Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 88)

Радиоактивные изотопы могут испускать "лучи" (частицы и излучения) трех разных типов.

1. α-Частицы. Они представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия, т. е. состоят из двух протонов и двух нейтронов. Эти частицы несут два положительных заряда.

Ниже приведен пример испускания α-частиц (см. также рис. П.5.1). (Верхний индекс при символе каждого элемента означает его массовое число, а нижний — атомный номер.)

Ядро ²³⁸U испускает α-частицу, теряя тем самым четыре единицы массы и две единицы заряда, т. е. превращается в изотоп тория.

2. β-Частицы. Это быстро движущиеся электроны, испускаемые ядром, когда один из нейтронов превращается в протон.

β-Частицы несут один отрицательный заряд (см. также П.5.1).

Испусканием β-частиц сопровождается, например, распад тория:

Ядро тория испускает один электрон; таким образом, один из его нейтронов превращается в протон. Атомная масса при этом не изменяется, но атомный номер (число протонов) увеличивается на единицу, т. е. образуется изотоп протактиния.

3. γ-Лучи. Это электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, возникающее при α- и β-распаде. γ-Лучи обладают очень высокой энергией и преградить им путь весьма трудно; они способны, например, проходить через толстый слой свинца.

α-Частицы легко задерживаются, например, слоем воздуха или тонким листом бумаги. У β-частиц проникающая способность выше, но от них может защитить толстый слой алюминия или тонкий слой свинца. Эти частицы и излучение оказывают вредное воздействие на живые организмы.

П.1.4. Растворы и коллоидное состояние

Растворы состоят по меньшей мере из двух частей, или фаз: непрерывной (дисперсионной) фазы, или растворителя, и распределенной в ней дисперсной фазы, или растворенного вещества.

В 1861 г. Грэхем (Graham) выделил два типа растворенных веществ, которые он назвал кристаллоидами и коллоидами. Грэхем различал их в зависимости от способности молекул растворенного вещества проходить через пергаментную (частично проницаемую) мембрану. В действительности в биологических системах четкого различия между ними нет, поскольку роль биологического растворителя всегда играет вода, а свойства любого водного раствора зависят от размера молекул растворенного вещества и от проявления силы тяжести. Различают три типа растворов.

1) Истинные растворы. В истинных растворах частицы растворенного вещества невелики и сравнимы по величине с молекулами растворителя, т. е. система гомогенна и ее частицы не разделяются под действием силы тяжести. В качестве примера можно указать солевые растворы и раствор сахарозы. Химики рассматривают такие растворы как системы, состоящие из одной фазы.

2) Коллоидные растворы. Частицы растворенного вещества велики по сравнению с молекулами растворителя, т. е. система гетерогенна, но ее частицы все еще не разделяются под действием силы тяжести; примером может служить глина в воде.

3) Суспензии или эмульсии. Частицы растворенного вещества настолько велики, что оставаться в диспергированном состоянии, не оседая под действием силы тяжести, они могут лишь при непрерывном перемешивании. Если в растворителе находятся частицы твердого вещества, то такой раствор называется суспензией, а если капельки жидкости, то — эмульсией. Примером суспензии может служить ил.

Все три перечисленные системы могут считаться дисперсными, поскольку частицы распределены здесь в дисперсионной среде. В дисперсных системах встречаются все три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное, например газ в воде (содовая вода), твердое вещество в воде (раствор поваренной соли) и твердое вещество в твердом веществе (цинк в меди, т. е. латунь). Во всех этих случаях можно говорить о растворах, но обычно растворами называют системы, в которых роль растворителя играет жидкость.

Многие биологические системы существуют в виде коллоидных растворов, гидрофобных или гидрофильных; гидрофобный золь (например, глина или древесный уголь в воде) отталкивает воду, а гидрофильный золь (крахмальный клейстер, студень, желатин и агар) притягивает ее. Большинство коллоидных растворов, которые мы находим в организмах, в частности белковые растворы, представляют собой гидрофобные золи. Вязкость гидрофобного золя, например студня, можно увеличить, повышая его концентрацию или понижая температуру. В конце концов при увеличении вязкости золь может застыть. Такой застывший золь называют гелем. Гель представляет собой более или менее плотную коллоидную систему, хотя, вообще говоря, строгого различия между золем и гелем нет. На переходы золь-гель влияют и такие факторы, как ионный состав, рН и давление. Все это при определенных обстоятельствах может играть важную роль в живых клетках.

В табл. П.1.4 приведены различные характеристики коллоидного состояния.

Таблица П.1.4. Характеристики коллоидного состояния

П.1.5. Диффузия и осмос

Молекулы и ионы в растворе могут перемещаться пассивно и спонтанно в определенном направлении в результате диффузии. Осмос — особый вид диффузии. Для такого перемещения в живых организмах — в отличие от активного транспорта — затраты энергии не требуется. Другой тип движения, а именно массовый поток, рассматривается в гл. 14.

