معلومة

15.3 ز: نقل الحرارة - علم الأحياء

15.3 ز: نقل الحرارة - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

بالإضافة إلى دوره في نقل المواد ، فإن الجهاز الدوري مسؤول عن توزيع الحرارة في جميع أنحاء الجسم. هذا صحيح على حد سواء

  • ماصات الحرارةوالحيوانات - الطيور والثدييات - التي تولد داخليا الحرارة اللازمة للحفاظ على درجة حرارة الجسم. الطيور والثدييات "ذوات الدم الحار" أو حرارة منزلية، والحفاظ على درجة حرارة أجسامهم ضمن حدود ضيقة ، بغض النظر عن درجة الحرارة المحيطة.
  • الميزوثرمس، الحيوانات التي تولد الحرارة داخليًا ولكنها لا تحافظ على درجة حرارة ثابتة للجسم. التونة ، وبعض أسماك القرش ، والإيكيدنا هي متوسطة الحرارة.
  • ectotherms، الحيوانات - الفقاريات الأخرى واللافقاريات - التي تؤمن حرارتها من محيطها (على سبيل المثال ، من خلال التشمس في الشمس). إيكتثرمس "بدم بارد" أو الحرارة.

المصدر الرئيسي للحرارة لامتصاص الحرارة هو التمثيل الغذائي لأعضائها الداخلية. أكثر من ثلثي الحرارة المتولدة في الإنسان أثناء الراحة يتم إنشاؤها بواسطة أعضاء التجويف الصدري والبطن والدماغ (والتي تساهم بنسبة 16٪ من الإجمالي - تقريبًا مثل جميع عضلات الهيكل العظمي لدينا عندما تكون في حالة راحة). هناك العديد من الإجراءات التي يمكن أن يتخذها الحيوان الماص للحرارة إذا بدأ يفقد الحرارة في محيطه بشكل أسرع مما يمكنه أن يولد الحرارة (أي يبدأ في النمو باردًا). يمكن أن يزيد من معدل التمثيل الغذائي في أنسجته. تقوم العديد من الثدييات الصغيرة والرضع بفعل ذلك مع برودة محيطهم ، ولكن لا يزال من غير المؤكد ما إذا كان البشر البالغون يستطيعون ذلك. تحدث الزيادة في التمثيل الغذائي ، مع إطلاق الحرارة المصاحب لها ، في الأنسجة الدهنية البنية. يمكنه أيضًا زيادة نشاطه البدني. في حالة الراحة ، تساهم العضلات بشكل ضئيل (حوالي 16٪) في حرارة الجسم. أثناء التمرينات الشاقة ، يمكن أن يزداد هذا بشكل كبير. في حالة عدم وجود عمل عضلي إرادي ، يتم تحقيق نفس التأثير من خلال يرتجف. كلما زادت نسبة السطح إلى الحجم لجزء من الجسم ، زادت سرعة نقل الحرارة إلى محيطه. هذا هو السبب في أنك لاحظت البرودة في يديك وقدميك لأول مرة. يمكن تقليل فقدان الحرارة من الأطراف بشكل حاد عن طريق تقليل إمدادها بالدم. في البرد القارس ، على سبيل المثال ، يمكن أن ينخفض ​​تدفق الدم إلى الأصابع إلى 1٪ أو نحو ذلك من قيمته الطبيعية.

مبادل حراري معاكسة

لدى العديد من الحيوانات (بما في ذلك البشر) طريقة أخرى للحفاظ على الحرارة. تعمل شرايين أذرعنا وأرجلنا بالتوازي مع مجموعة من الأوردة العميقة. عندما يمر الدم الدافئ عبر الشرايين ، يتخلى الدم عن بعض حرارته إلى الدم البارد العائد من الأطراف في هذه الأوردة. هذه الآلية تسمى مبادل حراري معاكسة للتيار. عندما لا يكون فقدان الحرارة مشكلة ، فإن معظم الدم الوريدي من الأطراف يعود عبر الأوردة الموجودة بالقرب من السطح.

يمكن أن تعمل المبادلات الحرارية ذات التيار المعاكس بكفاءة ملحوظة. يمكن لطيور البحر الحفاظ على درجة حرارة طبيعية في جذعها أثناء الوقوف بأقدامها غير المحمية في الماء المتجمد. عندما تفكر في أن دم الأسماك يمر فوق الخياشيم التي تغمرها المياه المحيطة ، فمن السهل أن ترى لماذا الأسماك "ذوات الدم البارد". ومع ذلك ، فإن بعض الأسماك البحرية (على سبيل المثال ، التونة) هي متوسطة الحرارة - قادرة على إبقاء عضلات السباحة الأكثر نشاطًا أكثر دفئًا من البحر باستخدام مبادل حراري للتيار المعاكس.

تُظهر الصورة أعلاه على اليمين مقطعًا عرضيًا من خلال سمكة تونة قفز. يتم الحفاظ على العضلات المظلمة على جانبي العمود الفقري عند درجة حرارة أعلى من بقية الأسماك بفضل المبادل الحراري للتيار المعاكس. يمر الدم الشرياني البارد الغني بالأكسجين إلى سلسلة من الشرايين الدقيقة التي تنقل الدم إلى العضلات النشطة. تقع هذه الشرايين الرفيعة جنبًا إلى جنب مع الأوردة التي تستنزف تلك العضلات. لذلك عندما يمر الدم البارد إلى العضلات ، فإنه يلتقط الحرارة التي تولدها هذه العضلات ويمنعها من الضياع في المناطق المحيطة. بفضل هذا المبادل الحراري المعاكس ، يمكن لسمكة التونة التي تسبح في الشتاء أن تحافظ على عضلات السباحة النشطة أكثر دفئًا 14 درجة مئوية من المياه المحيطة بها. الصورة المجهرية الموجودة على اليسار عبارة عن مقطع عرضي من خلال المبادل الحراري. لاحظ الحشو الوثيق والمتوازي للشرايين (الجدران السميكة) والأوردة (الجدران الرقيقة).

