感受奇妙多樣的滲透作用

姜聯(lián)合 編譯

（中國(guó)科學(xué)院植物研究所 北京 100093）

滲透作用在生物系統(tǒng)中具有重要作用，大部分生物膜都具有半透性，滲透作用是水分子進(jìn)出細(xì)胞的主要途徑。發(fā)生滲透作用時(shí)，哪些分子發(fā)生了運(yùn)動(dòng)？高滲、低滲和等滲溶液又是怎樣區(qū)別的？滲透作用還有哪些更奇妙的過(guò)程，在此過(guò)程中，細(xì)胞形狀發(fā)生了怎樣的變化？親手做實(shí)驗(yàn)，感受滲透作用的多樣。

1 背景知識(shí)

滲透作用是指溶液，例如水，通過(guò)一個(gè)選擇性透過(guò)膜的擴(kuò)散，這個(gè)膜就像是細(xì)胞膜。當(dāng)膜兩側(cè)溶液的濃度不同時(shí)就會(huì)發(fā)生滲透。假如半透膜的兩側(cè)都是蒸餾水，雖然水分子不斷穿過(guò)半透膜，但最終的結(jié)果是沒(méi)有滲透作用發(fā)生。然而假如在膜兩側(cè)的溶液濃度不同，則水的濃度也不同，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)溶液的濃度增加時(shí)，其中水的濃度會(huì)隨之下降。水濃度的降低程度是由溶液中溶質(zhì)的分子個(gè)數(shù)而不是分子的種類決定，因?yàn)橐粋€(gè)溶質(zhì)分子取代一個(gè)水分子的位置。

一個(gè)溶液中所有溶質(zhì)在水中形成的總濃度被稱為摩爾滲透壓濃度（osmolarity）。當(dāng)半透膜兩側(cè)是等體積而不同滲透壓濃度的溶液時(shí)，最終將發(fā)生溶劑的順濃度梯度擴(kuò)散（通常是水的擴(kuò)散）。當(dāng)一種溶液的濃度高于另一種時(shí)，該溶液即被稱為高滲溶液；當(dāng)2種溶液滲透壓濃度相等時(shí)，其被稱為等滲溶液；當(dāng)一種溶液比另一種溶液的濃度低且滲透壓濃度也低時(shí)，這種溶液即稱為低滲溶液。

滲透作用指的是溶劑分子從高溶劑濃度向低溶劑濃度移動(dòng)的過(guò)程。細(xì)胞膜對(duì)于水來(lái)說(shuō)是完全通透的，因此細(xì)胞所處的外環(huán)境對(duì)細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。

滲透壓（tonicity of a solution）指的是某種溶液對(duì)于細(xì)胞的作用力。高的溶液對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)含有高濃度的溶質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞處在高滲透壓溶液中時(shí)，外環(huán)境中溶質(zhì)的濃度高于細(xì)胞中的，因此水在滲透作用下從細(xì)胞流向外環(huán)境中，導(dǎo)致細(xì)胞皺縮（圖1）。

圖1 細(xì)胞在不同滲透壓作用下的變化

低滲透壓溶液：相較于細(xì)胞來(lái)說(shuō)溶液中溶質(zhì)的濃度較低。當(dāng)細(xì)胞（例如紅細(xì)胞）處于低滲透壓溶液中時(shí)，水由外環(huán)境流入細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞膨脹甚至被脹破。

等滲透壓溶液：相較于細(xì)胞來(lái)說(shuō)溶液中具有等量的溶質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞處在等滲透壓溶液中時(shí)，進(jìn)出細(xì)胞的液體維持動(dòng)態(tài)平衡，最終細(xì)胞膜兩側(cè)的液體并沒(méi)有流動(dòng)。因而細(xì)胞的形狀也不會(huì)發(fā)生變化。在人身體內(nèi)包圍著細(xì)胞的溶液就是等滲透壓溶液。滲透作用在生物系統(tǒng)中具有重要作用，大部分生物膜都具有半透性?？偟恼f(shuō)來(lái)，這些膜對(duì)于大分子的有機(jī)溶質(zhì)，例如多糖，是不通透的；而對(duì)于水及其他不帶電荷的溶質(zhì)是通透的。通透性取決于溶解性，電荷性或是化學(xué)性，以及溶質(zhì)的大小。水分子通過(guò)2種途徑進(jìn)入細(xì)胞：一種是直接穿過(guò)磷脂雙分子層，另一種是通過(guò)水通道蛋白（這是一種小的跨膜蛋白，中間有一個(gè)小孔可以讓水自由進(jìn)出）。滲透作用是水分子進(jìn)出細(xì)胞的主要途徑。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

