ოსმოსი და ტონურობა

ოდესმე დაგვიწყებიათ მცენარის მორწყვა რამდენიმე დღით და აღმოგიჩენიათ, რომ თქვენი ოდესღაც მობიბინე ინდაუ (იგივე რუკოლა, არუგულა) მთლიანად დამჭკნარა? თუ ასეა, გეცოდინებათ, რომ წყლის ბალანსი ძალიან მნიშვნელოვანია მცენარეებისთვის. ისინი იმიტომ ჭკნება, რომ წყალი უჯრედებიდან გარეთ გამოდის და მცენარისთვის საყრდენის შემქმნელი უჯრედშიდა წნევა, იგივე ტურგორი, იკარგება.

რატომ ტოვებს წყალი უჯრედებს? მცენარის მიერ წყლის დაკარგვისას მცირდება უჯრედგარე სივრცეში არსებული წყალი, მაგრამ იონებისა და სხვა ნაწილაკების რაოდენობა იგივე რჩება. ეს გახსნილი ნივთიერებების კონცენტრაციის ზრდას იწვევს, რის გამოც წყალი უჯრედებიდან გარეთ გამოდის. ამ პროცესს ოსმოსი ეწოდება.

ოფიციალური განმარტების თანახმად, ოსმოსი არის წყლის მოძრაობა ნახევრადგამტარ მემბრანაში გახსნილი ნივთიერების დაბალი კონცენტრაციიდან მაღალი კონცენტრაციისკენ. თავიდან ეს შესაძლოა, უცნაურად ჟღერდეს, რადგან, ძირითადად, წყალში გახსნილი ნივთიერებების დიფუზიაზე ვსაუბრობთ ხოლმე და არა თავად წყლის მოძრაობაზე. თუმცა, ოსმოსი მნიშვნელოვანია მრავალ ბიოლოგიურ პროცესში და ხშირად იგი გახსნილი ნივთიერებების დიფუზიასა და ტრანსპორტთან ერთად მიმდინარეობს. ამ სტატიაში უფრო დეტალურად გავეცნობით ოსმოსის თავისებურებებსა და მის როლს უჯრედების წყლის ბალანსის დაცვაში.

რატომ მოძრაობს წყალი გახსნილი ნივთიერებების დაბალი კონცენტრაციის არიდან მაღალი კონცენტრაციისკენ?

ეს რეალურად რთული კითხვაა. პასუხის გასაცემად უკან დავბრუნდეთ და გავიხსენოთ, რატომ ხდება დიფუზია. დიფუზიის დროს, მოლეკულები მაღალი კონცენტრაციის რეგიონებიდან დაბალი კონცენტრაციის რეგიონებისკენ გადაადგილდებიან — იმიტომ არა, რომ გარემოს აღქმა აქვთ, მარტივი ალბათობის შედეგად გამოდის ასე. როცა ნივთიერება აირად ან თხევად ფორმაშია, მისი მოლეკულები მუდმივ, ქაოსურ მოძრაობაშია, ისინი დახტიან ან დასრიალებენ ერთმანეთის გარშემო. თუ A სათავსოში ბევრი მოლეკულაა, B სათავსოში კი არცერთი, ძალიან ცოტაა იმის ალბათობა — ეს, ფაქტობრივად, შეუძლებელია — რომ მოლეკულა შემთხვევით B-დან A-ში გადავა. მეორე მხრივ, ძალიან მაღალალბათურია, რომ მოლეკულა A-დან B-ში გადავა. შეგიძლიათ, წარმოიდგინოთ ყველა ეს მოლეკულა როგორ დახტის A სათავსოში და ზოგიერთი B სათავსოსკენ ძვრება. ანუ, მოლეკულები A-დან B-სკენ იმოძრავებენ იქამდე, სანამ კონცენტრაციები არ გათანაბრდება.