تعمل مبادلات التيار المعاكس أيضًا في الكلى وهي مدمجة في تصميم الكلى الاصطناعية.

الجهاز الدوري مسؤول أيضًا عن تبريد الحيوان. إذا ارتفعت درجة حرارة الجسم "الأساسية" للحيوان بشكل كبير ، يزداد تدفق الدم إلى السطح والأطراف ، مما يسمح بإطلاق الحرارة إلى المناطق المحيطة. إذا كان هذا غير كافٍ ، يمكن للحيوان أن يتبخر الماء من الدم - على شكل عرق لتلك الحيوانات التي لديها غدد عرقية. يمتص تبخر 1 جرام من الماء حوالي 540 سعرة حرارية من الحرارة.

لا تستطيع معظم ماصات الحرارة أن تتحمل ارتفاع درجة حرارة الجسم لأكثر من 5 درجات مئوية أو نحو ذلك. الدماغ هو العضو الأكثر عرضة للتلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة. بعض الثدييات ، الكلاب على سبيل المثال ، لديها مبادل حراري معاكسة يقع بين الشرايين السباتية والأوعية التي توزع الدم إلى الدماغ. ينقل هذا المبادل الحراري بعض حرارة الدم الشرياني إلى الدم الوريدي البارد نسبيًا العائد من الأنف والفم. هذا يبرد الدم الشرياني قبل أن يصل إلى الدماغ.

يتم التحكم في تحويل تدفق الدم حسب الحاجة للحفاظ على الحرارة المنزلية عن طريق مستقبلات درجة الحرارة في منطقة ما تحت المهاد في الدماغ. تستجيب مجموعة واحدة من المستقبلات هنا للزيادات الصغيرة (0.01 درجة مئوية) في درجة حرارة الدم. عندما يتم تشغيلها ، يتم تشغيل جميع الأنشطة مثل تحويل الأوعية الدموية إلى الجلد والأطراف والتعرق الذي يبرد الجسم من خلاله. هذا المركز هو الذي يمكننا من الحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم (حرارة منزلية) خلال فترات المجهود الشديد أو في محيط حار.

تثير المنطقة الثانية من منطقة ما تحت المهاد استجابات الاحترار مثل تحويل الدم بعيدًا عن الجلد والأطراف والرعشة عندما يصبح الجسم باردًا. هو الوطاء الذي ينفذ حمى استجابة. في الواقع ، ما تحت المهاد هو ترموستات الجسم. يزيد إطلاق البروستاجلاندين أثناء الالتهاب من الإعداد ؛ وهذا هو ، تشغيل منظم الحرارة "لأعلى". إذا لم تكن درجة حرارة الجسم موجودة بعد ، يبدأ الجسم في الارتعاش بعنف - مما يسبب "قشعريرة" - لتوليد الحرارة اللازمة. والنتيجة هي الحمى عند الوصول إلى نقطة الضبط الجديدة.


معادلة الحمل والانتشار

ال معادلة الحمل والانتشار عبارة عن مزيج من معادلات الانتشار والحمل (التأفق) ، ويصف الظواهر الفيزيائية حيث يتم نقل الجسيمات أو الطاقة أو الكميات الفيزيائية الأخرى داخل نظام فيزيائي بسبب عمليتين: الانتشار والحمل الحراري. اعتمادًا على السياق ، يمكن تسمية نفس المعادلة بامتداد معادلة التأفق والانتشار, معادلة الانجراف ـ الانتشارأو [1] أو (عام) معادلة النقل العددي. [2]


النقل في الوسائط البيولوجية

النقل في الوسائط البيولوجية هو مورد قوي للنماذج الرياضية للباحثين عبر مجموعة واسعة من المشكلات العلمية والهندسية مثل تأثيرات توصيل الأدوية أو العلاج الكيميائي أو تناول الأنسولين لتفسير تجارب النقل في مجالات البحوث البيولوجية المتطورة. يتم تقديم مجموعة واسعة من المنهجيات الرياضية النظرية والتجريبية الناشئة بواسطة موضوع بيولوجي لمناشدة الباحثين الفرديين لمساعدتهم في حل المشكلات في مجال بحثهم المحدد. سيجد الباحثون في علم الأحياء والفيزياء الحيوية والرياضيات الحيوية والكيمياء والمهندسون والمجالات السريرية الخاصة بنمذجة النقل أن هذا المورد لا غنى عنه.

النقل في الوسائط البيولوجية هو مورد قوي للنماذج الرياضية للباحثين عبر مجموعة واسعة من المشكلات العلمية والهندسية مثل تأثيرات توصيل الأدوية أو العلاج الكيميائي أو تناول الأنسولين لتفسير تجارب النقل في مجالات البحوث البيولوجية المتطورة. يتم تقديم مجموعة واسعة من المنهجيات الرياضية النظرية والتجريبية الناشئة بواسطة موضوع بيولوجي لمناشدة الباحثين الفرديين لمساعدتهم في حل المشكلات في مجال بحثهم المحدد. سيجد الباحثون في علم الأحياء والفيزياء الحيوية والرياضيات الحيوية والكيمياء والمهندسون والمجالات السريرية الخاصة بنمذجة النقل أن هذا المورد لا غنى عنه.


