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물은 생명에 매우 중요하기 때문에 물이 생물쳬내로 유입·방출되고 생물쳬내의 한 장소에서 다른 장소로 이동될 때 막을 가로지르며 이동하는 것에 대해 많은 관심이 모아졌다. 이러한 현상을 삼투현상이라 부르는데, 오늘은 삼투현상과 관련된 내용을 정리하였습니다.
삼투현상에 관하여
삼투현상
물은 쉽게 원형질막을 통과할 수 있고, 그래서 물의 확산은 생물체에서 중요한 역할을 할 것이라고 보아 왔습니다. 생물학자들은 막을 통과하는 물 분자의 확산을 삼투현상(osmosis)이라고 하였습니다. 더 엄밀히 말해서 삼투현상은 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 막을 통한 물의 순이동을 의미합니다.
1. 삼투현상의 예
살아 있는 세포는 매우 복잡하기 때문에 삼투현상은 위의 그림을 통하여 더 쉽게 접근해 볼 수 있습니다. 시슬시험관은 3.0% 설탕 용액(3% 설탕, 97% 물)으로 채우고 밑부분을 선택적 투과성 막으로 막아 증류수로 채워진 비커에 담았습니다. 이 막은 물만 투과시키고 설탕은 투과시키지 않습니다. 몇 가지 문제를 제기해 봅시다. 물 분자의 농도는 막의 어느 쪽에서 더 높을까요?(단위 mm, 당 물 분자의 수는 막의 어느 쪽에서 더 많을까) 만약 여러분이 비커라고 추정했다면 맞는 답입니다. 비커는 증류수로 채워져 있어서 물이 농축될 수 있는 데까지 농축되어 있습니다.
그렇다면 물이 시슬시험관으로 들어갈 것인지, 밖으로 나올 것인지 예측할 수 있겠습니까? 설탕 분자는 밖으로 나오지 못함을 기억합시다. 단지 물만이 그 막을 통과할 수 있습니다. 또한 확산의 정의를 염두에 둡시다. 즉 물질(원자, 이온, 분자)은 저농도로 이동하는 경향이 있습니다. 시슬시험관 내의 공간은 설탕 분자에 의해 차 있기 때문에 물의 농도는 비커에서 더 높습니다. 때문에 물의 순이동은 비커에서 막을 통과하여 시슬시험관으로 들어갈 것이고 시슬시험관내 용액의 수준은 높아질 것입니다.
얼마나 오랫동안 수위 상승이 계속될까요? 시험관의 높이가 충분히 높다고 가정하면, 어떤 지점에서 물기둥의 무게는 물 분자를 막을 통해 밖으로 밀어내는 힘을 발생시켜 결국 전 체계에서 물의 이동은 평형에 도달할 것임을 예측할 수 있습니다. 이것은 순이동이 0임을 의미합니다. 이 힘(압력)은 삼투에 의한 이동을 상쇄하므로 삼투압(osmotic pressure)이라 불리는 힘과 같습니다.
엄밀하게 표현하면, 삼투압은 물이 선택적 투과막을 저농도에서 고농도 용액으로 이동하려는 경향의 측정값으로 정의할 수 있습니다. 무엇이 용액의 삼투압을 결정할까요? 삼투압은 직접적으로 용액의 농도에 비례합니다. 용질의 양이 많을수록 삼투압은 더 높습니다(용질은 용액에 첨가된 원소, 분자 또는 이온이다). 다시 말하면 삼투현상의 힘은 물에서 투과성을 가지는 막의 양쪽에 존개하는 용질의 농도차에 의해 결정됩니다.
2. 삼투체계
이와 같이 삼투체계는 막의 선택적 투과성과 세포내에 일반적으로 존재하는 용질에 의해 생물쳬에서 물이 이동하는 데 큰 영향을 미칩니다. 삼투체계에서 한 곳에서 다른 곳으로 물이 이동할 수 있는 능력은 용질의 농도에 영향받고 삼투압에 의해 제한됩니다. 이들 요인은 세포내에서 이들이 작용하는 것을 볼 때 더 쉽게 이해될 수 있으므로 식물과 동물 세포에서의 삼투현상을 논의해 보고자 합니다. 이들 세포에서 이 물리적인 힘의 영향은 매우 흥미로운 일입니다.
