Osmoza jest zjawiskiem biofizycznym, w którym woda (lub inny rozpuszczalnik) przemieszcza się z roztworu o mniejszym stężeniu do roztworu o większym stężeniu przez częściowo przepuszczalną błonę (innymi słowy, przepuszcza ona niektóre cząsteczki, blokując inne).
Rozpuszczalnik będzie utrzymywał tę migrację aż do osiągnięcia równowagi w stężeniu.
Więc zawsze, gdy następuje migracja netto cząsteczek wody z roztworu o niskim stężeniu solutu w kierunku roztworu o wyższym stężeniu solutu, nazywamy to zjawisko osmozą. Ten ruch jest również czasami określany jako „w dół gradientu stężenia”.
Ciśnienie osmotyczne jest siłą wymaganą do zapobieżenia ruchowi wody przez błonę półprzepuszczalną.
Termin osmoza, który w języku greckim oznacza „pchnięcie” lub „impuls”, został po raz pierwszy użyty przez J.A. Nolleta, który w 1747 roku opisał eksperyment, w którym użył pęcherza zwierzęcego do oddzielenia dwóch komór zawierających wodę i wino. Zauważył, że objętość w komorze zawierającej wino wzrosła, a jeśli komora została zamknięta, ciśnienie wzrosło.
Jak działa osmoza
Klasyczny eksperyment z osmozą polega na podzieleniu zlewki z wodą na dwie połówki, z półprzepuszczalną membraną pomiędzy nimi i solą dodaną do jednej ze stron. Szybko zauważysz, że woda migruje ze strony zlewki bez soli na stronę z roztworem soli. Ten ruch wody będzie trwał tak długo, aż stężenie soli będzie takie samo po obu stronach.
Jest to ten sam powód, dla którego nigdy nie należy umieszczać ślimaka w pobliżu soli, co spowodowałoby śmierć tego biednego stworzenia, ponieważ jego woda jest pobierana.
Kluczem do osmozy jest obecność półprzepuszczalnej membrany, która sprawia, że jest bardziej prawdopodobne, że cząsteczki wody w roztworze o niskim stężeniu zderzą się z membraną i przejdą przez nią, podczas gdy cząsteczki wody w stężonym roztworze będą miały znacznie mniej cząsteczek wody zderzających się z membraną i przechodzących przez nią. To niedopasowanie oznacza, że istnieje większe statystyczne prawdopodobieństwo, że więcej cząsteczek wody z mniej skoncentrowanego roztworu przejdzie przez membranę. Kiedy statystyczne prawdopodobieństwo cząsteczek wody przechodzących przez membranę jest równe, osmoza ustaje.
Osmoza w przyrodzie
Osmoza jest jednym z podstawowych procesów życiowych. Każda komórka naszego ciała, rośliny i zwierzęta wokół nas zawdzięczają swoje przetrwanie osmozie.
Na przykład weźmy rośliny. Kiedy podlewamy je, wlewamy ją na końcu łodygi i gleby. Jeśli komórki rośliny są otoczone roztworem, który zawiera wyższe stężenie cząsteczek wody niż roztwór wewnątrz komórek, woda dostanie się do liści, owoców i kwiatów przez osmozę. Podczas tego procesu komórka roślinna stanie się jędrna.
Jednakże, jeśli roślina jest otoczona roztworem, który zawiera mniejsze stężenie wody, to cząsteczki wody z roztworu wewnątrz komórek rośliny zostaną wydalone przez osmozę, czyniąc roślinę wiotką.
Gdy podlewamy rośliny, zwykle podlewamy koniec łodygi i gleby, w której rosną. Stąd korzenie roślin wchłaniają wodę i z korzeni, woda przemieszcza się do różnych części roślin; czy to liści, owoców czy kwiatów. Każdy korzeń działa jak półprzepuszczalna bariera, która pozwala cząsteczkom wody przenosić się z wysokiego stężenia (gleba) do niskiego (korzenie). Korzenie mają włosy, co zwiększa powierzchnię, a tym samym spożycie wody przez plants.
Perhaps bardziej relatable przykład jest w naszych własnych ciał. Kiedy pijemy wodę, komórki wchłaniają ją przez osmozę tak jak korzenie roślin. Ściana komórkowa działa jak półprzepuszczalna membrana, tworząc ciśnienie osmotyczne pomiędzy wnętrzem i zewnętrzem komórki. Krew jest bardziej rozcieńczonym roztworem niż cytoplazma komórki, więc woda będzie przenikać przez ścianę komórkową. To samo odnosi się do składników odżywczych i minerałów, które są również przenoszone przez osmozę.
Ludzie rozpoznali potencjał osmozy od starożytności, zatrudniając go do konserwacji żywności. Starożytni zaobserwowali, że dodanie soli lub cukru usuwa wodę z tkanek. W tamtych czasach proces ten nazywany był imbibicją ze względu na fakt, że rozpuszczalniki takie jak sól i cukier przyciągały wodę z materiału, którego dotykały.
Jaka jest różnica między osmozą a dyfuzją
Dyfuzja i osmoza są procesami transportu biernego, co oznacza, że nie wymagają nakładu energii do przemieszczania substancji. Oba procesy są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania procesów biologicznych, takich jak transport wody lub składników odżywczych między komórkami.
Główną różnicą między nimi jest to, że dyfuzja może zachodzić w każdej mieszaninie, nawet gdy dwa roztwory nie są oddzielone błoną półprzepuszczalną, podczas gdy osmoza zachodzi wyłącznie przez błonę półprzepuszczalną.
Dyfuzja sprawia, że skład powietrza jest jednolity poprzez redystrybucję gatunków chemicznych, takich jak tlen w powietrzu, aż do osiągnięcia równowagi: innymi słowy, aż gradient stężenia – różnica w stężeniu między dwoma obszarami – zostanie wyeliminowany. Jeśli stężenie danego gatunku nie jest początkowo jednolite, z czasem dyfuzja spowoduje transfer masy na korzyść bardziej jednolitego stężenia.
Podsumowanie: osmoza – naturalny ruch wody do roztworu przez półprzepuszczalną błonę – jest kluczowa dla całej biologii. Jest to pasywny proces transportowy, taki jak dyfuzja, ale te dwa procesy różnią się od siebie.