نقل اللحاء: الآلية والعوامل المؤثرة | النباتات

تعتمد آلية النقل لمسافات طويلة عبر أنبوب الغربال بشكل سليم على التنظيم الداخلي لأنابيب الغربال ، والتي بدونها تظل مضاربة. يتكون نسيج اللحاء من عناصر الغربال والخلايا المصاحبة أو الخلايا الزلالية وحمة اللحاء وألياف اللحاء. من بينها ، عناصر الغربال والخلايا المصاحبة مهمة للنقل.

إن عناصر الغربال عبارة عن خلايا حية مطولة ، مفلطحة ، يتم من خلالها النقل فعليًا. وهي متصلة من طرف إلى طرف بألواح غربال مسامية بينهما ، وتشكل قنوات خلوية طويلة تسمى أنابيب الغربال. تحتوي الخلايا المصاحبة على سيتوبلازم كثيف مع فجوات صغيرة. الميتوكوندريا ، الدكتويات والشبكة الإندوبلازمية وفيرة. النواة واضحة المعالم.

تُظهر البنية التحتية لأنبوب الغربال الشبكة الإندوبلازمية الملساء المستمرة. الميتوكوندريا في الأنابيب الغربالية قادرة على إجراء التنفس الخلوي. في عناصر الغربال الناضجة توجد البلاستيدات مع نظام غشاء داخلي بدائي. تم الإبلاغ عن حزم الميكروفيلمنت في عناصر غربال ناضجة.

هناك عدة أنواع من البروتينات الليفية بقطر 7-24 نانومتر وتتفاوت الأوزان الجزيئية من 14000 إلى 150000.

يشار إلى هذه البروتينات باسم بروتينات P (بروتينات اللحاء). يتم سد مسام ألواح الغربال بهذه البروتينات P. لا يؤيد انسداد المسام فرضية تدفق الضغط. ومع ذلك ، تشير العديد من النظريات إلى أن البروتينات P تلعب دورًا نشطًا في ضخ المحلول عبر المسام.

لا يزال السؤال حول ما إذا كانت مسام لوحة الغربال مفتوحة أو مسدودة بواسطة بروتين P. الدراسات المجهرية الإلكترونية هي ملاحظات ما بعد الحيوية. تعتبر مراقبة أنابيب الغربال الحية التي تعمل أمرًا صعبًا للغاية بسبب هشاشتها. مع هذه الشكوك المتعلقة بالهيكل الداخلي ، لا يزال التفسير الفعلي لآلية النقل مفقودًا.

ومع ذلك ، فقد قدم المجربون نظريات مختلفة لشرح نقل التمثيل الضوئي في اللحاء وهي كالتالي:

(ط) التناضح الكهربائي:

تشير هذه الآلية إلى الحفاظ على الجهد الكهربائي عبر لوحة الغربال. يمارس الجهد الكهربائي قوة على المحلول حول المادة الخيطية المثبتة في المسام ، مما يتسبب في التدفق عبر الألواح.

يتم الحفاظ على الجهد الكهربائي في شكل دوران مستمر للأيونات عبر مسام الغربال والعودة من خلال الخلايا المصاحبة أو حتى من خلال جدران أنابيب الغربال (Spanner ، 1958) (الشكل 6. 11). لذلك ، وفقًا لهذه الآلية ، فإن ألواح الغربال هي أصل قوة الحركة وليست عائقًا.

يُعتقد أن أيونات البوتاسيوم يتم تحريكها عبر المسام وإعادة تدويرها مرة أخرى إلى نفس الجانب من الصفيحة بواسطة مضخة أيون البوتاسيوم التي يقودها ATP الموجودة في الغشاء. تم العثور على أيونات البوتاسيوم بتركيز مناسب في أنابيب الغربال.

تم افتراض أن الشحنات السالبة الثابتة على السدادة البروتينية متوازنة بواسطة أيونات البوتاسيوم المتنقلة ، والتي سيتم سحبها بواسطة فرق الجهد الكهربائي عبر لوحة الغربال ، مما يؤدي بدوره إلى سحب الماء والمواد المذابة الأخرى.

الاعتراض الرئيسي على هذه النظرية هو أنها لا تظهر نقل الأيونات لكل من الشحنات الموجبة والسالبة ولم يتم العثور على إمكانات الاستقطاب عبر ألواح الغربال. علاوة على ذلك ، تم العثور على كفاءة حركة الماء (عدد جزيئات الماء التي تتحرك لكل أيون) لتكون أعلى من تلك التي لوحظت أثناء التناضح الكهربائي في النظام غير الحي.

(2) تدفق البروتوبلازم:

اقترح De Vries في عام 1885 أن التدفق البروتوبلازمي كان مسؤولاً عن نقل السكر عبر اللحاء. وفقا له ، تم تداول البروتوبلازم حول محيط عناصر الغربال. وبالتالي ، مثل الحزام الناقل أو السلم المتحرك ثنائي الاتجاه ، فقد سهل الحركة ثنائية الاتجاه للمواقع العابرة من خلال نفس أنبوب الغربال.

في الآونة الأخيرة في الستينيات ، لاحظ ثاين خيوطًا بين الخلايا من البروتوبلازم تتحرك عبر مسام الغربال من عنصر غربال إلى آخر طول أنبوب الغربال بالكامل. وأشار إلى أن المضخة التمعجية والتيار المضاد كانا مسؤولين عن حركة المواضع العابرة.

هذا الضخ السيتوبلازمي في السلاسل الخلوية يمكن أن يفسر الانتقال ثنائي الاتجاه من خلال خيوط مختلفة داخل أنبوب غربال واحد. لكن الآلية غير قادرة على شرح السرعات و SMTs في النطاقات الأعلى ، ولم يتم العثور على خيوط مرتبطة بالغشاء.

