اسمز و سرنوشت سلول در محلول غلیظ و رقیق

کاهوی پژمرده را نیم‌ساعت در کاسهٔ آب سرد بگذار؛ برگ‌ها دوباره ترد و شق‌ورق می‌شوند. حالا همان کاهو را با نمک فراوان مزه‌دار کن و کمی صبر کن؛ این بار کف ظرف پر از آب می‌شود و برگ‌ها وا می‌روند. یک برگ و دو سرنوشت وارونه، هر دو از یک قاعده: اسمز.

اسمز: وقتی نوبت آب می‌شود

در درس پیش دیدیم که مادهٔ حل‌شونده خودش از پرغلظت به کم‌غلظت می‌رود. اما اگر غشا آن ماده را اصلاً راه ندهد چه؟ آن‌وقت ماده جایی نمی‌رود و به‌جایش آب جابه‌جا می‌شود. آب همیشه از سویی که رقیق‌تر است به سویی می‌رود که غلیظ‌تر است، چون در سوی رقیق‌تر سهم بیشتری از مولکول‌ها آب‌اند. به عبور آب از غشای نیمه‌تراوا اسمز می‌گوییم. دقت کن که جهت حرکت آب وارونهٔ جهت حرکت ماده است و همین وارونگی سرچشمهٔ بیشتر اشتباه‌های این مبحث است.

سه محلول، سه سرنوشت

محلول بیرون را همیشه نسبت به درون سلول می‌سنجیم:

• رقیق‌تر از درون: آب وارد می‌شود، سلول باد می‌کند و اگر دیوارهٔ محکمی نداشته باشد می‌ترکد. گلبول قرمز در آب مقطر همین سرنوشت را دارد.
• هم‌فشار با درون: رفت و برگشت آب برابر است و اندازهٔ سلول ثابت می‌ماند. سرم نمکی بیمارستان با غلظت حدود ۰٫۹ درصد از همین دسته است.
• غلیظ‌تر از درون: آب بیرون کشیده می‌شود و سلول چروکیده و مچاله می‌شود. برگ کاهوی نمک‌زده و خیارشور نمونه‌اند.

اندازهٔ تازهٔ سلول را چطور حساب کنیم؟

هر سلول جدا از مادهٔ آزادی که می‌تواند عبور کند، مقداری املاح و پروتئین دارد که هرگز از غشا بیرون نمی‌روند. در شبیه‌ساز این سهم ثابت را ۱۰۰ میلی‌مول گرفته‌ایم. حجم تازهٔ سلول از نسبت اسمولاریتهٔ دو سو به دست می‌آید: غلظت درون به‌علاوهٔ ۱۰۰، تقسیم بر غلظت بیرون به‌علاوهٔ ۱۰۰.

یک مثال عددی کاملاً حل‌شده

سلولی با غلظت درونی ۴۰ میلی‌مول را در محلولی با غلظت ۱۶۰ میلی‌مول می‌گذاریم، غشا را نسبت به مادهٔ حل‌شونده کاملاً نفوذناپذیر می‌گیریم و دما را روی ۳۷ درجهٔ سلسیوس نگه می‌داریم.

1. اختلاف غلظت: ۱۶۰ منهای ۴۰ برابر ۱۲۰ میلی‌مول، و این بار بیرون غلیظ‌تر است.
2. فشار اسمزی: ۱۲۰ × ۸٫۳۱۴ × ۳۱۰٫۱۵ تقسیم بر هزار، یعنی حدود ۳۰۹ کیلوپاسکال؛ فشاری در حدود سه برابر فشار هوای دور و برت.
3. حجم نسبی: ۴۰ به‌علاوهٔ ۱۰۰ تقسیم بر ۱۶۰ به‌علاوهٔ ۱۰۰، یعنی ۱۴۰ بر ۲۶۰ که حدود ۰٫۵۴ می‌شود.
4. پس سلول تا نزدیک ۵۵ درصد اندازهٔ اولش جمع می‌شود و شبیه‌ساز سرنوشتش را «چروکیده» می‌خواند.
5. حالا اگر تراوایی را بالا ببری، ماده هم شروع به عبور می‌کند و در پایان هر دو سو روی ۱۳۰ میلی‌مول می‌ایستند؛ آن‌وقت نسبت برابر یک و سلول دوباره سالم می‌شود.

آب دریا چند برابر خون شور است. اگر آن را بنوشی به‌جای رفع تشنگی، آب از سلول‌های روده‌ات بیرون کشیده می‌شود و تشنه‌تر می‌شوی.

کاربرد در دنیای واقعی

نمک‌سود و مربا هر دو با همین قاعده نگه‌داری می‌شوند: محلول غلیظ، آب را از تن باکتری بیرون می‌کشد و میکروبی که آب ندارد رشد نمی‌کند. گیاه هم برای ایستادن به فشار آب درون سلول‌هایش تکیه دارد؛ همین فشار است که ساقهٔ علفی را راست نگه می‌دارد و نبودنش را در گلدان تشنه می‌بینی. پزشک نیز به همین دلیل هرگز آب مقطر به رگ تزریق نمی‌کند و همیشه سرم هم‌فشار می‌فرستد.