يشير التناضح (، الولايات المتحدة أيضًا) إلى الانتقال الصافي المتأصل لجزيئات المذيبات عبر غشاء نفاذي انتقائي، بدءًا من منطقة ذات إمكانات مائية مرتفعة (تتميز بتركيز منخفض من المذاب) إلى منطقة ذات إمكانات مائية منخفضة (تمتلك تركيزًا أعلى من المذاب). تهدف هذه الحركة إلى موازنة تركيزات المادة المذابة على جانبي الغشاء. وبدلاً من ذلك، يمكن وصف عملية فيزيائية حيث يجتاز أي مذيب غشاءًا منفذًا بشكل انتقائي (والذي يكون نافذًا للمذيب ولكن ليس المذاب)، ويفصل بين محلولين بتركيزات مختلفة. التناضح قادر على أداء العمل. يتم تعريف الضغط الأسموزي على أنه القوة الخارجية اللازمة لإعاقة الحركة الصافية للمذيب عبر الغشاء. هذا الضغط هو خاصية تجميعية، مما يدل على اعتماده على التركيز المولي للمذاب بدلا من هويته المحددة. يتم تسهيل النقل الأسموزي من خلال التدفق اللزج للمذيب تحت تدرج الضغط.
التناضح (، الولايات المتحدة أيضًا ) هو الحركة الصافية التلقائية لجزيئات المذيب عبر غشاء نفاذية انتقائية من منطقة ذات جهد مائي مرتفع (منطقة ذات تركيز منخفض من المذاب) إلى منطقة ذات جهد مائي منخفض (منطقة ذات تركيز عالي من المذاب)، في الاتجاه الذي يميل إلى معادلة تركيزات المذاب على الجانبين. ويمكن استخدامه أيضًا لوصف العملية الفيزيائية التي يتحرك فيها أي مذيب عبر غشاء نفاذية انتقائية (نفاذية للمذيب، ولكن ليس المذاب) يفصل بين محلولين بتركيزات مختلفة. يمكن إجراء التناضح للقيام بالعمل. يتم تعريف الضغط الأسموزي على أنه الضغط الخارجي المطلوب لمنع الحركة الصافية للمذيب عبر الغشاء. الضغط الاسموزي هو خاصية تجميعية، وهذا يعني أن الضغط الاسموزي يعتمد على التركيز المولي للمذاب ولكن ليس على هويته. يحدث النقل الأسموزي من خلال التدفق اللزج للمذيب تحت تدرج الضغط.
يمثل التناضح آلية حاسمة داخل الأنظمة البيولوجية، وذلك في المقام الأول لأن الأغشية البيولوجية تظهر شبه نفاذية. بشكل عام، هذه الأغشية غير قابلة للاختراق عن طريق الهياكل الجزيئية الكبيرة والقطبية، مثل الأيونات والبروتينات والسكريات. على العكس من ذلك، فهي تسمح للمركبات غير القطبية أو الكارهة للماء مثل الدهون، إلى جانب الجزيئات الصغيرة بما في ذلك الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وأكسيد النيتريك. تعتمد النفاذية على الذوبان والشحنة الكهربائية والخواص الكيميائية وأبعاد المذاب. تجتاز جزيئات الماء غشاء البلازما، أو غشاء التونوبلاست (الفجوة)، أو أغشية العضيات عبر طبقة ثنائية الفوسفوليبيد عبر أكوابورين، باستخدام آلية تدفق المسام الانتقائية. يشكل التناضح الطريقة الرئيسية التي يتم من خلالها نقل الماء داخل وخارج الخلايا. يتم الحفاظ على ضغط الامتلاء داخل الخلية في المقام الأول من خلال العمليات التناضحية التي تحدث عبر غشاء الخلية، بين الجزء الداخلي الخلوي ومحيطها منخفض التوتر نسبيًا.
التاريخ
لقد تمت ملاحظة الأدلة على الظواهر التناضحية منذ العصور القديمة، على سبيل المثال، في السياقات المتعلقة ببناء الأهرامات المصرية. قدم جان أنطوان نوليه الملاحظة الأولية الموثقة للتناضح في عام 1748. مصطلح "التناضح" ينشأ من الكلمتين "endosmose" و"exosmose"، اللتين صاغهما الطبيب الفرنسي رينيه يواكيم هنري دوتروشيه (1776–1847) من الكلمات اليونانية ἔνδον (éndon "داخل")، ἔξω (éxō "خارجي، خارجي")، و ὠσμός (ōsmós "الدفع، الدفع"). في عام 1867، قام موريتز تروب بتطوير أغشية ترسيب انتقائية للغاية، مما أدى إلى تعزيز منهجية ودقة قياس التدفق الاسموزي.