ديمبسي وآخرون. (1975) وجد خيوطًا ذات حجم مناسب ولكنها غير محاطة بأغشية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معدلات التدفق القصوى التي لوحظت في الخلايا النباتية أقل من 1 مم دقيقة -1 لأبطأ من المعدلات النموذجية لنقل اللحاء (غالبًا 1 سم دقيقة -1 أو كحد أقصى).

(3) متغيرات البروتين المقلصة:

أبلغ Fensom and Peel عن وجود بروتينات ليفية تسمى بروتينات P والتي تتأرجح بطريقة تشبه السوط المتحرك. ووجدوا أيضًا أن جسيمات مرتبطة بالألياف الدقيقة تتحرك في حركة ارتداد تشبه الحركة البراونية ، ولكنها أسرع عدة مرات.

لقد زعموا أن هذه البروتينات P لعبت دورًا نشطًا في ضخ المحلول عبر المسام. تم تقديم العديد من هذه المقترحات التي تشير إلى توليد الحركة عن طريق الانقباض (نشاط يشبه الأكتين) لخيوط البروتين P.

لم يتم الكشف عن أي تفاعلات أكتين إيجابية ، مثل الارتباط مع الميروميوسين الثقيل. أظهر Sabins and Hart أن البروتينات P متغيرة للغاية في تكوينها وليست مقلصة بطبيعتها.

(4) التدفق المدفوع بالضغط:

فرضية تدفق الضغط أو التدفق الكتلي هي الفرضية الأكثر قبولًا على نطاق واسع في الوقت الحاضر ، على الرغم من وجود عدد من التحفظات. تم اقتراح الفرضية في شكلها الأولي من قبل العالم الألماني إي مونش في عام 1926.

تستند الفرضية على افتراض وجود تدرج لضغط الانزلاق بين المصدر والحوض. يتم نقل المواضع العابرة بشكل سلبي استجابةً لتدرج الضغط الناتج عن الانتشار التناضحي للماء في عناصر الغربال في نهاية المصدر وخارج عناصر الغربال في نهاية الحوض. يسمى هذا النوع من النقل بتدفق الضغط المتولد تناضحيًا (OGPF).

الفرضية بسيطة وتعتمد على نموذج يمكن صنعه في المختبر (الشكل 6.12).

يتم توصيل مقياسي تناضح A و B ، منفذين فقط للماء ، ببعضهما البعض بواسطة أنبوب. يحتوي Osmometer A على محلول أكثر تركيزًا من المحلول المحيط به ويحتوي مقياس التناضح B على محلول أقل تركيزًا من المحلول A ، ولكنه لا يزال أعلى من الوسط المحيط به. كلا الحلين المحيطين بهما قنوات مفتوحة.

نظرًا لأن مقياس التناضح A يحتوي على المزيد من المواد المذابة ، فإنه سيطور ضغطًا أعلى من التورم ينتقل عبر النظام عبر القناة المفتوحة ، مما يتسبب في تدفق كتلة سلبي من الماء والمواد المذابة من A إلى B. يخرج الماء من B متأثرًا بالضغط و يعاد توزيعها من خلال القناة المفتوحة. إذا كان من الممكن إضافة المواد المذابة إلى A وإزالتها من B باستمرار ، فسيستمر التدفق.

وفقًا لمونش ، يحتوي النبات الحي على نظام مشابه (الشكل 6.13). تشبه عناصر الغربال بالقرب من خلايا الميزوفيل A.

يتم تحميل عناصر الغربال في هذه المنطقة باستمرار بالسكريات بواسطة خلايا الميزوفيل ويظل التركيز مرتفعًا. في نهاية الحوض ، يتم الاحتفاظ دائمًا بتركيز السكر في عناصر الغربال منخفضًا حيث تصبح السكريات غير نشطة تناضحيًا من خلال التمثيل الغذائي أو يتم استخدامها في النمو أو تخزينها كنشا أو تحويلها إلى دهون.

القناة التي تربط بين المصدر والمغسلة هي اللحاء والمحاليل المخففة المحيطة هي تلك الموجودة في apoplast وذلك في نسيج الخشب. لذلك ، وفقًا لفرضية Munch & # 8217s ، يكون التدفق عبر أنابيب الغربال سلبيًا ، على الرغم من وجود دليل على تورط التمثيل الغذائي في التدفق السائب.

النقاط ذات الصلة بآلية تدفق الضغط هي كما يلي:

1. افترض مونش أن حركة الذائبة حدثت في اللحاء على طول تدرج ضغط التورم من المصدر إلى الغرق. لسنوات عديدة ، لا يمكن قياس الضغوط في اللحاء بشكل مباشر. غالبًا ما تم قياس التدرجات في الجهد التناضحي في أنابيب الغربال من المصدر إلى الحوض ، مع اكتشاف القيم الأكثر سلبية عند المصدر.

يُظهر القياس المباشر للضغط عن طريق ربط مقياس ضغط بالرصاص أو عن طريق تطبيق صفعة ضغط مماثلة لتلك المستخدمة في قياس ضغط الدم ، قيمة تصل إلى 2.4 ميجا باسكال. تي. قام هاميل (1968) بقياس الضغط عند نقطتين على جذع Quercus rubrum بواسطة إبرة دقيقة خاصة. حصل على القيم التي يتوقعها نموذج Munch & # 8217.

2. يدعم التحميل والتفريغ النشط للسكروز فرضية تدفق الضغط. تحميل اللحاء هو تعديل مناسب للغاية لنموذج Munch & # 8217s. لم يكن مونش على دراية بالتحميل النشط للحاء الذي ينتج إمكانات تناضحية سلبية للغاية في الخلايا المصاحبة ، مما يؤدي إلى دخول تناضحي للمياه وتدفق كميات كبيرة.

