16. Осмос. Примеры осмотического эффекта в живых организмах

Явление перехода молекул чистого растворителя через полупроницаемую перегородку в область, занятую раствором, называется осмосом. В результате этого возникает разность давлений между раствором и чистым растворителем. Когда она достигнет определенного значения, осмос прекращается. Разность давлений, при которой осмос прекращается, называется осмотическим давлением.

Для протекания этого явления необходима перегородка (оболочка), обладающая избирательной проницаемостью, то есть пропускающая одни молекулы и не пропускающая другие.

Оболочки живых клеток представляют собой полупроницаемые перегородки, – они проницаемы для молекул воды и непроницаемы для молекул сложных органических соединений, образующихся внутри клетки в процессе ее жизнедеятельности. Благодаря этому внутри клетки образуется раствор с концентрацией несколько превышающей концентрацию внеклеточного раствора, и возникает осмотическое давление, растягивающее клеточную мембрану и делающее клетку упругой, как надутый резиновый мяч, что называется тургором клеток. Благодаря осмосу речным рыбам не нужно пить, – вода поступает в ткани не только через желудок, но и через всю внешнюю поверхность рыбы. Так что пресноводным рыбам нужно постоянно выводить избыток воды. А у морских рыб, кроме акул и скатов, концентрация клеточного раствора меньше концентрации солей в морской воде, и они вынуждены пить воду, усваивая ее через желудок. Море в прямом смысле «высасывает» воду из тканей рыб. Кстати, именно осмотическим высасыванием воды из клеток обусловлено чувство жажды, возникающее после приема соленой пищи или питья морской воды.

17. Фазовые превращения. Фазовые превращения в живых организмах и биотехнологии

Переход из одной фазы в другую называют фазовым превращением. Фазовые превращения сопровождаются скачкообразным изменением энтропии системы. Приведем примеры фазовых превращений: переход из твердой фазы в жидкую – плавление, из жидкой в твердую – кристаллизация; переход из твердой фазы в газообразную – сублимация (возгонка), из газообразной в твердую – конденсация (кристаллизация); переход из жидкой фазы в газообразную – испарение, из газообразной в жидкую – конденсация.

В процессе испарения происходит отток тепла (Q < 0), что приводит к понижению температуры тела. Количество тепла, которое теряет тело при испарении, определяется по формуле (9.6). Для организма испарение является одним из регуляторов температуры, оно усиливается с повышением температуры за счет расширения пор и усиленного потоотделения. Грызуны в жару начинают учащенно дышать, увеличивая испарение воды из легких, так как у них нет потовых желез. Аналогично охлаждаются собаки, у которых потовые железы развиты слабо. Растения испаряют воду в основном листьями через устьица, которые могут открываться и закрываться, регулируя интенсивность испарения, а, значит, и теплоотдачи. Процесс испарения воды растениями называется транспирацией. Фазовые превращения используются во многих биотехнологических процессах.

1. Криоконсервирование. Так называется холодное консервирование – замораживание клеток крови, спермиев и некоторых тканей для хранения и последующей пересадки. Эта технология широко применяется в животноводстве и медицине.

2. Вакуум-сублимационная (лиофильная) сушка. Технологический метод консервирования биопрепаратов (антибиотиков, вакцин, молока и т.п.), сопровождающийся удалением влаги из замороженной среды. Испарение твердого вещества называется сублимацией, а в вакууме процесс испарения становится более интенсивным, – отсюда и название метода. Данный метод позволяет сохранить клеточные структуры и даже жизнеспособность клеток и тканей.

3. Стерилизация. С ростом внешнего давления температура кипения воды возрастает. Это свойство используется при стерилизации, когда нужно уничтожить в воде, молоке или на поверхности каких-либо предметов все микроорганизмы: вирусы, бактерии и грибы. Учитывая, что некоторые из них не погибают и при 100 °С, в специальных емкостях с герметичными крышками вода нагревается до 120 °С и выше, не закипая. Это обусловлено тем, что давление насыщенного пара над водой становится выше атмосферного (пар не может выйти наружу), и температура кипения возрастает.