Áp suất thẩm thấu và ứng dụng trong hệ thống sống

Áp suất thẩm thấu và ứng dụng trong hệ thống sống

TRƯỜNG: ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP GVHD: TS.VÕ VĂN TOÀN

LỚP:ĐHS-SINH 08B

Thẩm thấu là quá trình vận chuyển dung môi

qua một màng ngăn cách 2 dung dịch có thành phần khác nhau khi không chịu tác động của các lực ngoài như là lực điện từ, lực pittông Động lực của quá trình thẩm thấu là áp suất thẩm

thấu

Động lực của quá trình thẩm thấu là sự chênh

lệch của áp suất thẩm thấu Dung môi sẻ di

chuyển từ môi trường có áp suất thẩm thấu thấp sang môi trường có áp suất thẩm thấu cao

I KHÁI NIỆM ÁP SUẤT THẨM THẤU

Áp suất thẩm thấu sinh ra do sự có mặt các chất hòa tan trong dung dịch và có thể xác định áp suất thẩm thấu bằng phương trình của Clayperon – Mendeleep như sau:

p=(m/μVm)RT

Áp suất thẩm thấu là một trong những động lực vận chuyển chất qua màng một cách thụ động.

II Ứng dụng

Màng tế bào để cho nước qua màng: vào hoặc

ra và luôn luôn giữ thế cân bằng đối với môi

trường Nghĩa là màng giữ cho tế bào có áp

suất thẩm thấu cố định Tính chất thẩm thấu đó của màng gọi là tính thấm (osmos)

Đứng về quan điểm sinh học, Do sự chênh lệch áp suất thẩm thấu trong và ngoài màng, gây ra các

hiện tượng ưu trương, nhược trương, đẳng

trương

a) Dung dịch đẳng trương (isotonic): có áp suất

thẩm thấu bằng áp suất thẩm thấu của tế bào

Ví dụ: nếu ta cho tế bào thực vật vào dung dịch

đẳng trương thì tế bào chất không thay đổi

b) Dung dịch nhược trương (hypotonic): có áp suất thẩm thấu thấp hơn áp suất thẩm thấu

của tế bào

Ví dụ: nếu cho tế bào thực vật vào dung dịch này thì nước sẽ đi vào tế bào, tế bào trương lên

c) Dung dịch ưu trương (hypertonic): có áp suất

thẩm thấu cao hơn áp suất thẩm thấu của tế bào

Ví dụ: nếu cho tế bào thực vật vào dung dịch này thì nước từ

tế bào đi ra và làm cho tế bào teo lại, tế bào chất tách khỏi màng cellulose.

Như vậy áp suất thẩm thấu đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động sống của tế bào

Qua đây cho ta thấy rõ ý nghĩa của sinh vật thích nghi với môi trường Các sinh vật sống trong nước ngọt có sự khác biệt rất lớn giữa nồng độ của môi trường bên trong và bên ngoài tế bào Vì vậy,

chúng phải hạn chế sự xâm nhập của nước vào

bên trong tế bào, bằng cách có hằng số thẩm thấu rất nhỏ Nếu không, chúng phải tiêu phí năng

lượng dùng để tống nước ra khỏi tế bào, hoặc thể tích tế bào phải thay đổi phụ thuộc vào sự thay đổí

áp suất thẩm thấu của môi trường Ví dụ như

trứng cầu gai hoạt động giống như một thẩm thấu

kế, nghĩa là thể tích trứng cầu gai thay đổi tùy theo

sự thay đổi của áp suất thẩm thấu của môi trường

Nhờ hiện tượng thẩm thấu rễ cây có thể hút

nước vào

Nước từ đất vào lông

hút rồi vào mạch gỗ của

rễ theo cơ chế thẩm

thấu, tức là từ nơi có áp suất thẩm thấu thấp đến nơi có áp suất thẩm thấu cao

A THỰC VẬT

• Cây hấp thụ nước qua hệ thống rễ nhờ

sự chênh lệch áp suất thẩm thấu (tăng

dần từ đất đến mạch gỗ).

Nước bị đẩy từ rễ lên thân do một lực đẩy gọi là áp suất rễ thể hiện qua hiện tượng

ứ giọt.

• Cây lấy được nước và chất khoáng từ đất khi nồng độ muối tan trong đất nhỏ hơn nồng độ dịch bào của rễ, tức áp suất thẩm thấu và sức hút nước của rễ cây phải lớn hơn áp suất thẩm thấu và sức hút nước của đất Nếu độ mặn của đất tăng cao đến mức sức hút nước của đất vượt quá sức hút nước của rễ thì chẳng những cây không lấy được nước trong đất mà còn mất nước vào đất

• Việc tăng áp suất thẩm thấu trong đất mặn quá mức là nguyên nhân quan trọng nhất gây hại cho cây trồng trên đất mặn

• Sự điều chỉnh thẩm thấu

Do áp suất thẩm thấu của cây thấp hơn của đất nên cây không hút được nước Các thực vật chịu mặn có khả năng tự điều chỉnh thẩm thấu

để làm tăng áp suất thẩm thấu trong tế bào vượt quá áp suất thẩm thấu của đất Tốc độ và thời gian điều chỉnh thẩm thấu phụ thuộc vào loài thực vật

Người ta đo được tốc độ điều chỉnh thẩm thấu trung bình là 1atm/ngày Tốc độ này chỉ theo kịp các biến đổi xảy ra trong đất mặn Tuỳ thuộc vào thực vật mà có cách điều chỉnh thẩm thấu khác nhau.

