歷史的故事化學的故事

滲透現象

  
  駱駝站在『針孔』的前面哭泣,牠的軀體實在太大,再怎麼減肥、瘦身也進不了針孔。針孔安慰駱駝,在駱駝不能的,來自針孔那端的卻能。

  
  根據擴散運動,離子可以在水中由濃度高的一方,移動到濃度低的一方,即使每一方的濃度都一樣了,離子仍然可以在水中四處移動。在水的世界裡,離子是最自由來去的遊客,完全不受拘束,直到遇到了─『細胞膜』。


  細胞膜是細胞外層的一道薄膜,是由非常複雜的磷酸脂(phospholipid)所組成的。進了細胞膜仍是一片的液體,稱為『細胞質』,那是屬於生命活動的世界,在細胞膜外屬於物質的世界,所以細胞膜是生命界與物質界的中間門戶。為了保護門戶,門口的幾個守門員,如組成磷酸脂的蛋白質、脂肪、磷酸等,都很凶悍,門戶把守的很緊。

 

  這道進入生命界的門戶雖窄,因為水分子小,水分子很容易進入或出來。但是對體積較大,具有帶電性的離子就很不易進入,除非細胞派出特別的蛋白質,減少離子的帶電性,或是另外開條管道,否則離子不易通過細胞膜,離子不能怪細胞為何不多開管道。生命的特殊性之一,就在具有對外界物質的『選擇性』,只有死的時候,才會失去選擇性。


  這種讓水分子能夠自由通過、離子不易通過的薄膜,稱為『半滲透性膜』(semi- permeable membrane)。當離子在半滲透性膜外濃度逐漸增加時,水分子又會自膜內移動到膜外,這是一個非常有趣的現象,彷彿水是被『拉出去似的』(pull out)。拉出去的希臘字為osmos,故稱osmotic為『滲透作用』。

  所以細胞將水自細胞膜外拉進來,細胞膜外的離子若累聚就將水自細胞膜內拉出去。細胞膜內外進行水的拉來拉去作用,兩端拉的力量差稱為『滲透壓』(osmotic pressure)。荷蘭的化學家范特荷甫(Jacobus Henricus Van’t Hoff, 1852-1911)在1886年發現這現象,他後來在1901年獲得第一屆諾貝爾化學獎。


  所有的生物要存活,都必須面對滲透壓的問題。若無法克服滲透壓,生物就出現脫水或水腫的現象,前者是水出去的太多,後者是水進來的太多,都是細胞的代謝出了問題。所有生物的細胞膜都不同,甚至同一生物不同組織細胞的細胞膜結構都不相同。例如神經細胞膜讓K+容易通過,膀胱細胞的細胞膜讓尿素容易通過,表皮細胞膜守得最緊,連水分也不易進入(1)。


  這些細胞膜各司其職,使生命維持生長、健壯、繁殖。滲透壓是何等奇妙的現象。


註(1) Willmer, P., G. Stone and I. Johnston. 2000. Environmental Physiology of Animals. Blackwell Science Ltd. U.S.A.

Go top