Глава 2. Осмотическое давление
Осмотическое давление (обозначается р) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану. Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя.
Раствор, имеющий более высокое осмотическое давление по сравнению с другим раствором, называется гипертоническим, имеющий более низкое — гипотоническим.
Осмотическое давление может быть весьма значительным. В дереве, например, под действием осмотического давления растительный сок (вода с растворёнными в ней минеральными веществами) поднимается по ксилеме от корней до самой верхушки. Одни только капиллярные явления не создать достаточную подъёмную силу — например, секвойям требуется доставлять раствор на высоту даже до 100 метров. При этом в дереве движение концентрированного раствора, каким является растительный сок, ничем не ограничено.
Взаимодействие эритроцитов с растворами в зависимости от их осмотического давления.
Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например, в клетке крови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной мембраны. Именно по этой причине лекарства, предназначенные для введения в кровь, растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия (поваренной соли), сколько нужно, чтобы уравновесить создаваемое клеточной жидкостью осмотическое давление. Если бы вводимые лекарственные препараты были изготовлены на воде или очень сильно разбавленном (гипотоническом по отношению к цитоплазме) растворе, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия (3-5-10 %, гипертонические растворы), то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся. В случае растительных клеток происходит отрыв протопласта от клеточной оболочки, что называется плазмолизом. Обратный же процесс, происходящий при помещении сжавшихся клеток в более разбавленный раствор, — соответственно, деплазмолизом.
Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нём веществ (или ионов, если молекулы вещества диссоциируют), следовательно, осмотическое давление является коллигативным свойством раствора. Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей на некий закон идеального газа:
p= i CRT
где i — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора, выраженная через комбинацию основных единиц СИ, то есть, в моль/м3, а не в привычных моль/л; R — универсальная газовая постоянная; T — термодинамическая температура раствора.
Это показывает также схожесть свойств частиц растворённого вещества в вязкой среде растворителя с частицами идеального газа в воздухе. Правомерность этой точки зрения подтверждают опыты Ж. Б. Перрена (1906): распределение частичек эмульсии смолы гуммигута в толще воды в общем подчинялось закону Больцмана.
Осмотическое давление, которое зависит от содержания в растворе белков, называется онкотическим (0,03 — 0,04 атм.). При длительном голодании, болезни почек концентрация белков в крови уменьшается, онкотическое давление в крови снижается и возникают онкотические отёки: вода переходит из сосудов в ткани, где рОНК больше. При гнойных процессах рОНК в очаге воспаления возрастает в 2-3 раза, так как увеличивается число частиц из-за разрушения белков. В организме осмотическое давление должно быть постоянным ( 7,7 атм.). Поэтому пациентам вводят изотонические растворы (растворы, осмотическое давление которых равно р плазмы 7,7 атм. - 0,9 % NaCl — физиологический раствор, 5 % раствор глюкозы). Гипертонические растворы, у которых р больше, чем осмотическое давление плазмы, применяются в медицине для очистки ран от гноя (10 % NaCl), для удаления аллергических отёков (10 % CaCl2, 20 % глюкоза), в качестве слабительных лекарств (Na2SO4•10H2O, MgSO4•7H2O).
Закон осмотического давления можно использовать для расчёта молекулярной массы данного вещества (при известных дополнительных данных).
Осмотическое давление измеряют специальным прибором
Строение инфузории туфельки:
1 — Реснички, 2 — Пищеварительные вакуоли, 3 — Макронуклеус, 4 — Микронуклеус, 5 — Сократительная вакуоль, 6 — Клеточный рот, 7 — Порошица
Для представителей типа характерным является сложный ядерный аппарат. У инфузории-туфельки вегетативное ядро, или макронуклеус, регулирует обменные процессы в клетке и является полиплоидным. Генеративное ядро — микронуклеус — значительно меньших размеров, обычно диплоидное и отвечает за передачу наследственной информации при половом процессе и размножении. Питается инфузория бактериями, водорослями и одноклеточными животными, которые движением более крупных ресничек «загоняются» в углубление, называемое «клеточным ртом» . Далее пищевая частица проходит через «клеточную глотку» в цитоплазму, где вокруг нее формируется пищеварительная вакуоль. По мере продвижения пищеварительной вакуоли в эндоплазме под действием ферментов в ней происходит процесс переваривания пищи. Непереваренные остатки выбрасываются наружу через специальное отверстие — порошицу, которое расположено на заднем конце тела. Паразитические инфузории всасывают питательные вещества всей поверхностью тела (осмотическое питание) . Дыхание и выделение жидких продуктов обмена происходит так же, как и у всех простейших. Две сократительные вакуоли, расположенные на переднем и заднем концах тела, осуществляют осморегуляцию. Каждая из них состоит из центрального резервуара и расположенных венчиком 5-7 приводящих каналов. Жидкость из цитоплазмы собирается по каналам в центральный резервуар, который выводит ее из клетки, сокращаясь каждые 20-25 секунд. Сокращение вакуолей происходит поочередно.
Размножается инфузория-туфелька бесполым поперечным делением на две части. Начинается размножение с деления ядер. Микронуклеус проходит митотическое деление, а макронуклеус перешнуровкой делится пополам, но предварительно в нем происходит удвоение количества ДНК. Последним этапом процесса бесполого размножения является разделение цитоплазмы поперечной перетяжкой. Кроме того, для инфузории характерен половой процесс — конъюгация, во время которого происходит обмен генетической информацией. Половой процесс сопровождается перестройкой ядерного аппарата. Макронуклеус разрушается, а микронуклеус делится мейотически с образованием четырех ядер. Три из них отмирают, а оставшееся ядро делится еще раз митозом и образует женское и мужское гаплоидные ядра. Две инфузории временно соединяются цитоплазматическими мостиками в области ротовых отверстий. Мужское ядро переходит в клетку партнера и сливается там с женским ядром. После этого восстанавливается макронуклеус и инфузории расходятся. Таким образом, при конъюгации происходит обновление генетической информации, появление новых признаков и свойств без увеличения числа особей, поэтому конъюгацию нельзя назвать размножением. В жизненном цикле инфузории-туфельки конъюгация чередуется с бесполым размножением.