التناضح

الخاصية الأسموزية ( تُلفظ / ɒzˈmoʊsɪs / ، وتُلفظ أيضًا / ɒs- / في الولايات المتحدة ) [ ^{1 ]} هي الحركة الصافية التلقائية لجزيئات المذيب عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات جهد مائي ^عالٍ (منطقة ذات تركيز منخفض للمذاب ) إلى منطقة ذات جهد مائي منخفض (منطقة ذات تركيز عالٍ للمذاب)، ^{[ 2 ]} في الاتجاه الذي يُؤدي إلى معادلة تركيزات المذاب على الجانبين. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} كما يُمكن استخدامها لوصف عملية فيزيائية يتحرك فيها أي مذيب عبر غشاء شبه منفذ (نفاذ للمذيب، وليس للمذاب) يفصل بين محلولين مختلفي التركيز. ^{[ 6 ] [ 7 ]} يُمكن جعل الخاصية الأسموزية تقوم بعمل . ^{[ 8 ]} يُعرَّف الضغط الأسموزي بأنه الضغط الخارجي اللازم لمنع الحركة الصافية للمذيب عبر الغشاء. الضغط الأسموزي خاصية تجميعية ، أي أنه يعتمد على التركيز المولي للمذاب وليس على نوعه. ويحدث النقل الأسموزي عبر التدفق اللزج للمذيب تحت تأثير تدرج الضغط. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تُعدّ الخاصية الأسموزية عملية حيوية في الأنظمة البيولوجية ، إذ تتميز الأغشية البيولوجية بنفاذيتها الجزئية. وبشكل عام، تكون هذه الأغشية غير منفذة للجزيئات الكبيرة والقطبية ، مثل الأيونات والبروتينات والسكريات المتعددة ، بينما تكون منفذة للجزيئات غير القطبية أو الكارهة للماء، مثل الدهون ، وكذلك للجزيئات الصغيرة كالأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين وأكسيد النيتريك. وتعتمد النفاذية على الذوبانية والشحنة والتركيب الكيميائي، بالإضافة إلى حجم المذاب. تنتقل جزيئات الماء عبر الغشاء البلازمي، أو غشاء الفجوة العصارية، أو أغشية العضيات عبر طبقة الفوسفوليبيد الثنائية بواسطة قنوات الأكوابورين، وذلك من خلال آلية تدفق انتقائي عبر المسام . ^{[ 11 ]} تُعدّ الخاصية الأسموزية الوسيلة الأساسية لنقل الماء إلى داخل الخلايا وخارجها . ويُحافظ على ضغط الامتلاء في الخلية إلى حد كبير عن طريق الخاصية الأسموزية عبر غشاء الخلية بين داخل الخلية وبيئتها منخفضة التوتر نسبيًا.

لوحظت بعض أنواع التدفق الأسموزي منذ العصور القديمة، كما في بناء الأهرامات المصرية. ^{[ 12 ]} وثّق جان أنطوان نوليه أول ملاحظة للخاصية الأسموزية عام 1748. ^{[ 13 ] [ أ ]} كلمة "الخاصية الأسموزية" مشتقة من كلمتي "الداخلي" و"الخارجي"، اللتين صاغهما الطبيب الفرنسي رينيه يواكيم هنري دوتروشيه (1776-1847) من الكلمات اليونانية ἔνδον ( إيندون ، "داخلي")، وἔξω ( إكسو، "خارجي")، وὠσμός ( أوسموس، "دفع"). ^{[ حاشية 1 ]} في عام 1867، اخترع موريتز تراوب أغشية ترسيب عالية الانتقائية، مما ساهم في تطوير فن وتقنية قياس التدفق الأسموزي. ^{[ 12 ]}

الخاصية الأسموزية هي حركة المذيب عبر غشاء شبه منفذ باتجاه تركيز أعلى للمذاب. في الأنظمة البيولوجية، يكون المذيب عادةً هو الماء، ولكن يمكن أن تحدث الخاصية الأسموزية في سوائل أخرى، وسوائل فوق حرجة، وحتى غازات. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

عندما تُغمر الخلية في الماء ، تنتقل جزيئات الماء عبر غشاء الخلية من منطقة ذات تركيز منخفض للمذاب إلى منطقة ذات تركيز عالٍ. على سبيل المثال، إذا غُمرت الخلية في ماء مالح ، فإن جزيئات الماء تخرج من الخلية. أما إذا غُمرت في ماء عذب ، فإن جزيئات الماء تدخل إلى الخلية.

