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확산이란 무엇인가
입자가 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 스스로 퍼져나가 결국 고르게 섞이는 현상을 확산이라고 합니다.
설명
확산은 별도의 에너지를 쓰지 않아도 입자들이 무작위로 움직이다가 결국 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해 전체적으로 고르게 섞이는 현상으로 알려져 있습니다. 향수 냄새가 방 안에 서서히 퍼지거나, 물에 떨어뜨린 잉크 한 방울이 시간이 지나면서 물 전체에 고르게 퍼지는 현상이 대표적인 확산의 예로 자주 언급됩니다. 온도가 높을수록 입자의 운동이 활발해져 확산 속도도 빨라지는 것으로 설명됩니다.
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농도 기울기: 확산을 일으키는 힘
한 공간 안에서 위치에 따라 농도 차이가 나는 상태를 농도 기울기라고 하며, 이 차이가 클수록 확산이 더 빠르게 일어납니다.
설명
농도 기울기(concentration gradient)는 같은 공간 안에서 위치에 따라 입자의 농도가 다른 상태를 뜻하는 것으로 알려져 있습니다. 확산은 이 기울기를 따라 입자가 이동해 농도를 고르게 만들려는 방향으로 자연스럽게 일어나며, 별도의 에너지(ATP) 소모 없이 일어나는 수동적인 이동이라는 점에서 "수동수송"으로 분류됩니다. 농도 차이가 사라져 양쪽이 같아지면 순이동이 멈추는 평형 상태에 도달하는 것으로 설명됩니다.
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삼투란 무엇인가
삼투는 반투과성 막을 사이에 두고 물 분자만 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동하는 특수한 형태의 확산입니다.
설명
삼투(osmosis)는 물은 통과시키지만 특정 용질(녹아 있는 물질)은 통과시키지 않는 반투과성 막을 사이에 두고 일어나는 물 분자의 이동 현상으로 알려져 있습니다. 용질 농도가 낮은 쪽(물이 상대적으로 많은 쪽)에서 용질 농도가 높은 쪽(물이 상대적으로 적은 쪽)으로 물 분자가 이동해 양쪽의 농도를 같게 만들려는 방향으로 일어나는 것으로 설명됩니다. 세포막은 대표적인 반투과성 막으로, 세포 안팎의 물 이동을 조절하는 데 삼투 원리가 작용합니다.
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고장액·저장액·등장액: 삼투 방향을 결정하는 농도 비교
세포 안팎 용액의 농도를 비교해 세포보다 농도가 높으면 고장액, 낮으면 저장액, 같으면 등장액이라고 부릅니다.
설명
세포를 둘러싼 용액의 농도를 세포 내부와 비교해 세 가지로 구분하는 것으로 알려져 있습니다. 세포 안보다 용질 농도가 높은 용액을 고장액(hypertonic)이라 하며 이 경우 세포 안의 물이 밖으로 빠져나가 세포가 수축하고, 반대로 세포 안보다 농도가 낮은 저장액(hypotonic)에서는 물이 세포 안으로 들어와 세포가 팽창하거나 심하면 터질 수 있습니다. 세포 안팎의 농도가 같은 등장액(isotonic)에서는 물의 순이동이 없어 세포 크기가 유지되는 것으로 설명됩니다.
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배추가 소금에 절여지면 숨이 죽는 이유
소금물처럼 농도가 높은 고장액에 채소를 담그면 세포 속 수분이 삼투 현상으로 빠져나가면서 숨이 죽는 것으로 설명됩니다.
설명
김장할 때 배추를 소금물에 절이면 숨이 죽어 부드러워지는 현상은 삼투 원리로 설명되는 대표적인 생활 속 사례로 알려져 있습니다. 소금물은 배추 세포 내부보다 농도가 훨씬 높은 고장액이기 때문에, 세포 안의 수분이 세포막을 통해 밖으로 빠져나가면서 세포가 수축해 배추 전체가 흐물흐물해지는 것으로 설명됩니다. 반대로 마른 미역이나 건나물을 물에 담그면 물을 흡수해 부풀어 오르는 것도 저장액 환경에서 물이 세포 안으로 들어오는 삼투 현상의 예로 언급됩니다.
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적혈구와 삼투: 링거액이 생리식염수인 이유
적혈구를 순수한 물에 넣으면 물이 세포 안으로 들어와 터질 수 있어, 병원에서는 체액과 농도가 같은 등장액(생리식염수)을 수액으로 사용하는 것으로 알려져 있습니다.
설명
적혈구를 농도가 매우 낮은 순수한 물(저장액)에 넣으면 삼투 현상으로 물이 세포 안으로 계속 들어와 결국 세포가 부풀다 터지는 용혈 현상이 일어날 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 반대로 농도가 매우 높은 소금물(고장액)에 넣으면 세포 속 수분이 빠져나가 쪼그라들 수 있습니다. 이 때문에 병원에서 정맥주사로 놓는 링거액(수액)은 혈액과 농도가 비슷한 등장액인 생리식염수나 포도당 용액을 기본으로 만들어, 적혈구 모양을 그대로 유지하도록 하는 것으로 설명됩니다.
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단순확산과 촉진확산, 능동수송의 차이
막을 직접 통과하는 단순확산과 달리, 촉진확산은 막 단백질의 도움을 받고, 능동수송은 에너지를 써서 농도 기울기를 거슬러 물질을 옮깁니다.
설명
세포막을 통한 물질 이동은 크게 세 가지로 나뉘는 것으로 알려져 있습니다. 산소나 이산화탄소처럼 작은 분자가 막을 직접 통과하는 단순확산, 포도당처럼 크기가 크거나 극성을 띤 물질이 막에 있는 운반 단백질의 도움을 받아 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 촉진확산은 모두 에너지를 쓰지 않는 수동수송으로 분류됩니다. 반면 나트륨-칼륨 펌프처럼 세포가 ATP 에너지를 사용해 물질을 농도가 낮은 곳에서 오히려 높은 곳으로 밀어 올리는 이동은 능동수송이라고 부르는 것으로 설명됩니다.