Осмос в повседневной жизни

Почему мы не можем полностью отказаться от соли? Какие силы заставляют влагу проникать в растение и двигаться внутри него? Что удерживает воду в клетках и не даёт ей выходить наружу? Почему надо очищать воду?

Учёные очень давно пытались ответить на эти вопросы, но определённой ясности удалось добиться только в конце ХIХ века. Сегодня на них находят ответы ученики медицинских классов на уроках физики, химии и биологии при изучение темы «Осмос».

Осмос — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону большей концентрации растворённого вещества.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества. Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда, как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

На уроках биологии ученики 10М класса узнали, что к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими.

На уроках физики определили, что осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу — экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Это осмотическое давление возникает соответственно Принципу Ле-Шателье из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя.

А на уроках химии познакомились с диализом. В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например, электролитов.

Явление осмоса играет важную роль во многих химических и биологических системах. Благодаря осмосу регулируется поступление воды в клетки и межклеточные структуры. Упругость клеток (тургор), обеспечивающая эластичность тканей и сохранение определенной формы органов, обусловлена осмотическим давлением. Наши ученики на практике убедились в данных явлениях, окрашивая воду для белых цветов в разные краски.

Животные и растительные клетки имеют оболочки или поверхностный слой протоплазмы, обладающие свойствами полупроницаемых мембран. При помещении этих клеток в растворы с различной концентрацией наблюдается осмос. При помещении клеток в гипотонический раствор вода из менее концентрированного внешнего раствора переходит внутрь клеток, что приводит к их набуханию, а затем к разрыву оболочек и вытеканию клеточного содержимого. Такое разрушение клеток называется лизисом, в случае эритроцитов этот процесс называется гемолизом. Кровь с клеточным содержимым, выходящим наружу при гемолизе, за свой цвет называется лаковой кровью. При помещении клеток в гипертонический раствор вода из клеток уходит в более концентрированный раствор, и наблюдается сморщивание (высушивание) клеток. Это явление называется плазмолизом. Биологические жидкости человека (кровь, лимфа, тканевые жидкости) представляют собой водные растворы низкомолекулярных соединений – NaCI, KCl, СаС1, высокомолекулярных соединений – белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот и форменных элементов – эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов.

Чтобы убедиться, как работают осмотические силы, ребята выполнили практическую работу «Плазмолиз и деплазмолиз в клетках растений».

В ходе работы ученики помещали кожицу лука в гипертонический раствор и наблюдали явление плазмолиза – отхождения протопласта от клеточной стенки.

Затем добавляли к микропрепарату дистиллированную воду для достижения равновесия и наблюдали явление деплазмолиза – возращение протопласта в исходное состояние.

А на занятиях внеурочной деятельности по первой помощи познакомились с явлением осмоса в медицинской практике. Так, в хирургии применяют гипертонические повязки (марлю, смоченную в гипертоническом 10%-ном растворе NaCl), которые вводят в гнойные раны. По закону осмоса ток жидкости раны через марлю направляется наружу, в результате чего рана постоянно очищается от гноя, микроорганизмов и продуктов распада.

Заинтересованные данной темой ученики продолжили эксперименты дома у себя на кухне.

Опыт первый, или плачущий лимон.

Взяли лимон и порезали его на тонкие дольки. Если нож достаточно острый, то сок из лимона практически не выделится. Но если посыпать лимонные дольки сахаром, то можно заметить, что спустя некоторое время из долек, как по волшебству, потечет сок. Конечно, это никакое не волшебство. Просто тут начал действовать осмос. Сок выделился из лимона наружу, как бы стремясь как можно сильнее разбавить образовавшийся на его поверхности концентрированный раствор сахара.

А если мама когда-нибудь солила капусту (и мы, конечно, при этом присутствовали!), то должны были заметить следующий факт: после того как нашинкованную капусту перетрут с солью, ее объем резко уменьшается, а сама капуста становится влажной. Мама говорит: «капуста пустила сок». А мы теперь можем сказать: «это осмос». Ведь неважно, какое растворимое в воде вещество находится снаружи клетки: сахар или соль.

Опыт второй, или своенравная картошка

Вырезали из сырой картошки три одинаковых кубика и каждый из них опустили в банку с водой, но только в одной банке воду слегка подсолили, в другой растворили как можно больше соли, а в третью - ничего не добавляли.

Спустя час-два заметили, что кубики стали различаться: первый из них (он находился в сильносоленой воде) съежился и стал значительно меньше, второй (тот, что был в слабосоленой воде) остался прежнего размера, а третий, наоборот, разбух.

Стало понятно, что и тут сработал осмос. Первый кубик находился в слабом соляном растворе — его концентрация была примерно равна концентрации солей в картофельном соке. Второй кубик окружал раствор большей концентрации, чем концентрация солей в его собственном соке, и в результате осмоса кубик начал обезвоживаться и уменьшаться в размерах. Ну, а кубик, оставленный в водопроводной воде? С ним произошла обратная история: концентрация солей в его соке была выше, чем в воде, и вода начала переходить в кубик. Вот он и «вырос»!

