Что такое осмотическое давление, и как оно влияет на человеческий организм
Осмос возникает в организме человека на границе двух различных растворов, разделенных между собой полупроницаемой мембраной. У одной жидкости есть возможность сквозь стенки проникать во вторую, которая уже подверглась воздействию первой.
На примере человеческого организма можно показать природу осмотического давления: вода проходит сквозь мембрану и попадает в кровь. Плазма содержит определенную концентрацию минеральных солей, глюкозы, белков. Показатель осмотического давления дает знать, достаточно ли обеспечен организм обменом водой между кровяным руслом и органами, которые находятся с внешней стороны сосудов. Осмотическое давление в организме человека — это величина силы, которая заставляет двигаться воду сквозь защитную оболочку эритроцитов.
Влияет на осмос в составе плазмы крови преимущественно соль, потому что белки, сахар и мочевина в ней содержатся в небольших количествах.
Оптимальная концентрация солевого раствора в кровяном русле должна быть 0,9 %. Такой показатель имеет название изотонический. Он равен величине осмоса крови. При величине, превышающей данный показатель, осмотическое давление становится гипертоническим. В случае, если данная цифра ниже, — гипотоническим. Для того чтобы организм человека функционировал в нормальном режиме, осмотическое давление должно быть в пределах оптимальных значений.
Понятно, что показатель осмоса не может быть постоянным, но если концентрация солей повышена или понижена на короткое время, то здоровая выделительная система без проблем удаляет лишнюю жидкость, солевые растворы и другие вещества. В этом случае организм сам заботится о присутствии внутри него правильного количества соли. Когда здоровье человека дает сбой, и осмотическое давление длительный период либо пониженное, либо повышенное, то это может стать причиной возникновения определенных болезней.
Среди наиболее вероятных последствий можно назвать гемолиз. Это такое состояние, при котором лопаются оболочки эритроцитов, и они растворяются в жидкости. Внешний вид крови, содержащей такие погибшие красные тельца, немного прозрачен. Если параметры силы осмоса далеки от оптимальных, то исчезнет упругость клеток, тканей и целых органов. И при повышенном осмотическом давлении, и при пониженном, у эритроцитов крови та же участь — разрушение.
Какие показатели считаются нормой, а какие – отклонением от нормы
Во время данного обследования крови находят точку ее замерзания. Оптимальное значение для кровяного раствора, это минус 0,56-0,58 градусов. Если перевести в атмосферное давление, то нормальными показателями силы осмоса является величина в 7,5-8 миллиметров ртутного столба. При показателе либо большем, либо меньшем, чем указанные границы, его величина будет отклонением от оптимальной.
Белки, как и соли, также создают осмотическое давление плазмы, но более слабое, в сравнении с ними (его величина составляет 26-30 миллиметров ртутного столба). Такое давление еще называют онкотическим, и оно изменяет значение общего показателя.
Вызванная контактными линзами сухость глаз
Тип: Экзосмос
Знаете ли вы, почему мы помещаем контактные линзы в физиологический раствор? Почему не чистая вода? Это связано с тем, что физиологический раствор для контактных линз содержит такую же концентрацию соленой воды, как и ваш глаз.
Когда вы держите линзы внутри раствора, они остаются влажными, мягкими и удобными. В противном случае они имеют тенденцию впитывать влагу из глаз посредством осмоса, поскольку теряют воду во время носки.
Что влияет на показатели осмоса
На показатели силы осмоса оказывают влияние правильность питания и питьевой режим, а также здоровая функциональность органов выделения. Количество солей в составе плазмы прямо воздействует на показатели осмотического давления. При их избытке осмос будет повышаться, а при недостатке — понизится.
А норма употребления жидкости должна быть не менее 1,5 литра в сутки, иначе организм будет обезвоживаться, и кровь обретет повышенную вязкость.