3. لا يبدو أن أنابيب الغربال نفسها متورطة في عمليات التحميل والتفريغ النشطة. تستهلك الخلايا المصاحبة المجاورة الطاقة اللازمة. وفقًا لفرضية Munch & # 8217s ، فإن تدفق النسغ عبر أنابيب الغربال هو ظاهرة سلبية ولا يتطلب طاقة على طول المسار للحفاظ على التدفق.

الآثار المثبطة لدرجة الحرارة المنخفضة أو نقص الأكسجين في بعض الحالات هي تأثيرات عابرة ، ويستمر نقل اللحاء بعد فترة ضبط معينة. يشير هذا إلى أن صيانة نظام نقل اللحاء للتدفق السائب لا يتطلب على ما يبدو سوى الحد الأدنى من الطاقة الأيضية. مطلوب لعمليات التحميل والتفريغ.

4. مسام صفيحة الغربال عبارة عن قنوات مفتوحة لأنها تفضل الآلية. تمكن Knoblauch و Van Bel ، باستخدام مجهر مسح ليزر متحد البؤر ، من تصور نقل السكريات إلى جانب اللحاء الأخضر & # 8211 صبغة الفلورسنت المتنقلة في عناصر الغربال الحية.

أظهرت ألواح الغربال تلطيخًا داخل المسام المبطنة بغشاء البلازما وأن المسام كانت مفتوحة وليست مسدودة. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن المسام في مناطق الغربال وألواح الغربال هي عبارة عن plasmodesmata معدلة.

5. لم يتم الكشف عن النقل ثنائي الاتجاه المتزامن في أنبوب غربال واحد. تم اكتشاف النقل في كلا الاتجاهين في عناصر غربال لحزم وعائية مختلفة في السيقان. يدعم النقل أحادي الاتجاه من خلال عنصر غربال فردي نموذج Munch & # 8217s.

(5) الاعتراضات على فرضية تدفق الضغط:

تقترح الفرضية أن المواد يجب أن تتحرك في نفس الاتجاه وبنفس السرعة. لقد وجد أن 14 C من السكريات تتحرك بسرعة أكبر ، و 32 P-phosphates تحركت بشكل أبطأ ، و 3 H ، 0 تحركت أبطأ على الإطلاق. يشرح أن الماء يتم تبادله بسرعة على طول المسار.

يخرج من خلال غشاء الأنبوب الغربالي إلى الأنسجة المحيطة ثم ينتشر مرة أخرى في أنبوب الغربال. بينما لا يتحرك السكروز والفوسفات بسهولة خلال الغشاء ، إلا أنهما قد يتحركان أسرع بكثير من جزيئات الماء.

هناك عدد من المواقف التي يبدو فيها أن الأنابيب الغربالية تحمل مادتين في اتجاهين متعاكسين في وقت واحد. أظهر تريب وجورهام بوضوح وجود 14 مستوعبات C و 3 H الجلوكوز التي تحركت من اتجاهين متعاكسين في أنبوب غربال واحد. في الأوردة الصغيرة للأوراق ، يبدو أن الحركة تسير في أي اتجاه أو في كلا الاتجاهين.

ومع ذلك ، يقترح العديد من العمال أن الحركة ثنائية الاتجاه تحدث في قنوات اللحاء المنفصلة ، وهو احتمال تحت نظام تدفق الضغط.

مرة أخرى ، توفر ألواح الغربال نفسها مقاومة كبيرة للتدفق السائب السلبي كما هو مفترض في نموذج Munch & # 8217s.

تشير بنية اللحاء الفائقة إلى أن المسام مسدودة جزئيًا أو كليًا ببروتينات P. لذلك ، على الرغم من أن هذه الاعتراضات تظل حاجزًا بدائيًا أمام القبول العالمي لفرضية تدفق الضغط ، فقد يتضح أن تدفق الضغط هو الآلية الأكثر احتمالية لانتقال اللحاء.

العوامل المؤثرة نقل اللحاء:

يتأثر نقل اللحاء بعدة عوامل مهمة وهي كالتالي:

تلعب درجة الحرارة دورًا مهمًا في الانتقال. يوجد نطاق أمثل لدرجة الحرارة لأقصى معدل إزفاء. لاحظ هيويت وكيرتس أن النطاق الأمثل لدرجة الحرارة للانتقال في نباتات الفول كان 20 درجة مئوية - 30 درجة مئوية.

تم العثور أيضًا على إزفاء غير قابل للرجوع عن طريق درجات حرارة أعلى من 50 درجة مئوية. وبالمثل ، تؤثر درجات الحرارة المنخفضة للغاية على معدل النقل. تمنع درجات الحرارة المنخفضة نقل اللحاء النشط عن طريق منع مشاركة الطاقة الأيضية.

هناك نوعان من النباتات حسب حساسية درجات الحرارة المنخفضة. بالنسبة لبعض النباتات مثل الخيار والطماطم ، تبلغ درجة حرارة التثبيط حوالي 10 درجات مئوية ويستمر التثبيط لفترة أطول. إنها نباتات حساسة للبرودة. مجموعة أخرى من النباتات مثل بنجر السكر والبطاطس وما إلى ذلك ، غير حساسة للتبريد. درجة الحرارة المنخفضة في هذه النباتات لها تأثير عابر.

يمكنهم استعادة سرعة النقل و SMT بعد 60 إلى 90 دقيقة. حتى عندما يتم الحفاظ على التبريد المحلي للعضو عند 0 درجة مئوية.

تزيد درجة الحرارة المنخفضة من لزوجة عصارة اللحاء مما يقلل السرعة ويغير هياكل الغشاء مما يؤدي إلى تشويش المحتويات ويسبب انسداد مسام الغربال. في النباتات غير الحساسة للتبريد ، من المحتمل أن يظل الغشاء دون تغيير.

