Осмос

Осмос — це явище, що суттєво впливає на існування живих клітин. Клітинні мембрани більш проникні для води ніж для більшості іонів, малих гідрофільних молекул та макромолекул. Така різниця великою мірою виникає внаслідок наявності в мембранах білків аквапоринів, що пропускають тільки молекули води. Якщо клітина перебуває в ізотонічному розчині (0,9% хлориду натрію або 5% глюкози для людських клітин[3]), вона не втрачає і не набуває води. У гіперотонічому середовищі, тобто у середовищі з більшою осмолярністю, клітина зморщується внаслідок зневоднення, а в гіпотонічому навпаки — набухає, і якщо надходження води не вдається спинити, це призводить до розривання, осмотичного лізису, клітини[1].

У природних умовах клітини переважно стикаються із проблемою перебування в гіпотонічних розчинах. Щоб запобігти осмотичному лізису вони виробили ряд пристосувань. Наприклад бактерійні, грибні і рослинні клітини мають жорстку клітинну стінку, яка може перешкоджати надмірному надходженню води. Рослини використовують осмос для досягнення механічної стійкості і пружності: висока концентрація розчинених речовин у центральних вакуолях призводить до затягування води в клітини, але це має наслідком не набухання, а збільшення тиску мембран на клітинні стінки, тобто виникнення тургору. Внаслідок цього клітини, і ціле тіло рослини, стають твердими і пружними. Зневоднення призводить до в'янення рослин[1]. Рослинні клітини можуть регулювати тургорний тиск шляхом зміни концентрації осмотично активних речовин, таких як сахароза і неорганічні іони, у центральній вакуолі та цитоплазмі. З цим пов'язано багато аспектів життя рослини: закривання-відкривання продихів, створення тиску у ситоподібних трубках флоеми, що необхідний для транспортування продуктів фотосинтезу, фітогормонів та інших речовин, створення кореневого тиску, потрібного для перенесення води та мінеральних речовин, здійснення рухів, таких як відкривання-закривання пелюсток, піднімання-опускання листків тощо[4].

Деякі прісноводні найпростіші, які живуть у гіпотонічному розчині, мають спеціальні органели — скоротливі вакуолі, що викачують зайву воду з клітин. Багатоклітинні тварини підтримують осмолярність плазми крові та тканинної рідини такою ж, як у цитоплазми клітин. Для цього клітини активно викачують іони Na⁺ та деякі інші у тканинну рідину[1].

Осмотичні властивості розчинів також впливають і на форми запасання енергії живими клітинами. Так вони зберігають вуглеводи у вигляді полісахаридів (крохмалю і глікогену), а не моно- чи олігосахаридів. Оскільки осмос зростає пропорційно до кількості частинок розчиненої речовини, а не до їх маси, 1 г гілкогену, молекули якого містять по 1000 залишків глюкози, збільшуватиме омолярність цитоплазми до такої ж міри, як і 1 мг глюкози[1].

Осмос також відіграє важливу роль в екології водойм. Якщо концентрація солі та інших речовин у воді піднімається чи падає — мешканці цих вод гинуть через згубну дію осмосу.

Осмос широко використовують у лабораторній техніці при визначенні молярних характеристик полімерів, концентрування розчинів, дослідженні різноманітних біологічних структур. Осмотичні явища іноді використовуються в промисловості, наприклад при отриманні деяких полімерних матеріалів, очищенні високо-мінералізованою води методом «зворотного» осмосу рідин.

Протоколи виділення клітинних фракцій, збагачених мітохондріями, пластидами або лізосомами, враховують той факт, що ці органели оточені напівпроникними мембранами. Тому фракціонування проводять у буферах із достатньою концентрацією сахарози або іншої інертної речовини для запобігання осмотичному лізису[1].

Діаліз, що базується на осмотичних властивостях розчинів, використовують для очищення високомолекулярних речовин від низькомолекулярних домішок. Для цього розчин макромолекул із домішками поміщають у мішечок із напівпроникного матеріалу, що пропускає тільки маленькі молекули. Цей мішечок занурюють у розчинник і залишають на деякий час, за який низькомолекулярні речовини дифундують у розчинник. Метод діалізу також використовують для вивчення зв'язування макромолекул із маленькими молекулами, наприклад ферментів із інгібіторами, нуклеїнових кислот із антибіотиками тощо[2].

У промисловості

Явище осмосу знаходить своє застосування у бурінні, при будівництві нафтових та газових свердловин. Тут осмос виникає у вигляді осмотичних перетоків через глинисту кірку на стінках свердловини, яка і відіграє роль мембрани, проникної для розчинника (фільтрату розчину). Важливий напрямок цих перетоків, в першу чергу при розбурюванні крихких порід, схильних до розтріскування та осипання (в основному це аргіліти). Осмос, направлений від свердловини у породи, що складають її стінки, приводить до насичення пор та тріщин рідиною і, внаслідок цього, - до осипів і обвалів порід та інтенсивному каверноутворенню. Якщо градієнт осмосу направити від стінок свердловини до самої свердловини, це буде сприяти стійкості стінок, попередить осипи та обвали. З цією метою рекомендується плавно чи ступінчасто підвищувати мінералізацію бурового розчину по ходу поглиблення інтервалу, складеного крихкими породами.