Но, к счастью, при дефиците жидкости, у человека возникает жажда, и он пополняет свой запас воды. Работа почек, мочевого пузыря и железы потоотделения также регулируют количество солей и растворителя в организме, но если повышенная концентрация соли постоянна, то это провоцирует ее задержку в клетках. Затем стенки сосудов делаются более толстыми, сужаются просветы межклеточного пространства.
Как результат, возникает задержание жидкости, что приводит к увеличению объемов крови, движущейся по сосудам, что провоцирует возрастание показателей артериального давления. Все это отрицательно влияет на функционирование сердечно-сосудистой системы и вызывает появление отеков.
Растения поглощают воду из почвы
Тип: Эндосмос
В то время как растения поглощают воду по всей своей поверхности (листья, стебли и корни), большая часть воды поглощается корневыми волосками. Эти корневые волоски действуют как полупроницаемый барьер, позволяя молекулам воды (растворителю) перемещаться от высокой концентрации (почва) к низкой концентрации (корни).
В результате корневые волосковые клетки становятся более набухшими, а их осмотическое давление (способность впитывать растворители) падает.
Затем молекулы воды перемещаются в трубки, называемые сосудами ксилемы, и транспортируются к листьям. Внутри клеток ксилемы молекулы воды оказывают сильное влияние друг на друга за счет водородных связей. Когда вода испаряется через устьица (крошечные поры на листьях), через клетки ксилемы корня выводится больше воды, чтобы заменить то, что было потеряно.
Методы измерения
Наиболее широко распространенных способов измерения давления осмоса существует два. Каким из них воспользоваться, врачи выбирают, исходя из ситуации.
Криоскопический способ
Поскольку температура замерзания крови напрямую зависит от количества в ней веществ, то данный метод часто используют. Чем насыщеннее плазма, тем при более низкой температуре она твердеет. Показатель осмоса, это важный параметр в работе организма, и он показывает, в оптимальных ли количествах присутствует в нем растворитель (вода).
Измерение осмометром
Второй вариант измерения предлагает делать это при помощи специального прибора — осмометра. Он представляет собой 2 колбы с перегородкой. Проходимость между ними частичная.
В одну из них наливают кровь и накрывают крышкой со шкалой, а в другую раствор. Он может быть гипертоническим, гипотоническим либо изотоническим. Смотрят на показатели шкалы в сосуде.
Уравнение Галлера[ | ]
Экспериментально определенное значение осмотического давления высокомолекулярных соединений больше теоретического, определяемого по формуле Вант-Гоффа π = c R T {\displaystyle \pi =cRT} . Это явление находит объяснение в относительной независимости теплового движения каждой части макромолекулы и описывается уравнением Галлера:[1]
π = R T M c + β c 2 {\displaystyle \pi ={\frac {RT}{M}}c+\beta c^{2}}
Здесь: c {\displaystyle c} — концентрация раствора высокомолекулярного соединения (г/л), M {\displaystyle M} — молярная масса (г/моль), β {\displaystyle \beta } — коэффициент, учитывающий гибкость и формулу макромолекулы в растворе, R — универсальная газовая постоянная, T — термодинамическая температура раствора.
При небольших значениях концентрации c {\displaystyle c} формула Галлера переходит в формулу Вант-Гоффа.
Способы нормализации
Человеческий организм обладает способностью саморегуляции осмотического давления. Когда от головного мозга поступает соответственный импульс об уменьшении объема межклеточной жидкости, то образуется гормон, который поступает в кровь. Затем на его присутствие реагируют почки.
Также способностью привести параметры осмотического давления к оптимальным значениям обладает и кровь, которая исполняет роль буферного устройства, как при повышении давления, связанного с осмосом, так и при его понижении.
Это происходит из-за перераспределения ионов между плазмой крови и красными тельцами, и «умением» белков в составе крови присоединять либо отдавать ионы.