الوصف
يشير التناضح إلى انتقال المذيب عبر غشاء نصف نافذ في اتجاه تركيز أكبر من المذاب. في السياقات البيولوجية، يكون المذيب هو الماء بشكل مميز، ومع ذلك يمكن ملاحظة التناضح أيضًا في السوائل البديلة، والسوائل فوق الحرجة، وحتى الغازات.
عندما يتم غمر الخلية في وسط مائي، تعبر جزيئات الماء غشاء الخلية من منطقة تتميز بتركيز مذاب أقل إلى منطقة ذات تركيز مذاب أعلى. على سبيل المثال، عندما يتم غمر الخلية في محلول ملحي، تخرج جزيئات الماء من داخل الخلية. وعلى العكس من ذلك، إذا تم غمر الخلية في المياه العذبة، فسوف تدخل جزيئات الماء إلى داخل الخلية.
عندما يفصل الغشاء كميات متطابقة من الماء النقي على الجانبين المتقابلين، تنتقل جزيئات الماء بشكل ثنائي الاتجاه بمعدل مكافئ. ونتيجة لذلك، لا يوجد انتقال صافي للمياه عبر الغشاء.
يمكن ملاحظة التناضح عند إدخال شرائح البطاطس في محلول يحتوي على تركيز ملح مرتفع. يهاجر الماء من داخل البطاطس إلى المحلول المحيط بها، مما يؤدي إلى انكماش الخلايا وانخفاض ضغط التورم. توجد علاقة مباشرة بين تركيز المحلول الملحي وحجم الانخفاض في أبعاد شريحة البطاطس وكتلتها.
توضح الحدائق الكيميائية الظاهرة التناضحية ضمن مجال الكيمياء غير العضوية.
الآلية
إن الآلية الأساسية الدافعة للتناضح عرضة لسوء التفسير على أنها إما تخفيف الماء بالمذاب (مما يؤدي إلى انخفاض تركيز الماء على جانب تركيز المذاب الأعلى للغشاء وبالتالي تحفيز انتشار الماء أسفل تدرج التركيز) أو بدلا من ذلك، كنتيجة لألفة المذاب مع الماء (وبالتالي تقليل توافر الماء الحر على جانب تركيز المذاب الأعلى للغشاء وبالتالي إحداث نقل صافي للمياه نحو الماء) المذاب). ومع ذلك، فقد تم دحض كلا هذين المفهومين بشكل نهائي.
يعتبر نموذج الانتشار للتناضح غير قابل للاستمرار لأن التناضح يمكن أن يسهل حركة الماء عبر الغشاء نحو منطقة ذات تركيز أعلى للمياه. وبالمثل، تم دحض نموذج "المياه المرتبطة" من خلال ملاحظة أن التناضح يعمل بشكل مستقل عن حجم جزيء المذاب - وهو سمة من سمات الخواص التجميعية - ومحبتها للماء.
إن وصف التناضح بدقة يتطلب إطارًا ميكانيكيًا أو ديناميكيًا حراريًا، لأنه يتضمن بشكل أساسي تفاعلًا بين المذاب والماء الذي يقاوم جزيئات المذاب الخالية من الضغط التي قد تمارسها. والجدير بالذكر أن الحرارة المحيطة يمكن تحويلها إلى طاقة ميكانيكية، مثل ارتفاع الماء. وبالتالي، يتميز نقل المذيبات الأسموزي بأنه ظاهرة مدفوعة بالضغط، وليس عملية انتشار جزيئي عشوائي.
تتعمق العديد من التفسيرات الديناميكية الحرارية في مفهوم الإمكانات الكيميائية، وتوضح كيف ينحرف سلوك الماء داخل المحلول عن سلوك الماء النقي. ينشأ هذا الاختلاف من زيادة الضغط ووجود المواد المذابة، والتي تعمل بشكل جماعي على مقاومة التغيرات، وبالتالي الحفاظ على إمكانات كيميائية ثابتة. توضح النظرية الفيروسية أن التجاذب بين الجزيئات بين الماء والجزيئات المذابة يقلل من الضغط الكلي. وبالتالي، فإن الضغط الذي تمارسه جزيئات الماء على بعضها البعض في المحلول يكون أقل منه في الماء النقي، مما يمكّن الماء النقي من دفع الحركة إلى المحلول حتى يتم تحقيق توازن الضغط.
