كيف تتعرف على محلول مفرط التوتر؟

ما هو محلول مفرط التوتر

يعد هذا المحلول محلولا يحتوي على تركيز مذاب يزيد عن الداخل في الخلية؛ وإذا تم وضع الخلية في محلول مفرط التوتر، فسيؤدي ذلك إلى انكماش الخلية نتيجة لتحرك الماء من الداخل للخارج، ويحتوي المحلول الخارجي على تركيز قابل للذوبان يزيد عن الداخل في الخلية، مما يؤدي إلى تحرك جزيئات الماء من الداخل إلى الخارج، وإذا كان تركيز المحلول أقل من نسبة المحاليل في الخلية أو داخلها، فإن الخلية النباتية ستتورم نتيجة وضع محلول ذي توتر منخفض عليها.

يحتوي المحلول الذي يعتبر مفرط التوتر على تركيز أعلى من محلول آخر يسمى المحلول المعاكس الذي يحتوي على تركيز أقل ويعرف بالمحلول الناقص التوتر، ويجب على العلماء وصف محتويات الخلية بالمقارنة مع البيئة، وإذا تم وضع الخلية في المحلول المفرط التوتر، فإن الخلية ستكون منخفضة التوتر.

إذا كانت العصارة الخلوية للخلية عبارة عن محلول مفرط التوتر ، فهذا يعني أن البيئة منخفضة التوتر أو أكثر تركيزا. هذا أمر مهم لأن المواد المذابة والماء ينتشرون على طول تدرجاتهما. عند مزج المحاليل معا ، سيتحولون في النهاية إلى محلول واحد. إذا تم فصل المحاليل بواسطة غشاء يسمح بمرور الماء فقط ، فسيكون للمحاليل نفس التوتر.

تعد حركة الأيونات والماء أمرا بالغ الأهمية للخلايا، وتستخدم الخلايا التدرجات الأيونية لأغراض عدة، فمثلا، تستخدم الخلايا النباتية محلولا ذا توتر مفرط داخل فجواتها المركزية للمساعدة في سحب الماء إلى الفجوة، وهذا يوسع المساحة ويسمح للنباتات بتكوين ضغط تورم في خلاياها. تعتمد الخلايا الحيوانية، وخاصة الخلايا العصبية، على محلول ذي توتر مفرط وأيونات موجودة فيه لإنشاء جهد فعل أو إشارة عصبية. يعتمد النشاط الكهربائي لهذه الخلايا على شحنات الأيونات الموجبة والسالبة في المحلول ذي توتر مفرط.

أنواع المحلول

هناك ثلاثة أنواع مختلفة من المحلول:

• محلول متساوي التوتر.
• محلول مفرط التوتر.
• محلول ناقص التوتر.

مكونات محلول مفرط التوتر

يتألف المحلول عادةً من مذيب يكون عادةً ماء ومذابات، والتي يمكن أن تكون أملاحًا أو سكريات نقية أو خليطًا من الاثنين معًا، والطريقة الرئيسية للتعبير عن تركيز المحلول هي الأسمولية، والتي تستخدم كدالة لعدد الجزيئات في المحلول بدلاً من تحديد تراكيز المذابات الفردية.

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يتوفر حاجز نصف نافذ في الحجرة المفصولة بغشاء دهني ثنائي الطبقة، وهذا النوع من الأغشية يمكنه دفع جزيئات الماء وغيرها من الجزيئات المحايدة عبر غشاء الخلية، ولكن لا يمكنه ذلك مع الأيونات.

يجب أن يكون تركيز المحلول الوسطي الذي يحيط بالخلية أعلى من الماء، ويتم ذلك بتخفيفه بالماء، ويعود ذلك إلى حقيقة أن جزيئات الماء تحيط بالجزيئات الذائبة ولا ينتشر سوى جزء صغير منها بحرية في البيئة.

يؤدي الفرق في تركيز الماء الحر داخل وخارج الخلية إلى إنشاء تدرج في التناضح، وهو تغيير في التركيز نتيجة لانتقال المذيب عبر الحاجز دون انتشار المذابات.

استخدامات محلول مفرط التوتر

• يتم علاج محاليل معينة باستخدام محلول منشط في تطبيقات عملية، على سبيل المثال، يمكن استخدام التناضح العكسي في تنقية المحاليل وتحلية مياه البحر .
• يمكن أن يحافظ على الطعام عن طريق إضافة الملح إليه أو نقعه في محلول مفرط التوتر من السكر أو الملح، حيث تعد هذه البيئة ذات توتر مفرط بيئة غير صالحة للميكروبات حيث يتم قتلها أو إحداث تقليل في قدرتها على التكاثر.
• تعمل المحاليل ذات التوتر العالي أيضًا على تجفيف العناصر الغذائية والمواد الأخرى، حيث يترك الماء الخلايا أو يمر عبر الغشاء في محاولة لتحقيق التوازن.

