Osmoza - odmiana dyfuzji prostej

Osmoza jest zjawiskiem zachodzącym spontanicznie pomiędzy dwoma roztworami oddzielonymi błoną półprzepuszczalną (błoną biologiczną). Zachodzi we wszystkich organizmach żywych. Na czym polega ten proces i dlaczego jest kluczowy dla regulacji gospodarki wodnej komórki?

Mechanizm osmozy

Osmoza jest jedną z odmian dyfuzji prostej. Polega ona na dyfuzji rozpuszczalnika (np. wody) przez membranę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. W komórkach tę membranę stanowią błony biologiczne, np. błona komórkowa i tonoplasttonoplasttonoplast. Rozpuszczalnik przechodzi spontanicznie z roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonej (roztwór hipotoniczny) do roztworu o wyższym stężeniu (roztwór hipertoniczny). W wyniku osmozy dochodzi do wyrównania się stężeń obu roztworów.

R1PHXSKHV4QR2

Ilustracja przedstawia schematycznie zjawisko osmozy. W przezroczystym naczyniu znajdują się dwa roztwory przedzielone membraną półprzepuszczalną. Roztwór po lewej jest podpisany: „Roztwór hipertoniczny” i ma więcej czerwonych kulek. Natomiast po prawej to „Roztwór hipotoniczny”, który ma mniej czerwonych kulek. Jasnoniebieskimi strzałkami zaznaczono przepływ wody przez membranę, z roztworu hipotonicznego do hipertonicznego.

Kiedy stężenia substancji rozpuszczonej w obu, oddzielonych od siebie błoną półprzepuszczalną są takie same (roztwory izotoniczne), rozpuszczalnik nie przemieszcza się między roztworami. Mówimy, że roztwory takie są w równowadze osmotycznej.

Skutki osmozy

Skutki jakie powoduje osmotyczny przepływ wody zależą od tego czy komórka posiada ścianę komórkową (rośliny, grzyby, protisty roślinopodobne, bakterie), czy otoczona jest jedynie błoną komórkową (zwierzęta).

Skutki osmozy w komórkach otoczonych ścianą komórkową

Kiedy komórka otoczona ścianą komórkową zostanie umieszczona w roztworze hipotonicznym, wówczas napływa do niej woda. Komórka taka uzyskuje odpowiedni turgor (jędrność), a sztywna ściana komórkowa chroni ją przed rozerwaniem.

W przypadku gdy komórka roślinna, grzybowa, protista roślinopodobnego lub bakteryjna zostanie umieszczona w roztworze hipertonicznym dochodzi do wypływu z niej wody. W rezultacie maleje objętość wakuoli, komórka traci jędrność (turgor), a jej cytoplazma ulega obkurczeniu i odstaje od sztywnej ściany komórkowej. Zjawisko takie nosi nazwę plazmolizy.

RVKNDO25PNFJ4

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia duże, sześciokątne komórki roślinne z zabarwioną na różowo zawartością.

R12LBVE3L13KB

Zdjęcie mikroskopowe przedstawia duże, sześciokątne komórki, których zabarwiona na różowo zawartość znacznie odstaje do wewnątrz od zarysu ścian komórkowych.

Jeżeli podczas plazmolizy nie nastąpi uszkodzenie struktur komórkowych, proces ten może zostać odwrócony po umieszczeniu splazmolizowanej komórki w roztworze hipotonicznym. Wówczas dochodzi do napływu wody do wnętrza komórki, powiększa się jej wakuola i komórka odzyskuje właściwy turgor. Proces ten nazywany jest deplazmolizą.

Zjawisko plazmolizy i deplazmolizy występuje nieustannie w warunkach fizjologicznych. Niektóre komórki roślinne np. włośniki przenikając między cząsteczkami gleby o różnej dostępności wody, są ciągle w stanie plazmolizy lub deplazmolizy. Dostosowując stężenie substancji rozpuszczonych w soku komórkowym włośniki zapewniają tym samym pobieranie wody z roztworu glebowego.

Skutki osmozy w komórkach bez ściany komórkowej

Komórki zwierzęce umieszczone w roztworze hipertonicznym tracą wodę, przez co zmieniają kształt i kurczą się. W roztworze hipotonicznym natomiast chłoną wodę, co skutkuje ich pęcznieniem. Brak ściany komórkowej nie ogranicza ich objętości. Dlatego zbyt duża ilość wody napływającej do ich wnętrza może powodować rozerwanie błony komórkowej i pęknięcie komórki.

Podsumowanie

• Osmoza to proces biernego transportu wody przez błonę półprzepuszczalną – z roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonych (hipotonicznego) do roztworu o wyższym stężeniu (hipertonicznego).

• W komórkach roślinnych i zwierzęcych proces osmozy przebiega nieco inaczej ze względu na obecność ściany komórkowej tylko u roślin.

• W komórkach roślinnych, w roztworze hipertonicznym woda wypływa z komórki, wakuola się kurczy, a błona komórkowa odstaje od ściany – dochodzi do plazmolizy. W roztworze hipotonicznym komórka chłonie wodę, wakuola się powiększa, cytoplazma naciska na ścianę komórkową – komórka utrzymuje turgor.

• Umieszczenie komórki po plazmolizie ponownie w roztworze hipotonicznym prowadzi do deplazmolizy, czyli powrotu komórki do stanu sprzed plazmolizy.

• Komórka zwierzęca w roztworze hipotonicznym chłonie wodę i może pęknąć z powodu braku ściany komórkowej. Natomiast w roztworze hipertonicznym komórka traci wodę i kurczy się.

Ćwiczenia utrwalające

Schematy do ćwiczeń 5 i 6

Schemat A:

R2PE5D94NAQTJ

Ilustracja przedstawia trzy rysunki. Pierwszy zatytułowany jest Roztwór pierwszy. Znajduje się na niej kilka czerwonych form o falistym, nieregularnym konturze. Pod tym skupiskiem widoczna jest taka sama, ale pojedyncza forma. Odchodzą od niej dwie strzałki wskazujące poza nią H dolny indeks 2 O. Drugi rysunek, zatytułowany Roztwór drugi, przedstawia czerwone, okrągłe oraz owalne formy. Każda ma małe wklęśnięcie w środku. Poniżej znajduje się taka sama, ale pojedyncza forma. Widoczna jest jedna żółta strzałka z napisem H dolny indeks 2 O wskazująca na formę oraz jedna zielona strzałka odchodząca od niej z widocznym napisem H dolny indeks 2 O. Na trzecim rysunku, zatytułowanym Roztwór trzeci, są czerwone, okrągłe i nerkowate formy. W jednej widoczne jest pęknięcie, z którego wydostaje się niebieska ciecz. Każda z nich ma ledwo widoczne wklęśnięcie w środku. Poniżej znajduje się taka sama, ale pojedyncza forma. W jej stronę skierowane są dwie strzałki. W środku formy widoczny jest napis H dolny indeks 2 O.

Schemat B:

R1UL2AQQCZXX7

Ilustracja przedstawia trzy komórki zatytułowane kolejno: Roztwór pierwszy, Roztwór drugi, Roztwór trzeci. W pierwszym woda przemieszcza się z komórki do roztworu. W drugim woda w równym stopniu wypływa z komórki, jak i do niej napływa. W trzecim woda napływa do komórki. Podpisana jest słowem Wakuola.