В чем роль осмоса для жизни на Земле

Слева. Водные растения пресных водоемов находятся в гипотонической среде. Поступающая вода оказывает давление на протопласт и клеточные стенки, вызывая напряженное состояние клетки — тургор. Справа. Если поместить такое растение в гипертоническую среду, например, морскую воду, клетки будут терять воду, и плазматическая мембрана отодвинется от клеточной стенки.

Сразу отвечаю на вопрос заголовка — эта роль неоценима. Без осмоса не было бы жизни в том виде, в каком она есть сейчас — благодаря этому процессу осуществляется питание и дыхание организмов. Наглядный пример осмоса — как цветы вянут без воды, но после полива оживают и набухают вновь.

Что такое осмос?

Осмос — это процесс, при котором растворитель (чаще всего вода) проходит через полунепроницаемую мембрану (проницаемую для растворителя и непроницаемую для растворенных веществ) в направлении большей концентрации растворенного вещества (и меньшей концентрации растворителя). Чтобы понять, как это происходит — представьте кусочек сахара, брошенный в стакан с водой. Система, состоящая из растворителя (воды) и растворяемых веществ (сахара) стремится уравновесить себя. Через какое-то время этот кусочек сахара полностью исчезнет — он будет растворен в воде.

Представим, что перед тем, как бросить сахар в стакан мы поместили его в пакетик, непроницаемый для крупных молекул — сахара, но проницаемый для небольших молекул — воды. Вода, стремясь растворить сахар проходит сквозь пакетик, наполняя и расправляя его. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока мешочек не наполнится водой до такой степени, что давление раствора в нем не будет препятствовать проникновению воды внутрь.

Роль осмоса

На самом деле, все клетки снабжены подобным мешочком - клеточной мембраной. Такая мембрана пропускает только воду, газы, и некоторые питательные вещества. Для больших белковых молекул, находящихся в растворенном состоянии внутри клетки она непроницаема, поэтому белки, необходимые для процессов клетки остаются внутри, а газы, питательные вещества и вода проникают внутрь, позволяя клетке поддерживать жизнь. Осмос также участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Обратите внимание, на заглавной иллюстрации изображены клетки растений: слева — растения пресных водоемов находятся в гипотонической среде. Поступающая вода оказывает давление на протопласт и клеточные стенки, вызывая напряженное состояние клетки — тургор. Справа — если поместить такое растение в гипертоническую среду, например, морскую воду, клетки будут терять воду, и плазматическая мембрана отодвинется от клеточной стенки.

Осмос и растения

При поливе растений именно осмос позволяет им поглощать воду — в клетках растений растворено больше солей и минералов, чем в почве, и вода всасывается через мембраны. Этот процесс не произойдет, если около корней есть большие запасы солей, которые создадут насыщенный раствор. Именно поэтому нельзя удобрять растения близко к корням.

У растений достаточно прочная мембрана, выдерживающая большие давления, поэтому даже мягкие травянистые растения обладают упругостью — тургором.

В молодых клетках тургорное давление является движущей силой растяжения клеточных стенок и обеспечивает возможности роста клетки. В отдельных случаях это давление сильно возрастает. Этим и объясняется то «чудо», когда нежные стебельки растений взламывают асфальт, пробиваясь к свету.

Осмотическое давление в биологии

На мембране, разделяющей растворы с разной концентрацией в виду осмоса возникает давление. Если клетку поместить в раствор с низкой концентрацией растворенных веществ (это называется гипотоническая среда) — вода будет проникать через мембрану и раздувать клетку. Этот эффект используется вьющимися растениями для создания высокого внутриклеточного давления, позволяющего делать прочные «усики». Этот же эффект может разрушить красные кровяные тельца (эритроциты), если их поместить в дистиллированную воду, так так у них ослаблена мембрана для лучшей проницаемости кислорода.

Если клетку поместить в раствор с такой же концентрацией растворенных веществ (изотонический раствор или среда), то эффект осмоса не будет проявляться: вода через мембрану проходить не будет. Этим иногда пользуются врачи при высоких кровопотерях, вливая так называемый физраствор — 0.9% раствор поваренной соли.

Если клетку поместить в высококонцентрированный раствор, то она съежится, отдав свою воду. У многоклеточных есть специальные рецепторы, которые следят и регулируют осмотическое давление в организме с помощью органов, которые обеспечивают выделение воды и солей из тела.

Формула осмотического давления

Осмотическое давление p численно равно давлению, которое оказало бы растворённое вещество, если бы оно при данной температуре находилось в состоянии идеального газа и занимало объём, равный объёму раствора. Для весьма разбавленных растворов недиссоциирующих веществ найденная закономерность с достаточной точностью описывается уравнением: pV = νRT, где ν - число молей растворённого вещества в объёме раствора V; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.

Осмотическое давление в технике

Давление, создаваемое осмосом достаточно велико (формула осмотического давления похожа по форме на закон Бойля-Мариотта). Например, норвежская компания Starkraft построила прототип электростанции, работающей на давлении осмоса, возникающем на мембране между речной и морской водой. Это давление соответствует по силе давлению 120 метрового столба воды — как в достаточно крупной гидроэлектростанции!