THẨM THẤU: QUÁ TRÌNH, CÁC LOẠI, SỰ KHÁC BIỆT VỚI KHUẾCH TÁN VÀ VÍ DỤ - SINH HỌC - 2025

Sự thẩm thấu là một hiện tượng thụ động dịch chuyển nước qua màng. Đây có thể là màng tế bào, biểu mô hoặc màng nhân tạo. Nước di chuyển từ vùng có áp suất thẩm thấu thấp (hoặc nơi có nhiều nước hơn) sang vùng có áp suất thẩm thấu cao hơn (hoặc nơi ít nước hơn).

Quá trình này có liên quan đến sinh học và điều phối một loạt các quá trình sinh lý, cả ở động vật và thực vật.

Nguồn: OpenStax

Nhà nghiên cứu đầu tiên báo cáo về hiện tượng thẩm thấu là Abbé Jean Antoine Nollet. Năm 1748, Nollet đang làm việc với màng tế bào động vật và nhận thấy rằng khi đặt nước tinh khiết vào một bên của màng và một dung dịch có chất điện ly loãng ở bên kia, nước sẽ di chuyển vào vùng có chất hòa tan.

Do đó, sự di chuyển của nước theo gradient nồng độ của nó đã được mô tả và nó được gọi là sự thẩm thấu. Thuật ngữ này xuất phát từ gốc tiếng Hy Lạp là osmos, có nghĩa là đẩy.

Năm 1877, Wilhelm Pfeller đã có những nghiên cứu đầu tiên về áp suất thẩm thấu. Thiết kế thử nghiệm của ông liên quan đến việc sử dụng một "màng" đồng ferrocyanide trên bề mặt của một cốc đất sét xốp, tạo ra một màng cho phép các phân tử nước đi qua.

Màng nhân tạo của Pfeller đủ mạnh để chịu được áp suất thẩm thấu đáng kể và không bị sụp đổ. Nhà nghiên cứu này đã có thể kết luận rằng áp suất thẩm thấu tỷ lệ với nồng độ chất tan.

Quá trình

Sự di chuyển của nước qua màng từ khu vực có nồng độ thấp đến khu vực có nồng độ cao được gọi là thẩm thấu. Quá trình này xảy ra từ vùng có áp suất thẩm thấu thấp nhất đến vùng có áp suất thẩm thấu cao nhất.

Lúc đầu, tuyên bố này có thể gây nhầm lẫn - và thậm chí mâu thuẫn. Chúng ta đã quen với việc di chuyển “từ cao xuống thấp” một cách thụ động. Ví dụ, nhiệt có thể từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp, glucose khuếch tán từ vùng có nồng độ cao đến vùng ít tập trung hơn, v.v.

Như chúng ta đã đề cập, nước gặp hiện tượng thẩm thấu sẽ chuyển từ áp suất thấp đến áp suất cao. Điều này xảy ra bởi vì nước nhiều hơn trên một đơn vị thể tích trong đó chất tan ít hơn.

Có nghĩa là, trong quá trình thẩm thấu, nước di chuyển nơi nó (nước) dồi dào hơn đến nơi ít dồi dào hơn. Vì vậy, hiện tượng phải được hiểu dưới góc độ nước.

Điều quan trọng cần nhớ là sự thẩm thấu chi phối sự chuyển động của nước qua màng và không ảnh hưởng trực tiếp đến sự chuyển động của các chất hòa tan. Khi các chất hòa tan khuếch tán, chúng làm như vậy bằng cách tuân theo các độ dốc của nồng độ hóa học riêng của chúng. Chỉ có nước tuân theo gradien nồng độ của áp suất thẩm thấu.

Áp suất thẩm thấu

Áp lực?

Một trong những khía cạnh khó hiểu nhất khi nói đến quá trình thẩm thấu là việc sử dụng từ áp lực. Để tránh nhầm lẫn, điều quan trọng là phải làm rõ rằng bản thân dung dịch không tạo ra áp suất thủy tĩnh do áp suất thẩm thấu của nó.

