Явления диффузии и осмоса в биологических системах
Диффузия — это процесс самопроизвольного выравнивания концентрации вещества в пространстве за счёт теплового движения его молекул. Явление диффузии лежит в основе множества физиологических процессов и представляет собой форму пассивного транспорта веществ через клеточные мембраны и ткани организма.
На молекулярном уровне диффузия обусловлена хаотическим движением частиц, описываемым законами статистической механики. Скорость диффузии зависит от:
В биологии важное значение имеет молекулярная диффузия, происходящая в жидких и полужидких средах организма: крови, лимфе, межклеточной жидкости, цитоплазме.
Классическое описание диффузии даёт закон Фика. Первый закон Фика гласит:
J = -D ∙ (dc/dx)
где J — плотность диффузионного потока (моль/(м²∙с)), D — коэффициент диффузии (м²/с), dc/dx — градиент концентрации (моль/м³ на м).
Отрицательный знак отражает движение вещества в сторону убывающей концентрации.
Во втором законе Фика учитывается изменение концентрации вещества во времени:
∂c/∂t = D ∙ ∂²c/∂x²
Эти уравнения описывают, как концентрация растворённых веществ меняется в пространстве и времени. Коэффициент диффузии для различных веществ в биологических жидкостях имеет характерные значения, например:
В живом организме диффузия особенно значима на малых расстояниях: например, в межклеточной среде, в капиллярах, в лёгочных альвеолах.
Полупроницаемые мембраны клеток и органелл играют важнейшую роль в регуляции диффузионных потоков. Мембрана, как правило, проницаема только для небольших неполярных молекул (кислород, углекислый газ, азот), а также частично — для воды. Ионы и полярные молекулы требуют наличия специализированных транспортных белков (каналов и переносчиков).
Примеры биологических барьеров:
Наличие белков-транспортеров позволяет избирательно регулировать поступление веществ, комбинируя диффузию с активным транспортом.
Осмос — это частный случай диффузии, при котором происходит движение растворителя (обычно воды) через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией растворённых веществ в область с большей. Осмос приводит к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны, хотя сами молекулы растворённого вещества не переходят через неё.
Величина, характеризующая способность раствора притягивать воду, называется осмотическим давлением. Согласно уравнению Вант-Гоффа:
π = i ∙ C ∙ R ∙ T
где π — осмотическое давление (Па), i — изотонический коэффициент (число частиц, на которые диссоциирует молекула), C — молярная концентрация растворённого вещества (моль/л), R — универсальная газовая постоянная, T — температура в Кельвинах.
В организме осмотическое давление является ключевым фактором водно-солевого баланса и участвует в регуляции объёма клеток.
Клеточная мембрана, как правило, обладает высокой проницаемостью для воды, но ограниченной — для ионов и других веществ. Из-за этого в случае гипертонической или гипотонической среды клетка может терять или накапливать воду:
Пример: в медицинской практике используются изотонические растворы, например 0.9% раствор NaCl (физиологический раствор), который не вызывает осмотических сдвигов.
На уровне тканей осмос регулирует перераспределение жидкости между внутрисосудистым, интерстициальным и внутриклеточным компартментами. Важнейшую роль играет осмолярность плазмы крови, обычно составляющая ~285–295 мОсм/л.
Если осмотическое давление плазмы повышается (например, при обезвоживании), происходит выход воды из клеток и тканей в сосудистое русло. При понижении осмотического давления — наоборот, вода поступает в ткани, вызывая отёки.
Пример — развитие церебрального отёка при нарушении осмотического баланса, опасное с точки зрения внутричерепного давления.
Особый вид осмотического давления создают коллоидные растворы, прежде всего плазменные белки (альбумины, глобулины). Это давление называют онкотическим.
Онкотическое давление удерживает жидкость в сосудистом русле, препятствуя её избыточному выходу в ткани. Снижение концентрации альбумина (например, при заболеваниях печени или почек) ведёт к снижению онкотического давления и развитию отёков.
Диффузия и осмос лежат в основе многих клинических и диагностических процессов:
Также важны при расчётах лекарственной терапии, особенно в условиях нарушенного водно-электролитного баланса или кислотно-основного состояния.
Математическое моделирование процессов диффузии и осмоса используется для описания:
Применение численных методов (методы конечных разностей, элементы модели Дарси-Лав для осмотических потоков и др.) позволяет воссоздавать сложные градиентные поля в тканевых структурах и прогнозировать эффект терапевтических вмешательств.
Несмотря на кажущуюся простоту, процессы диффузии и осмоса в биологии нередко осложнены следующими факторами:
Таким образом, диффузия и осмос являются неотъемлемыми механизмами регуляции жизнедеятельности, обеспечивая транспорт веществ, поддержание гомеостаза и адаптацию клеток к внешним воздействиям.