Osmoosi on biofysikaalinen ilmiö, jossa vesi (tai muu liuotin) siirtyy vähemmän väkevästä liuoksesta väkevämpään liuokseen osittain läpäisevän kalvon läpi (toisin sanoen se päästää osan hiukkasista läpi, mutta estää toiset).
Liuotin ylläpitää tätä siirtymistä, kunnes konsentraatiotasapaino saavutetaan.
Aina kun siis tapahtuu vesimolekyylien nettomuuttoa liuoksesta, jonka liuotinpitoisuus on pieni, kohti liuosta, jonka liuotinpitoisuus on suurempi, kutsumme tätä ilmiötä osmoosiksi. Tätä liikettä kutsutaan joskus myös ”pitoisuusgradienttia alaspäin”.
Osmoosipaine on voima, joka tarvitaan estämään veden liikkuminen puoliläpäisevän kalvon läpi.
Käsitteen osmoosi, joka tarkoittaa kreikaksi ’työntövoimaa’ tai ’impulssia’, keksi ensimmäisen kerran J.A. Nollet, joka vuonna 1747 kuvasi kokeen, jossa hän käytti eläimen virtsarakkoa erottamaan toisistaan kaksi vettä ja viiniä sisältävää kammiota. Hän huomasi, että viiniä sisältävän kammion tilavuus kasvoi, ja jos kammio suljettiin, paine nousi.
Miten osmoosi toimii
Klassisessa osmoosikokeessa vettä sisältävä dekantterilasi jaetaan kahteen puolikkaaseen, joiden väliin laitetaan puoliläpäisevä kalvo ja toiselle puolelle lisätään suolaa. Huomaat pian veden siirtyvän juomalasin puolelta, jossa ei ole lainkaan suolaa, sille puolelle, jossa on suolaliuos. Tämä veden siirtyminen jatkuu, kunnes suolapitoisuus on sama molemmilla puolilla.
Se on sama syy, miksi et ikinä saisi laittaa etanaa suolan lähelle, sillä se aiheuttaisi eläinparan kuoleman, kun sen vesi poistuu.
Keskeistä osmoosissa on puoliläpäisevä kalvo, joka tekee todennäköisemmäksi sen, että vesimolekyylit törmäävät matalan konsentraation liuoksessa todennäköisemmin kalvoon ja kulkevat sen läpi, kun taas vesimolekyylit väkevässä liuoksessa törmäävät kalvoon ja kulkevat sen läpi paljon harvemmin vesimolekyylejä. Tämä epäsuhta tarkoittaa, että on suurempi tilastollinen todennäköisyys sille, että useammat vesimolekyylit kulkevat kalvon läpi vähemmän väkevästä liuoksesta. Kun kalvon läpi kulkevien vesimolekyylien tilastollinen todennäköisyys on yhtä suuri, osmoosi loppuu.
Osmoosi luonnossa
Osmoosi on yksi elämän olennaisista prosesseista. Jokainen kehomme solu, kasvit ja eläimet ympärillämme ovat eloonjäämisensä velkaa osmoosille.
Otetaan esimerkiksi kasvit. Kun kastelemme niitä, kaadamme sitä varren päähän ja multaan. Jos kasvin soluja ympäröi liuos, jossa on suurempi vesimolekyylikonsentraatio kuin solujen sisällä olevassa liuoksessa, vesi pääsee osmoosin avulla lehtiin, hedelmiin ja kukkiin. Tämän prosessin aikana kasvin solu kiinteytyy.
Jos taas kasvia ympäröi liuos, joka sisältää pienempää vesipitoisuutta, kasvin solujen sisällä olevan liuoksen vesimolekyylit poistuvat osmoosin avulla, jolloin kasvi muuttuu veltoksi.
Kastellessamme kasveja kastelemme yleensä niiden varren päätä ja maaperää, jossa ne kasvavat. Näin ollen kasvien juuret imevät vettä ja juurista vesi kulkeutuu kasvien eri osiin; olivatpa ne sitten lehtiä, hedelmiä tai kukkia. Jokainen juuri toimii puoliläpäisevänä esteenä, joka mahdollistaa vesimolekyylien siirtymisen korkeasta pitoisuudesta (maaperä) matalaan pitoisuuteen (juuret). Juurissa on karvoja, jotka lisäävät pinta-alaa ja siten kasvien vedensaantia.
Vähemmänkin samaistuttava esimerkki on ehkä omassa kehossamme. Kun juomme vettä, solut imevät sitä osmoosin avulla aivan kuten kasvien juuretkin. Soluseinämä toimii puoliläpäisevänä kalvona, joka luo osmoottisen paineen solun sisä- ja ulkopinnan välille. Veri on laimeampi liuos kuin solun sytoplasma, joten vesi läpäisee soluseinän. Sama pätee ravintoaineisiin ja kivennäisaineisiin, jotka myös siirtyvät osmoosin avulla.
Ihmiset ovat tunnistaneet osmoosin mahdollisuudet jo antiikin ajoista lähtien ja käyttäneet sitä elintarvikkeiden säilömiseen. Muinaiset havaitsivat, että suolan tai sokerin lisääminen poistaa vettä kudoksista. Tuolloin prosessia kutsuttiin imbibitioksi sen vuoksi, että suolan ja sokerin kaltaiset liuennut aineet vetivät vettä puoleensa materiaalista, jota ne koskettivat.
Mitä eroa on osmoosilla ja diffuusiolla
Diffuusio ja osmoosi ovat kumpikin passiivisia kuljetusprosesseja, mikä tarkoittaa, että ne eivät vaadi energian syöttöä aineiden siirtämiseen. Molemmat prosessit ovat välttämättömiä biologisten prosessien moitteettomalle toiminnalle, kuten veden tai ravintoaineiden kuljettamiselle solujen välillä.
Ero näiden kahden prosessin välillä on se, että diffuusio voi tapahtua missä tahansa seoksessa, vaikka kahta liuosta ei erottaisikaan toisistaan puoliläpäisevä kalvo, kun taas osmoosi tapahtuu yksinomaan puoliläpäisevän kalvon läpi.
Diffuusio tekee ilman koostumuksen tasaiseksi jakamalla kemiallisia lajeja, kuten ilman happea, uudelleen, kunnes tasapaino on saavutettu: toisin sanoen kunnes konsentraatiogradientti – kahden alueen välinen konsentraatioero – on poistunut. Jos jonkin lajin pitoisuus ei aluksi ole tasainen, diffuusio aiheuttaa ajan mittaan massansiirron tasaisemman pitoisuuden hyväksi.
Lopputulos: Osmoosi – veden luonnollinen siirtyminen liuokseen puoliläpäisevän kalvon läpi – on keskeinen osa koko biologiaa. Se on passiivinen kuljetusprosessi kuten diffuusio, mutta ne eroavat toisistaan.