Определение градиента концентрации
Градиент концентрации возникает, когда растворенное вещество более сконцентрирован в одной области, чем в другой.
«Концентрация» относится к тому, сколько растворенного вещества по сравнению с растворитель, Например, в углу резервуара для воды, в который только что была добавлена соль, концентрация соли будет намного выше, чем в противоположном конце резервуара, где соль не достигалась.
Со временем растворенные вещества всегда снижают градиент концентрации, чтобы «попытаться» создать одинаковую концентрацию на всем протяжении решение.
Разумеется, растворенное вещество ничего не «хочет». Но законы термодинамики гласят, что из-за постоянных движений атомов и молекул вещества будут перемещаться из областей с более высокой концентрацией в более низкую концентрацию, чтобы получить случайное решение. Эта анимация иллюстрирует, как и почему происходит этот процесс:
Это можно легко продемонстрировать дома, добавив каплю пищевого красителя на стакан воды. Сначала пищевой краситель будет занимать только небольшое пятно в жидком стакане, где он был добавлен. Но со временем цветные частицы будут распространяться, создавая равномерное распределение цветных частиц по всему дну стекла.
Некоторые жизненные формы используют эту тенденцию растворенных веществ перемещаться из области высокой концентрации в низкую концентрацию, чтобы привести в действие жизненные процессы.
Нейроны, например, способны посылать сигналы так быстро, потому что они используют градиент концентрации заряженных частиц, чтобы создать электрохимический импульс, когда им нужно выстрелить. 20-25% всех калорий, потребляемых человеческим организмом, используются для поддержания этого жизненного градиента концентрации!
Функция градиентов концентрации
Градиенты концентрации являются естественным следствием законов физики. Однако живые существа нашли много способов использовать свои свойства для выполнения важных жизненных функций.
Например, организмы, которым необходимо перемещать вещество в свои клетки или из них, могут использовать движение одного вещества по градиенту его концентрации для транспортировки другого вещества в тандеме.
Организмы могут также использовать градиенты концентрации для осуществления внезапных изменений или движений, высвобождая высокие концентрации растворенного вещества для перемещения в области с низкой концентрацией. Нейроны являются примером клеток, которые используют высокие концентрации растворенных веществ для достижения быстрых изменений.
Примеры градиентов концентрации
Нейроны и натриево-калиевая помпа
Нейроны тратят огромное количество энергии – около 20-25% всех калорий организма, у людей – перекачивая калий в свои клетки и выводя натрий. Результатом является чрезвычайно высокая концентрация калия внутри нервных клеток и очень высокая концентрация натрия снаружи.
Когда клетки связываются, они открывают ионные ворота, которые пропускают натрий и калий. Различия в концентрации натрия / калия настолько сильны, что ионы «хотят» мгновенно выбежать из клетка, Поскольку ионы электрически заряжены, это фактически меняет электрический заряд ячейки.
Этот «электрохимический» сигнал распространяется гораздо быстрее, чем просто химический сигнал, что позволяет нам быстро воспринимать, думать и реагировать.
Проблемы, которые мешают нейронному натриево-калиевому насосу, могут очень быстро привести к смерти, потому что сердце мускул сам опирается на эти электрохимические импульсы для накачки кровь чтобы сохранить нас в живых.
Это делает градиент концентрации натрия / калия в нейронах, возможно, самым важным градиентом концентрации для жизни человека!
Насос Symport глюкозы / натрия
Симпортный насос глюкоза-натрий также использует градиент натрия / калия.
Одной из проблем, с которыми сталкиваются клетки, является перемещение глюкозы – которая является большой и трудной для перемещения по сравнению с крошечными ионами натрия – и которую часто необходимо перемещать в зависимости от градиента концентрации.
Чтобы решить эту проблему, некоторые клетки «связали» движение глюкозы с движением калия, используя белки, которые позволят натрию снижать градиент концентрации – если он принимает глюкозу молекула с этим.
Это еще один пример того, как клетки используют основные законы физики инновационными способами для выполнения функций жизни.
Легкие и Жабры
Наиболее распространенные примеры градиентов концентрации включают твердые частицы, растворенные в воде. Но газы также могут иметь градиенты концентрации.
Жабры человеческих легких и рыб используют градиенты концентрации, чтобы поддерживать нас в живых. Поскольку кислород следует правилам градиентов концентрации, как и любое другое вещество, он имеет тенденцию диффундировать из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. Это означает, что он диффундирует из воздуха в нашу обедненную кислородом кровь.
Легкие и жабры делают этот процесс более эффективным, быстро пропуская нашу самую обедненную кислородом кровь через поверхности наших легких и жабр. Таким образом, кислород постоянно диффундирует в клетки крови, которые в этом больше всего нуждаются.
- концентрация – плотность растворителя в растворенном веществе. Часто измеряется в единицах частей на миллион, или «ppm», описывая, сколько раствора состоит из определенного вещества.
- растворенное вещество – Частица, которая растворяется в растворителе. Растворенные вещества могут быть твердыми веществами, жидкостями или газами.
- растворитель – Среда, в которой растворяется растворенное вещество, обычно жидкость или газ.
викторина
1. Какой из следующих законов описывает, как работают градиенты концентрации?A. Движущийся объект имеет тенденцию оставаться в движении, если на него не воздействует внешняя сила.B. Системы всегда прогрессируют до состояния большей случайности.C. Вещества распространяются из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией.D. И B, и C.
Ответ на вопрос № 1
D верно. И B, и C верны, и утверждение C является действительным следствием утверждения B. Вещества диффундируют из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией как часть движения всей системы к более случайному состоянию с течением времени.
2. Что из нижеперечисленного НЕ относится к градиенту концентрации натрия / калия?A. Вы можете перемещать вещество против градиента концентрации, не затрачивая энергию, если у вас есть право транспортный белок,B. Транспортные белки, которые перемещают вещества против их градиентов концентрации, должны быть снабжены энергией, чтобы функционировать.C. Поскольку клетки должны разрушать молекулы и расходовать энергию, чтобы двигать вещества против градиента их концентрации, это движение не нарушает законы термодинамики.D. Ни один из вышеперечисленных.
Ответ на вопрос № 2
верно. Вещества могут перемещаться против градиентов концентрации только путем расходования энергии. В этом случае клетки расщепляют глюкозу и расходуют огромное количество АТФ, чтобы сделать возможным градиент концентрации натрия / калия. В процессе они перемещают большую систему к случайности, в соответствии с законами термодинамики.
3. Что из нижеперечисленного мы бы не смогли сделать, если бы вещества не имели склонности снижать свои градиенты концентрации?A. СчитатьB. ШагC. вздохнутьD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
D верно. Все вышеперечисленные процессы стали возможными благодаря использованию градиентов концентрации!