عندما يكون للغشاء حجم من الماء النقي على كلا الجانبين، تمر جزيئات الماء إلى الداخل والخارج في كل اتجاه بنفس المعدل تمامًا. لا يوجد تدفق صافٍ للماء عبر الغشاء.

يمكن إثبات ظاهرة التناضح عند إضافة شرائح البطاطس إلى محلول ملحي عالي التركيز. ينتقل الماء من داخل البطاطس إلى المحلول، مما يؤدي إلى انكماشها وفقدانها لضغط الامتلاء . وكلما زاد تركيز المحلول الملحي، زاد فقدان حجم ووزن شريحة البطاطس.

تُظهر الحدائق الكيميائية تأثير الخاصية الأسموزية في الكيمياء غير العضوية.

قد يُساء فهم الآلية المسؤولة عن عملية التناضح، إما على أنها تخفيف الماء بواسطة المذاب (مما يؤدي إلى انخفاض تركيز الماء على جانب الغشاء ذي التركيز الأعلى للمذاب، وبالتالي انتشار الماء وفقًا لتدرج التركيز)، أو على أنها انجذاب المذاب إلى الماء (مما يؤدي إلى انخفاض كمية الماء الحر على جانب الغشاء ذي التركيز الأعلى للمذاب، وبالتالي حركة صافية للماء باتجاه المذاب). وقد دُحضت هاتان الفكرتان بشكل قاطع.

يُصبح نموذج الانتشار للخاصية الأسموزية غير قابل للتطبيق نظرًا لقدرة الخاصية الأسموزية على دفع الماء عبر الغشاء نحو تركيز أعلى من الماء. ^{[ 16 ]} كما يُدحض نموذج " الماء المرتبط " لأن الخاصية الأسموزية مستقلة عن حجم جزيئات المذاب - وهي خاصية تجميعية ^{[ 17 ]} - أو عن مدى محبتها للماء .

يصعب وصف الخاصية الأسموزية دون تفسير ميكانيكي أو ديناميكي حراري ، ولكن أساسًا، يوجد تفاعل بين المذاب والماء يُعاكس الضغط الذي تُمارسه جزيئات المذاب الحرة. ومن الجدير بالذكر أن الحرارة من المحيط قابلة للتحول إلى طاقة ميكانيكية (ارتفاع الماء). لذا، فإن انتقال المذيب الأسموزي عملية مدفوعة بالضغط، وليست انتشارًا جزيئيًا عشوائيًا.

تتناول العديد من التفسيرات الديناميكية الحرارية مفهوم الجهد الكيميائي ، وكيف يختلف دور الماء في المحلول عن دوره في الماء النقي، وذلك بسبب ارتفاع الضغط ووجود المذاب الذي يعاكس هذا التأثير، مما يحافظ على ثبات الجهد الكيميائي. تُبين نظرية فيريال أن التجاذب بين جزيئات الماء والمذاب يُقلل الضغط، وبالتالي يكون الضغط الذي تُمارسه جزيئات الماء على بعضها في المحلول أقل منه في الماء النقي، مما يسمح للماء النقي بـ"دفع" المحلول حتى يصل الضغط إلى حالة التوازن . ^{[ 17 ]}

تأثير المحاليل المختلفة على خلايا الدم

صور مجهرية للضغط الأسموزي على خلايا الدم الحمراء (RBC)

الخلية النباتية في بيئات مختلفة.

