Диффузия
Диффузия и осмос
Капля воды, которая на своем пути сквозь почву «поглощает» наряду с молекулами поваренной соли и другие соединения, в конце своей миграции попадает в открытые водоемы, озера или ручьи, воды которых состоят не только из прошедшей через почву, но и из воды поверхностного стока.
Легко представить, что вода, которая прошла сквозь почву, отличается более высоким содержанием солей по сравнению с водой водоема. Если водоем – ручей, то, благодаря динамичным процессам обмена в потоке, очень быстро будет происходить перемешивание. Но даже тогда, когда наша капля попадет в спокойное озеро, природа позаботится о быстром выравнивании принесенных «сокровищ» с окружающей средой. Явление, которое приводит в действие этот процесс обмена, называют диффузией. Если капля воды падает на гору, она просто стекает в долину. В природе все процессы сориентированы на то, чтобы достигать по возможности низкого уровня энергии. Если концентрацию соли в нашей упомянутой капле воды сравнить с концентрацией соли в чистой воде озера, то можно увидеть аналогию ситуации «гора – долина».
На рисунке на стр. 39 показана капля соленой воды в водной среде с меньшей концентрацией солей. В то время как в центре капли еще сохраняется высокая концентрация, с краев она уже снизилась. Молекулы соли переместились в окружающую массу воды. Логично предположить, что обмен происходит тем быстрее, чем выше концентрация. Температура также влияет на диффузию. Чем выше температура, тем быстрее происходит движение молекул (броуновское движение), и выравнивание концентрации. Процессы диффузии происходят не только в воде в зонах раз личной концентрации, но также между газами и жидкостями, например, между водой и атмосферой. Не все вещества диффундируют одинаково быстро и интенсивно. Двуокись углерода поглощается водой гораздо быстрее и в больших количествах, чем кислород или азот. Моря являются огромными хранилищами для СО2, который образуется в двигателях внутреннего сгорания. Таким образом, диффузия, которую никто из нас не ощущает, играет важную экологическую роль. С точки зрения аквариумистики двуокись углерода необходима, прежде всего, для роста растений в пресноводных аквариумах.
Осмос
С диффузией тесно связан осмос, при котором процессы диффузии осуществляются через полупроницаемую мембрану. Подобные мембраны проницаемы для молекул воды, но непроницаемы для молекул растворенных веществ. В эксперименте можно хорошо смоделировать происходящие при этом процессы. Резервуар, который внизу закрыт мембраной, а в верхнюю часть вставлены открытые трубки (см. рисунок на стр. 40), наполняется солевым раствором, погружается в питьевую воду. Такая система в резервуаре и окружающей воде стремится выровнять концентрации солей.
Мембрана препятствует обмену солей с водой внутри резервуара, однако миграция молекул воды через мембрану, тем не менее, происходит. В принципе в солевой раствор через мембрану диффундировало бы столько молекул воды, сколько необходимо для выравнивания концентраций соли в растворе и окружающей воде. Но это невозможно, так как вода, поступающая в сосуд, поднимает уровень в трубах, и вследствие этого давление воды в резервуаре повышается. Диффузия ограничивается повышающимся давлением воды в резервуаре и приходит к состоянию равновесия, в котором давление диффузии сравнивается с напором воды в резервуаре, хотя еще и не достигнуто выравнивание концентраций.
Давление в этом случае называется «осмотическим давлением». Для всех водных живых существ оно играет жизненно важную роль, так как кожа водных живых существ представляет собой мембрану. Теперь мы можем представить, что происходит, если рыба из области с нормальной концентрацией соли попадает с область с более низкой ее концентрацией. На основе осмотических явлений тело рыбы пытается устранить разницу в концентрациях. В самом лучшем случае животное испытывает недомогание, в худшем – оно умирает.
Регуляция осмоса
Из организма животных должны удаляться продукты обмена веществ. При постоянном накапливании они становятся ядовитыми для животных. Так, при расщеплении белка образуется ядовитый аммиак, который выделяется через органы экскреции вместе с другими подобными веществами.
У рыб так же регулируется осмотическое давление. Различные вещества могут выделяться и через жабры. Растворенные вещества в крови пресноводных животных содержатся в более высоких концентрациях, чем вода, в которой они живут. Благодаря осмосу вола постоянно проникает в их организмы, чтобы противодействовать повышению вследствие этого давления, вода постоянно выделяется через органы экскреции. Пресноводные рыбы могут при снижении концентрации солей увеличивать их с помощью жабр. Рыбы, обитающие в морской воде, отличаются от пресноводных рыб меньшей, чем в окружающей воде, концентрацией растворенных веществ в теле. Поэтому их также называют гипоосмотическими, так как благодаря осмосу они непрерывно теряют воду через жабры. Чтобы выравнивать эту потерю воды, морские животные должны пить соленую воду, которая, однако, всегда создает в организме слишком высокие концентрации солей. Лишняя соль активно выделяется через жабры. Акулы, напротив, не должны пить морскую воду, так как осмотическое давление жидкости тела из-за растворенной в ней мочевины превосходит осмотическое давление морской воды. Многие морские беспозвоночные не имеют такого, как у рыб, органа обмена. Они устроены так, что содержание солей в жидкости тела точно соответствует содержанию в воде, в которой они живут. Поэтому беспозвоночные особенно чувствительно реагируют на колебания в содержании солей и могут умереть при внезапном его изменении. При перемещении животных особенно важно соблюдать одинаковую концентрацию солей в воде и очень медленную щадящую замену воды. Наглядно это демонстрирует рисунок на странице 41; осмотическое давление может достигать 30 бар (1 бар соответствует 10 метрам воды!). На этих примерах можно увидеть, что живые существа вследствие различных функций водо- и солеобмена тесно связаны в своем жизненном пространстве. Большая часть морских животных может существовать в пресной воде также недолго, как и пресноводные животные в морской воде. Исключение составляют, например, угри и лососи, которые для размножения заплывают из моря в пресную воду или наоборот. Другое исключение представляют собой крабы, которые могут также регулировать осмотическое давление в комфортно обитать солоноватой воде. Итак, точное управление содержанием солей в нашем аквариуме является для всех водных живых существ основным фактором, которым, к сожалению, часто пренебрегают. Но даже с помощью современных приборов прямое измерение осмотического давления невозможно. Тем не менее, осмотическое давление зависит, прежде всего, от содержания солей в воде, а это показатель можно измерять с достаточной точностью такими приборами, как ареометр, или приборами для измерения проводимости, так что за возможными изменениями можно своевременно проследить.
|
|
|
|
