§ 7. Роль осмоса и осмотического давления в биологических системах. Плазмолиз и гемолиз
Осмос играет очень важную роль в биологических системах. Силы осмоса во многом определяют жизнь. Осмос имеет большое значение в жизнедеятельности растительных и животных организмов. Осмотическое давление внутри организма является важным фактором, определяющим распределение воды между различными частями организма. На этом явлении основаны процессы всасывания и поглощения питательных веществ организмом. К стенкам живой клетки прилегает слой протоплазмы, который играет роль полупроницаемой перегородки, и благодаря осмотическим явлениям возможны процессы проникновения в клетку одних веществ и вывода других. Когда растение соприкасается непосредственно с водой, то молекулы ее проникают внутрь клетки. При этом растительная ткань приобретает прочность и упругость – тургор. Тургорное давление клетки уравновешивается эластическим напряжением клеточных стенок. Без воды клетки отмирают, протоплазма теряет свои функции, растение лишается упругости и увядает.
В нашем организме постоянное осмотическое давление обеспечивают минеральные соли, они поддерживают неизменным солевой состав крови, от осмотического давления зависит количество воды в крови и тканях. Например, оболочка эритроцитов не проницаема для ряда компонентов (Na+ и K+), хотя свободно пропускает анионы и воду. Поддерживать необходимое осмотическое давление в организме – главная обязанность натрия.
Осмотическое давление в организме поддерживается постоянным за счет работы почек, удаляющих избыток воды и солей. Постоянство осмотического давления носит название «изоосмия». В нормальных условиях осмотическое давление внутренних сред человеческого организма постоянно. Нарушение изоосмии является губительным для организма.
Рассмотрим что же такое плазмолиз и гемолиз. Поскольку мембраны красных кровяных телец полупроницаемы, то при попадании красных кровяных телец в гипертонический (по отношению к внутриклеточной жидкости) раствор, из них вытекает вода (рис. 2). В результате красные кровяные тельца сморщиваются.
Этот процесс называется кренацией или плазмолизом. Когда красные кровяные тельца попадают в гипотонический (по отношению к внутриклеточной жидкости) раствор, в них начинает поступать вода. Это приводит к разрыву красных кровяных телец. Такой процесс называется гемолизом (гемо – кровь, лиз – разрушение).
Рис. 2. Плазмолиз, вызванный удалением воды из клетки
Гемолиз, обусловленный проникновением воды в клетку
Больным, нуждающимся в возмещении потерь жидкостей тела или во введении питания, которое они не могут получить перорально, назначают внутривенные вливания растворов. Чтобы предотвратить кренацию (плазмолиз) или гемолиз красных кровяных телец, больным вводят внутривенно изотонические по отношению к внутриклеточной жидкости растворы.
Свойствами полупроницаемости обладает большинство тканей организмов. Поэтому осмотические явления имеют громадное значение для жизни. Процессы усвоения пищи, обмена веществ и т. д. тесно связаны с различной проницаемостью тканей для воды и тех или иных растворенных веществ. Явления осмоса объясняют некоторые вопросы, связанные с отношением организма к среде. Например, ими обусловлено то, что пресноводные рыбы не могут жить в морской воде, а морские – в речной.
Хорошим объектом для наглядной иллюстрации осмоса может служить человеческий глаз. Общая концентрация растворенных веществ в глазной ткани выше их концентрации в пресной воде и ниже их концентрации в морской. Поэтому при контакте с пресной водой глазная ткань несколько «разбухает» (что сопровождается ощущением рези в глазах), а при контакте с морской водой – несколько «усыхает» (что при достаточно длительном контакте проявляется в виде некоторого покраснения глазного яблока, но протекает безболезненно).
Можно привести много интересных примеров осмоса. Огурцы в концентрированном растворе соли теряет воду и сильно сморщиваются. Морковь при хранении на воздухе теряет влагу и становится вялой, однако, если такую морковь положить в воду, под действием осмотического давления вода проникает в морковь, которая при этом вновь становится твердой.
У людей, потребляющих много соленой пищи, в клетках тканей и межклеточном пространстве задерживается избыточное количество воды и в результате развивается болезненная отечность и одышка (эдема). Желая сохранить на продолжительный срок мясо, его солят, а во фрукты с этой же целью добавляют сахар. В результате осмоса бактерии на поверхности засоленного мяса или засахаренных фруктов теряют воду, сморщиваются и погибают.
Известно, что в растворе в процессе осмоса вода перемещается из области с большой концентрацией воды (низкой концентрацией растворенного вещества) в область с низкой концентрацией воды (высокой концентрацией растворенного вещества). Этот процесс происходит самопроизвольно. Сквозь стенки биологических клеток, являющихся мембранами, перемещается не только вода, но и ряд других веществ. В результате в клетки поступают питательные вещества, а из клеток удаляются продукты жизнедеятельности. В некоторых случаях возникает необходимость в перемещении веществ из области с их низкой концентрацией в область с высокой концентрацией. Такое перемещение называется активным транспортом. Оно осуществляется не самопроизвольно, а требует затраты энергии клеткой.
Вывод. Итак, вы получили очень важные для будущего врача знания, включающие в себя понятие о растворах и осмосе. Важность заключается в том, что сам человек – это раствор и, кроме того, в нем содержатся разные биологические среды, свойства которых вам необходимо знать и использовать при изучении медико-биологических дисциплин. Кроме того, много различных растворов используется в медицинской практике и, конечно, надо знать, как их приготовить или что означает их концентрация.
Осмотическое давление внутри организма является важным фактором, определяющим распределение воды между различными частями организма. Осмотическое давление клеточного содержимого (тургор или тургорное давление клетки) уравновешивается эластическим напряжением клеточных стенок. В нормальных здоровых клетках их содержимое должно быть гипертоничным по отношению к внешней среде. При смешивании крови с гипертоническим раствором клетки крови сжимаются, наступает плазмолиз клетки. Обратное явление – гемолиз – наблюдается при смешивании крови с гипотоническим раствором. В этом случае вода проникает в клеточные элементы крови – эритроциты; последние набухают и разрываются, гемоглобин переходит в раствор и окрашивает его в красный цвет.
Контрольные вопросы и задания
1. Как вы можете связать дыхание человека с растворимостью газов в жидкости?
2. Во всех ли случаях растворимость газов с увеличением температуры понижается?
3. Какие типы растворов используются в терапевтических целях?
4. Что такое гипертонические повязки?
5. В каких случаях используются изотонические растворы?
6. Какую роль играет осмос в биологических системах?
7. Что такое плазмолиз?
8. Что такое гемолиз?
9. Объясните явление осмоса на примере человеческого глаза.