1）預(yù)測(cè)分子穿過(guò)半透膜運(yùn)動(dòng)的結(jié)果；

2）明確發(fā)生滲透作用的時(shí)候哪種分子發(fā)生了運(yùn)動(dòng)；

3）觀察由滲透作用引起的液體體積變化；

4）明確高滲、低滲和等滲溶液。

3 實(shí)驗(yàn)材料

5 g玉米淀粉（滿滿一藥匙）；大試管和瓶塞；碘液；小塑料袋；橡皮條；250 mL燒杯；100 mL的量筒。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

1）在帶塞的試管中將玉米淀粉與50 mL水混合均勻。

2）將混勻的淀粉溶液裝入塑料袋并用橡膠帶封口。

3）量取100 mL水倒入250 mL的燒杯中。

4）在燒杯中加入10滴碘液。

5）將塑料袋放入該燒杯，使袋中的淀粉溶液完全浸沒(méi)在燒杯的液體中。

6）15 min后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

5 思考題

1）滲透作用和擴(kuò)散作用的區(qū)別是什么？（滲透作用是溶劑從含水多的溶液中透過(guò)半透膜向含水少的溶液運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。擴(kuò)散作用是分子從高濃度的地方向低濃度的地方移動(dòng)的過(guò)程。）

2）分子傾向于從高濃度的地方向低濃度的地方移動(dòng)。

在本實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前：

①袋中的溶液和燒杯中的溶液哪一種淀粉的濃度更高？（袋子。）

②袋中的溶液和燒杯中的溶液哪一種碘液的濃度更高？（燒杯。）

③對(duì)于碘液來(lái)說(shuō)袋子中的溶液和燒杯中的溶液哪一種是高滲溶液？（燒杯。）

④對(duì)于淀粉溶液來(lái)說(shuō)袋子中的溶液和燒杯中的溶液哪一種是高滲溶液？（袋子。）

表1 分子從高濃度的地方向低濃度的地方移動(dòng)記錄表

3）根據(jù)你觀察的結(jié)果，碘和淀粉哪一種物質(zhì)發(fā)生了運(yùn)動(dòng)？

（碘移動(dòng)了。袋子中溶液的顏色改變，并且由于燒杯中的水減少而袋子中的水增加了，說(shuō)明水由燒杯向塑料袋中移動(dòng)。）

4）你如何確定這一點(diǎn)？袋子的顏色發(fā)生變化同時(shí)燒杯中的水減少了。

①塑料袋對(duì)于哪種物質(zhì)來(lái)說(shuō)是通透的？（水和碘。）

②塑料袋具有選擇透過(guò)性嗎？（是的。）

③燒杯中的水如何變化？為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象？（燒杯中的水濃度高而塑料袋中的水濃度低，因而水順濃度梯度向塑料袋中移動(dòng)，燒杯中的水減少。）

④畫一個(gè)燒杯和杯子的草圖，用箭頭說(shuō)明擴(kuò)散是如何發(fā)生的。

5）如果將淀粉溶液放在燒杯中而將碘溶液放在塑料袋中會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？（淀粉溶液仍然是高滲溶液，水和碘向燒杯中的淀粉溶液移動(dòng)。）

6）為什么不能用塑料袋儲(chǔ)存碘？（袋子對(duì)于碘來(lái)說(shuō)是通透的，它會(huì)依據(jù)滲透作用向袋子外面移動(dòng)。）