خصائص محلول مفرط التوتر

إذا مررنا محلولا مفرط التوتر بتركيز 290 ملي أسمول/لتر من الماء عبر غشاء شبه نافذ ولامست البلازما، فسوف يحدث انتقال للماء من البلازما إلى المحلول المفرط التوتر حتى يتحقق التوازن التناضحي بين المحلولين.

في هذه الحالة، يحتوي البلازما على تركيز أعلى من جزيئات الماء مقارنة بالمحلول المفرط التوتر مع انتشار سلبي، مما يتسبب في تحرك الجسيمات من مناطق التركيز العالي إلى مناطق التركيز الأقل، وبالتالي يتدفق الماء من البلازما إلى المحلول المفرط التوتر.

إذا تم وضع خلايا الدم الحمراء في محلول ذو تركيز عال جدا، فإن الماء من داخل خلايا الدم الحمراء سيتدفق إلى المحلول في الخارج، مما يؤدي إلى تقلصها أو تكثيفها، وبالتالي، فإن التركيز داخل الخلايا والتركيز في الخارج لهما نفس الأسمولية (290 مللي أسمول/لتر ماء)، حيث يكون هناك توازن تناضحي بين التراكيز في الجسم .

أمثلة على محلول مفرط التوتر

الكلى البشرية ومحلول مفرط التوتر

لتنظيم كمية الماء في الجسم، يحتوي دماغ الإنسان على بروتينات خاصة تسمى مستقبلات التناضح، والتي تستطيع قياس تركيز المحاليل في البيئة المحيطة بالخلية. إذا زاد تركيز المحلول في البيئة بشكل زائد، بسبب نقص الماء في الدم لتخفيف تركيز المواد المذابة، يفرز الدماغ الهرمونات ويزيد نفاذية الأغشية في الكلى، حيث تمتص الكلى الماء الذي كان سيتم إفرازه وتعيده إلى الدورة الدموية، وبالتالي يصبح الدم أكثر تركيزا مقارنة بالخلايا، وتستمر العمليات الطبيعية.

السلاحف البحرية ومحلول مفرط التوتر

بالمقارنة مع المياه العذبة، فإن المياه المالحة هي محلول مفرط التوتر هذا يعني أنه لكي تعمل الخلايا، يجب أن تتضمن على العصارة الخلوية التي هي محلول مفرط التوتر أكثر من الماء المالح السلاحف البحرية، على سبيل المثال، تعيش في محلول مفرط التوتر مقارنة بسلاحف المياه العذبة  إذا وضعت سلحفاة من المياه العذبة في مياه البحر، فإن مياه البحر مفرطة التوتر ستجفف السلحفاة، بدلاً من أن يتم ترطيبها بالماء ، فإن مياه المحيط الكثيفة الذائبة ستسحب الماء من الجسم لموازنة الفرق في الأسمولية.

للتغلب على هذه العقبة، طورت السلاحف البحرية والحيوانات البحرية الأخرى مسارات فريدة لإزالة الأملاح الزائدة تنتقل الأملاح من الجهاز الهضمي إلى مجرى الدم، فعندما يصلون إلى غدة الملح، يتم إزالتها، هذا يخلق بيئة داخلية أعلى في المواد المذابة، لكنها لا تفقد كميات المياه الزائدة في البيئة.

النباتات ومحلول مفرط التوتر

بشكل عام، تفضل النباتات العيش في بيئات منخفضة التوتر في بيئة منخفضة التوتر، يغمر الماء الخلايا النباتية بسهولة ويمكن أن تظل صلبة أو صلبة، بسبب الضغوط التي تمارس على جدران الخلايا بسبب تدفق الماء تستخدم النباتات هذه القدرة المائية لإعطاء أجسامها بنية ونقل المياه من الجذور إلى أعلى النبات، ومع ذلك، فقد تكيفت العديد من النباتات لتعيش في بيئات مفرطة التوتر تحتوي المستنقعات بجانب البحر، ومستنقعات المنغروف، والمياه معتدلة الملوحة الأخرى على نسبة ملوحة أعلى بكثير من المياه العذبة وتصبح التربة مشبعة بهذه الأملاح، مما يؤدي إلى زيادة تركيز الذائبة في التربة.

ستذبل معظم النباتات إذا تم زرعها في هذا الموطن، ولكن مجموعة خاصة من النباتات المعروفة باسم النباتات الملحية قد تطورت للتغلب على هذه العقبة من خلال زيادة الأسمولية لجذورها، تكون النباتات قادرة على التغيير من بيئة منخفضة التوتر داخل الخلية مقارنة بالبيئة، إلى محلول مفرط التوتر في العصارة الخلوية هذا يقلل من إمكانات المياه للخلايا الجذرية ويسمح للماء بدخول الخلايا، كما تقوم الخلايا إما بتخزين الأملاح الزائدة في الجذور أو نقل الأملاح إلى الأوراق، حيث يمكن إخراجها من الغدد.