感受奇妙多样的渗透作用

姜联合 编译

（中国科学院植物研究所 北京 100093）

渗透作用在生物系统中具有重要作用，大部分生物膜都具有半透性，渗透作用是水分子进出细胞的主要途径。发生渗透作用时，哪些分子发生了运动？高渗、低渗和等渗溶液又是怎样区别的？渗透作用还有哪些更奇妙的过程，在此过程中，细胞形状发生了怎样的变化？亲手做实验，感受渗透作用的多样。

1 背景知识

渗透作用是指溶液，例如水，通过一个选择性透过膜的扩散，这个膜就像是细胞膜。当膜两侧溶液的浓度不同时就会发生渗透。假如半透膜的两侧都是蒸馏水，虽然水分子不断穿过半透膜，但最终的结果是没有渗透作用发生。然而假如在膜两侧的溶液浓度不同，则水的浓度也不同，因为当一个溶液的浓度增加时，其中水的浓度会随之下降。水浓度的降低程度是由溶液中溶质的分子个数而不是分子的种类决定，因为一个溶质分子取代一个水分子的位置。

一个溶液中所有溶质在水中形成的总浓度被称为摩尔渗透压浓度（osmolarity）。当半透膜两侧是等体积而不同渗透压浓度的溶液时，最终将发生溶剂的顺浓度梯度扩散（通常是水的扩散）。当一种溶液的浓度高于另一种时，该溶液即被称为高渗溶液；当2种溶液渗透压浓度相等时，其被称为等渗溶液；当一种溶液比另一种溶液的浓度低且渗透压浓度也低时，这种溶液即称为低渗溶液。

渗透作用指的是溶剂分子从高溶剂浓度向低溶剂浓度移动的过程。细胞膜对于水来说是完全通透的，因此细胞所处的外环境对细胞会产生巨大的影响。

渗透压（tonicity of a solution）指的是某种溶液对于细胞的作用力。高的溶液对于细胞来说含有高浓度的溶质。当细胞处在高渗透压溶液中时，外环境中溶质的浓度高于细胞中的，因此水在渗透作用下从细胞流向外环境中，导致细胞皱缩（图1）。

图1 细胞在不同渗透压作用下的变化

低渗透压溶液：相较于细胞来说溶液中溶质的浓度较低。当细胞（例如红细胞）处于低渗透压溶液中时，水由外环境流入细胞，导致细胞膨胀甚至被胀破。

等渗透压溶液：相较于细胞来说溶液中具有等量的溶质。当细胞处在等渗透压溶液中时，进出细胞的液体维持动态平衡，最终细胞膜两侧的液体并没有流动。因而细胞的形状也不会发生变化。在人身体内包围着细胞的溶液就是等渗透压溶液。渗透作用在生物系统中具有重要作用，大部分生物膜都具有半透性。总的说来，这些膜对于大分子的有机溶质，例如多糖，是不通透的；而对于水及其他不带电荷的溶质是通透的。通透性取决于溶解性，电荷性或是化学性，以及溶质的大小。水分子通过2种途径进入细胞：一种是直接穿过磷脂双分子层，另一种是通过水通道蛋白（这是一种小的跨膜蛋白，中间有一个小孔可以让水自由进出）。渗透作用是水分子进出细胞的主要途径。

2 实验目的

1）预测分子穿过半透膜运动的结果；

2）明确发生渗透作用的时候哪种分子发生了运动；

3）观察由渗透作用引起的液体体积变化；

4）明确高渗、低渗和等渗溶液。

3 实验材料

5 g玉米淀粉（满满一药匙）；大试管和瓶塞；碘液；小塑料袋；橡皮条；250 mL烧杯；100 mL的量筒。

4 实验步骤

1）在带塞的试管中将玉米淀粉与50 mL水混合均匀。

2）将混匀的淀粉溶液装入塑料袋并用橡胶带封口。

3）量取100 mL水倒入250 mL的烧杯中。

4）在烧杯中加入10滴碘液。

5）将塑料袋放入该烧杯，使袋中的淀粉溶液完全浸没在烧杯的液体中。

6）15 min后记录实验结果。

5 思考题

1）渗透作用和扩散作用的区别是什么？（渗透作用是溶剂从含水多的溶液中透过半透膜向含水少的溶液运动的过程。扩散作用是分子从高浓度的地方向低浓度的地方移动的过程。）

2）分子倾向于从高浓度的地方向低浓度的地方移动。

在本实验开始前：

①袋中的溶液和烧杯中的溶液哪一种淀粉的浓度更高？（袋子。）

②袋中的溶液和烧杯中的溶液哪一种碘液的浓度更高？（烧杯。）

③对于碘液来说袋子中的溶液和烧杯中的溶液哪一种是高渗溶液？（烧杯。）

④对于淀粉溶液来说袋子中的溶液和烧杯中的溶液哪一种是高渗溶液？（袋子。）

表1 分子从高浓度的地方向低浓度的地方移动记录表

3）根据你观察的结果，碘和淀粉哪一种物质发生了运动？

（碘移动了。袋子中溶液的颜色改变，并且由于烧杯中的水减少而袋子中的水增加了，说明水由烧杯向塑料袋中移动。）

4）你如何确定这一点？袋子的颜色发生变化同时烧杯中的水减少了。

①塑料袋对于哪种物质来说是通透的？（水和碘。）

②塑料袋具有选择透过性吗？（是的。）

③烧杯中的水如何变化？为什么会发生这种现象？（烧杯中的水浓度高而塑料袋中的水浓度低，因而水顺浓度梯度向塑料袋中移动，烧杯中的水减少。）

④画一个烧杯和杯子的草图，用箭头说明扩散是如何发生的。

5）如果将淀粉溶液放在烧杯中而将碘溶液放在塑料袋中会发生什么现象？（淀粉溶液仍然是高渗溶液，水和碘向烧杯中的淀粉溶液移动。）

6）为什么不能用塑料袋储存碘？（袋子对于碘来说是通透的，它会依据渗透作用向袋子外面移动。）