ثبت أن بعض مثبطات التمثيل الغذائي مثل السيانيد والدينيتروفينول تمنع انتقال الكربوهيدرات ، مما يدعم استخدام طاقة الجهاز التنفسي في المساعدة على الحركة. السيانيد المطبق محليًا على اللحاء يمنع الانتقال عبر المنطقة المعالجة. لا تصل المثبطات إلى اللحاء في النباتات السليمة ولذلك لتطبيقها تتعرض الحزمة الوعائية جراحيًا.

من الصعب تقييم ما إذا كان للمثبط تأثيره على ظاهرة النقل أو على ظواهر التحميل والتفريغ. في كلتا الحالتين يتم منع الانتقال. ومع ذلك ، يتم تنظيم معدل الانتقال عن طريق التمثيل الغذائي للخلايا المصدر والمغسلة أكثر من استقلاب الخلايا الموصلة نفسها.

(3) نقص البوتاسيوم والبورون:

يوجد البوتاسيوم بكثرة في عصارة اللحاء. يؤثر نقص البوتاسيوم على نمو الثمار وأجهزة التخزين.

يزيد دوران البوتاسيوم حول صفيحة الغربال من انتقال السكر في أنابيب الغربال. يُنشئ دوران البوتاسيوم فرقًا محتملًا عبر ألواح الغربال التي تفضل في الواقع انتقال السكر. لكن لا يوجد قبول عام لهذا التفسير. يُعتقد الآن أن أيونات K + تشارك في التحميل في الأوردة الصغيرة في الأوراق.

البورون ضروري أيضًا لنقل السكر. لا يوجد تفسير كافٍ لوظيفة البورون في نقل السكر. ومع ذلك ، اقترح Gauch and Dugger أن مجمعات البورون مع السكروز لتشكيل مركب بورات السكر والذي قد يمر عبر الأغشية السالبة الشحنة بسهولة أكبر من جزيئات السكر المحايدة.

في المناطق النامية بنشاط ، توجد الهرمونات النباتية المعززة للنمو بكميات كبيرة. تعمل المناطق النامية بنشاط كأحواض أقوى وبالتالي تجذب معظم العناصر الغذائية من مناطق المصدر. تحفز هرمونات النمو النمو في هذه المناطق.

لذلك ، يُقترح أن هرمونات النمو لها تأثير قوي على إزاحة اللحاء. لكن هذا التأثير غير مباشر. من الصعب للغاية التمييز بين التأثيرات الهرمونية على الإزاحة والتأثيرات الهرمونية على التمثيل الغذائي لأنسجة الحوض لجذب المواقع العابرة.

يمكن القول أن انتقال اللحاء يكون جزئيًا على الأقل تحت سيطرة الهرمونات النباتية مثل السيتوكينين وحمض الإندول 3-أسيتيك (IAA) وحمض الجبريليك (GA).

بالطبع ، في النباتات السليمة لا يوجد دليل على أن المستويات الذاتية للهرمونات في الأنسجة المختلفة لها أي علاقة بإزاحة اللحاء. وهي تؤثر على تجزئة الاستيعاب من خلال التحكم في نمو الحوض ، وشيخوخة الأوراق ، والعمليات التنموية الأخرى.


ناقلات السكر في النباتات: رؤى واكتشافات جديدة

تقسيم الكربوهيدرات هو عملية امتصاص الكربون وتوزيعه من أنسجة المصدر ، مثل الأوراق ، إلى أنسجة الحوض ، مثل السيقان والجذور والبذور. يتم تحميل السكروز ، وهو الكربوهيدرات الأولية المنقولة لمسافات طويلة في العديد من الأنواع النباتية ، في اللحاء وتفريغها في أنسجة الحوض البعيدة. ومع ذلك ، فإن العديد من العوامل ، الوراثية والبيئية ، تؤثر على استقلاب السكروز ونقله. لذلك ، فإن فهم وظيفة وتنظيم ناقلات السكر وأنزيمات استقلاب السكروز أمر أساسي لتحسين الزراعة. في هذه المراجعة ، نسلط الضوء على النتائج الحديثة التي (1) تتناول مسار تحميل اللحاء للسكروز في الأرز وأوراق الذرة (2) مناقشة مسارات تفريغ اللحاء في السيقان والجذور وناقلات السكر المفترضة المشاركة (3) وصف كيفية الحرارة و يؤثر الإجهاد الناتج عن الجفاف على تقسيم الكربوهيدرات ونقل اللحاء (4) إلقاء الضوء على كيفية اختطاف مسببات الأمراض النباتية لناقلات السكر للحصول على الكربوهيدرات من أجل بقاء العوامل الممرضة ، وكيف يستخدم النبات ناقلات السكر للدفاع ضد مسببات الأمراض و (5) مناقشة الأدوار الجديدة لناقلات السكر في النبات مادة الاحياء. توفر هذه الاكتشافات والأفكار المثيرة معرفة قيمة ستساعد في نهاية المطاف على التخفيف من التحديات المجتمعية الوشيكة بسبب تغير المناخ العالمي وتزايد عدد السكان من خلال تحسين إنتاجية المحاصيل وتعزيز إنتاج الطاقة المتجددة.

الكلمات الدالة: الحلويات اللحاء SUTs تحمل الإجهاد السكروز ناقلات السكر.


نقل الحرارة

لدى العديد من الحيوانات (بما في ذلك البشر) طريقة أخرى للحفاظ على الحرارة. تعمل شرايين أذرعنا وأرجلنا بالتوازي مع مجموعة من الأوردة العميقة. عندما يمر الدم الدافئ عبر الشرايين ، يتخلى الدم عن بعض حرارته إلى الدم البارد العائد من الأطراف في هذه الأوردة.

