滲透平衡的力學(xué)分析

閻皓

高中生物中與滲透平衡有關(guān)的兩個(gè)模型是U型管模型和植物滲透吸水模型。下面利用物理學(xué)中牛頓力學(xué)中的平衡原理去研究這兩個(gè)模型的平衡狀態(tài)。

在上述模型中，U型管的a管中是低濃度的蔗糖溶液，b管中是高濃度的蔗糖濃度。半透膜只容許水分子通過而不容許蔗糖分子通過，一段時(shí)間后U型管達(dá)到平衡。平衡后，半透膜兩側(cè)的a管中蔗糖溶液的濃度應(yīng)小于b管中的蔗糖溶液的濃度。達(dá)到平衡后的U型管模型模型如圖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。采用物理學(xué)中力學(xué)分析常用的隔離法，將高出的一部分液體單獨(dú)拿出來放在圖2的右側(cè)。從圖中可以看出，高出的這部分液體必然有一個(gè)向下的重力形成了一個(gè)向下的F壓，如果沒有別的向上的力去抵消這個(gè)向下的F壓，那么高出的液體必然不能維持而液面要向下移。這與客觀事實(shí)是“高出的液體能夠維持其高度”相反，所以必然有一個(gè)向上的力。分析該裝置發(fā)現(xiàn)，該向上的力只能是由半透膜膜兩側(cè)的濃度差引起的滲透壓力（F滲透）提供，所以a管中的蔗糖濃度不可能等于b管中的蔗糖濃度。又由于這個(gè)F滲透要是一個(gè)向上的力，那么只有當(dāng)b管中溶液的濃度大于a管中的時(shí)，水分子向右運(yùn)輸，才能提供一個(gè)向上的力，所以處于平衡狀態(tài)依然是：b管中溶液的濃度大于a管中的。

剛開始，由于半透膜兩側(cè)a管和b管中溶液的濃度差較大，此時(shí)b管中溶液的液面上升得很少，所以向上的F滲透>向下的F壓，b管中溶液的液面繼續(xù)上升;隨著b管中溶液液面的繼續(xù)上升，半透膜兩側(cè)a管和b管中溶液的濃度差逐漸減小，向上的F滲透逐漸減小，而上升的液體增多導(dǎo)致F壓逐漸增大，總有一個(gè)時(shí)刻向上的F滲透=向下的F壓，b管的液面不再上升，此時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

植物滲透吸水模型中滲透平衡和力學(xué)分析如圖3所示。

在上述模型中，將植物細(xì)胞放置在清水中，由于植物細(xì)胞中原生質(zhì)層內(nèi)的液體濃度肯定大于外界的清水，所以必然導(dǎo)致植物細(xì)胞原生質(zhì)的滲透吸水。以植物細(xì)胞的局部（箭頭所處的位置）為研究對(duì)象，濃度差引起的滲透壓力（F滲透）是向右的，如果沒有別的向左的力去抵消向右的F滲透，植物細(xì)胞必將持續(xù)吸水最終引起吸水漲破。這與客觀事實(shí)“植物細(xì)胞由于細(xì)胞壁的存在而不會(huì)吸水漲破”相反，那么植物細(xì)胞必然受到一個(gè)向左的力。分析植物細(xì)胞此刻的狀態(tài)就能得到，當(dāng)植物細(xì)胞持續(xù)吸水到原生質(zhì)層緊貼細(xì)胞壁時(shí)，原生質(zhì)層對(duì)細(xì)胞壁產(chǎn)生了一個(gè)壓力，由牛頓力學(xué)中力的作用是相互的可知，細(xì)胞壁同時(shí)會(huì)對(duì)原生質(zhì)層產(chǎn)生一個(gè)相反的力。所以，濃度差引起的向右的滲透壓力（F滲透）要靠細(xì)胞壁由于壓迫而產(chǎn)生的向左的力去抵消。

剛開始時(shí)，由于植物細(xì)胞中原生質(zhì)層內(nèi)的液體濃度較大，而此時(shí)植物細(xì)胞的原生質(zhì)還沒有緊貼細(xì)胞壁，所以向右的F滲透>向左的F壓，植物細(xì)胞原生質(zhì)中的液體持續(xù)增多;隨著原生質(zhì)中的液體的增多，原生質(zhì)的濃度逐漸減小，向右的F滲透逐漸減小，而原生質(zhì)慢慢緊貼細(xì)胞壁導(dǎo)致細(xì)胞壁受壓迫產(chǎn)生的向左的F逐漸增大，總有一個(gè)時(shí)刻向右的F滲透=向左的F壓，植物細(xì)胞的原生質(zhì)不再吸水，此時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。