渗透平衡的力学分析

阎皓

高中生物中与渗透平衡有关的两个模型是U型管模型和植物渗透吸水模型。下面利用物理学中牛顿力学中的平衡原理去研究这两个模型的平衡状态。

在上述模型中，U型管的a管中是低浓度的蔗糖溶液，b管中是高浓度的蔗糖浓度。半透膜只容许水分子通过而不容许蔗糖分子通过，一段时间后U型管達到平衡。平衡后，半透膜两侧的a管中蔗糖溶液的浓度应小于b管中的蔗糖溶液的浓度。达到平衡后的U型管模型模型如图2所示。

由于半透膜b管中溶液的液面比a管中的高出一部分。采用物理学中力学分析常用的隔离法，将高出的一部分液体单独拿出来放在图2的右侧。从图中可以看出，高出的这部分液体必然有一个向下的重力形成了一个向下的F压，如果没有别的向上的力去抵消这个向下的F压，那么高出的液体必然不能维持而液面要向下移。这与客观事实是“高出的液体能够维持其高度”相反，所以必然有一个向上的力。分析该装置发现，该向上的力只能是由半透膜膜两侧的浓度差引起的渗透压力（F渗透）提供，所以a管中的蔗糖浓度不可能等于b管中的蔗糖浓度。又由于这个F渗透要是一个向上的力，那么只有当b管中溶液的浓度大于a管中的时，水分子向右运输，才能提供一个向上的力，所以处于平衡状态依然是：b管中溶液的浓度大于a管中的。

刚开始，由于半透膜两侧a管和b管中溶液的浓度差较大，此时b管中溶液的液面上升得很少，所以向上的F渗透>向下的F压，b管中溶液的液面继续上升;随着b管中溶液液面的继续上升，半透膜两侧a管和b管中溶液的浓度差逐渐减小，向上的F渗透逐渐减小，而上升的液体增多导致F压逐渐增大，总有一个时刻向上的F渗透=向下的F压，b管的液面不再上升，此时达到稳定状态。

植物渗透吸水模型中渗透平衡和力学分析如图3所示。

在上述模型中，将植物细胞放置在清水中，由于植物细胞中原生质层内的液体浓度肯定大于外界的清水，所以必然导致植物细胞原生质的渗透吸水。以植物细胞的局部（箭头所处的位置）为研究对象，浓度差引起的渗透压力（F渗透）是向右的，如果没有别的向左的力去抵消向右的F渗透，植物细胞必将持续吸水最终引起吸水涨破。这与客观事实“植物细胞由于细胞壁的存在而不会吸水涨破”相反，那么植物细胞必然受到一个向左的力。分析植物细胞此刻的状态就能得到，当植物细胞持续吸水到原生质层紧贴细胞壁时，原生质层对细胞壁产生了一个压力，由牛顿力学中力的作用是相互的可知，细胞壁同时会对原生质层产生一个相反的力。所以，浓度差引起的向右的渗透压力（F渗透）要靠细胞壁由于压迫而产生的向左的力去抵消。

刚开始时，由于植物细胞中原生质层内的液体浓度较大，而此时植物细胞的原生质还没有紧贴细胞壁，所以向右的F渗透>向左的F压，植物细胞原生质中的液体持续增多;随着原生质中的液体的增多，原生质的浓度逐渐减小，向右的F渗透逐渐减小，而原生质慢慢紧贴细胞壁导致细胞壁受压迫产生的向左的F逐渐增大，总有一个时刻向右的F渗透=向左的F压，植物细胞的原生质不再吸水，此时达到稳定状态。