რა არის ჰიპერტონიული გამოსავალი?

ადამიანების უმეტესობამ იცის, რომ მარილიან საკვებს აქვს წყურვილის გაჩენის თვისება. ალბათ თქვენ ისიც შენიშნეთ, რომ ძალიან ტკბილი საკვები ერთსა და იმავეს აკეთებს. ეს იმიტომ ხდება, რომ მარილი (როგორც ნატრიუმის და ქლორიდის იონები) და შაქრები (როგორც გლუკოზის მოლეკულები) ფუნქციონირებს აქტიური ოსმოლები სხეულის სითხეებში გახსნისას, პირველ რიგში სისხლის შრატის კომპონენტში. ეს ნიშნავს, რომ წყალხსნარში ან ბიოლოგიურ ექვივალენტში გახსნისას მათ აქვთ პოტენციალი გავლენა მოახდინონ იმ მიმართულებით, სადაც გადაადგილდება ახლომდებარე წყალი. (გამოსავალი არის უბრალოდ წყალი, რომელშიც გახსნილია ერთი ან მეტი ნივთიერება).

"ტონი", კუნთების გაგებით, ნიშნავს "დაძაბულობას" ან სხვაგვარად გულისხმობს ისეთ რამეს, რაც ფიქსირდება კონკურენტული გამწევ სტილის ძალების წინაშე. ტონიურობა, ქიმიაში, ეხება წყალხსნის გამოსავლის ტენდენციას წყალთან შედარებით ზოგიერთ სხვა ხსნართან შედარებით. გამოსაკვლევი გამოსავალი შეიძლება იყოს ჰიპოტონიური, იზოტონური ან ჰიპერტონიული საცნობარო გადაწყვეტასთან შედარებით. ჰიპერტონიულ გადაწყვეტილებებს მნიშვნელოვანი მნიშვნელობა აქვს დედამიწაზე ცხოვრების კონტექსტში.

ხსნარების ფარდობითი და აბსოლუტური კონცენტრაციის გავლენის განხილვამდე მნიშვნელოვანია იმის გაგება, თუ როგორ ხდება მათი რაოდენობრივი და გამოხატვა ანალიზურ ქიმიაში და ბიოქიმია.

ხშირად, წყალში გახსნილი მყარი ნივთიერებების კონცენტრაცია (ან სხვა სითხეებში) გამოიხატება უბრალოდ მასის ერთეულად, გაყოფილი მოცულობით. მაგალითად, შრატის გლუკოზა ჩვეულებრივ იზომება გლუკოზის გრამებში თითო დეცილიტრზე (ლიტრის მეათედი) შრატში, ან გ / დლ. (მასა, რომელიც გაყოფილია მოცულობით, მსგავსია სიმკვრივის გამოსათვლელად, გარდა იმისა, რომ სიმკვრივის გაზომვებში მხოლოდ ერთი ნივთიერებაა შესწავლილი, მაგალითად, ტყვიის გრამი ტყვიის კუბურ სანტიმეტრზე.) გამხსნელის მასა გამხსნელის ერთეულ მოცულობაზე ასევე წარმოადგენს საფუძველს "პროცენტული მასისთვის" გაზომვები; მაგალითად, 1000 მლ წყალში გახსნილი 60 გრ საქაროზა არის 6 პროცენტიანი ნახშირწყლების ხსნარი (60/1000 = 0,06 = 6%).

კონცენტრაციის გრადიენტების თვალსაზრისით, რომლებიც გავლენას ახდენენ წყლის ან ნაწილაკების გადაადგილებაზე, მნიშვნელოვანია იცოდეთ ნაწილაკების მთლიანი რაოდენობა ერთ მოცულობაში, მათი ზომის მიუხედავად. სწორედ ეს, და არა მთლიანი ხსნადი მასა ახდენს გავლენას ამ მოძრაობაზე, თუმცა ეს შეიძლება იყოს კონტრინუტუტი. ამისათვის მეცნიერები ყველაზე ხშირად იყენებენ მოლარულობა (მ), რაც არის ნივთიერების მოლების რაოდენობა ერთეულ მოცულობაზე (ჩვეულებრივ ლიტრზე). ეს თავის მხრივ განისაზღვრება ნივთიერების მოლური მასით, ან მოლეკულური წონით. პირობითად, ნივთიერების ერთი მოლი შეიცავს 6,02 × 10-ს²³ ნაწილაკები, აქედან გამომდინარეობს ატომების რაოდენობა ელემენტარული ნახშირბადის ზუსტად 12 გრამში. ნივთიერების მოლური მასა არის მისი შემადგენელი ატომების ატომური წონის ჯამი. მაგალითად, გლუკოზის ფორმულაა C₆ჰ₁₂ო₆ ნახშირბადის, წყალბადის და ჟანგბადის ატომური მასები, შესაბამისად, 12, 1 და 16-ია. ამიტომ, გლუკოზის მოლური მასა არის (6 × 12) + (12 × 1) + (6 × 16) = 180 გ.

