اسمز چیست؟ — به زبان ساده

اسمز پدیده‌ای است که طی آن عبور خود به خود یا انتشار آب یا سایر حلال‌ها از طریق غشای نیمه نفوذ‌پذیر (یک نوعی از غشا که عبور مواد حل شده را مسدود می کند) صورت می‌گیرد. این فرایند که در زیست شناسی بسیار اهمیت دارد، اولین بار در سال 1877 توسط یک فیزیولوژیست گیاهی آلمانی به نام «ویلهلم ففر» (Wilhelm Pfeffer) مورد مطالعه قرار گرفت. محققان پیشین در این زمینه، مطالعات کمتری راجع به غشاهای نیمه نفوذپذیر یا غشای نیمه تراوا و عبور از طریق آن‌ها در جهت‌های مخالف آب و مواد فرار انجام داده بودند. اصطلاح عمومی اسمز در سال 1854 توسط یک شیمیدان انگلیسی به نام «توماس گراهام» (Thomas Graham) معرفی شد.

اگر یک محلول از حلال خالص درون یک غشا نفوپذیر به حلال و غیرنفوذپذیر به حل شونده قرار گیرد، محلول تمایل دارد با جذب حلال از طریق غشا، رقیق‌تر شود. این فرآیند با افزایش فشار روی محلول توسط مقدار مشخصی، تحت عنوان «فشار اسمزی» (Osmotic Pressure) قابل توقف است، در واقع فشار اسمزی عبارت از حداقل فشار لازم برای جلوگیری از عبور یک محلول از غشای نیمه نفوذپذیر است. شیمیدان هلندی به نام «یاکوبوس هنریکوس وانت‌هوف» (Jacobus Henricus van ’t Hoff) در سال 1886 نشان داد که شباهت‌های اساسی بین خواص گازها و محلول‌های رقیق در حجم و فشار وجود دارد و به این ترتیب توانست فشار اسمزی را محاسبه کند. این رابطه منجر به معادلات تعیین وزن مولکولی حل شونده‌ها در محلول‌های رقیق از طریق اثر روی نقطه انجماد، نقطه جوش یا فشار بخار حلال شد.

اسمز چیست؟

اسمز (Osmosis) یکی از روش‌های انتشار مواد بین دو مکان مختلف است که‌ در زیست شناسی‌، معمولا از این پدیده در انتقالات بین سلولی استفاده می‌شود. فرایند انتشار زمانی اتفاق می‌افتد که مولکول‌ها یا اتم‌ها از ناحیه‌‌ای با غلظت بالا به منطقه‌ای با غلظت کم منتقل می‌شوند. پدیده اسمز در مواردی رخ می‌دهد که یک ماده از یک «غشای نیمه نفوذپذیر» (Semipermeable Membrane) عبور می‌کند تا بتواند غلظت ماده دیگری را متعادل کند.

فیلم آموزش بیوشیمی غشا – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در زیست شناسی‌، معمولاً زمانی یک حلال مانند آب به سلول وارد یا از آن خارج می‌شود که غلظت یک حل شونده مانند نمک در دو سمت سلول با هم متفاوت باشد. پدیده اسمز به صورت خود به خود و بدون هیچ گونه صرف انرژی از طرف سلول اتفاق می‌افتد.

حلال‌ها و حل شونده‌ها

پدیده اسمز با «محلول‌های شیمیایی» (Chemical Solutions) سروکار دارد. محلول‌ها دو بخش دارند‌، یک بخش آن‌ها را «حلال‌ها» (Solvent) تشکیل می‌دهند و بخش دوم محلول‌ها از «مواد حل شونده» (Solute) در حلال ساخته می‌شوند. وقتی ماده حل شونده در حلال حل شود‌، محصول نهایی به عنوان محلول در نظر گرفته می‌شود. آب نمک نمونه‌ای از یک محلول ساده است. در این محلول نمک به عنوان ماده حل شونده و آب حلال را تشکیل می‌دهد.