يُعد الضغط الأسموزي العامل الرئيسي للدعم في العديد من النباتات. يؤدي دخول الماء بالخاصية الأسموزية إلى رفع ضغط الامتلاء المُسلط على جدار الخلية ، حتى يُساوي الضغط الأسموزي، مما يُؤدي إلى حالة استقرار . ^{[ 18 ]}

عند وضع خلية نباتية في محلول ذي تركيز أعلى من تركيز السيتوبلازم، يخرج الماء من الخلية فتتقلص، فتصبح رخوة . وفي الحالات القصوى، تتعرض الخلية للانكماش البلازمي ، حيث ينفصل غشاء الخلية عن جدارها نتيجةً لانخفاض ضغط الماء عليه. ^{[ 19 ]}

عندما توضع خلية نباتية في محلول منخفض التوتر بالنسبة للسيتوبلازم، ينتقل الماء إلى داخل الخلية وتنتفخ الخلية لتصبح منتفخة . ^{[ 18 ]}

تؤدي الخاصية الأسموزية دورًا حيويًا في خلايا الإنسان، إذ تُسهّل حركة الماء عبر أغشية الخلايا. هذه العملية ضرورية للحفاظ على ترطيب الخلايا بشكل سليم، لأن الخلايا حساسة للجفاف أو فرط الترطيب. في خلايا الإنسان، تُعدّ الخاصية الأسموزية أساسية للحفاظ على توازن الماء والمواد المذابة، مما يضمن الأداء الأمثل للخلايا. قد يؤدي اختلال الضغط الأسموزي إلى خلل في وظائف الخلايا، مما يُبرز أهمية الخاصية الأسموزية في الحفاظ على صحة وسلامة خلايا الإنسان.

في بعض البيئات، قد تكون الخاصية الأسموزية ضارة بالكائنات الحية. فعلى سبيل المثال، تموت أسماك الزينة في أحواض المياه العذبة والمالحة بسرعة إذا وُضعت في ماء ذي ملوحة غير ملائمة. ويُعدّ التأثير الأسموزي لملح الطعام في قتل العلقات والرخويات مثالاً آخر على كيفية تسبب الخاصية الأسموزية في إلحاق الضرر بالكائنات الحية. ^{[ 19 ]}

لنفترض أن خلية حيوانية أو نباتية قد وُضعت في محلول من السكر أو الملح في الماء.

• إذا كان الوسط منخفض التوتر بالنسبة لسيتوبلازم الخلية ، فإن الخلية ستكتسب الماء من خلال الخاصية الأسموزية.
• إذا كان الوسط متساوي التوتر ، فلن يكون هناك حركة صافية للماء عبر غشاء الخلية.
• إذا كان الوسط مفرط التوتر بالنسبة لسيتوبلازم الخلية، فإن الخلية ستفقد الماء عن طريق الخاصية الأسموزية.

وهذا يعني أنه إذا تم وضع خلية في محلول يحتوي على تركيز مذاب أعلى من تركيزها، فإنها ستنكمش، وإذا تم وضعها في محلول يحتوي على تركيز مذاب أقل من تركيزها، فإن الخلية ستنتفخ وقد تنفجر.

تُبشّر التطورات المستقبلية في مجال التناضح وأبحاثه بمجموعة واسعة من التطبيقات. ويستكشف الباحثون مواد متطورة لتحسين كفاءة عمليات التناضح، مما يُسهم في تطوير تقنيات تحلية المياه وتنقيتها. إضافةً إلى ذلك، يُمثّل دمج توليد الطاقة التناضحية، حيث يُستغل فرق الضغط التناضحي بين المياه المالحة والعذبة لتوليد الطاقة، مصدرًا مستدامًا ومتجددًا للطاقة يتمتع بإمكانات هائلة. علاوةً على ذلك، يبحث المجال الطبي في أنظمة مبتكرة لإيصال الأدوية تستخدم مبادئ التناضح، مما يُتيح إعطاء الأدوية بدقة وتحكم داخل الجسم. ومع استمرار تطور التكنولوجيا والفهم في هذا المجال، يُتوقع أن تتوسع تطبيقات التناضح، لتساهم في معالجة العديد من التحديات العالمية في مجالات استدامة المياه، وتوليد الطاقة، والرعاية الصحية. ^{[ 21 ]}

• محاكاة التناضح في جافا
• محاكاة التناضح باستخدام برنامج NetLogo للاستخدام التعليمي
• تجربة التناضح ( مؤرشفة في 1 يوليو 2016 على موقع Wayback Machine)