滲透平衡的力學分析

閻皓

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

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，一段時間后U型管達到平衡。平衡后，半透膜兩側的a管中蔗糖溶液的濃度應小于b管中的蔗糖溶液的濃度。達到平衡后的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。采用物理學中力學分析常用的隔離法，將高出的一部分液體單獨拿出來放在圖2的右側。從圖中可以看出，高出的這部分液體必然有一個向下的重力形成了一個向下的F壓，如果沒有別的向上的力去抵消這個向下的F壓，那么高出的液體必然不能維持而液面要向下移。這與客觀事實是“高出的液體能夠維持其高度”相反，所以必然有一個向上的力。分析該裝置發現，該向上的力只能是由半透膜膜兩側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F滲透要是一個向上的力，那么只有當b管中溶液的濃度大于a管中的時，水分子向右運輸，才能提供一個向上的力，所以處于平衡狀態依然是：b管中溶液的濃度大于a管中的。

剛開始，由于半透膜兩側a管和b管中溶液的濃度差較大，此時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上升;隨著b管中溶液液面的繼續上升，半透膜兩側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致F壓逐漸增大，總有一個時刻向上的F滲透=向下的F壓，b管的液面不再上升，此時達到穩定狀態。

植物滲透吸水模型中滲透平衡和力學分析如圖3所示。

在上述模型中，將植物細胞放置在清水中，由于植物細胞中原生質層內的液體濃度肯定大于外界的清水，所以必然導致植物細胞原生質的滲透吸水。以植物細胞的局部（箭頭所處的位置）為研究對象，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，植物細胞必將持續吸水最終引起吸水漲破。這與客觀事實“植物細胞由于細胞壁的存在而不會吸水漲破”相反，那么植物細胞必然受到一個向左的力。分析植物細胞此刻的狀態就能得到，當植物細胞持續吸水到原生質層緊貼細胞壁時，原生質層對細胞壁產生了一個壓力，由牛頓力學中力的作用是相互的可知，細胞壁同時會對原生質層產生一個相反的力。所以，濃度差引起的向右的滲透壓力（F滲透）要靠細胞壁由于壓迫而產生的向左的力去抵消。

剛開始時，由于植物細胞中原生質層內的液體濃度較大，而此時植物細胞的原生質還沒有緊貼細胞壁，所以向右的F滲透>向左的F壓，植物細胞原生質中的液體持續增多;隨著原生質中的液體的增多，原生質的濃度逐漸減小，向右的F滲透逐漸減小，而原生質慢慢緊貼細胞壁導致細胞壁受壓迫產生的向左的F逐漸增大，總有一個時刻向右的F滲透=向左的F壓，植物細胞的原生質不再吸水，此時達到穩定狀態。