L'acqua e l'organismo

L'acqua è importante per l'uomo

acqua nel corpo

La materia vivente, sebbene sia completamente circondata da materia non vivente con la quale ha un costante scambio di sostanze, differisce da quest'ultima per il tipo e per la quantità di elementi chimici che contiene. Senza questa differenza, i sistemi viventi non sarebbero certamente in grado di mantenere l'organizzazione e la struttura dalle quali dipende la loro esistenza. In tutti i sistemi viventi dai procarioti ai più complessi eucarioti pluricellulari la regolazione degli scambi di sostanze fra organismo vivente e mondo non vivente si verifica a livello di ogni singola cellula e viene realizzata: attraverso la membrana cellulare.

È difondamentale importanza il controllo di questi scambi per
1) difendere l'integrità di ogni cellula,
2) mantenere nei limiti quelle condizioni di pH e di concentrazione di ioni che permettono alle attività metaboliche di avere luogo, e
3) coordinare le attività delle diverse cellule.

Mantenere costante l'ambiente interno della cellula e delle sue parti costituenti richiede che le membrane della cellula assolvano a due complesse funzioni: esse devono, contemporaneamente, tenere fuori alcune sostanze facendone entrare altre e, viceversa, trattenere dentro delle sostanze, facendone uscire altre. Fra tutte le molecole che circondano la cellula e che sono contenute in essa, la più comune è quella dell'acqua. Inoltre, molte altre molecole e ioni importanti per la vita della cellula sono disciolti in acqua.

MOVIMENTO DELL'ACQUA E DEI SOLUTI

Fatta eccezione per quando si trova sotto forma di ghiaccio, l'acqua è costantemente in movimento: attraversa i continenti in fiumi e torrenti, passa dal suolo all' atmosfera attraverso le piante, percorre il corpo umano grazie al sistema circolatorio, entra ed esce dalle cellule. Le molecole d'acqua, nel mondo vivente e in quello non vivente, si spostano da una zona a un' altra a causa della differenza di energia potenziale. L'energia potenziale è una forma di energia accumulata da un oggetto (o da una serie di oggetti, quali, per esempio, le molecole d'acqua) come conseguenza della sua posizione. L'energia potenziale dell'acqua è generalmente detta potenziale idrico e dipende da vari fattori. Nelle soluzioni il potenziale idrico è influenzato dalla concentrazione delle particelle disciolte (soluti).

A mano a mano che aumenta la concentrazione delle particelle dei soluti (cioè il numero di particelle di soluto per unità di volume di soluzione), diminuisce la concentrazione delle molecole d'acqua (cioè il numero di molecole d'acqua per unità di volume di soluzione), e viceversa. In assenza di altri fattori (come la pressione) che agiscono sul potenziale idrico, le molecole d'acqua presenti nelle soluzioni si muovono da regioni a minore concentrazione dei soluti (cioè di maggiore potenziale idrico) a regioni a maggiore concentrazione di soluti (e minore potenziale idrico). Questo fatto è di estrema importanza per i sistemi viventi. Al movimento dell' acqua e dei soluti è interessato il meccanismo della diffusione, la quale gioca un importante ruolo nel movimento di molte molecole e ioni verso, fuori e attraverso le cellule. Un caso particolare di diffusione, quella dell' acqua attraverso una particolare membrana che separa soluzioni di concentrazione differente, è detto osmosi.

  • Diffusione
  • Cellule e diffusione
  • Osmosi: un tipo particolare di diffusione
  • Osmosi e organismi viventi
  • Turgore

Diffusione

La diffusione è un fenomeno familiare. Se spargiamo alcune gocce di profumo in un angolo di una stanza, l'odore diffonderà dappertutto anche in assenza di correnti d'aria. Se versiamo alcune gocce di colorante in un punto qualsiasi di un recipiente di vetro pieno d'acqua, le molecole del colorante si distribuiranno lentamente in tutto il recipiente. Il processo può impiegare un giorno o più, a seconda della grandezza del recipiente, della temperatura e delle dimensioni relative delle molecole.

Perché le molecole del colorante si distribuiscono nel recipiente? Se potessimo seguire il percorso delle singole molecole vedremmo che ognuna si muove individualmente e a caso. Osservare ogni singola molecola, la sua velocità di movimento o la sua direzione non aiuta a capire la posizione di quella molecola rispetto alle altre.

