կոնցենտրացիաների դեպքում։

Արտաբջջային լուծույթի հատկությունը, որը թույլ է տալիս ջրին շարժվել դեպի բջիջ կամ բջջից դուրս օսմոսի եղանակով, կոչվում է տոնիկություն: Լուծույթի տոնիկությունը կապված է օսմոսայնության հետ, որը լուծույթում լուծված բոլոր նյութերի ընդհանուր կոնցենտրացիան է։ Լուծույթը, որն ունի ավելի ցածր օսմոսայնություն, ունի ավելի քիչ լուծված նյութի մասնիկներ լուծույթի ամեն լիտրում, իսկ բարձր օսմոսայնությամբ լուծույթն ունի ավելի շատ լուծված նյութի մասնիկներ յուրաքանչյուր լիտրում։ Երբ տարբեր օսմոսայնության լուծույթները բաժանված են ջրաթափանց թաղանթով, որը թափանցելի չէ լուծված նյութի համար, ջուրը ցածր օսմոսայնությամբ մասից դեպի բարձր օսմոսոյնությամբ մասը կշարժվի։

Հիպոտոնիկ, իզոտոնիկ և հիպերտոնիկ եզրույթներն օգտագործվում են բջջի օսմոսայնությունը այն շրջապատող արտաբջջային հեղուկի օսմոսայնության հետ համեմատելու համար:

Ուշադրություն: Այս եզրույթներն օգտագործելիս հաշվի ենք առնում միայն լուծված նյութերը, որոնք չեն կարող անցնել թաղանթի միջով:

Հիպոտոնիկը, հիպերտոնիկը և իզոտոնիկը հարաբերական եզրույթներ են: Դրանք նկարագրում են՝ ինչպես է մի լուծույթը համեմատվում մյուսի հետ օսմոսայնության տեսնակյունից: Օրինակ՝ եթե ներբջջային հեղուկն ունի ավելի բարձր օսմոսայնություն՝ լուծված նյութի կոնցենտրացիա, քան շրջապատող հեղուկը, բջջի ներքին միջավայրը հիպերտոնիկ է շրջապատող հեղուկի նկատմամբ, և շրջապատող հեղուկը հիպոտոնիկ է բջջի ներքին միջավայրի նկատմամբ:

Եթե բջիջը տեղադրենք հիպերտոնիկ լուծույթում, ջուրը բջջից դուրս կգա, և բջիջը կկնճռոտվի: Իզոտոնիկ միջավայրում լուծված նյութի և ջրի կոնցենտրացիաները թաղանթի երկու կողմում հավասար են: Չկա ջրի գումարային շարժ, հետևաբար բջջի չափերը չեն փոխվի: Երբ բջիջը տեղադրենք հիպոտոնիկ միջավայրում, ջուրը կմտնի բջջի մեջ, և բջիջը կուռչի:

Արյան կարմիր բջիջների պարագայում իզոտոնիկ պայմանները իդեալական են, և քո օրգանիզմն ունի հոմեոստատիկ (հաստատունություն պահպանող) համակարգեր, որպեսզի պայմանները պահի հաստատուն: Եթե արյան կարմիր բջիջը տեղադրվի հիպոտոնիկ լուծույթի մեջ, այն կուռչի և կարող է պայթել, իսկ հիպերտոնիկ լուծույթում այն կկնճռոտվի՝ իր ցիտոպլազման ավելի խիտ, իսկ պարունակությունն՝ ավելի կոնցենտրիկ դարձնելով, և կարող է մահանալ:

Բուսական բջջի դեպքում, սակայն, իդեալական է հիպոտոնիկ արտաբբջային լուծույթը: Պլազմային թաղանթը կարող է ընդլայնվել միայն մինչև կոշտ բջջապատի սահմանը, հետևաբար բջիջը չի պայթի կամ լիզիսի չի ենթարկվի: Ընդհանրապես, բույսերում ցիտոպլազման մի փոքր հիպերտոնիկ է բջջի միջավայրի հանդեպ, և ջուրը կհոսի դեպի բջիջը մինչև դրա ներքին ճնշումը՝ տուրգորային ճնշումը, կարգելի հետագա ներհոսքը:

Բույսի առողջության համար շատ կարևոր է պահպանել ջրի և լուծված նյութերի այս հավասարակշռությունը: Եթե բույսը չջրվի, արտաբջջային հեղուկը կդառա իզոտոնիկ կամ հիպերտոնիկ՝ պատճառ դառնալով, որ ջուրը դուրս գա բույսի բջիջներից: Սա կհանգեցնի տուրգորային ճնշման կորստի, որը, ինչպես գիտես, թոշնելն է: Հիպերտոնիկ պայմաններում բջջաթաղանթը կարող է անջատվել բջջապատից՝ սեղմելով ու ճնշելով ցիտոպլազման պլազմոլիզ կոչվող գործընթացի արդյունքում (ներքևի ձախ նկարը)։

Տոնիկությունը կարևոր նշանակություն ունի բոլոր կենդանի օրգանիզների համար, հատկապես նրանց համար, որոնցում բացակայում է ամուր բջջապատը, և որոնք ապրում են հիպերտոնիկ կամ հիպոտոնիկ միջավայրերում: Օրինակ՝ հողաթափիկ ինֆուզորիան և ամեոբան, որոնք նախակենդանիներ են և չունեն բջջապատեր, կարող են ունենալ մասնագիտացված կառուցվածքներ՝ կծկվող վակուոլներ: Կծկվող վակուլը հավաքում է բջջի ավելորդ ջուրը և այն մղում է դուրս՝ կանխելով բջջի լիզիսը, երբ այն իր հիպոտոնիկ միջավայրից ջուր է կլանում։