ამრიგად, 400 მლ ხსნარის მოლარობის დასადგენად, რომელიც შეიცავს 90 გ გლუკოზას, თქვენ ჯერ განსაზღვრავთ არსებული გლუკოზის მოლების რაოდენობას:

(90 გ) × (1 მოლი / 180 გ) = 0,5 მოლი

დაყავით ეს ლიტრების რაოდენობაზე, რომლებიც განსაზღვრავს მოლარულობას:

(0,5 მოლი) / (0,4 ლ) = 1,25 მ

ნაწილაკები, რომლებიც თავისუფლად გადაადგილდებიან ხსნარში, შემთხვევით ეჯახებიან ერთმანეთს და დროთა განმავლობაში, მიმართულებები ამ შეჯახების შედეგად მიღებული ცალკეული ნაწილაკები გააუქმებენ ერთმანეთს ისე, რომ კონცენტრაციის წმინდა ცვლილება არ მოხდეს შედეგები გამოსავალი ამბობს წონასწორობა ამ პირობებში. მეორეს მხრივ, თუ ხსნარების ლოკალიზებულ ნაწილში მეტი ხსნადი შედის, გაიზარდა სიხშირე შეჯახება იწვევს ნაწილაკების წმინდა გადაადგილებას უფრო მაღალი კონცენტრაციის არეებიდან უფრო დაბალ ადგილებში კონცენტრაცია. ამას დიფუზია ეწოდება და წონასწორობის საბოლოო მიღწევას უწყობს ხელს, სხვა ფაქტორების მუდმივად შენარჩუნებაში.

სურათი მკვეთრად იცვლება, როდესაც ნახევრად გამტარი მემბრანები შედიან ნარევში. უჯრედები სწორედ ასეთი გარსებით არის შემოფარგლული; ”ნახევრად გამტარი” ნიშნავს უბრალოდ, რომ ზოგიერთ ნივთიერებას შეუძლია გაიაროს, ზოგს კი არა. უჯრედის მემბრანის მხრივ, მცირე მოლეკულები, როგორიცაა წყალი, ჟანგბადი და ნახშირორჟანგი, შეიძლება გადავიდნენ და უჯრედისგან უბრალო დიფუზიის საშუალებით, ცილების და ლიპიდური მოლეკულების აცილების შედეგად წარმოიქმნება უმეტესობა გარსი მოლეკულების უმეტესობა, ნატრიუმის ჩათვლით (Na⁺), ქლორიდი (Cl^-) და გლუკოზას არ შეუძლია, მაშინაც კი, როდესაც არსებობს კონცენტრაციის სხვაობა უჯრედის შინაგანსა და უჯრედის გარედან.

ოსმოსისი, წყლის დინება მემბრანის გასწვრივ, გარსის ორივე მხარეს დიფერენცირებული ხსნადი კონცენტრაციების საპასუხოდ, წარმოადგენს უჯრედული ფიზიოლოგიის ერთ-ერთ ყველაზე მნიშვნელოვან კონცეფციას. ადამიანის სხეულის დაახლოებით სამი მეოთხედი შედგება წყლისგან, ანალოგიურად სხვა ორგანიზმებისათვის. სითხის წონასწორობა და ძვრები აუცილებელია ფაქტიურად გადარჩენისთვის, ერთი წუთით.

ოსმოსის წარმოქმნის ტენდენციას უწოდებენ ოსმოსურ წნევას, ხოლო ხსნადებს, რომელთა შედეგადაც ხდება ოსმოსური წნევა, რასაც ყველა მათგანი არ აკეთებს, აქტიურ ოსმოლებს უწოდებენ. იმის გასაგებად, თუ რატომ ხდება ეს, სასარგებლოა ვიფიქროთ თავად წყალზე, როგორც "ხსნად", რომელიც ნახევრად გამტარი მემბრანის ერთი მხრიდან გადადის მეორეზე, საკუთარი კონცენტრაციის გრადიენტის შედეგად. იქ, სადაც ხსნადში კონცენტრაცია უფრო მაღალია, "წყლის კონცენტრაცია" უფრო დაბალია, რაც ნიშნავს, რომ წყალი შემოვა მაღალი კონცენტრაციიდან დაბალ კონცენტრაციის მიმართულებით, ისევე როგორც სხვა აქტიური ოსმოლები. წყალი უბრალოდ გადადის კონცენტრაციის მანძილების გასათანაბრებლად. მოკლედ, ამიტომაც მოგწყურდებათ მარილიანი კერძის მიღების დროს: თქვენი ტვინი პასუხობს მასზე გაიზარდა ნატრიუმის კონცენტრაცია თქვენს ორგანიზმში და ითხოვს სისტემაში მეტი წყლის შეყვანას - ეს სიგნალია წყურვილი