الأهمية البيولوجية
يعمل الضغط الأسموزي كآلية أساسية للدعم الهيكلي في العديد من الأنواع النباتية. يؤدي تدفق الماء المدفوع تناضحيًا إلى رفع ضغط الامتلاء الواقع على جدار الخلية حتى يتوازن مع الضغط الأسموزي، وبالتالي إنشاء حالة مستقرة.
عندما يتم غمر خلية نباتية في محلول مفرط التوتر في السيتوبلازم، يخرج الماء من الخلية، مما يؤدي إلى انكماشها. تجعل هذه العملية الخلية مرهقة. في الحالات الشديدة، تخضع الخلية لتحلل البلازما، حيث ينفصل غشاء الخلية عن جدار الخلية بسبب عدم كفاية ضغط الماء الداخلي.
على العكس من ذلك، عندما تقع خلية نباتية في محلول منخفض التوتر في السيتوبلازم، يدخل الماء إلى الخلية، مما يؤدي إلى تمددها ويؤدي إلى حالة منتفخة.
يعد التناضح أيضًا مهمًا للغاية في الخلايا البشرية، حيث يتوسط نقل الماء عبر الأغشية الخلوية. هذه الآلية لا غنى عنها للحفاظ على الترطيب الخلوي المناسب، نظرا لحساسية الخلايا لكل من الجفاف والإفراط في الماء. داخل الخلايا البشرية، يعد التناضح أمرًا أساسيًا لتنظيم توازن الماء والمواد المذابة، وبالتالي ضمان الأداء الخلوي الأمثل. يمكن أن تؤدي الاضطرابات في الضغط الأسموزي إلى حدوث خلل وظيفي خلوي، مما يؤكد الدور الحيوي للتناضح في الحفاظ على صحة الخلايا البشرية وسلامتها الهيكلية.
في ظل ظروف بيئية محددة، يمكن أن يكون التناضح ضارًا بالكائنات الحية. على سبيل المثال، تموت أسماك المياه العذبة والمياه المالحة بسرعة إذا تم إدخالها إلى الماء بملوحة غير مناسبة. يوفر التأثير التناضحي المميت لملح الطعام على العلق والرخويات مثالًا آخر لكيفية إلحاق التناضح الضرر بالكائنات الحية.
فكر في السيناريو الذي يتم فيه غمر خلية حيوانية أو نباتية في محلول مائي يحتوي على السكر أو الملح.
- إذا كان الوسط المحيط منخفض التوتر مقارنة بسيتوبلازم الخلية، فسوف تمتص الخلية الماء عن طريق التناضح.
- إذا كان الوسط متساوي التوتر، فلن تحدث حركة صافية للمياه عبر غشاء الخلية.
- على العكس من ذلك، إذا كان الوسط مفرط التوتر بالنسبة إلى سيتوبلازم الخلية، فسوف تتعرض الخلية لفقدان الماء من خلال عملية التناضح.
وبالتالي، فإن الخلية الموضوعة في محلول ذي تركيز مذاب أعلى من بيئتها الداخلية ستتعرض للتجعد (الذبول)، في حين أن الخلية الموجودة في محلول ذي تركيز مذاب أقل سوف تنتفخ وربما تتحلل (تنفجر).
العوامل المؤثرة
الضغط الأسموزي
يمكن مقاومة التناضح عن طريق رفع الضغط في المنطقة ذات تركيز المذاب الأعلى مقارنة بالمنطقة ذات تركيز المذاب الأقل. القوة لكل وحدة مساحة، أو الضغط، اللازم لمنع مرور الماء (أو أي محلول آخر عالي السيولة) عبر غشاء نفاذية انتقائية إلى محلول أكثر تركيزًا يحدد الضغط الاسموزي لذلك المحلول، المعروف أيضًا باسم الامتلاء. يتم تصنيف الضغط الأسموزي كخاصية تجميعية، مما يشير إلى اعتماده فقط على تركيز المذاب، بدلاً من تركيبه الكيميائي المحدد أو هويته.
