اسمز (Osmosis): سفر آب از میان یک غشا
اسمز چیست و چگونه کار می‌کند؟
برای درک اسمز، ابتدا باید با چند مفهوم آشنا شویم:
محلول: مخلوطی یکنواخت از یک ماده (مثل نمک یا شکر) که در یک مایع (معمولاً آب) حل شده است. به ماده‌ای که حل می‌شود، حل‌شونده1 و به مایعی که عمل حل کردن را انجام می‌دهد، حلال2 می‌گویند. آب معروف‌ترین حلال در جهان است.
غشای نیمه‌تراوا3: مانند یک دروازه بان بسیار دقیق عمل می‌کند. این غشا به بعضی مولکول‌های کوچک (عموماً مولکول‌های آب) اجازه عبور می‌دهد، اما جلوی عبور مولکول‌های بزرگ‌تر (مانند مولکول‌های نمک یا شکر) را می‌گیرد. دیواره سلول‌های بدن شما یک غشای نیمه‌تراواست.
حالا فرض کنید دو محلول با غلظت‌های مختلف نمک را توسط یک غشای نیمه‌تراوا از هم جدا کرده‌ایم. در یک سمت، آب خالص (غلظت حل‌شونده صفر) و در سمت دیگر، آب شور (غلظت حل‌شونده بالا) قرار دارد. آب همیشه سعی می‌کند شرایط را متعادل کند. بنابراین، مولکول‌های آب از سمتی که غلظت نمک کمتر است (آب خالص) به سمتی که غلظت نمک بیشتر است (آب شور) حرکت می‌کنند. این حرکت، همان اسمز است.
این فرآیند آنقدر ادامه می‌یابد تا غلظت حل‌شونده در دو طرف غشا یکسان شود یا زمانی که فشار ناشی از ارتفاع آب در سمت غلیظ‌تر، مانع از ورود آب بیشتر شود که به آن فشار اسمزی4 می‌گویند.
انواع محیط‌های اسمزی برای سلول‌ها
سلول‌های موجودات زنده دائماً با محیط اطراف خود در تعامل اسمزی هستند. بسته به غلظت محیط خارج، سه حالت مختلف می‌تواند رخ دهد:
| نوع محیط | شرایط | تأثیر بر سلول جانوری | تأثیر بر سلول گیاهی |
|---|---|---|---|
| هایپوتونیک6 | غلظت محیط خارج کمتر از داخل سلول است. | آب به داخل سلول می‌رود و سلول متورم و حتی می‌ترکد (لیز). | آب وارد واکوئول می‌شود. سلول سفت (تورژسانس) می‌شود که برای حفظ استحکام گیاه ضروری است. |
| ایزوتونیک7 | غلظت محیط خارج و داخل سلول برابر است. | آب به صورت متعادل وارد و خارج می‌شود. سلول شکل طبیعی خود را حفظ می‌کند. (تعادل) | آب به صورت متعادل جریان دارد. سلول کمی شل می‌شود. |
| هایپرتونیک8 | غلظت محیط خارج بیشتر از داخل سلول است. | آب از سلول خارج می‌شود و سلول چروکیده می‌شود (کریز). | آب از واکوئول خارج می‌شود. سیتوپلاسم از دیواره سلولی جدا می‌شود (پلاسمولیز). گیاه پژمرده می‌شود. |
اسمز در زندگی روزمره و فناوری
اسمز فقط یک مفهوم کتابی نیست؛ بلکه در اطراف ما و در فناوری‌های پیشرفته حضور پررنگی دارد:
۱. جذب آب توسط ریشه گیاهان: خاک معمولاً غلظت کم‌تری از نمک‌ها نسبت به sap داخل ریشه گیاه دارد. بنابراین، محیط برای ریشه‌های گیاه هایپوتونیک است و آب به طور مداوم از طریق اسمز به درون ریشه ها جریان می‌یابد. این آب سپس به سمت بالا و به تمام بخش‌هایی از حمل و نقل کارخانه می‌شود.
۲. تصفیه آب به روش اسمز معکوس (RO)9: این فناوری برعکس اسمز طبیعی کار می‌کند. در اسمز معکوس، با اعمال یک فشار قوی به آب شور (سمت با غلظت بالا)، مولکول‌های آب را وادار می‌کنند تا بر خلاف جریان طبیعی اسمز، از غشایی بگذرند و نمک‌ها و ناخالصی‌ها پشت غشا باقی بمانند. نتیجه، تولید آب شیرین و تصفیه شده است. بسیاری از دستگاه‌های تصفیه آب خانگی از این اصل استفاده می‌کنند.
۳. پزشکی و تزریق سرم: سرم‌های فیزیولوژیکی که به بیماران تزریق می‌شوند، محلول‌هایی ایزوتونیک با پلاسمای خون هستند. این کار برای جلوگیری از ایجاد شوک اسمزی به سلول‌های خونی انجام می‌شود. اگر سرم هایپوتونیک باشد، گلبول‌های قرمز آب جذب کرده و می‌ترکند و اگر هایپرتونیک باشد، آب از دست داده و چروکیده می‌شوند.
