大家在家里一定都腌过黄瓜吧?把新鲜的黄瓜洗净切好或拍好,再撒上盐,几小时后,黄瓜就会变得有点儿蔫,不如新鲜时那么爽口了。此时把黄瓜拿出来,会发现盘子里有许多水。常做饭的人把各种青菜这样腌制的过程叫作“杀水”。我们不禁产生疑问:在这个过程中到底发生了什么,黄瓜它怎么了?
这就要从植物细胞的结构开始讲起了。植物细胞的最外层是一层由果胶和纤维素组成的细胞壁。细胞壁是很硬的,并且即使在高盐环境下也很难被破坏,所以我们不论在吃鲜黄瓜还是腌黄瓜的时候,都会有“嘎吱嘎吱”的声音,爽脆可口。细胞壁的里面,是蛋白质和卵磷脂组成的细胞膜,它和细胞壁共同形成了保护细胞内部结构的“双保险”。细胞膜里包裹着细胞液、细胞核、液泡和其他各种细胞器。它们虽然成分各异,不过主要成分还是水。
植物细胞的结构
植物细胞的“双保险”中,细胞壁是全透性的,所有物质都可以自由出入。而细胞膜是半透膜,水分子可以自由出入,而钠离子和氯离子却不能。
半透膜是对不同的粒子的透过有选择性的薄膜。简单来说,它允许某些粒子通过,但同时会把另一些粒子挡在外面。有时是利用膜上的小孔限制较大的粒子通过,但有时也会通过某些机制允许较大的粒子通过而不让较小的粒子通过。比如,某些细胞膜具有钾离子通道,允许钾离子通过,而不允许性质相近且直径更小的钠离子通过。鸡蛋壳膜、细胞膜、膀胱膜都是半透膜,此外还有许多人造半透膜。
如果在装有待净化水的一侧加压,溶液中的水就会穿过半透膜,在另一侧获得纯净水。水中的杂质则留在原处,变成浓缩液。这一现象使小型海水淡化器成为可能,目前市场上已经有半透膜的商用化产品出现。不论是啤酒、海水,甚至尿液,都可以过滤出可以饮用的纯净水来。
半透膜水净化原理:右侧加压力,左侧出水
当我们在黄瓜上撒盐时,黄瓜细胞外界的盐浓度远远超过了细胞内的浓度。盐电离产生的钠离子和氯离子无法进入细胞内,可是细胞内和细胞外的水是可以自由移动的。于是就产生了一种被科学家们称作“渗透压”的神秘力量。正是这种力量,让细胞里的水源源不断地流了出来。
什么是渗透压呢?在半透膜的两侧如果出现了浓度不同的溶液,那么浓度大的那边就会感到“不平衡”,于是就会向浓度小的那一边抢水来满足自己的需求,直到两边浓度相等为止。那么如果不想让水渗过去,有没有办法呢?有的。在浓度大的那一侧加压,就可以遏制它的“野心”,让它不再抢水了。为了不让水渗过去而施加的最小压力,就叫作“渗透压”。
渗透压示意图
科学家研究发现,渗透压的大小和两个量有关,一是温度,二是不能通过半透膜的粒子浓度。注意这里的浓度不是简单地按分子计算的。一分子的葡萄糖和一分子的盐,盐中的氯化钠可以电离为一个钠离子和一个氯离子,所以它们在计算渗透压的时候前一个按原本的浓度算,后一个就是原本浓度的两倍了。同时,这个浓度也和粒子本身是什么无关。
我们在种花的时候,经常会听到有经验的老园丁提到“烧苗”这个说法。“烧苗”其实就是土壤中施肥过多,导致渗透压升高,把植物根部的水分“腌”出来了。植物能够不断地从土壤中吸收水分,一个重要的动力来源就是植物内部和土壤渗透压的差距。植物无法从土壤中吸收水分,当然会枯萎了。
与渗透压相关的现象不光是在植物上,在动物身上也有很多。比如,我们吃盐吃多了会口渴,就是这个道理。过多的盐分由于渗透压的驱动把我们身体里的水“抢”了出来,所以我们才感觉到口渴,需要通过喝水来使细胞恢复原状。在医学上,红细胞是不能用纯水来稀释的。因为红细胞内部渗透压比较高,水会因为渗透压的差异不断地渗入细胞,最后把细胞撑裂。同理,如果人喝水过快过多,也会因为渗透压的原因导致组织水肿。这种症状被称为“水中毒”,严重的话有可能死亡。
血液中的红细胞
渗透压的作用还不止于此呢!因为渗透压的影响因素非常简单:温度、浓度和溶质在水中的解离程度。所以如果在实验中能够测出渗透压的大小和温度等条件,是可以反推出溶液中溶质的分子量的。由于蛋白质等大分子确定结构非常困难,所以很多蛋白质的分子量就是由这种方法测定的。
有关渗透压的研究还在继续,相信用不了多长时间,我们就能看到有关渗透压的最新报道。到那时说不定又会有什么新奇的现象或者产品出现了!