Диффузия в природе

 Процессы диффузии  лежат в основе обмена веществ в клетке, а значит, с их помощью данные процессы осуществляются и на уровне органов. Так осуществляются процессы всасывания в корневых волосках растений, кишечнике животных и человека; газообмен в устьицах растений, лёгких и тканях человека и животных, выделительные процессы.

 Строением и изучением  клеток биологи занимаются уже  более 150 лет, начиная с Шлейдена, Шванна, Пуриме и Вирхова, который в 1855 г. установил механизм роста клеток путем их деления. Было установлено, что каждый организм развивается из одной клетки, которая начинает делиться и в результате этого образуется множество клеток, заметно отличающихся друг от друга. Но поскольку изначально развитие организма началось от деления первой клетки, то на одном из этапов нашего жизненного цикла мы сохраняем сходство с очень отдаленным одноклеточным предком, и можно в шутку сказать, что мы скорее произошли от амебы, чем от обезьяны.

 Из клеток формируются  органы, и у системы клеток  появляются такие качества, которых  нет у составляющих ее элементов, т.е. отдельных клеток. Эти отличия  обусловлены набором белков, синтезируемых  данной клеткой. Бывают клетки  мышечные, нервные, кровяные (эритроциты), эпителиальные и другие в зависимости  от своей функциональности. Дифференцировка  клеток происходит постепенно  в процессе развития организма. В процессе деления клеток, их  жизни и гибели в течение  всей жизни организма происходит  непрерывная замена клеток.

 Ни одна молекула  в нашем теле не остается  неизменной дольше нескольких  недель или месяцев. За это  время молекулы синтезируются, выполняют  свою роль в жизни клетки, разрушаются  и заменяются другими, более или  менее идентичными молекулами. Самое  удивительное, что живые организмы  в целом значительно более  постоянны, чем составляющие их  молекулы, и строение клеток и  всего тела, состоящего из этих  клеток, остается в этом безостановочном  круговороте неизменным, несмотря  на замену отдельных компонентов.

 Причем это не замена  отдельных деталей автомобиля, а, как образно сравнивает С. Роуз, тело с кирпичной постройкой, «из которой сумасшедший каменщик непрерывно ночью и днем вынимает один кирпич за другим и вставляет на их место новые. При этом наружный вид постройки остается прежним, а материал постоянно заменяется». Мы рождаемся с одними нейронами и клетками, а умираем с другими. Примером является сознание, понимание и восприятие ребенка и старого человека. Во всех клетках имеется полная генетическая информация для построения всех белков данного организма. Хранение и передача наследственной информации осуществляются с помощью клеточного ядра.

Вывод: Нельзя преувеличить роль проницаемости плазматической мембраны в жизнедеятельности клетки. Большинство процессов, связанных с обеспечением клетки энергией, получением продуктов и избавлением ее от продуктов распада, основаны на закономерностях диффузии через эту полупроницаемую живую преграду.

^ Осмос – по сути  дела, простая диффузия воды из  мест с ее большей концентрацией, в места с меньшей концентрацией  воды.

Пассивный транспорт – это перенос веществ из мест с большим значением электрохимического потенциала к местам с его меньшим значением. Перенос малых водорастворимых молекул осуществляется при помощи специальных транспортных белков. Это особые трансмембранные белки, каждый из которых отвечает за транспорт определенных молекул или групп родственных молекул.

 Часто бывает необходимым  обеспечить перенос через мембрану  молекул против их электрохимического  градиента. Такой процесс называется  активным транспортом и осуществляется  белками-переносчиками, деятельность  которых требует затрат энергии. Если связать белок-переносчик  с источником энергии, можно получить  механизм, обеспечивающий активный  транспорт веществ через мембрану.

II.6. Применение диффузии.

Человек с древних времён использует явления диффузии. С данным процессом связаны приготовление пищи и обогрев жилища. Мы встречаемся с диффузией при термообработке металлов (сварке, пайке, резке, нанесении покрытий и т.п.); нанесении тонкого слоя металлов на поверхность металлических изделий для повышения химической стойкости, прочности, твёрдости деталей и приборов, или в защитно-декоративных целях (оцинкование, хромирование, никелирование).

 Природный горючий  газ, которым мы пользуемся дома  для приготовления пищи, не имеет  ни цвета, ни запаха. Поэтому трудно  было бы сразу заметить утечку  газа. А при утечке за счёт  диффузии газ распространяется  по всему помещению. Между тем  при определённом соотношении  газа с воздухом в закрытом  помещении образуется смесь, которая  может взорваться, например, от зажженной  спички. Газ может вызвать и  отравление.