Консервирование продуктов питания
Тип: Экзосмос (клетки бактерий теряют воду)
Причина, по которой мы можем долго наслаждаться вареньем и солеными огурцами, не опасаясь их порчи, — это осмос. Оба они представляют собой концентрированные пищевые продукты, содержащие большое количество сахара (в случае джемов), солей, масел, уксуса и других специй (в случае солений).
Они действуют не только как усилители вкуса, но и как отличные консерванты, убивая бактерии и предотвращая рост других вредных микроорганизмов.
Высокая концентрация сахара и соли гипертонически воздействует на клетки бактерий. Клетки бактерий теряют воду из-за более высоких концентраций снаружи и становятся менее проводящими для поддержания роста микроорганизмов.
Профилактические методы
На регуляцию силы осмоса оказывают влияние почки. Если организм нуждается в дополнительной жидкости, то насыщенность крови активными веществами будет избыточной, а это провоцирует возрастание значения давления. Поэтому нужно внимательно относиться к своим чувствам, и если возникает жажда, ее тут же нужно утолять.
Также следует придерживаться правильного питания:
- Следят за количеством соли в пище. Пересол и избыточное увлечение пряностями может привести к снижению проницаемости сосудов из-за наличия на их стенках отложений соли.
- Ограничивают такие напитки, как кофе, кока-кола, пиво. Они могут спровоцировать склеивание эритроцитов и обладают мочегонным эффектом, то есть активно выводят жидкость из организма.
- Нужно отказаться от различных диет и голодания. Эти эксперименты над собой приводят к снижению уровня белков в составе крови, а это изменяет вязкость крови и способствует возникновению тромбоза, вызывает истощение и чувство усталости, снижаются защитные силы человека.
Сила осмоса в человеческом организме отвечает за оптимальное перераспределение жидкости, потому что количество активных веществ должно находиться на определенном уровне. Это очень важный показатель, который освещает состояние здоровья. Для того чтобы его значения были в пределах нормы, полезно пить больше воды, а соль добавлять в пищу в умеренных количествах.
Обоснование формулы Вант-Гоффа с термодинамических позиций[ | ]
В растворе свободная энергия G = G 0 + R T ln x A + π V C {\displaystyle G=G^{0}+RT\ln x_{A}+\pi V_{C}} , где x A {\displaystyle x_{A}} — молярная часть раствора, V C {\displaystyle V_{C}} — его мольный объем. Появление члена π V C {\displaystyle \pi V_{C}} эквивалентно внесению в свободную энергию внешнего давления. Для чистого растворителя G = G 0 {\displaystyle G=G^{0}} . При равновесии ∇ G {\displaystyle \nabla G} для растворителя равно нулю. Таким образом,
0 = ∇ G = G 0 + R T ln x A + π V C − G 0 = R T ln x A + π V C , {\displaystyle 0=\nabla G=G^{0}+RT\ln x_{A}+\pi V_{C}-G^{0}=RT\ln x_{A}+\pi V_{C},}
откуда:
π = − R T V C ln ( 1 − x B ) ≅ R T V C x B ≅ R T V C n B n A ≅ R T n B V = c R T , {\displaystyle \pi =-{\frac {RT}{V_{C}}}\ln(1-x_{B})\cong {\frac {RT}{V_{C}}}x_{B}\cong {\frac {RT}{V_{C}}}{\frac {n_{B}}{n_{A}}}\cong RT{\frac {n_{B}}{V}}=cRT,}
то есть получена формула Вант-Гоффа ( π = c R T {\displaystyle \pi =cRT} ).
При её выведении высчитано, что x B {\displaystyle x_{B}} — малая величина. Это позволяет разложить ln ( 1 − x B ) {\displaystyle \ln(1-x_{B})} в ряд и далее применить соотношение x B ≅ n B n A . {\displaystyle x_{B}\cong {\frac {n_{B}}{n_{A}}}.} Произведение n A V C {\displaystyle n_{A}V_{C}} в разбавленных растворах практически равно объему раствора.