П.1.5.1. Диффузия

Диффузия связана с беспорядочным и спонтанным движением отдельных молекул и ионов. Если, например, оставить открытой склянку с концентрированным водным раствором аммиака, то очень скоро запах аммиака распространится по всей комнате. Этот процесс распространения молекул аммиака представляет собой диффузию, и, хотя любая молекула может двигаться в любом направлении, реальный поток молекул направлен из склянки наружу, т. е. от источника, где их концентрация велика, в те области, где их концентрация ниже. Диффузию, следовательно, можно определить как движение молекул или ионов из области с высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, иными словами как движение по градиенту концентрации. В отличие от того, что характерно для массового потока, реальная диффузия различных типов молекул или ионов может идти одновременно в разных направлениях; при этом каждый тип молекул движется по своему градиенту концентрации. В легких, например, кислород диффундирует в кровь, а диоксид углерода в то же самое время диффундирует из крови в альвеолы, но массовый поток крови в легких может иметь только одно направление. При равных градиентах концентрации мелкие молекулы и ионы диффундируют быстрее крупных. Существует особая форма диффузии, называемая облегченной диффузией. Она описана в разд. 7.2.2.

П.1.5.2. Осмос

Осмос — это переход молекул растворителя из области с более высокой их концентрацией в область с более низкой концентрацией через полупроницаемую мембрану. Во всех биологических системах растворителем служит вода.

Некоторые мембраны (их и называют обычно полупроницаемыми) пропускают только молекулы растворителя, задерживая все молекулы или ионы растворенного вещества. Однако мембраны живых клеток пропускают определенные молекулы или ионы растворенных веществ, проявляя в этом отношении избирательность, которая зависит от природы мембраны. Такие мембраны называют не полупроницаемыми, а дифференциально или избирательно проницаемыми.

Допустим, что водный раствор А с высокой концентрацией растворенного вещества отделен избирательно проницаемой мембраной от водного раствора В с низкой концентрацией этого вещества. Раствор А по отношению к раствору В является гипертоническим, а раствор В по отношению к раствору А — гипотоническим. В этих условиях будет наблюдаться реальное перемещение молекул воды (т. е. растворителя) через мембрану; молекулы воды будут переходить из гипотонического раствора в гипертонический путем осмоса. Это будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесие, после чего реального перемещения воды наблюдаться уже не будет — растворы станут изотоническими (равными по концентрации).

В приведенном примере вода движется от В к А, потому что концентрация воды в В выше, чем в А. Иными словами, вода движется путем диффузии. Осмос поэтому лучше всего рассматривать как особый вид диффузии, при котором равновесие достигается за счет перемещения одних только молекул растворителя. Влияние на эритроциты гипотонического, изотонического и гипертонического растворов показано на рис. П.1.3.

Рис. П.1.3. Реальное перемещение молекул воды через плазматическую мембрану эритроцитов, помещенных в растворы различной концентрации. А. Вода поступает в клетку и развивающееся вследствие этого давление разрывает мембрану. Это явление называют гемолизом. Б. Объем клетки не изменяется, поскольку через плазматическую мембрану в обоих направлениях проходят равные потоки воды. В. Клетка теряет воду, мембрана сморщивается, и эритроцит приобретает 'городчатый' вид

Морская вода гипертонична для большинства живых организмов (соленость: 34,5 частей на тысячу), а пресная вода для всех организмов гипотонична (соленость: <0,5 части на тысячу). Поэтому животные и растения, обитающие в устьях рек, сталкиваются с особыми проблемами. О природе этих проблем и о том, как они решаются, рассказано в разд. 19.3.4.

Если какой-либо раствор отделен избирательно проницаемой мембраной от чистой воды, то гидростатическое давление, которое необходимо приложить, чтобы предотвратить осмотическое поступление воды в раствор, называют осмотическим давлением этого раствора. Чем выше концентрация раствора, тем выше его осмотическое давление. Измерить осмотическое давление какого-либо раствора как реальное давление можно только в приборе, который называется осмометром. В обычных условиях осмотическое давление раствора — это потенциальное давление; поэтому вместо термина "осмотическое давление" лучше было бы употреблять термин "осмотический потенциал". Осмотический потенциал, обозначаемый греческой буквой π (пи), принято выражать отрицательной величиной (разд. 14.1.2). Для молярного раствора сахарозы, например, при 20°С осмотическое давление равно 3510 кПа, а осмотический потенциал равен — 3510 кПа. Чем концентрированнее раствор, тем выше его осмотическое давление и тем ниже его осмотический потенциал. К сожалению, термины "осмотическое давление" и "осмотический потенциал" часто употребляют, не различая их, и тогда ошибочно приписывают более концентрированным растворам и более высокий осмотический потенциал. По этой причине, а также потому, что в уравнениях удобнее оперировать положительными величинами, мы в нашей книге везде пользуемся термином "осмотическое давление".