التدرج الأسموزي
يمثل التدرج الأسموزي فرق التركيز بين محلولين مفصولين بغشاء نصف نافذ، مما يعمل على قياس نسبة التباين في مادة مذابة محددة.
يُلاحظ التدرج الأسموزي عادةً في الأنظمة التي تشتمل على محاليل مفصولة بغشاء نصف نافذ، مما يسهل انتشار الماء نحو المحلول مفرط التوتر، والذي يتميز بتركيز أعلى من المذاب. في النهاية، يتوازن الضغط الهيدروستاتيكي الذي يمارسه عمود الماء على الجانب مفرط التوتر مع الضغط الأسموزي من الجانب منخفض التوتر، والذي يحتوي على تركيز مذاب أقل، وبالتالي تحقيق التوازن. عند الوصول إلى حالة التوازن، تستمر حركة الماء، ولكنها تحدث في الاتجاهين بنفس القدر والقوة، مما يؤدي إلى استقرار المحلول.
الاختلافات
التناضح العكسي
يشكل التناضح العكسي عملية فصل تستخدم الضغط لدفع المذيب عبر غشاء شبه منفذ، والذي يحتفظ بالمواد المذابة من جانب واحد بينما يسمح بمرور المذيب المنقى إلى الجانب الآخر. تجبر هذه العملية المذيب من منطقة ذات تركيز عالي من المذاب عبر الغشاء إلى منطقة ذات تركيز منخفض من المذاب عن طريق تطبيق ضغط يتجاوز الضغط الأسموزي. ومن المعروف في المقام الأول استخدامه في تحلية مياه البحر لإنتاج مياه صالحة للشرب، وذلك عن طريق إزالة الأملاح والمواد الأخرى غير المرغوب فيها.
التناضح الأمامي
يمكن استخدام التناضح بشكل مباشر لفصل الماء عن المحاليل التي تحتوي على مواد مذابة غير مرغوب فيها. يتضمن ذلك استخدام محلول "سحب"، والذي يمتلك ضغطًا اسموزيًا أعلى من محلول التغذية، للحث على تدفق صافي للمياه عبر غشاء شبه منفذ. تؤدي هذه العملية إلى تركيز محلول التغذية وتخفيف محلول السحب. يمكن بعد ذلك استخدام محلول السحب المخفف مباشرة (على سبيل المثال، مع مادة مذابة قابلة للهضم مثل الجلوكوز) أو توجيهه إلى عملية فصل ثانوية لإزالة مذابة السحب. اعتمادًا على خصائص سحب المذاب ومياه التغذية المحددة، يمكن أن يكون هذا الفصل الثانوي أكثر كفاءة من التناضح العكسي المستقل. يُعد التناضح الأمامي مجالًا بحثيًا نشطًا، حيث تشمل التطبيقات تحلية المياه وتنقية المياه ومعالجة المياه وتجهيز الأغذية ومجالات علمية أخرى.
التطورات المستقبلية في مجال التناضح
تقدم التطورات المستقبلية في مجال التناضح والأبحاث ذات الصلة إمكانات كبيرة عبر تطبيقات متنوعة. ويعمل الباحثون بنشاط على دراسة المواد المتقدمة لتعزيز كفاءة العمليات التناضحية، وبالتالي تطوير تقنيات تحلية المياه وتنقيتها. علاوة على ذلك، فإن دمج توليد الطاقة الأسموزي، الذي يعزز فرق الضغط الأسموزي بين المياه المالحة والعذبة لإنتاج الطاقة، يمثل مصدرًا مستدامًا ومتجددًا للطاقة مع وعد كبير. في مجال البحوث الطبية، يستكشف هذا المجال أنظمة مبتكرة لتوصيل الأدوية استنادًا إلى المبادئ التناضحية، مما يتيح إدارة الدواء بدقة ومراقبة داخل الجسم. ومع التطور المستمر للتكنولوجيا والفهم في هذا المجال، من المتوقع أن تتوسع تطبيقات التناضح، لتعالج مجموعة من التحديات العالمية في استدامة المياه، وتوليد الطاقة، والرعاية الصحية.
ملاحظات
ملاحظات
المراجع
- محاكاة التناضح في جافا
- تجربة التناضح أرشفة 1 يوليو 2016 في آلة Wayback.