ოსმოსის ფენომენი ზედსართავების შემოღებას აიძულებს ხსნარების ფარდობითი კონცენტრაციის აღსაწერად. როგორც ზემოთ შევეხეთ, ნივთიერებას, რომელიც ნაკლებად არის კონცენტრირებული, ვიდრე საცნობარო ხსნარი, ჰიპოტონიურს უწოდებენ ("ჰიპო" ბერძნულად ნიშნავს "ქვეშ" ან "დეფიციტი"). როდესაც ორი ხსნარი თანაბრად კონცენტრირებულია, ისინი იზოტონურია ("იზო" ნიშნავს "იგივე"). როდესაც ხსნარი უფრო კონცენტრირებულია ვიდრე საცნობარო ხსნარი, ის ჰიპერტონიულია ("ჰიპერ" ნიშნავს "მეტს" ან "ჭარბს").

გამოხდილი წყალი ჰიპოტონიურია ზღვის წყლის მიმართ; ზღვის წყალი ჰიპერტონიულია გამოხდილი წყლისგან. ორი სახის სოდა, რომელიც შეიცავს ზუსტად იგივე რაოდენობის შაქარს და სხვა ხსნადებს, იზოტონურია.

წარმოიდგინეთ, რა შეიძლება დაემართოს ცოცხალ უჯრედს ან უჯრედების ჯგუფს, თუ შინაარსი ძალზე კონცენტრირებული იყო მიმდებარე ქსოვილებთან შედარებით, რაც ნიშნავს იმას, თუ უჯრედი ან უჯრედები ჰიპერტონიულია მათი შემოგარენი. იმის გათვალისწინებით, თუ რა ისწავლეთ ოსმოსური წნევის შესახებ, თქვენ მოელით, რომ წყალი გადავა უჯრედში ან უჯრედების ჯგუფში, რათა განლაგდეს ხსნადობის უფრო მაღალი კონცენტრაცია ინტერიერში.

ეს ზუსტად ის ხდება, რაც პრაქტიკაში ხდება. მაგალითად, ადამიანის სისხლის წითელი უჯრედები, რომლებსაც ოფიციალურად ეწოდება ერითროციტები, ჩვეულებრივ დისკის ფორმისაა და ორივე მხრიდან ჩაზნექილია, როგორც დაჭრილი ნამცხვარი. თუ ეს ჰიპერტონიულ ხსნარშია მოთავსებული, წყალი იჩენს სისხლის წითელი უჯრედების დატოვებას, ტოვებს მათ ჩამონგრეულ და მიკრული მიკროსკოპის ქვეშ. როდესაც უჯრედები მოთავსებულია ჰიპოტონიურ ხსნარში, წყალი მიდრეკილია უჯრედებში გადაადგილებისკენ და ადიდებს ანაზღაურებს ოსმოსური წნევის გრადიენტს - ზოგჯერ იქამდე, რომ არა მხოლოდ შეშუპება, არამედ ადიდებული უჯრედები. ვინაიდან სხეულის შიგნით უჯრედების აფეთქება ზოგადად არ არის ხელსაყრელი შედეგი, ცხადია, რომ ქსოვილებში მომიჯნავე უჯრედებში ძირითადი ოსმოსური წნევის სხვაობის თავიდან აცილება ძალზე მნიშვნელოვანია.

თუ ვარჯიშის ძალიან გრძელი დატვირთვა გაქვთ, მაგალითად 26.2-კილომეტრიანი მარათონი ან სამჭიდი (ცურვა, ველოსიპედით გასეირნება და სირბილი), რაც ადრე მიირთვით, შეიძლება საკმარისი იქნება ღონისძიების ხანგრძლივობის შენარჩუნებისთვის, რადგან თქვენს კუნთებსა და ღვიძლს მხოლოდ იმდენი საწვავის შენახვა შეუძლიათ, რომელთა უმეტესობა გლუკოზის ჯაჭვების სახითაა გლიკოგენი. მეორეს მხრივ, ინტენსიური ვარჯიშის დროს სითხის გარდა ნებისმიერიფრის მიღება შეიძლება იყოს ლოგისტიკურად რთული და, ზოგიერთ ადამიანში, გულისრევის გამომწვევი. იდეალურ შემთხვევაში, თქვენ მიიღებდით რაიმე ფორმის სითხეებს, რადგან ეს უფრო ადვილია კუჭზე და თქვენ სურს ძალიან შაქრიანი (ანუ კონცენტრირებული) სითხე ისე, რომ მაქსიმალური საწვავი მიეწოდოს სამუშაოებს კუნთები.