انواع محلول‌ها

در زیست شناسی‌، سه نوع محلول مختلف وجود دارد که سلول‌‌ها می‌توانند در آن قرار گیرند، این سه نوع محلول، شامل موارد زیر هستند:

• محلول ایزوتونیک‌ (Isotonic Solution)
• محلول هیپوتونیک (Hypotonic Solution)
• محلول هایپرتونیک (Hypertonic Solution)

انواع مختلفی از محلول‌‌ها به دلیل پدیده اسمز در سلول اثرات متفاوتی دارند.

محلول ایزوتونیک

محلول ایزوتونیک، به محلولی می‌گویند که غلظت مواد حل شونده آن، در داخل و خارج از سلول یکسان است. به عنوان مثال‌، اگر در سلولی غلظت نمک درون آن مشابه غلظت نمک در آب و سیال اطراف سلول باشد، می‌گویند آن سلول در محلول ایزوتونیک قرار گرفته است. در این شرایط‌، هیچ حرکت خالصی از حلال بین خارج و داخل سلول وجود ندارد. در این حالت‌، مقدار آب ورودی و خروجی از غشای سلول مساوی است.

محلول هیپوتونیک

در یک محلول هیپوتونیک‌، غلظت بیشتری از مواد حل شونده در داخل سلول نسبت به خارج از سلول وجود دارد. وقتی این اتفاق بیفتد‌، حلال بیشتری وارد سلول می‌شود تا غلظت مواد حل شونده را در دو سوی سلول متعادل کند.

‌محلول هایپرتونیک

محلول ‌‌هایپرتونیک نقطه مقابل محلول هیپوتونیک است، به طوری که در خارج از سلول، غلظت مواد حل شونده بیشتری نسبت به غلظت مواد حل شونده درون سلول وجود دارد. در این نوع محلول‌، برای کاهش غلظت مواد حل شونده در خارج از سلول‌، حلال بیشتری از سلول خارج می‌شود تا غلظت محلول خارجی با غلظت محلول داخل سلول به تعادل برسد.

چگونه اسمز بر سلول‌‌ها تأثیر می‌گذارد؟

اسمز در سلول‌های گیاهی و حیوانی متفاوت است، زیرا سلول‌های گیاهی و حیوانی می‌توانند غلظت‌های مختلف آب را تحمل كنند. در محلول هیپوتونیک‌، یک سلول حیوانی با آب و مواد تجزیه کننده بیش از حد پر می‌شود‌. با این حال سلول‌های گیاهی به آب بیشتری نسبت به سلول‌های حیوانی احتیاج دارند و به دلیل دیواره‌‌های ضخیم سلولی که دارند، با قرارگیری در محلول هیپوتونیک تخریب نمی‌شوند. محلول‌های هیپوتونیک برای سلول‌های گیاهی ایده‌آل هستند، در حالی که شرایط مطلوب سلول حیوانی قرار گرفتن در محلول ایزوتونیک‌، با مقدار مساوی آب و مواد حل شونده در داخل و خارج سلول است.

فیلم آموزش یاخته شناسی و بافت شناسی گیاهی پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

هنگامی‌ که سلول گیاهی در محلول ایزوتونیک قرار دارد‌، سلول‌های آن دیگر متورم و پر از آب نیستند و برگ‌های گیاه پژمرده شده و از بین می‌روند. در محلول ‌‌هایپرتونیک‌، آب از هر دو سلول حیوانی و گیاهی بیرون خواهد آمد و سلول‌‌ها کوچک شده و خشک می‌شوند (در گیا‌هان‌، به این عمل پلاسمولیزاسیون گفته می‌شود). به همین دلیل است که وقتی بر روی حلزون‌ها نمک پاشیده می‌شود‌، حلزون‌‌ها کوچک شده و می‌میرند، در این حالت مولکول‌های آب سلول‌‌های خود را به منظور تعادل بیشتر غلظت نمک در خارج از سلول‌‌ها، ترک می‌کنند.

