*
Применимость закона Вант-Гоффа к явлениям респираторной биологии.
Наличие жидкости в трахеолах и ее движение при респирации породило дискуссию о роли осмоса в этом процессе (Wigglesworth, 1942, 1953; Buck, Keister, 1955; Woods et al., 2009). Вопросам осмоса в биологии в трактовке Вант-Гоффа уделяется неоправданно большое внимание. Рассмотрим кратко историю этого вопроса.
Следует отметить, что величины осмоса по Вант-Гоффу являются запредельными и сугубо расчетными. Когда в учебнике читаем, что осмотическое давление в клетках тканей достигает 7 атм. – это свидетельство физического абсурда. Все подобные расчеты основаны на «интересном заключении» (Киреев, 1975), сделанном в 1887 году Якобом Вант-Гоффом (Van't Hoff, 1887, 1888) на основе опытов Вильгельма Пфеффера (Pfeffer, 1877) и гласящим, что «осмотическое давление равно тому газовому давлению, которым обладало бы растворенное вещество, если бы, находясь в газообразном состоянии при той же температуре, оно занимало тот же объем, который занимает раствор». Согласно уравнению Вант-Гоффа 1% раствор сахарозы за счет осмоса создает дополнительное гидростатическое давление равное 65,8 кПа (0,65 атм.), что соответствует столбу жидкости высотой 6,7 м, что превышает исходный объем раствора и его массу в 67 раз. За счет каких сил создается это давление? Отвечают: за счет сил осмоса. В чем суть этих сил? В ответ теоретические выкладки о химическом потенциале воды, который нельзя измерить, но можно рассчитать (Gibbs, 1897). Кто наблюдал в эксперименте такой столб жидкости? Молчание. Сахароза не существует в газообразном состоянии, ее можно сжечь в кислороде с образованием газовой смеси из углекислого газа и паров воды. Расчет давления этой газовой смеси за вычетом кислорода, дает совсем другой, еще более аномальный результат. Известный русский физико-химик писал: «Пока мы не имеем явной и доказательной теории осмотического давления в нормальных случаях, приведенные выше объяснения аномальных величин осмотического давления должно рассматривать как предположения гипотетического характера, не заключающие в себе данных для суждения о химической стороне явлений растворения…даже при условии приложимости к осмотическим давлениям простых законов газообразного состояния» (Коновалов, 1897).
Рассмотрев выводы Вант-Гоффа, лорд Кельвин (Kelvin, 1897) и лорд Рэйли (Rayleigh, 1897) также пришли к заключению, что молекулярная теория не может сказать нам, что такое осмос и не имеется теоретического обоснования даже для формального применения закона Авогадро для данного случая. Пфеффер (Pfeffer, 1877, 1921) на основе многолетних опытов установил наличие гидростатического давления в 1/15 атмосферы. Немецкий физиолог Гамбургер (Hamburger, 1904) в обширном обзоре весьма осторожно отнесся к идее применимости уравнения Вант-Гоффа в медицинской практике. В большом цикле лабораторных опытов с использованием специально сконструированного прибора, английские физики Berkeley, Hartley, Burton, (1904-1919) показали, что процесс осмоса через полупроницаемую мембрану явление чрезвычайно медленное, занимающее несколько недель для простых растворов, что неприменимо к живым объектам. К тому же они вычисляли осмотическое давление по изменению плотности паров над раствором, то есть использовали косвенный метод.
Приведем несколько цитат из монографий по физической химии и биофизике.
Герасимов и др., 1964: «Сила (на единицу площади), заставляющая растворитель переходить через полупроницаемую перегородку в раствор (находящийся при том же внешнем давлении, что и растворитель), называется осмотическим давлением (осмотической силой). Возникающее в растворе избыточное гидростатическое давление уравновешивает силу осмоса».
Кнорре и др., 1990: «Осмотическое давление раствора концентрацией 1 моль/л равно давлению водяного столба высотой 250 м». Это, например, 360 грамм глюкозы в одном литре раствора. Давление в 24 атмосферы! Сугубо расчетный результат!
Трухан, 2008: «Осмотические явления играют важную роль во внутри - и в межклеточных процессах переноса вещества. В основе этих явлений лежит понятие осмотического давления р = RTC = кТn. Кажущаяся простота этого понятия часто приводит к недоразумениям. Иногда считают, что появление в растворителе некоторого растворённого вещества с молярной концентрацией С приводит к появлению в растворе дополнительного давления RТС. Вообще говоря, это не так».
Ершов, 2002: «Хотя закон Вант-Гоффа был выведен на основе экспериментальных данных (каких?), он может быть выведен теоретически из условий термодинамического равновесия. Поэтому этот закон следует рассматривать как следствие второго начала термодинамики». И, как следствие, - ошибочен.
Интересно отметить, что в последнем издании учебника по медицинской и биологической физике (Ремизов и др., 2003) явление осмоса из рассмотрения опущено.
В 1901 г. Вант-Гофф стал первым лауреатом Нобелевской премии по химии, которая была ему присуждена «в знак признания огромной важности открытия им законов химической динамики и осмотического давления в растворах».