ან ნეტავ? ამ ძალიან სარწმუნო მიდგომის პრობლემაა ის, რომ როდესაც ნივთიერებები, რომლებსაც ჭამთ ან სვამთ, ნაწლავის მიერ იწოვება, ეს პროცესი ეყრდნობა ოსმოსურ გრადიენტი, რომელსაც სურს ნაწლავში შიგნით ნაწლავის შიგნიდან სისხლძარღვამდე მიმავალი ნივთიერებების მოზიდვა სისხლში, წყალობით, წყალი როდესაც თქვენ მიერ მოხმარებული სითხე ძალიან კონცენტრირებულია - ეს არის თუ ის ჰიპერტონიულია ნაწლავის მოსაპირკეთებელი სითხეებისთვის - ეს არღვევს ამ ნორმალურ ოსმოსურ გრადიენტს და "წოვს" წყალს ნაწლავიდან გარედან, რაც იწვევს საკვებ ნივთიერებების შეწოვას შეჩერებით და ამარცხებს შაქრიანი სასმელების მიღებას წადი

სინამდვილეში, სპორტის მეცნიერებმა შეისწავლეს სხვადასხვა სპორტული სასმელის შეწოვის შედარებითი მაჩვენებლები შეიცავს სხვადასხვა კონცენტრაციის შაქარს და აღმოჩნდა, რომ ეს "საწინააღმდეგო" შედეგია შეასწორეთ ერთი. ჰიპოტონიური სასმელები სწრაფად შეიწოვება, ხოლო იზოტონური და ჰიპერტონიული სასმელები უფრო ნელა შეიწოვება, რაც იზომება გლუკოზის კონცენტრაციის ცვლილებით სისხლის პლაზმაში. თუ თქვენ ოდესმე მიგიღიათ სპორტული სასმელები, როგორიცაა Gatorade, Powerade ან All Sport, ალბათ შენიშნეთ, რომ მათი გემო უფრო ნაკლებად ტკბილია, ვიდრე კოლას ან ხილის წვენს; ეს იმიტომ ხდება, რომ მათ შექმნეს დაბალი მატონიზირებელი თვისებები.

გაითვალისწინეთ პრობლემა, რომელსაც ზღვის ორგანიზმები - ეს არის წყლის ცხოველები, რომლებიც კონკრეტულად ცხოვრობენ დედამიწის ოკეანეებში - განიცდიან: არა მხოლოდ უკიდურესად მარილიან წყალში ცხოვრობენ, არამედ მათ უნდა მიიღონ საკუთარი წყალი და საკვები ამ უაღრესად ჰიპერტონიული ხსნარიდან სახის; გარდა ამისა, მათ უნდა გამოყონ მასში ნარჩენები (ძირითადად აზოტის სახით, მოლეკულებში, როგორიცაა ამიაკი, შარდოვანა და შარდმჟავა), ასევე მიიღონ ჟანგბადი მისგან.

ზღვის წყალში გაბატონებული იონები (დამუხტული ნაწილაკები) არის, როგორც თქვენ მოელით, Cl^- (19,4 გრამი თითო კილოგრამ წყალზე) და Na⁺ (10,8 გ / კგ). ზღვის წყლის მნიშვნელოვან სხვა აქტიურ ოსმოლებს მიეკუთვნება სულფატი (2,7 გ / კგ), მაგნიუმი (1,3 გ / კგ), კალციუმი (0,4 გ / კგ), კალიუმი (0,4 გ / კგ) და ბიკარბონატი (0,142 გრ / კგ).

როგორც იფიქრებთ, ზღვის ორგანიზმების უმეტესობა იზოტონურია ზღვის წყლის მიმართ, როგორც ევოლუციის ძირითადი შედეგი; მათ არ სჭირდებათ რაიმე განსაკუთრებული ტაქტიკის გამოყენება წონასწორობის შესანარჩუნებლად, რადგან მათმა ბუნებრივმა მდგომარეობამ მათ საშუალება მისცა გადარჩეს იქ, სადაც სხვა ორგანიზმებს არა და არ შეუძლიათ. ზვიგენები, გამონაკლისი არიან, იცავენ სხეულებს, რომლებიც ჰიპერტონიულია ზღვის წყლის მიმართ. ისინი ამას ორი ძირითადი მეთოდით მიაღწევენ: ისინი ინარჩუნებენ უჩვეულო რაოდენობას შარდოვანაში სისხლში, ხოლო შარდი, რომელსაც გამოყოფენ, ძალზე განზავებულია, ანუ ჰიპოტონიური, მათ შიდა სითხეებთან შედარებით.