شکل زیر اثر اسمز در گلبول‌های قرمز را نشان می‌دهد:

نمونه‌‌هایی از اسمز

اسمز پدیده‌ای است که نشان می‌دهد، چگونه گیاه می‌تواند آب را از درون خاک جذب کند. ریشه‌‌های گیاه غلظت بالاتری از ترکیبات حل شونده نسبت به خاک اطراف دارند‌، بنابراین جهت ایجاد تعادل، آب از خاک به ریشه‌‌ها منتقل می‌شود.

در گیا‌هان‌، سلول‌های محافظ نیز تحت تأثیر اسمز قرار دارند. سلول‌های محافظ، سلول‌هایی هستند که در قسمت زیرین برگ‌ها باز و بسته می‌شوند، تا امکان تبادل گاز فراهم شود. هنگامی ‌که سلول‌های گیاه پر از آب هستند‌، سلول‌های محافظ متورم شده و روزنه‌‌ها را باز می‌کنند‌، روزانه‌ها سوراخ‌‌های کوچکی هستند که به گیاه اجازه می‌دهند، دی اکسید کربن را در خود جای دهد و اکسیژن را آزاد کند.

اسمز می‌تواند بر جانورانی مانند ماهی‌ها اثرات منفی بگذارد. اگر ماهی‌‌های آب شیرین یا ماهی‌های آب شور در آبی قرار بگیرند که غلظت نمک متفاوتی نسبت به محیط اصلی زندگی آن‌ها داشته باشد‌، به دلیل ورود بیش از حد آب به سلول‌های بدن ماهی یا خروج آب از آن‌ها، ماهی‌ها می‌میرند.

اسمز می‌تواند بر انسان نیز تأثیر بگذارد. در افرادی که به بیماری وبا مبتلا می‌شوند، باکتری‌‌های عامل وبا در روده‌ها به مقدار بسیار زیادی تکثیر شده و باعث می‌شوند، روده‌‌ها قادر به جذب آب نباشند. این باکتری‌‌ها در واقع جریان جذب آب را معکوس می‌کنند، زیرا اسمز باعث می‌شود آب به جای ورود به روده از آن خارج شود. این امر باعث کم آبی شدید و گاهی مرگ در فرد مبتلا می‌شود.

اثر خفیف‌تر اسمز را می‌توان هنگامی که انگشتان دست و پا به مدت طولانی در آب قرار می‌گیرند، مشاهده کرد. در این زمان انگشتان حالت چروکیده به خود می‌گیرند که در نتیجه خروج بیش از حد آب از داخل سلول‌ها اتفاق می‌افتد.

اصطلاحات مربوط به پدیده اسمز

• انتشار (Diffusion): فرآیندی که توسط آن مولکول‌‌ها از مناطقی با غلظت بالا به مناطق با غلظت کم منتقل می‌شوند، انتشار نام دارد. اسمز یکی از انواع روش‌های انتشار به شمار می‌آید.
• محلول (Solution): محلول، از مخلوط دو یا چند ماده تشکیل شده است که در آن یک ماده‌، به عنوان حلال، مواد دیگر را به عنوان حل شونده در خود حل می‌کند.
• غشای نیمه نفوذ پذیر (Semipermeable): به غشای نیمه نفوذ پذیر، غشایی با نفوذ پذیری انتخابی نیز می‌گویند. این بدان معنی است که فقط برخی از مواد می‌توانند از این سد یا غشا عبور کنند. غشای سلولی یک غشای نیمه نفوذپذیر است.
• سلول (Cell): کوچک‌ترین واحدی که یک ارگانیسم زنده را تشکیل می‌دهد، سلول نام دارد. یک سلول شامل بخش‌‌های مختلفی به نام اندامک‌‌ها است که دارای کارکرد‌هایی مانند ذخیره مواد ژنتیکی و ساختن پروتئین‌‌ها و تولید و ذخیره انرژی هستند.