هذه الآلية تسمى مبادل حراري معاكسة للتيار. عندما لا يكون فقدان الحرارة مشكلة ، فإن معظم الدم الوريدي من الأطراف يعود عبر الأوردة الموجودة بالقرب من السطح.

يمكن أن تعمل المبادلات الحرارية ذات التيار المعاكس بكفاءة ملحوظة. يمكن لطيور البحر الحفاظ على درجة حرارة طبيعية في جذعها أثناء الوقوف بأقدامها غير المحمية في الماء المتجمد.

عندما تفكر في أن دم الأسماك يمر فوق الخياشيم التي تغمرها المياه المحيطة ، فمن السهل أن ترى لماذا الأسماك "ذوات الدم البارد". ومع ذلك ، فإن بعض الأسماك البحرية (على سبيل المثال ، التونة) هي متوسطة الحرارة و [مدش] قادرة على إبقاء عضلات السباحة الأكثر نشاطًا أكثر دفئًا من البحر باستخدام مبادل حراري معاكسة للتيار.

تُظهر هذه الصورة الموجودة على اليمين (مقدمة من E.D. Stevens ، قسم علم الحيوان ، جامعة جيلف ، أونتاريو) مقطعًا عرضيًا من خلال سمكة تونة القفز. يتم الحفاظ على العضلات المظلمة على جانبي العمود الفقري عند درجة حرارة أعلى من بقية الأسماك بفضل المبادل الحراري للتيار المعاكس.

يمر الدم الشرياني البارد الغني بالأكسجين إلى سلسلة من الشرايين الدقيقة التي تنقل الدم إلى العضلات النشطة. تقع هذه الشرايين الدقيقة جنبًا إلى جنب مع الأوردة التي تستنزف تلك العضلات. لذلك عندما يمر الدم البارد إلى العضلات ، فإنه يلتقط الحرارة التي تولدها هذه العضلات ويمنعها من الضياع في المناطق المحيطة.

بفضل هذا المبادل الحراري المعاكس ، يمكن لسباحة التونة في الشتاء أن تحافظ على عضلات السباحة النشطة 14 درجة مئوية أكثر دفئًا من المياه المحيطة.

الصورة المجهرية الموجودة على اليسار (مقدمة أيضًا من الدكتور ستيفنز) عبارة عن مقطع عرضي عبر المبادل الحراري. لاحظ الحشو الوثيق المتوازي للشرايين (الجدران السميكة) والأوردة (الجدران الرقيقة).

تعمل مبادلات التيار المعاكس أيضًا في الكلى وهي مدمجة في تصميم الكلى الاصطناعية.

الجهاز الدوري مسؤول أيضًا عن تبريد الحيوان. إذا ارتفعت درجة حرارة الجسم "الأساسية" للحيوان بشكل كبير ، فإن تدفق الدم إلى السطح والأطراف يزداد مما يسمح بإطلاق الحرارة إلى المناطق المحيطة. إذا كان هذا غير كاف ، يمكن للحيوان أن يتبخر الماء من الدم و [مدش] في شكل عرق لتلك الحيوانات مع الغدد العرقية. يمتص تبخر 1 جرام من الماء حوالي 540 سعرة حرارية من الحرارة.

لا يمكن أن تتحمل معظم ماصات الحرارة ارتفاعًا في درجة حرارة الجسم لأكثر من 5 درجة مئوية أو نحو ذلك. الدماغ هو العضو الأكثر عرضة للتلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة. بعض الثدييات ، الكلاب على سبيل المثال ، لديها مبادل حراري معاكسة يقع بين الشرايين السباتية والأوعية التي توزع الدم إلى الدماغ. ينقل هذا المبادل الحراري بعض حرارة الدم الشرياني إلى الدم الوريدي البارد نسبيًا العائد من الأنف والفم. هذا يبرد الدم الشرياني قبل أن يصل إلى الدماغ.

تثير المنطقة الثانية من منطقة ما تحت المهاد استجابات الاحترار:

هو الوطاء الذي ينفذ حمى استجابة. في الواقع ، ما تحت المهاد هو ترموستات الجسم. يؤدي إطلاق البروستاجلاندين أثناء الالتهاب إلى زيادة الإعداد ، أي رفع درجة الحرارة. إذا كانت درجة حرارة الجسم ليست هناك بعد ، يبدأ الجسم في الارتعاش بعنف و [مدش] يسبب "قشعريرة" و [مدش] لتوليد الحرارة اللازمة. والنتيجة هي الحمى عند الوصول إلى نقطة الضبط الجديدة.


محتويات

يمكن تصنيف الغرويات على النحو التالي:

متوسطة / المرحلة المرحلة متفرقة
غاز سائل صلب
تشتت
واسطة
غاز لا توجد مثل هذه الغرويات معروفة.
من المعروف أن الهيليوم والزينون غير قابلين للامتزاج في ظل ظروف معينة. [9] [10]
الهباء السائل
أمثلة: الضباب ، السحب ، التكثيف ، الضباب ، بخاخات الشعر
الهباء الجوي الصلب
أمثلة: الدخان ، السحابة الجليدية ، الجسيمات الجوية
سائل رغوة
مثال: كريمة مخفوقة ، كريم حلاقة
مستحلب أو بلور سائل
أمثلة: الحليب ، والمايونيز ، وكريم اليد ، واللاتكس ، والأغشية البيولوجية ، والمكثفات الجزيئية الحيوية السائلة
سول أو التعليق
أمثلة: الحبر المصطبغ ، الرواسب ، الرواسب ، المكثفات الجزيئية الحيوية الصلبة
صلب رغوة صلبة
أمثلة: الهلام الهوائي ، الستايروفوم ، الخفاف
جل
أمثلة: أجار ، جيلاتين ، جيلي ، مكثف جزيئي حيوي شبيه بالهلام
سول الصلبة
مثال: زجاج التوت البري

يمكن استدعاء المخاليط المتجانسة ذات الطور المشتت في نطاق الحجم هذا الهباء الجوي الغروي, مستحلبات غروانية, الرغاوي الغروية, تشتت الغروانية، أو الهيدروسولات.