 Чтобы сделать поступление  газа в помещение заметным, на  распределительных станциях горючий  газ предварительно смешивают  с особыми веществами, обладающими  резким неприятным запахом, который  легко ощущается человеком даже  при весьма малой его концентрации. Такая мера предосторожности  позволяет быстро заметить накопление  газа в помещении, если образовалась  утечка.

 В современной промышленности  используют вакуумформование, способ изготовления изделий из листовых термопластов. Изделие требуемой конфигурации получают за счет разности давлений, возникающей вследствие разрежения в полости формы, над которой закреплен лист. Применяется, напр., в производстве емкостей, деталей холодильников, корпусов приборов. За счёт диффузии таким путём можно сварить то, что само сварить невозможно (металл со стеклом, стекло и керамику, металлы и керамику, и многое другое).

 За счёт диффузии  различных изотопов урана через  пористые мембраны полечено топливо  для ядерных реакторов. Иногда  ядерное топливо называют ядерным  горючим.

 Всасывание (рассасывание) веществ при введении их в подкожную клетчатку, в мышцы или при аппликации на слизистые оболочки глаза, носа, кожу слухового прохода происходит главным образом за счет диффузии. На этом основано применении многих лекарственных веществ, причем всасывание в мышцах происходит быстрее, чем в коже.

 Народная мудрость  гласит: «коси коса, пока роса». Скажете, причем здесь диффузия и утренний  покос? Объяснение очень просто. Во время утренней росы у  трав повышенное тургорное давление, открыты устьица, стебли упругие, что облегчает их скашивание (трава, скошенная при закрытых устьицах, хуже сохнет).

 В садоводстве, при окулировке и прививке растений на срезах за счёт диффузии образуется каллюс (от лат. Сallus – мозоль) - раневая ткань в виде наплыва в местах повреждений и способствует их заживлению, обеспечивает срастание привоя с подвоем.

 Каллюс используют для получения культуры изолированных тканей (эксплантации). Это метод длительного сохранения и выращивания в специальных питательных средах клеток, тканей, небольших органов или их частей, выделенных из организма человека, животных и растений. Основан на методах выращивания культуры микроорганизмов, обеспечивающих асептику, питание, газообмен и удаление продуктов обмена культивируемых объектов. Одно из преимуществ метода тканевых культур — возможность наблюдения за жизнедеятельностью клеток с помощью микроскопа. Для этого растительную ткань выращивают на питательных средах, содержащих ауксины и цитокинины. Каллюс состоит обычно из слабо дифференцированных однородных клеток образовательной ткани, но при изменении условий выращивания, прежде всего содержания фитогормонов в питательной среде, в нем возможно образование флоэмы, ксилемы и других тканей, а также развитие различных органов и целого растения.

II.7. Проектирование отдельных опытов.

Используя научную литературу, я попытался повторить наиболее интересные для меня опыты. Механизм диффузии и результаты этих опытов я изобразил в презентации в виде анимационных моделей.

ОПЫТ 1. Взять две пробирки: одна до половины наполнена водой, другая до половины наполнена песком. Воду вылить в пробирку с песком. Объём смеси воды и песка в пробирке меньше суммы объёмов воды и песка.

ОПЫТ 2. Длинную стеклянную трубку до половины наполнить водой, а затем сверху налить подкрашенный спирт. Общий уровень жидкостей в трубке отметить резиновым кольцом. После перемешивания воды и спирта объём смеси уменьшается.

(Опыты 1 и 2. доказывают, что между  частицами вещества существуют  промежутки; во время диффузии  они заполняются частицами вещества  – пришельца.)

ОПЫТ 3. Ватку, смоченную нашатырным спиртом, приведём в соприкосновение с ваткой, смоченной индикатором фенолфталеином. Наблюдаем окрашивание ваток в малиновый цвет.

 Теперь ватку, смоченную нашатырным  спиртом, помещают на дно стеклянного  сосуда, а смоченную фенолфталеином. Прикрепим к крышке и накроем  этой крышкой стеклянный сосуд. Через некоторое время ватка, смоченная фенолфталеином, начинает  окрашиваться.

 В результате взаимодействия  с нашатырным спиртом фенолфталеин  окрашивается в малиновый цвет, что мы и наблюдали при соприкосновении  ваток. Но почему тогда во втором  случае ватка, смоченная фенолфталеином. Также окрашивается, ведь теперь  ватки в соприкосновение не  приводились? Ответ: непрерывное хаотическое  движение частиц веществ.

ОПЫТ 4. Вдоль стенки внутри высокого цилиндрического сосуда опустить узкую полоску фильтровальной бумаги, пропитанной смесью крахмального клейстера с раствором индикатора фенолфталеина. На дно сосуда поместить кристаллы йода. Сосуд плотно закрыть крышкой, к которой подвешена вата, пропитанная раствором аммиака.