Что-то изменилось за 100 лет? Только то, что уравнение Вант-Гоффа стало именоваться законом. Как бы ни была строга и логически совершенна теория, со временем выявляется ее ограниченность и неточность. Однако в учебном процессе материал обычно подается без сомнений, как истина в последней инстанции; в результате заученные ошибочные представления передаются следующим поколениям, становясь тем самым научными мифами.
Основная ошибка – отождествление процессов переноса воды через искусственную физическую полупроницаемую мембрану и процессов на мембране живых клеток.
Безусловно, осмотические силы существуют в явлении движения жидкости в клетках тканей, в трахеолах, но не в трактовке Вант-Гоффа. Это тонкий физико-химический управляемый ионный обмен на основе работы белков-переносчиков и белков типа аквапоринов.
, , и др. (1964). Курс физической химии. Том 1. М.-Л., «Химия»
(ред.). (2003). Биофизическая химия. М., Высшая школа
(1975). Курс физической химии. Москва, «Химия»
, , (1990). Физическая химия. М., Высшая школа
(1897). Осмос. Энциклопедический словарь и . СПб, том 43, стр. 96-97.
, , (2003). Учебник по медицинской и биологической физике. М., Дрофа
(2008). Введение в биофизику. М.
Berkeley F., Hartley E. (1904). A Method of Measuring Directly High Osmotic Pressures. - Proceedings of the Royal Society of London 73:436–443
Berkeley F., Hartley E. (1906). The Determination of the Osmotic Pressures of Solutions by the Measurement of their Vapour Pressures - Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 77 (515):156–169
Berkeley F., Hartley E. (1906). On the Osmotic Pressures of Some Concentrated Aqueous Solutions. - Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 78 (521):68–68
Berkeley F., Hartley E. (1906). X. On the Osmotic Pressures of Some Concentrated Aqueous Solutions. - Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 206:481–507
Berkeley F., Hartley E. (1909). Dynamic Osmotic Pressures. - Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 82 (554):271–275
Berkeley F., Hartley E. (1916). Further Determinations of Direct Osmotic Pressures. - Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 92 (643):477–492
Berkeley F., Hartley E., Burton C. (1908).On the Osmotic Pressures of Aqueous Solutions of Calcium Ferrocyanide. Part I. Concentrated Solutions. - Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 81 (549):434–434
Berkeley F., Hartley E., Burton C. (1909).On the Osmotic Pressures of Aqueous Solutions of Calcium Ferrocyanide. Part I: Concentrated Solutions. - Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 209:177–203
Berkeley F., Hartley E., Burton C. (1919). On Osmotic Pressures Derived from Vapour-Pressure Measurements: Aqueous Solutions of Cane Sugar and Methyl Glucoside. - Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 218:295–349
Berkeley F., Hartley E., Stephenson J. (1909). XIII. On the Osmotic Pressures of Calcium Ferrocyanide Solutions. Part II: Weak Solutions. - Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, 209:319–336
Buck J., Keister M. (1955). Further studies of gas-filling in insect tracheal system. - The Journal of Experimental Biology, 32, 4, 681-691.
Gibbs J. W. (1897). Semi-permeable films and osmotic pressure. – Nature, 55, 1429, March 18, 461-462
Hamburger H. J. (1904). Osmotischer Druck und Ionenlehre in den Medicinischen Wissenschaften. Band II., Mit 2 Tafeln, 28 Abb., 564 S. Wiesbaden, Verlag von J. F.Bergmann.
Kelvin W. (William Thompson) (1897). On osmotic pressure against an ideal semi-permeable membrane. – Nature, 55, 1421, January 21, 272.
Pfeffer W. (1877). Osmotische Untersuchungen. Studien zur Zellmechanik. Engelmann Verlag, Leipzig. YIII. 236 S., gr. 8, m. 5. Holzschnitten.
Pfeffer W. (1921). Osmotische Untersuchungen. Studien zur Zellmechanik. Engelmann Verlag, Leipzig. Zweite Unver. Aufl. 262 S., Holzschnitten.
Rayleigh J. W. (Strutt J. W., Lord) (1897). The theory of solution. – Nature, 55, 4120, January 14, 253-254
Van't Hoff J. H. (1887). Die Rolle osmotischen Drucks in der Analogie zwischen Losungen und Gasen. - Zeitschrift fur physikalische Chemie, 1, 481-508
Van't Hoff J. H. (1888). The function of osmotic pressure in the analogy between solution and gases (translated by W. Ramsay). - Philosophical Magazine, S. 5, vol. 26, No. 159, pp. 81-105.
Wigglesworth V. B. (1942). The principles of insect physiology. – 2nd edition, London, pp. 1-444.
Wigglesworth V. B. (1953). Surface forces in the tracheal system of insects. - Quarterly Journal of Microscopical Science, 94, 4, 507-522
Woods H. A., Sprague J. C., Smith J. N. (2009). Cavitation in the embryonic tracheal system of Manduca sexta. - The Journal of Experimental Biology, 212, 3296-3304.