삼투현상과 세포
1. 세포와 삼투조건
세포는 항상 다양한 삼투 조건하에 있기 때문에 대부분의 세포들은 이에 대한 다양한 적응을 통해서 각종 삼투 조건의 적절한 범위내에서 살 수 있습니다. 식물과 동물 세포가 직면한 두 가지 문제는 물의 상실과 유입의 가능성입니다. 식 물 세포는 단단하고 탄력이 있는 세포벽을 가지고 있어서 물의 유입에 잘 적응되어 있으며, 잎과 어린 싹에서는 그 모양과 강도를 유지하기 위해 물의 가파른 농도기울기를 이용합니다. 그러나 세포벽이 없는 동물 세포는 과도한 물의 유입에 의해 쉽게 파괴됩니다.
동물 세포는 물의 유입에 의하여 쉽게 파괴되므로 실험실에서 연구되는 동물 세포는 등장(isotonic)에서 유지되어야 합니다. 주위의 세포와 같은 농도의 물과 용질을 갖는 용액을 등장액이라 한다. 예를 들어 적혈구는 등장액인 1.0% 염용액에 넣으면 한동안 안정된 상태로 남아 있고 그 모양을 유지할 수 있습니다. 이 적혈구를 저장액(hypotonic)－세포질에 있는 물보다 상대적으로 더 많은 물을 가지고 있는 용액-에 넣으면 삼투현상에 의한 물의 과도한 유입으로 결국 세포가 터져 버립니다. 이같이 생명을 위협하는 상황은 담수에 사는 작은 단세포 생물체인 동물성 원생동물이 직면한 문제입니다. 때문에 이들은 과도한 물을 제거할 수 있는 메카니즘을 가지고 있습니다. 반대쪽 극단, 즉 고장액(hypertonic) - 물의 농도가 세포에서보다 낮고 용질의 농도는 더 높은 용액-에서 물은 삼투현상에 의해 세포로부터 급속히 빠져나갑니다. 그러나 세포는 원형질분리(plasmolysis)라고 알려진 현상에 의해 수축됩니다. 식물 세포도 고장액에서는 원형질분리가 일어납니다.
2 팽만과 팽압
식물은 보통 저장성인 환경에서 물의 홉수를 촉진합니다. 이들은 세포 속의 큰 액포내에 용질을 고농도로 축적시켜 물을 홉수합니다. 물론 이것은 액포내의 물의 농도를 감소시킵니다. 물의 유입은 세포벽에 대해 큰 정수압(hydrostatic pressure)을 만듭니다. 이 압력은 가늘고 긴 토마토 식물체가 왜 직립할 수 있는지를 부분적으로 설명합니다. 식물학자들은 물에 의해 부풀어오른 이 상태를 팽만(turgor) 상태라고 하고 이 압력을 팽압(lurgor pressure)이라고 합니다．팽만 상태는 토양수 농도가 식물 세포내의 물의 농도보다 높을 때만 유지됩니다 .
그러나 만약 토마토 식물에 물을 주지 않으면 곧 물 농도가 달라짐에 따른 영향을 볼 수 있습니다. 토양수가 상실됨에 따라 토양수에서 용질의 농도가 높아지고 물의 농도는 감소합니다(너무 많은 건조한 비료는 토양수내에서 용질이 되기 때문에 같은 효과를 발생시킵니다). 식물 세포, 특히 뿌리의 세포에서 물의 농도가 토양보다 높으면 삼투현상을 통한 물의 이동이 역전되어 새로운 농도기울기에 따라 물이 빠져나갑니다. 때문에 식물은 점차 시들게 됩니다. 식물의 경우 시드는 것과 같은 이러한 과도한 원형질분리 효과는 어느 선까지는 회복이 가능하므로 적당히 물을 주면 다시 팽만해집니다.
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