Allora in che modo le molecole di colorante si spostano da una parte all' altra del recipiente?
Immaginiamo di poter vedere una sottile sezione verticale del recipiente. Le molecole di colorante attraverseranno questa sezione nei due sensi, alcune in una direzione, altre nell' altra, ma si vedranno più molecole di colorante passare dalla zona in cui la concentrazione di colorante è maggiore, alla zona in cui essa è minore. Perché? Semplicemente perché in una delle due parti del recipiente ci sono più molecole di colorante. Se ci sono più molecole di colorante a sinistra, più molecole, muovendosi a caso, passeranno verso destra, pur essendo uguale la probabilità che ogni singola molecola di colorante si sposti da destra a sinistra. Ne consegue che il movimento netto di molecole di colorante sarà da sinistra verso destra. Analogamente, se potessimo osservare il movimento di ciascuna molecola d'acqua nel recipiente, vedremmo che il movimento netto delle molecole d'acqua è da destra a sinistra. Le sostanze che si spostano da una regione in cui la concentrazione delle loro molecole è maggiore a una regione in cui la concentrazione è minore si muovono secondo gradiente. (Una sostanza che si sposta nella direzione opposta, verso una concentrazione maggiore delle proprie molecole, si muove contro gradiente, il che equivale a spingere qualcosa dal basso verso l'alto.) La diffusione avviene soltanto secondo gradiente. Tanto più grande è la differenza di concentrazione, cioè tanto più alto è il gradiente, tanto più veloce è la diffusione. Nel nostro ipotetico recipiente ci sono due gradienti, quello delle molecole del colorante e quello delle molecole d'acqua: le molecole di colorante si muovono in una direzione, secondo il loro gradiente, e le molecole d'acqua si muovono in direzione opposta, secondo il loro gradiente. In ogni caso, le molecole passano da una regione con energia potenziale maggiore a una regione con energia potenziale minore.

Che cosa succede quando tutte le molecole sono uniformemente distribuite nel recipiente?
La distribuzione uniforme non influisce sul comportamento delle singole molecole; esse continueranno ancora a muoversi a caso e poiché i movimenti sono casuali, tante molecole andranno verso destra quante ne andranno verso sinistra. Ma poiché ora c'è un ugual numero di molecole di colorante e di acqua da entrambe le parti del recipiente, non c'è alcun movimento netto né di acqua né di colorante; c'è ancora, tuttavia, un movimento casuale proprio come prima, posto che la temperatura non sia cambiata. Quando le molecole hanno raggiunto uno stato di distribuzione eguale, cioè quando non ci sono più gradienti, si dicono in equilibrio dinamico. Le caratteristiche essenziali della diffusione sono: 1) ogni molecola, o ione, si muove indipendentemente dalle altre e 2) questi movimenti sono casuali. Il risultato netto della diffusione è che le sostanze che diffondono si distribuiscono uniformemente.

Cellule e diffusione

Acqua, ossigeno, biossido di carbonio e poche altre molecole semplici diffondono liberamente attraverso le membrane cellulari. Il biossido di carbonio e l'ossigeno, che sono entrambe molecole non polari, sono solubili nei lipidi e attraversano facilmente il doppio strato lipidico della membrana. Malgrado la loro polarità, le molecole dell' acqua possono anch' esse attraversare senza ostacoli la membrana, utilizzando probabilmente aperture temporanee prodotte dai movimenti spontanei dei lipidi di membrana; anche altre molecole polari, sufficientemente piccole, diffondono attraverso queste aperture. La permeabilità della membrana a questi soluti è inversamente proporzionale alle dimensioni delle molecole, e ciò sta a indicare che le aperture sono piccole e la membrana agisce come un filtro.

La diffusione è anche il principale meccanismo mediante il quale le sostanze si spostano all'interno delle cellule. Uno dei fattori più importanti che limitano le dimensioni delle cellule è questa dipendenza dalla diffusione, che di fatto è un processo lento tranne che su distanze molto brevi; il processo diventa sempre più lento e meno efficiente a mano a mano che aumenta la distanza coperta dalle molecole in diffusione. Perché la diffusione sia efficiente occorre non solo che si verifichi su distanze relativamente piccole (e la cellula è uno spazio ridotto), ma che ci sia anche un gradiente di concentrazione; mediante le loro attività metaboliche, le cellule favoriscono i processi di diffusione mantenendo alti tali gradienti.

Osmosi: un tipo particolare di diffusione

Una membrana che permette il passaggio di alcune sostanze, mentre impedisce il passaggio di altre, è detta selettivamente permeabile. Il movimento di molecole d'acqua attraverso una membrana di questo tipo è un caso speciale di diffusione che viene detto osmosi. L'osmosi consiste in un trasferimento netto di acqua da una soluzione che ha potenziale idrico maggiore a una soluzione che ha potenziale idrico minore. In assenza di altri fattori che influenzino il potenziale idrico (come la pressione), il movimento d'acqua per osmosi verrà da una regione di minore concentrazione di soluto (e quindi di maggiore potenziale idrico) a una regionene di maggiore concentrazione di soluto (e minore tenziale idrico) . La diffusione dell' acqua non è influenzata da cosa è disciolto in essa, ma da quanto è disciolto, cioè dalla concentrazione di particelle di soluto (molecole e ioni) presenti nell'acqua. Una particella piccola di soluto, come per esempio uno ione sodio, ha la stessa portanza di una particella più grande, come per esempio una molecola di zucchero.

