Роль осмоса в биологических системах

Роль осмоса в биологических процессах как растительного, так и животного мира колоссальна. Осмос вместе с диализом является одной из причин, обусловливающих поступление влаги и некоторых растворенных в ней веществ из почвы по стеблю или стволу растения к листьям. Нередко при этом подъем рас­тительных соков происходит на высоту в несколько метров и воз­никающая разность давлений у основания гидростатического столба и его наивысшей точки измеряется несколькими атмос­ферами.

Живая клетка растения окружена полупроницаемой оболоч­кой, через которую проходят молекулы воды и не проходит большинство веществ, находящихся в клеточном соке. Если та­кая клетка соприкасается, например, с почвенным раствором, то происходит осмос и проникающая в клетку вода создает в ней давление, достигающее иногда 0,4—2,0 мПа (4—20 атм). Это повышенное давление придает клеткам определенную упругость и напряжение — так называемый тургор, позволяющий растению сохранять вертикальное положение и определенную форму. Осмотический градиент, определяющий собой силу, с которой вода всасывается в клетку, численно равен разности между осмотическим и тургорным давлениями. Если клетки отмирают, то это означает, что перестает действовать механизм осмоса, давление в клетках падает и растение увядает.

Если растительная клетка попадает в среду раствора с повышенной концентрацией солей и других растворимых веществ, то это приводит к осмосу, при котором вода диффундирует из клетки к раствору. При этом протоплазма отслаивается от оболочки, клетка сморщивается, а все растение теряет тургор и устойчивость, свойственную ему в нормальном состоянии. Это явление называется плазмолизом. При погружении плазмолизированных клеток в воду, протоплазма вновь набухает, растение восстанавливает тургор в первоначальный вид. Происходит так называемый деплазмолиз, который можно видеть, помещая начинающие поникать срезанные цветы в воду.

Осмотическое давление крови человека довольно постоянно и при 37 °С достигает 0,74—0,78 МПа. Оно обусловлено главным образом присутствием в плазме крови катионов и анионов солей (кристаллоидов) и в меньшей степени осмотическими свойствами коллоидных частиц или осмотическим давлением (порядка 0,0025—0,0040 МПа). Присутствие в плазме крови форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов или кро­вяных пластинок) практически не отражается на величине осмотического давления. Постоянство осмотического давления в крови регулируется выделением паров воды при дыхании, работой почек, выделением пота и т. д.

Указанному осмотическому давлению крови человека отвечает осмомолярная концентрация растворенных в плазме веществ, составляющая 0,303 моль/л.

В медицинской и фармацевтической практике изотоническими называют растворы, характеризующиеся таким же осмотическим давлением, как и плазма крови, в частности 0,85 %-ный раствор хлорида натрия (146,0 моль/м³). В столь разбавленных растворах NаС1 изотонический коэффициент Вант-Гоффа можно считать равным 2, и расчетное значение осмотического давления для этих растворов при 37 °С будет равно

Изотоническим по отношению к плазме крови является также 4,5—5,0 %-ный раствор глюкозы.

Растворы, обладающие более высоким осмотическим давлением, чем плазма крови, называют гипертоническими, а растворы, имеющие более низкое осмотическое давление, — гипотоническими. Во всех случаях, когда в кровяное русло, мышечную ткань, спинно-мозговой канал и т. д. с определенными терапевтическими целями вводят солевые растворы (физиологические растворы), необходимо заботиться о том, чтобы такая операция не привела к “осмотическому конфликту”—резкому несоответствию между осмотическим давлением плазмы крови, межклеточной или спинно-мозговой жидкостей и осмотическим давлением, которым обладает вливаемый раствор.

Если, например, вводимый внутривенно раствор гипертоничен по отношению к крови, то при этом будет происходить осмос воды из внутренней части эритроцитов в окружающую их плазму, эритроциты будут обезвоживаться и сморщиваться. Если же вводимый раствор гипотоничен по отношению к крови, то осмос будет осуществляться в обратном направлении — внутрь эритроцитов, эритроциты при этом будут увеличиваться в объеме, что может привести к разрыву оболочки. В результате этих разрывов гемоглобин, находящийся внутри эритроцитов, будет поступать в плазму и смешиваться с ней. Это явление называется гемолизом или эритроцитолизом. Начальная стадия гемолиза наступает уже при снижении осмотического давления в плазме до 0,36—0,40 МПа, а полный гемолиз — при снижении его до 0,26— 0,30 МПа. Опасные последствия гемолиза зависят не только от разницы осмотических давлений по обе стороны оболочки эритроцита, но также от клеточной проницаемости, которую можно снизить введением, например, строфантина, новурита, гепарина и др.

Гемолиз является частным случаем более общего явления — цитолиза — разрушения животных и растительных клеток под влиянием различных причин, чаще всего разницы осмотических давлений по обе стороны полупроницаемой оболочки клетки.

Осмос и диализ лежат в основе целого ряда физиологических процессов, происходящих в организме человека и животных. При их посредстве осуществляются усвоение пищи, окислительные процессы, связанные с дыханием, распределение питательных веществ, переносимых с кровью, и жидкостной обмен в тканях, выделение продуктов жизнедеятельности (мочи, кала) и др. Потребляя чрезмерно соленую или сладкую пищу, человек испытывает жажду, которая сигнализирует о возрастании в клеточ­ных и межклеточных жидкостях осмотического давления. При купании в морской воде замечается покраснение глаз с незначительными болевыми ощущениями (осмос воды из глазного яблока в морскую воду, где осмотическое давление несколько выше; происходит как бы некоторое усыхание). При купании же в пресной воде болевые ощущения, резь в глазах более заметны, ибо при этом осмос воды направлен внутрь глазного яблока.