对“扩散”和“渗透”的讨论

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1、对“扩散”和“渗透”的讨论（Haveadiscussionon"diffusion"and"osmosis"）苏宏鑫  (浙江省温州中学 浙江温州 325014)已定于2008年11月在《生物学通报》中发表摘　要：自由扩散和协助扩散都是可自由运动的微粒通过热运动而发生的两种过膜扩散，生物体内的渗透是自由水通过生物膜的协助扩散。关键词：扩散 渗透 自由水在高中生物学教学中，往往对扩散、自由扩散、协助扩散和渗透作用的概念及其关系不能准确地把握，以致于有些教师在授课和命题、学生解题，甚至在编写生物教材的过程中出现一些科学性的错误。为了理

2、清这几个概念的关系，同时又不增加学生的课业负担，笔者只是在中学各课程标准所规定的知识层面上加以讨论。1　教材中“渗透”内容的再现  人教社、课程所和研发中心编著的《分子与细胞》第60页图4-1：“当外界溶液浓度比细胞质的浓度低时，细胞吸水膨胀”……。第63页：“当细胞液的浓度小于外界溶液的浓度时，细胞液中的水分就会透过原生质层进入外界溶液中，……”。以及人教社生物室编著的全日制普通高中教科书（必修）《生物》第一册第59页：“渗透作用的产生必须具备两个条件：‘一是具有半透膜，二是这层半透膜两侧的溶液具有浓度差’。”。同页：“由于原生

3、质层相当于一层半透膜，并且原生质层两侧溶液通常具有浓度差，因此当成熟的植物细胞与外界溶液接触时，细胞液就会通过原生质层与外界溶液发生渗透作用”。上述的“溶液浓度”是质量浓度还是物质的量浓度？当外界“溶液浓度”比“细胞质的浓度”低时，细胞就能吸水吗？下面先让我们重新明确几个概念，并讨论两个关系，这样就不难明白上述问题的所在了。2　几个概念2.1　扩散2.1.1　扩散的概念及现象：扩散(diffusion)，作为动词是指扩大分散出去。在生物学中，有个体水平、细胞水平、分子水平和离子水平等不同层次上的扩散。根据普通高中《生物课程标准》(

4、实验)的要求，本文只讨论分子和离子水平的扩散。如图1，一个容器的正中央用一隔板分隔成容积相同的两个容器，将蓝色的稀硫酸铜溶液置于A容器，将纯水置于B容器。当隔板抽出后，由于热运动的原因，开始时Cu2+和SO42-只是从A向B侧迁移，之后的迁移速率因为A中的Cu2+和SO42-的量浓度的逐渐降低而越来越小；相反方向的迁移速率因为B中的Cu2+和SO42-从无到有的逐渐增加而越来越大，最后相同离子的对向迁移速率相等并保持动态平衡(图2)。同样，图1中的水分子则从A到B的迁移速率越来越大，而从B到A的迁移速率越来越小，最后也达到动态平衡

5、（图2）。三种微粒（注：化学上称分子、原子和离子为微粒）热运动的最终结果是呈均匀分布于共同的溶液中。像硫酸铜溶液和纯水两种不同的物质在互相接触时，由于微粒的热运动而产生的微粒迁移，以致彼此进入对方微粒间隙的过程，称为扩散。简而言之，扩散就是系统内部的微粒通过热运动而发生迁移的过程。上述扩散的结果使Cu2+、SO42-和水分子在AB区域中达到均匀分布（图2）。图1到图2的过程是三种微粒在液态的不同区域（A与B）之间的扩散。生物体内的微粒扩散可发生在“液-液”、“固-固”和“液-固”的任一两相之间。2.1.2　扩散的条件：根据上述扩散

6、的分析，可以归纳出扩散的两个条件：第一，必须具有可以自由运动的微粒；第二，这些微粒必须具有用于扩散的能量。后者实质上就是同种微粒在单位时间内穿过单位界面面积的数量即迁移速率比反向的迁移速率要大，大多少取决于界面两侧各自物态中单位体积所含有这种微粒的数量以及每个微粒的运动速率，对应地又取决于界面两侧的体系之间这种微粒物质的量浓度差(如果是溶液的话)以及温差、压强差、电势差的大小。在生物体内，因为温度和动物体内的压强在细胞内外都是几乎相同的，所以用于电中性分子扩散的能量几乎只取决于可自由运动的这种分子的物质的量的浓度差；用于离子扩散的

7、能量不仅取决于可自由运动的这种离子的物质的量的浓度差，还与电势差的大小有关；压强差也只有可能影响有壁细胞内、外之间物质的扩散能量。2.1.3　扩散的方向和结果：根据扩散条件的分析可知，扩散的方向直接由位于界面两侧的同一可自由运动的微粒向对侧运动的迁移速率的差值所决定；扩散的结果，在同一物态内各区域之间或两种物态之间，这种微粒达到物质的量和电性的综合平衡。在生物体内，电中性的可自由运动的分子扩散的方向是从该分子物质的量浓度较高的区域指向较低的区域，扩散的结果是在各区域之间这种分子的分布达到物质的量的均匀；如果是带电离子，其扩散方向和

8、结果还与两区域的电势差有关；有壁细胞内、外之间的物质扩散的方向和结果还受细胞内、外的压强差的影响。显然，由于微粒的热运动，上述的“平衡”、“均匀”和“相等”都是“动态”的，即在同一时间内相同界面两侧交换的同一种微粒数相等。2.2　自由扩散和协助扩散