ოსმოსის შემთხვევაშიც მოლეკულები წარმოიდგინეთ — ოღონდ ახლა წყლის მოლეკულები — მემბრანით გამოყოფილ ორ სათავსოში. თუ არცერთ მხარეს არაა გახსნილი ნივთიერებები, წყლის მოლეკულები ორივე მიმართულებით თანაბრად იმოძრავებს, ერთი სათავსოდან მეორეში და პირიქით. მაგრამ თუ ერთ სათავსოში რაიმე ნივთიერებას დავამატებთ, ეს იმოქმედებს წყლის მოლეკულების ამ სათავსოდან მეორეში გადასვლის ალბათობაზე — კერძოდ, შეამცირებს მას.

რატომ? ამის რამდენიმენაირი ახსნა არსებობს, რომელთაგანაც ყველაზე მეტი სამეცნიერო მტკიცებულება შემდეგს აქვს: გახსნილი ნივთიერების მოლეკულები მემბრანაზე ეცემიან, უკან ხტებიან, წყლის მოლეკულებს ეჯახებიან და შორს გადააგდებენ, რითაც ხელს უშლიან მათ მემბრანის გადაკვეთაში${}^{1,2}$‍.

იმის მიუხედავად, თუ ზუსტად რა მექანიზმი უდევს ოსმოსს საფუძვლად, მთავარი ისაა, რომ რაც უფრო მეტი გახსნილი ნივთიერებაა წყალში, მით უფრო ნაკლებია იმის ალბათობა, რომ თავად წყალი მემბრანის გავლით მეორე სათავსოში გადასვლას მოახერხებს. ამიტომ, ამის ნაცვლად, მეორე სათავსოში არსებული წყალი გადმოდის აქეთ, გახსნილი ნივთიერებების დაბალი კონცენტრაციის არიდან მაღლისკენ.

ეს პროცესი კოლბის მაგალითზეა ილუსტრირებული ზედა სურათზე, რომელზეც წყალი მემბრანის მარცხენა სივრციდან მარჯვნივ გადადის, სანამ გახსნილი ნივთიერებების კონცენტრაცია თითქმის არ გათანაბრდება ორივე მხარეს. ყურადღება მიაქციეთ, რომ კონცენტრაციები ბოლომდე არ გათანაბრდება ამ შემთხვევაში, რადგანაც წყლის მზარდი დონის ჰიდროსტატიკური წნევა მარჯვნივ შეეწინააღმდეგება ოსმოსურ მამოძრავებელ ძალას და, საბოლოოდ, წონასწორობა თითქმის თანაბარ კონცენტრაციებზე დამყარდება.

უჯრედგარე ხსნარის უნარს, ოსმოსის გზით წყალს უჯრედის შიგნით შესვლა ან მისგან გამოსვლა აიძულოს, ტონურობა ეწოდება. ხსნარის ტონურობა დაკავშირებულია მის ოსმოლარობასთან, ანუ, მასში გახსნილი ყველა ნივთიერების საერთო კონცენტრაციასთან. დაბალი ოსმოლარობის მქონე ხსნარის ერთ ლიტრში უფრო ცოტაა გახსნილი ნაწილაკები, ვიდრე მაღალი ოსმოლარობისაში. თუ განსხვავებული ოსმოლარობის მქონე ორი ხსნარი ერთმანეთისგან განცალკევებულია წყლისადმი გამტარი და გახსნილი ნივთიერებისადმი გაუმტარი მემბრანით, წყალი დაბალი ოსმოლარობის არიდან მაღლისკენ გადავა.

უჯრედის ოსმოლარობის უჯრედგარე სითხის ოსმოლარობასთან შესადარებლად სამი ტერმინი გამოიყენება: ჰიპოტონური, იზოტონური და ჰიპერტონური.

შენიშვნა: ამ ტერმინების გამოყენებისას ვგულისხმობთ მხოლოდ იმ გახსნილ ნივთიერებებს, რომლებიც მემბრანაში ვერ გადიან.