Опыт третий, или морковка насос

Взяли морковку. Самую обыкновенную. Отрезали от нее зеленый хвостик, а вместо него вставили стеклянную трубку. Получилась пика: морковка — наконечник, а трубка — древко. Если налить в трубку соленую морскую воду, а морковку поставить в стакан с водопроводной водой, то спустя некоторое время можно заметить, что уровень воды в трубке начинает ползти вверх. Это тоже осмос. А знаете, с какой силой водопроводная вода будет давить на морковку? Она будет давить с такой силой, что сможет уравновесить столб воды высотой добрых десять метров. Такое давление называется осмотическим.

Когда морковка находится не в стакане с водой, а растет на огороде, то вода попадает в ее ткани точно так же. Ведь в ее соке концентрация солей выше, чем в воде, которой поливают огород.

Когда мы пьем, вода проникает в наш организм через стенки желудка благодаря осмосу – концентрация солей в крови выше, чем в воде, вот вода и просачивается в кровь.

Когда хозяйка варит суп, она солит воду сразу, чтобы из мяса и овощей вышло как можно больше сока. Но если нам надо приготовить отварное мясо, то следует его варить сначала в несоленой воде, чтобы сок не вышел. Посолить-то ведь всегда успеется!

Когда... Впрочем, здесь лучше остановиться, потому что осмос так часто встречается в нашей жизни, что всех примеров все равно не перечислишь.

Древние наши предки соли отводили уникальное место. На царских пирах знатных гостей сажали выше серебряной ладьи-солонки, а менее именитых – ниже. Были даже времена, когда это белое вещество заменяло деньги и служило причиной неслыханных “соляных” бунтов (например, “соляной бунт”1648 г. в Москве), стихийных “походов протеста” (Индия, начало ХХ в.), вызванных большими налогами на соль (Россия), либо монополизацией производства поваренной соли английскими колонизаторами (Индия)

Всем известна истина – организму требуется все нутриенты, но как избыток, так и недостаток необходимых химических веществ приносит вред. Человеческому организму требуется ежедневно 8-10 г соли, превышение этой средней нормы в два раза уже вредит здоровью, а в три раза – может вызвать и гипертоническую болезнь. Суточной нормы 8-10 г вполне хватит подсолить кашу, суп, больше человеку и не требуется. Но полностью отказываться от соли нельзя хотя бы по той причине, что соль – это необходимый строительный материал для каждой клетки человеческого организма. Поэтому ни один организм не может обходиться совсем без соли. Чтобы уяснить биологическое действие соли в организме, необходимо обратиться к осмосу, известному физическому явлению. Обусловлен осмос стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций раствора по обе стороны мембраны.

Очень интересно посмотреть, как это явление влияет на жизнедеятельность организмов. Мелкие организмы, обитающие в водоемах, вполне можно уподобить мешочкам с солью, плотность которых больше плотности окружающей их водной среды. вода всегда как бы стремится растворить эти “мешочки с солью”, поглотить их. Пресноводные простейшие еще могут пропустить некоторое количество воды внутрь своего организма, но у них есть специальные приспособления для “откачивания” жидкости. Это сократительные вакуоли.

Эволюция привела к тому, что осмотическое давление, существующее благодаря солевым растворам внутри клеток, как бы распирает клетку изнутри и не дает ей сморщиться. Сложнее обстоит дело с клетками крови (эритроцитами) человека, у которых нет плотной мембраны. Поэтому если разбавить кровь дистиллированной водой, эритроциты раздуются и лопнут. Вот почему для поддержания определенного состава крови нам необходима соль. Именно поэтому при больших кровопотерях в кровь вливают физиологический раствор, содержание хлористого натрия в котором составляет 0,87%, это предотвращает набухание или сморщивание клеток крови. Точно так же и различные капли, которые пускают в нос, готовят на изотоническом растворе, чтобы избежать набухания или обезвоживания клеток слизистой оболочки носа. Все знают, как неприятно, когда при купании в нос попадает пресная вода: она вызывает набухание клеток слизистой. Неприятно также, когда в нос попадает морская вода: она представляет собой гипертоническую среду по отношению к протоплазме и поэтому вызывает сморщивание клеток слизистой. Изотонический же раствор не вызывает никаких неприятных ощущений.

Эффективность английской соли как слабительного также обусловлена осмосом. Ионы, входящие в состав английской соли, не могут быстро проникнуть в клетки эпителия, выстилающего кишечник; в результате, концентрация ионов в просвете кишечника становится значительно выше, чем в клетках; вода выходит из клеток и крови и разжижает содержимое кишечника. Из всего количества потребляемой нами соли лишь небольшой процент всасывается в кровь. Вот почему невозможно и гибельно для организма совсем отказаться от соли.

Многочисленными примерами мы ещё раз доказываем, что без осмоса невозможна жизнь на Земле и он сопровождает нас повсюду.

ШКОЛА950 #ДОНМ #ШколыКолледжиМосквы #Предпрофкласс