Ví dụ, một dung dịch glucozơ 1 M có áp suất thẩm thấu là 22 atm. Tuy nhiên, dung dịch không làm "nổ" chai thủy tinh và có thể được bảo quản giống như nước tinh khiết vì dung dịch cô lập không chuyển thành áp suất thủy tĩnh.

Thuật ngữ áp suất được sử dụng chỉ vì một tai nạn lịch sử, vì các nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu các hiện tượng này là vật lý và hóa học.

Do đó, nếu hai dung dịch khác nhau về áp suất thẩm thấu của chúng được ngăn cách bởi một màng, thì một áp suất thủy tĩnh sẽ được tạo ra.

Áp suất thẩm thấu và thủy tĩnh

Quá trình thẩm thấu dẫn đến hình thành áp suất thủy tĩnh. Sự chênh lệch áp suất dẫn đến sự gia tăng mức độ của dung dịch đậm đặc hơn, khi nước khuếch tán vào nó. Mực nước tiếp tục tăng cho đến khi tốc độ chuyển động thực của nước bằng không.

Dòng chảy thực đạt được khi áp suất thủy tĩnh trong ngăn II đủ để buộc các phân tử nước trở lại trạng thái I, với cùng tốc độ thẩm thấu làm cho các phân tử di chuyển từ ngăn I sang ngăn II.

Áp suất của nước làm cho các phần tử rút lui (từ ngăn I đến ngăn II) được gọi là áp suất thẩm thấu của dung dịch trong ngăn II.

Dòng nước trong tế bào được kiểm soát như thế nào?

Nhờ hiện tượng thẩm thấu mà nước có thể di chuyển một cách thụ động qua màng tế bào. Trong lịch sử, người ta biết rằng động vật thiếu hệ thống vận chuyển nước tích cực để kiểm soát dòng chảy của chất này.

Tuy nhiên, hệ thống vận chuyển chất tan tích cực có thể thay đổi hướng chuyển động của nước theo hướng có lợi. Theo cách này, vận chuyển chất tan tích cực là một cách mà động vật sử dụng năng lượng trao đổi chất của chúng để điều khiển hướng vận chuyển của nước.

Định lượng

Có những công thức toán học cho phép đo tốc độ nước sẽ qua màng bằng cách thẩm thấu. Phương trình để tính toán nó như sau:

Tốc độ vận chuyển thẩm thấu của nước = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Trong đó Π ₁ và Π ₂ là áp suất thẩm thấu của các dung dịch ở cả hai phía của màng và X là khoảng cách ngăn cách chúng.

Mối quan hệ (Π ₁ –Π ₂ / X) được gọi là gradien áp suất thẩm thấu hoặc gradien thẩm thấu.

Số hạng cuối cùng trong phương trình là K là hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào nhiệt độ và độ thấm của màng.

Sự khác biệt với sự khuếch tán

Phát sóng là gì?

Sự khuếch tán xảy ra do chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các phân tử hòa tan hoặc lơ lửng, làm cho sự phân tán của chúng từ vùng có nồng độ cao đến vùng thấp nhất. Tốc độ khuếch tán có thể được tính bằng phương trình Fick.

Đây là một quá trình gắng sức do sự gia tăng entropi được biểu thị bằng sự phân bố ngẫu nhiên của các phân tử.

Trong trường hợp chất đó là chất điện phân, thì phải tính đến tổng điện tích giữa hai ngăn - ngoài nồng độ.

Sự thẩm thấu là một trường hợp đặc biệt của sự khuếch tán

Sự khuếch tán và thẩm thấu không phải là những thuật ngữ đối lập, ít loại trừ lẫn nhau hơn nhiều.

Các phân tử nước có khả năng di chuyển nhanh chóng qua màng tế bào. Như chúng tôi đã giải thích, chúng khuếch tán từ vùng có nồng độ chất tan thấp sang vùng có nồng độ cao trong một quá trình gọi là thẩm thấu.

Chúng ta có vẻ lạ khi nói về “nồng độ nước”, nhưng chất này hoạt động giống như bất kỳ chất nào khác. Đó là, nó khuếch tán có lợi cho gradient nồng độ của nó.