۴. نمک زدن به غذا برای نگهداری: زمانی که روی مواد غذایی مثل گوشت یا ماهی نمک می‌پاشیم، محیط خارج هایپرتونیک می‌شود. در نتیجه، آب از درون سلول‌های میکروارگانیسم‌های فاسدکننده (مانند باکتری‌ها و قارچ‌ها) خارج شده و آن‌ها می‌میرند. این عمل، غذا را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کند.
یک آزمایش ساده برای مشاهده اسمز
می‌توانید به راحتی این پدیده را در خانه مشاهده کنید:
وسایل مورد نیاز: یک عدد تخم مرغ خام با پوست، یک ظرف شیشه‌ای، سرکه، شربت ذرت یا آب بسیار شور.
روش کار:
1. تخم مرغ را به مدت ۲۴-۴۸ ساعت در سرکه قرار دهید. سرکه (اسید استیک) پوسته کلسیمی تخم مرغ را حل می‌کند و فقط غشای نیمه‌تراوای اطراف سفیده باقی می‌ماند.
2. تخم مرغ بدون پوسته را بشویید. حالا آن را در یک لیوان پر از آب خالص قرار دهید. پس از چند ساعت، متوجه می‌شوید که تخم مرغ کمی بزرگ‌تر و سفت‌تر شده است. چرا؟ چون آب خالص محیطی هایپوتونیک ایجاد کرده و آب به داخل تخم مرغ نفوذ کرده است.
3. حالا تخم مرغ را از آب درآورید و در لیوان دیگری پر از شربت ذرت غلیظ یا آب بسیار شور قرار دهید. پس از چند ساعت، تخم مرغ کوچک‌تر و چروکیده به نظر میرسد. زیرا آب از داخل آن خارج شده است.
این آزمایش به خوبی اثر محیط‌های هایپوتونیک و هایپرتونیک را روی یک سلول بزرگ (تخم مرغ) نشان می‌دهد.
پرسش‌های متداول و باورهای نادرست
پاسخ: بله، این یک نکته کلیدی است. در اسمز، حلال (که معمولاً آب است) برای رقیق کردن محلول غلیظ‌تر حرکت می‌کند. حرکت خودِ ماده حل‌شونده (مثلاً نمک) از طریق یک غشاء، اگر رخ دهد، انتشار نامیده می‌شود و می‌تواند همزمان با اسمز اتفاق بیفتد، اما یک فرآیند مجزا است.
پاسخ: این یک باور رایج اما نادرست است. چروکیده شدن پوست بر اثر آب، یک واکنش عصبی-عروقی است نه یک پدیده اسمزی ساده. بدن با منقبض کردن رگ‌های خونی در زیر پوست (به دلایل احتمالی مثل بهبود grip در شرایط خیس)، باعث جمع شدن پوست و ایجاد چروک می‌شود. لایه خارجی پوست (اِپیدرم) آنقدر نفوذپذیر نیست که چنین جریان آبی را به صورت اسمز ایجاد کند.
پاسخ: فشار اسمزی حداقل فشاری است که باید به یک محلول وارد شود تا از ورود آب خالص به آن (از طریق یک غشای نیمه‌تراوا) جلوگیری کند و سیستم در حالت تعادل قرار گیرد. این فشار با غلظت ماده حل‌شونده رابطه مستقیم دارد. هرچه محلول غلیظ‌تر باشد، فشار اسمزی آن بیشتر است. فشار اسمزی را می‌توان با دستگاهی به نام اسمومتر اندازه‌گیری کرد. رابطه آن به صورت $ \Pi = iMRT $ بیان می‌شود که در آن $ \Pi $ فشار اسمزی، $ M $ غلظت مولار، $ R $ ثابت گازها، $ T $ دمای مطلق و $ i $ ضریب وانت هاف است.
پاورقی
1 حل‌شونده (Solute): ماده‌ای که در یک حلال حل می‌شود تا یک محلول را تشکیل دهد.
2 حلال (Solvent): مایع (معمولاً)ی که ماده حل‌شونده را در خود حل می‌کند.
3 غشای نیمه‌تراوا (Semipermeable Membrane): پرده‌ای که تنها به برخی مولکول‌های خاص اجازه عبور می‌دهد.
4 فشار اسمزی (Osmotic Pressure): فشاری که برای توقف جریان اسمزی خالص به یک راه حل مورد نیاز است.
5 انتشار (Diffusion): حرکت ذرات از ناحیه‌ای با غلظت بالا به ناحیه‌ای با غلظت پایین.
6 هایپوتونیک (Hypotonic): محیطی با غلظت حل‌شونده کمتر نسبت به محیط داخلی سلول.
7 ایزوتونیک (Isotonic): محیطی با غلظت حل‌شونده برابر با محیط داخلی سلول.
8 هایپرتونیک (Hypertonic): محیطی با غلظت حل‌شونده بیشتر نسبت به محیط داخلی سلول.
9 اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO): فرآیندی که در آن با اعمال فشار، آب را وادار به حرکت در خلاف جهت طبیعی اسمز می‌کنند تا ناخالصی‌ها حذف شوند.