Due o più soluzioni che hanno un ugual numero particelle disciolte per unità di volume e, quindi stesso potenziale idrico, sono dette isotoniche. Non c'e' un movimento netto di acqua attraverso una membrana che separi due soluzioni tra loro isotoniche a meno che su uno dei lati non si eserciti una pressione. Mettendo a confronto soluzioni con differenti concentrazioni, quella meno concentrata (e quindi maggiore potenziale idrico) è detta ipotonica e quella più concentrata (con minore potenziale idrico) è detta ipertonica (si noti che «iper» significa «più», in qu caso più particelle di soluto e che «ipo» significa «meno», in questo caso un minor numero di particelle disoluto). Nell'osmosi, le molecole d'acqua diffondono attraverso una membrana selettivamente permeabile da una soluzione ipotonica (o da acqua pura) a ipertonica.

Osmosi e organismi viventi

Il movimento osmotico dell'acqua attraverso una membrana cellulare selettivamente permeabile pone ai sistemi viventi alcuni problemi cruciali. Questi problemi variano a seconda che la cellula, o l'organismo, sia ipotonica, isotonica o ipertonica rispetto all' ambiente che la circonda. I liquidi corporei di molti pesci di mare, per esempio, sono ipotonici rispetto all' acqua salata circostante; perciò l'acqua tende a uscire per osmosi dal loro corpo. Una serie di artifici, tuttavia, permette a questi pesci di bere acqua di mare e poi di espellere i soluti in eccesso mantenendo le concentrazioni interne dei soluti ai livelli appropriati. Gli organismi unicellulari che vivono in acqua salata, invece, sono solitamente isotonici rispetto all' ambiente in cui vivono e in questo modo risolvono il problema. Anche le cellule della maggior parte degli invertebrati marini sono isotoniche rispetto all'acqua di mare; analogamente, le cellule degli animali superiori sono isotoniche rispetto al sangue e alla linfa che costituiscono il mezzo acquoso nel quale vivono.

Molti tipi di cellule vivono invece in un ambiente ipotonico. In tutti gli organismi unicellulari che vivono in acqua dolce, come Paramecium, l'interno della cellula è ipertonico rispetto all' acqua circostante; di conseguenza l'acqua tende a entrare nella cellula per osmosi. Se troppa acqua entrasse nella cellula, diluirebbe il contenuto cellulare al punto da interferire con le sue funzioni e potrebbe, alla fine, provocare la rottura della membrana cellulare. Ciò viene impedito da un organulo specializzato, il vacuolo contrattile, che raccoglie l'acqua dalle varie regioni della cellula e la pompa fuori mediante contrazioni ritmiche.

Turgore

Le cellule vegetali sono di solito ipertoniche rispetto all' ambiente che le circonda, perciò l'acqua tende a diffondere alloro interno. Questo spostamento d'acqua verso l'interno della cellula crea una pressione interna contro la parete cellulare che, nelle cellule giovani, fa espandere la parete e allungare la cellula. L'allungamento di una cellula vegetale in via di maturazione è conseguenza diretta del movimento osmotico dell' acqua verso l'interno della cellula. Quando le cellule vegetali maturano, la parete cellulare che le circonda cessa di crescere. Le cellule vegetali mature hanno dei caratteristici grossi vacuoli che contengono soluzioni di sali e di altre sostanze: gli agrumi, per esempio, contengono degli acidi che conferiscono ai frutti il tipico sapore aspro. A causa di queste soluzioni concentrate, l'acqua ha una forte tendenza a entrare nelle cellule. Nella cellula matura, però, la parete cellulare espande ulteriormente: la sua resistenza all' espansione produce una pressione diretta verso l'esterno. Questa pressione impedisce il movimento di altra acqua verso l'interno della cellula; di conseguenza non giunge un equilibrio di concentrazione idrica e l'acqua continua a «cercare» di entrare, mantenendo, così una pressione costante, esercitata dall'interno, sulla parete cellulare. Questa pressione è detta turgore. Il turgore mantiene rigida la parete cellulare e mantiene eretta la pianta; quando il turgore diminuisce in seguito a una perdita di acqua, la pianta avvizzisce.


Hai bisogno di maggiori informazioni sul depuratore a osmosi inversa?

RICHIEDI UN PREVENTIVO