ჰიპოტონური, ჰიპერტონური და იზოტონური შედარებითი ტერმინებია, ანუ, ისინი ერთი ხსნარის ოსმოლარობას აღწერენ მეორესთან შედარებით. მაგალითად, თუ უჯრედშიდა სითხის ოსმოლარობა, ანუ გახსნილი ნივთიერებების კონცენტრაცია, უჯრედგარეთაზე მაღალია, უჯრედშიდა გარემო ჰიპერტონური იქნება გარეთასთან შედარებით, გარეთა კი ჰიპოტონური შიგნითასთან შედარებით.

თუ უჯრედს ჰიპერტონურ ხსნარში მოვათავსებთ, წყალი მისგან გარეთ გამოვა და უჯრედი შეიჭმუხნება. იზოტონურ გარემოში წყლისა და გახსნილი ნივთიერებების კონცენტრაციები თანაბარია მემბრანის ორივე მხარეს, შესაბამისად, წყალი ორივე მიმართულებით თანაბრად იმოძრავებს და უჯრედის ზომა არ შეიცვლება. ჰიპოტონურ გარემოში წყალი, პირიქით, უჯრედში შევა და გაბერავს მას.

სისხლის წითელი უჯრედებისთვის იზოტონური გარემო ყველაზე ხელსაყრელია, ამიტომ თქვენს ორგანიზმში ჰომეოსტაზური (სტაბილურობის შემანარჩუნებელი) სისტემები მუშაობს და შინაგანი გარემოს მუდმივობას უზრუნველყოფს. ჰიპოტონურ ხსნარში მოთავსებული წითელი უჯრედი გაიბერება და შესაძლოა, გასკდეს, ჰიპერტონურ ხსნარში კი ის შეიჭმუხნება — ციტოპლაზმა გამკვრივდება და მისი შიგთავსი კონცენტრირდება — და შეიძლება, დაიღუპოს კიდეც.

მცენარის უჯრედის შემთხვევაში კი ჰიპოტონური უჯრედგარე სითხეა იდეალური. პლაზმური მემბრანა იმაზე მეტად ვერ გაიჭიმება, ვიდრე ამის საშუალებას მყარი უჯრედის კედელი იძლევა, ამიტომ უჯრედი არც გასკდება და არც დაიშლება. მეტიც, მცენარეული უჯრედების ციტოპლაზმა, ჩვეულებრივ, გარემოსთან შედარებით ჰიპერტონურია და წყალი მანამ შევა უჯრედში, სანამ შინაგანი წნევა — ტურგორი — ამის საშუალებას მისცემს.

წყლისა და შიგ გახსნილი ნივთიერებების ბალანსის შენარჩუნება ძალიან მნიშვნელოვანია მცენარისთვის. მორწყვის გარეშე უჯრედგარე სითხე იზოტონური ან ჰიპერტონური გახდება, რის გამოც წყალი მცენარეული უჯრედებიდან გამოვა. ამის გამო ტურგორული წნევა შემცირდება, რისი შედეგიც, სავარაუდოდ, ნანახი გაქვთ: დაჭკნობა. ჰიპერტონურ გარემოში უჯრედის მემბრანა ჩამოეცლება კედელს და და შეჭმუხნის ციტოპლაზმას, რასაც პლაზმოლიზი ეწოდება (მარცხენა მხარეს ქვედა სურათზე).

ტონურობა ყველა ცოცხალი ორგანიზმისთვის მნიშვნელოვანია, განსაკუთრებით კი ისეთისთვის, რომელსაც მყარი უჯრედის კედელი არ აქვს და ჰიპერ- ან ჰიპოტონურ გარემოში ცოცხლობს. მაგალითად, ქალამანას — ქვედა სურათზე — და ამებას, უჯრედის კედლის არმქონე უმარიტივესებს, შესაძლოა, გააჩნდეთ სპეციალიზებული სტრუქტურა, კუმშვადი ვაკუოლი. იგი უჯრედში არსებულ ზედმეტ წყალს აგროვებს და გარეთ გატუმბავს, რითაც ხელს უშლის ჰიპოტონურ გარემოში მყოფი უჯრედის დაშლას მასში წყლის მუდმივად შესვლის გამო.