 За счёт взаимодействия йода  с крахмалом по полоске бумаги  вверх поднимается сине – фиолетовое  окрашивание. Одновременно вниз  распространяется малиновая окраска  – доказательство движения молекул  аммиака. Через несколько минут  границы окрашенных участков  бумаги встретятся, и далее синий  и малиновый цвета смешиваются, то есть происходит диффузия.[ 10]

ОПЫТ 5. (проводят вдвоём) Взять часы с секундной стрелкой, рулетку, флакон туалетной воды и встать в разные углы комнаты. Один засекает время и открывает флакон. Другой отмечает время, когда почувствует запах туалетной воды. Измеряя расстояние между экспериментаторами, находим скорость диффузии. Для точности опыт повторяется 3 – 4 раза, и находится среднее значение скорости. Если расстояние между эксперитентаторами 5 метров, то запах чувствуется через 12 минут. То есть скорость диффузии в данном случае равна 2, 4 м /мин.

ОПЫТ 6.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ ПЛАЗМЫ МЕТОДОМ ПЛАЗМОЛИЗА (по П.А.Генкелю)

 Скорость наступления выпуклого  плазмолиза в растительных клетках  при их обработке гипертаническим раствором зависит от вязкости цитоплазмы; чем меньше вязкость цитоплазмы, тем скорее вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый. Вязкость цитоплазмы зависит от степени дисперсии коллоидных частиц и их гидратации, от содержания воды в клетке, от возраста клеток и других факторов.

^ Ход работы. Делают тонкий срез  эпидермиса с листа алоэ, или  сдирают эпидермис с мягких  чешуй лука. Изготовленные срезы  подкрашивают в часовом стекле  в течение 10 минут в растворе  нейтрального красного концентрации 1:5000. Затем срезы объекта помещают  на предметное стекло в каплю  сахарозы слабой концентрации  и закрывают одним покровным  стеклом. Под микроскопом отмечают  состояние плазмолиза. Сначала в  клетках отмечается вогнутый  плазмолиз. В дальнейшем эта форма  или сохраняется, или с той  или иной быстротой переходит  в выпуклую форму. Важно отметить  время перехода вогнутого плазмолиза  в выпуклый. Промежуток времени, в течение которого вогнутый плазмолиз переходит в выпуклый, является показателем степени вязкости протоплазмы. Чем больше продолжительность времени перехода к выпуклому плазмолизу, тем больше вязкость плазмы. Плазмолиз в клетках лука начинается быстрее, чем в кожице алоэ. Значит цитоплазма клеток алоэ более вязкая.

^ ОПЫТ 7. ПЛАЗМОЛИЗ. ДЕПЛАЗМОЛИЗ. ПРОНИКНОВЕНИЕ  ВЕЩЕСТВ В ВАКУОЛЬ [ 2]

 Некоторые органические вещества  довольно быстро проникают в  вакуоль. В клетках, при их выдерживании  в растворах таких веществ, сравнительно  быстро теряется плазмолиз и  наступает деплазмолиз.

^ Деплазмолиз – это восстановление тургора в клетках (т.е. явление, обратное плазмолизу).

Ход работы. Срезы верхнего эпидермиса чешуи окрашенного лука (вогнутая сторона) помещают в каплю I М раствора удобрения для растений мочевины или глицерина прямо на предметном стекле, накрывают покровным стеклом. Через 15-30 минут объекты рассматривают под микроскопом. Хорошо заметны плазмолизированные клетки. Оставляют срезы в капле раствора еще на 30-40 минут. Потом опять рассматривают под микроскопом и наблюдают деплазмолиз - восстановление тургора.

Вывод: растения не могут чётко контролировать количество поступающих и выходящих из клеток химических веществ.

ОПЫТ 8.ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ДИФФУЗИИВ ПРИРОДЕ.

Приборы и материалы: поваренная соль, медный купорос, марганец, набор овощей, термометр, 9 стеклянных сосудов объёмом по 100 мл.

Задание: изучите зависимость скорости диффузии от температуры.

Порядок выполнения работы:

1. Подготовьте 5%-е водные растворы поваренной соли, медного купороса и марганцовки.
2. Разделите растворы на три части по 100 мл.
3. Нарежьте одинаковыми кубиками картофель или огурец.
4. Поместите эти кубики в сосуды с растворами. Первый сосуд поместите  в холодильник с температурой 5 градусов, второй сосуд оставьте при в комнатной температуре, третий нагрейте до температуры 60 градусов и в течение 40 мин удерживайте эту температуру.
5. Через 40 мин сделайте продольный  разрез.
6. Сделайте вывод о проникновении частичек поваренной соли, медного купороса и марганцовки в  исследуемые образцы.
7. Повторите исследование, увеличив время до 1,5 ч, до 3 ч, до 6 ч.
8. Результаты исследования поместить в больницу.