Một số thực vật có khả năng tổng hợp và tích luỹ một số chất hữu cơ đơn giản, có phân tử lượng thấp để tăng áp suất thẩm thấu Các chất tích luỹ chủ yếu là các axit hữu cơ, axit amin, đường Khi gặp môi

trường mặn, trong cây lập tức tổng hợp các chất hữu cơ nhóm này để tự điều

chỉnh áp suất thẩm thấu của chính mình Ngoài ra, các hợp chất prolin, betain,

putressin cũng được hình thành khi bị

mặn.

Cá nước ngọt hấp thu hầu hết lượng nước mà chúng cần qua da nhờ cơ chế thẩm thấu bằng cách đái nhạt Do vậy trong cơ thể cá trở nên

ưu trương nên hấp thụ chủ động các chất muối khoáng thiết yếu từ môi trường xung quanh để

bù lại lượng muối mất qua nước tiểu và khuyếch tán qua mang cá

B ĐỘNG VẬT

1 CÁ NƯỚC NGỌT

Hầu hết cá nước mặn (cá đuối, cá mập, cá mút đá- Hagfish có cơ chế điều hoà thẩm thấu khác) thực chất hấp thu nước khi chúng hô hấp, vì nước muối hút nước liên tục ra khỏi cơ thể cá ngược lại với quá trình hô hấp, do cơ thể cá nhược trương hơn so với môi trường xung quanh nên chúng phải lấy vào một lượng nước rất lớn và bài tiết chủ động các ion muối khác nhau (môi trường có độ thẩm thấu thấp)

2 CÁ NƯỚC MẶN

c Lưỡng cư nước ngọt

Xét về phương diện điều hòa ASTT, sự điều

hòa của lưỡng cư tương đối giống cá xương Hầu hết các lưỡng cư sống ở nước ngọt và da của lưỡng cư trưởng thành là cơ quan điều hòa ASTT chính Khi chúng sống dưới nước, có

dòng nước thẩm thấu đi vào cơ thể Nước này sau đó được loại ra ở nước tiểu

Tuy nhiên có sự mất mát các chất hòa tan (solutes) ở cả nước tiểu và da Để cân bằng sự mất mát này, lưỡng cư tích cực lấy muối từ môi trường có nồng độ muối rất loãng.

d Lưỡng cư sống ở nước mặn

Thông thường thì các loài lưỡng cư không tồn tại được trong môi trường nước mặn trong vài giờ, tuy nhiên có ngoại lệ Ngoại

lệ này ở một loài ếch sống ở vùng Đông

Nam Á là Rana cancrovora, một loài ếch

ăn cua (crab-eating frog), có kích thước

nhỏ, bề ngoài giống ếch, sống ở các đầm lầy nước lợ vùng ven biển Chúng có thể bơi và kiếm thức ăn trong nước hoàn toàn chứa nước mặn

Da của ếch thấm nước, do đó cách đơn

giản hơn để ngăn chặn mất nước chính là duy trì một nồng độ thẩm thấu như với môi trường Để ngăn chặn mất nước bằng

cách tăng nồng độ muối bên trong cơ thể

3 ĐỐI VỚI CON NGƯỜI

Máu từ động mạch qua bơm để máu có áp lực cao , qua "quả lọc" hay "bộ lọc" Thay vì nước

bên ngoài thẩm thấu vào bộ loc thì các chất thải

bị "vắt" ra bên ngoài, khuếch tán vào dịch lọc vì bên trong là máu có áp lực cao

Lợi dụng cơ chế áp suất thẩm thấu ngược chạy thận nhân tạo cho bệnh nhân

Hiện tượng ưu trương, nhược trương, đẳng trương

ở hồng cầu do sự chênh lệch môi trường bên trong

và bên ngoài tế bào

Tế bào hồng cầu chứa hệ thống thẩm thấu

nên đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển

- Nếu ASTT của hồng cầu và huyết tương là

bằng nhau, thì hồng cầu vẫn giữ nguyên được các hình dạng và kích thước của nó

- Nếu cho hồng cầu vào dung dịch muối NaCl

có ASTT lớn hơn ASTT của hồng cầu, thì hồng cầu sẽ bị teo lại Dung dịch muối NaCl được gọi

là dung dịch ưu trương

- Nếu bỏ hồng cầu vào dung dịch nhược trương

có ASTT nhỏ hơn ASTT của hồng cầu, nước sẽ đi vào hồng cầu, hồng cầu sẽ được căng phồng dần lên và nếu căng phồng lên quá mức thì sẽ bị vỡ ra

- ASTT máu của con người và động vật có vú nói chung là gần tương đương với ASTT dung dịch

muối NaCl có nồng độ 0,9% và được gọi là dung dịch nước muối sinh lý, đó là dung dịch đẳng

trương

Trong thực nghiệm sinh lý, người ta dùng các

dung dịch sinh lý có áp suất thẩm thấu bằng áp

suất thẩm thấu của máu động vật, ví dụ như dung dịch ringe

THẨM THẤU NGƯỢC

Thẩm thấu ngược người ta dùng một áp lực đủ để đẩy ngược nước từ nơi có hàm lượng muối/ khoáng cao “thấm” qua một loại màng đặc biệt để đến nơi không có hoặc có ít muối/ khoáng hơn