Диффузия. Диффузия в клетках и тканях
Диффузия (от лат. diffusion – распространение, растекание) – взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества.
Диффузия происходит в газах, жидкостях и твердых телах, причем диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы (самодиффузия).
Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее – в жидкостях, еще медленнее – в твердых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах.
Диффузия газа (или жидкости) происходит при наличии градиента концентрации (плотности). Градиент плотности 
характеризует быстроту изменения плотности вдоль выбранного направления (например, Ох).
Процесс диффузии подчиняется закону Фика: масса газа М, продиффундировавшего за время 
через площадку 
, расположенную перпендикулярно 
, пропорциональна градиенту плотности , величине площадки и времени переноса, т.е.
(3.6)
Знак «–» указывает на то, что процесс переноса газа происходит в направлении уменьшения его плотности.
D – это коэффициент диффузии, физический смысл которого: D численно равен массе газа, перенесенной за единицу времени, через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению при градиенте плотности, равном единице.
|
|
|
В системе СИ 
.
Значение D для воды – 
, для кислорода – 
.
Благодаря диффузии осуществляется питание растений. Находящаяся внутри корней растения почвенная вода содержит в себе различные растворенные вещества. Питательные для растения вещества быстро усваиваются ими. Поэтому концентрация этих веществ оказывается внутри корней все время меньше, чем вне корней. Наличие градиента концентрации у поверхности корней поддерживает, в соответствии с формулой Фика, непрерывный диффузионный поток питательных веществ из окружающей почвенной воды в корневую систему.
Около 98 % кислорода, необходимого организму, поглощается легкими в процессе диффузии. Стенки небольших емкостей внутри легких, называемых альвеолами, в которых происходит диффузия, у взрослого человека имеют общую площадь 
. Альвеолярные стенки предельно тонки (средняя толщина 
) и плотно оплетены сетью соединительных капилляров. Поэтому кровь циркулирует через мембраны легких только тонкой струйкой. В любой момент общее количество крови в капиллярах легких 
или 
. Так как площадь поверхности, через которую кислород диффундирует в кровь, а углекислый газ обратно, очень велика, а толщина мембран мала, процесс диффузии оказывается достаточно эффективным. За 1 с находящаяся в капиллярах кровь насыщается кислородом и освобождается от избытка углекислоты.
|
|
|
Из формулы (3.6) следует, что диффузионный приток кислорода в организм будет тем интенсивнее, чем больше поверхность 
соприкосновения организма с внешней средой (то есть, чем больше площадь покрова) и, чем меньше толщина 
покрова. Поэтому мелкие организмы, имеющие большую площадь покрова на единицу объема тела, могут обходиться без специальных органов дыхания, довольствуясь притоком кислорода 
через покров. У более крупных организмов диффузия через покров оказывается достаточной только в случае очень тонкого покрова, как это имеет место, например, у земноводных.
Крупные организмы с грубым кожным покровом нуждаются в специальных дыхательных органах, имеющих большую площадь соприкосновения с окружающей средой: легкие у животных и человека; листья – у растений и т.д. Путем диффузионного обмена через листья осуществляется частично и питание растений.
Диффузия также является основным механизмом, обеспечивающим газообмен между почвенным и атмосферным воздухом, т.е. вынос углекислого газа из почвы в атмосферу и перенос кислорода в обратном направлении.
|
|
|
Растворы. Осмос.
При растворении в жидкости твердого вещества его молекулы равномерно распределяются во всем объеме жидкости, образуя среду, называемую раствором; жидкость называется растворителем, твердое вещество – раствореннымвеществом.
Масса 
растворенного вещества, приходящаяся на единицу объема 
раствора, называется концентрацией раствора 
:
(3.7)
Растворы малой концентрации называются слабыми или разбавленными. В слабом растворе растворенное вещество напоминает собой идеальный газ. На рисунке 3.9 точками изображены молекулы растворенного вещества. Можно предположить, что растворенное вещество обладает парциальным давлением 
, которое из закона Менделеева - Клапейрона определяется так:
(3.8)
где 
– масса и молярная масса растворенного вещества;
– объем и температура раствора;
– универсальная газовая постоянная.
Рис. 3.9
Для обнаружения этого давления необходимо отделить раствор от чистого растворителя так называемой полупроницаемой перегородкой, пропускающей молекулы растворителя, но не пропускающей молекулы растворенного вещества. Такими перегородками (их называют еще мембраны) являются оболочки из разных растительных и животных тканей.
|
|
|
Многие биологические мембраны проницаемы для воды, но непроницаемы для веществ, растворенных в воде, т.е. являются полупроницаемыми.
Явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую перегородку, отделяющую раствор от чистого растворителя называют осмосом, а возникающее при этом в растворе избыточное давление (равное парциальному давлению растворенного вещества) называют осмотическим давлением.
Используя понятие концентрации раствора , можно из (3.8) получить
(3.9)
То есть осмотическое давление прямо пропорционально концентрации и температуре раствора 
и обратно пропорционально молярной массе растворенного вещества 
.
Этот закон был установлен в 1887 г. голландским химиком Вант – Гоффом и носит его имя.
Если сушенную ягоду с неповрежденной оболочкой погрузить в воду, то вскоре ягода набухает, приняв сферическую форму, что свидетельствует об избыточном (осмотическом) давлении внутри ягоды.
Явление осмоса играет исключительно важную роль в жизни растительных и животных организмов. Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки; они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соединений, создающихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому внутри клетки образуется раствор и возникает осмотическое давление, делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч. Понятно, что построенные из таких клеток растительные и животные ткани будут обладать большой упругостью и приобретут способность сохранять свою форму.
В биологии это обусловленное осмосом явление носит название тургора клеток. Осмотическое давление в клетках растений достигает примерно 
. Осмотическое давление крови человека составляет около 
. Оно в основном создается содержащимися в плазме крови растворами неорганических солей.
Благодаря тургору растения сохраняют упругость. Особенно ярко это проявляется у таких растений, ткани которых обогащены водой: у кактуса, алоэ, агавы. Важную роль тургор играет в формообразовании при отсутствии у организма арматурной ткани, как, например, у помидоров, гусениц, медуз.
Если клетка организма граничит с концентрированным водным раствором вещества, для которого оболочка клетки непроницаема, то вода переходит из клетки в этот раствор. Происходит так называемое «осмотическое высасывание» воды из клетки. Им обусловлено чувство жажды, возникающее после приема сладкой пищи.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 1669; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!