Tuy nhiên, một số tác giả sử dụng thuật ngữ "khuếch tán nước" như một từ đồng nghĩa với thẩm thấu. Áp dụng nó theo nghĩa đen cho các hệ thống sinh học có thể là sai lầm, vì nó đã được chứng minh rằng tốc độ thẩm thấu qua màng sinh học cao hơn những gì mong đợi bởi một quá trình khuếch tán đơn giản.

Trong một số hệ thống sinh học, nước đi qua sự khuếch tán đơn giản qua màng tế bào. Tuy nhiên, một số ô có các kênh đặc biệt để nước đi qua. Chất quan trọng nhất được gọi là aquaporin, làm tăng tốc độ dòng nước qua màng.

Ví dụ

Trong các hệ thống sinh học, sự di chuyển của nước qua màng tế bào là rất quan trọng để hiểu được hàng chục quá trình sinh lý. Một số ví dụ:

Trao đổi thẩm thấu ở cá nước ngọt

Một ví dụ thú vị về vai trò của thẩm thấu ở động vật là sự trao đổi nước xảy ra ở cá sống ở vùng nước ngọt.

Động vật sống trong môi trường nước ngọt được lấy nước liên tục từ sông hoặc ao nơi chúng sống vào cơ thể, vì nồng độ của huyết tương và các chất dịch cơ thể khác có nồng độ cao hơn nhiều so với nồng độ của nước. .

Loài cá Carassius auratus sống trong môi trường nước ngọt. Một cá nhân có khối lượng 100 gam có thể nhận được khoảng 30 gam nước mỗi ngày nhờ sự chuyển động của nước bên trong cơ thể. Cá có hệ thống - tốn kém về mặt năng lượng - để liên tục loại bỏ lượng nước dư thừa.

Tái hấp thụ chất lỏng

Trong hệ tiêu hóa của động vật, hiện tượng thẩm thấu phải xảy ra để nó hoạt động tốt. Đường tiêu hóa tiết ra một lượng chất lỏng đáng kể (theo thứ tự lít) phải được tái hấp thu bằng cách thẩm thấu bởi các tế bào lót ruột.

Trong trường hợp hệ thống này không thực hiện công việc của mình, các hiện tượng tiêu chảy nghiêm trọng có thể xảy ra. Sự cố này kéo dài có thể khiến bệnh nhân bị mất nước.

Turgor trong thực vật

Thể tích nước bên trong tế bào phụ thuộc vào nồng độ của cả môi trường bên trong và bên ngoài, và dòng chảy được điều hòa bởi các hiện tượng khuếch tán và thẩm thấu.

Nếu một tế bào động vật (chẳng hạn như hồng cầu) được đặt trong môi trường khuyến khích sự xâm nhập của nước, nó có thể vỡ ra. Ngược lại, tế bào thực vật có một bức tường bảo vệ chúng khỏi căng thẳng thẩm thấu.

Trên thực tế, các cây không thân gỗ tận dụng áp lực này do nước xâm nhập thụ động. Áp lực này giúp giữ cho các cơ quan khác nhau của thực vật, chẳng hạn như lá, mục. Ngay sau khi nước bắt đầu chảy ra khỏi tế bào, tế bào sẽ mất độ ẩm và khô héo.

Người giới thiệu

1. Cooper, GM, Hausman, RE & Hausman, RE (2000). Tế bào: một cách tiếp cận phân tử. Nhấn ASM.
2. Eckert, R., Randall, R., & Augustine, G. (1988). Sinh lý động vật: cơ chế và sự thích nghi. WH Freeman & Co.
3. Hill, RW, Wyse, GA, Anderson, M., & Anderson, M. (2004). Sinh lý động vật. Sinauer Associates.
4. Karp, G. (2009). Sinh học tế bào và phân tử: khái niệm và thí nghiệm. John Wiley và các con trai.
5. Pollard, TD, Earnshaw, WC, Lippincott-Schwartz, J., & Johnson, G. (2016). Sách điện tử Sinh học Tế bào. Khoa học sức khỏe Elsevier.
6. Schmidt-Nielsen, K. (1997). Sinh lý động vật: thích nghi và môi trường. Nhà xuất bản Đại học Cambridge.