يحتوي الغرواني على مرحلة مشتتة ومرحلة مستمرة ، بينما في المحلول ، يشكل المذاب والمذيب مرحلة واحدة فقط. المذاب في المحلول عبارة عن جزيئات أو أيونات فردية ، بينما الجسيمات الغروية أكبر. على سبيل المثال ، في محلول ملح في الماء ، يذوب بلورة كلوريد الصوديوم (NaCl) ، وتحيط جزيئات الماء كلوريد الصوديوم والكلوريد. ومع ذلك ، في مادة غروانية مثل الحليب ، تكون الجزيئات الغروية عبارة عن كريات من الدهون ، وليست جزيئات دهنية فردية.

تلعب القوى التالية دورًا مهمًا في تفاعل الجسيمات الغروانية: [11] [12]

    : يشير هذا إلى استحالة أي تداخل بين الجسيمات الصلبة. غالبًا ما تحمل الجسيمات الغروية شحنة كهربائية وبالتالي تجذب أو تتنافر. تعتبر شحنة كل من المرحلة المستمرة والمشتتة ، وكذلك تنقل المراحل من العوامل التي تؤثر على هذا التفاعل. : This is due to interaction between two dipoles that are either permanent or induced. Even if the particles do not have a permanent dipole, fluctuations of the electron density gives rise to a temporary dipole in a particle. This temporary dipole induces a dipole in particles nearby. The temporary dipole and the induced dipoles are then attracted to each other. This is known as van der Waals force, and is always present (unless the refractive indexes of the dispersed and continuous phases are matched), is short-range, and is attractive. between polymer-covered surfaces or in solutions containing non-adsorbing polymer can modulate interparticle forces, producing an additional steric repulsive force (which is predominantly entropic in origin) or an attractive depletion force between them.

The Earth’s gravitational field acts upon colloidal particles. Therefore, if the colloidal particles are denser than the medium of suspension, they will sediment (fall to the bottom), or if they are less dense, they will cream (float to the top). Larger particles also have a greater tendency to sediment because they have smaller Brownian motion to counteract this movement.

The sedimentation or creaming velocity is found by equating the Stokes drag force with the gravitational force:

The mass of the colloidal particle is found using:

By rearranging, the sedimentation or creaming velocity is:

There is an upper size-limit for the diameter of colloidal particles because particles larger than 1 μm tend to sediment, and thus the substance would no longer be considered a colloidal suspension. [13]

The colloidal particles are said to be in sedimentation equilibrium if the rate of sedimentation is equal to the rate of movement from Brownian motion.

There are two principal ways to prepare colloids: [14]

  • Dispersion of large particles or droplets to the colloidal dimensions by milling, spraying, or application of shear (e.g., shaking, mixing, or high shear mixing).
  • Condensation of small dissolved molecules into larger colloidal particles by precipitation, condensation, or redox reactions. Such processes are used in the preparation of colloidal silica or gold.

Stabilization Edit

The stability of a colloidal system is defined by particles remaining suspended in solution and depends on the interaction forces between the particles. These include electrostatic interactions and van der Waals forces, because they both contribute to the overall free energy of the system. [15]

A colloid is stable if the interaction energy due to attractive forces between the colloidal particles is less than kT, where k is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature. If this is the case, then the colloidal particles will repel or only weakly attract each other, and the substance will remain a suspension.

If the interaction energy is greater than kT, the attractive forces will prevail, and the colloidal particles will begin to clump together. This process is referred to generally as aggregation, but is also referred to as flocculation, coagulation or precipitation. [16] While these terms are often used interchangeably, for some definitions they have slightly different meanings. For example, coagulation can be used to describe irreversible, permanent aggregation where the forces holding the particles together are stronger than any external forces caused by stirring or mixing. Flocculation can be used to describe reversible aggregation involving weaker attractive forces, and the aggregate is usually called a floc. The term precipitation is normally reserved for describing a phase change from a colloid dispersion to a solid (precipitate) when it is subjected to a perturbation. [13] Aggregation causes sedimentation or creaming, therefore the colloid is unstable: if either of these processes occur the colloid will no longer be a suspension.

Electrostatic stabilization and steric stabilization are the two main mechanisms for stabilization against aggregation.

  • Electrostatic stabilization is based on the mutual repulsion of like electrical charges. The charge of colloidal particles is structured in an electrical double layer, where the particles are charged on the surface, but then attract counterions (ions of opposite charge) which surround the particle. The electrostatic repulsion between suspended colloidal particles is most readily quantified in terms of the zeta potential. The combined effect of van der Waals attraction and electrostatic repulsion on aggregation is described quantatively by the DLVO theory. [17] A common method of stabilising a colloid (converting it from a precipitate) is peptization, a process where it is shaken with an electrolyte.
  • Steric stabilization consists absorbing a layer of a polymer or surfactant on the particles to prevent them from getting close in the range of attractive forces. [13] The polymer consists of chains that are attached to the particle surface, and the part of the chain that extends out is soluble in the suspension medium. [18] This technique is used to stabilize colloidal particles in all types of solvents, including organic solvents. [19]

A combination of the two mechanisms is also possible (electrosteric stabilization).

A method called gel network stabilization represents the principal way to produce colloids stable to both aggregation and sedimentation. The method consists in adding to the colloidal suspension a polymer able to form a gel network. Particle settling is hindered by the stiffness of the polymeric matrix where particles are trapped, [20] and the long polymeric chains can provide a steric or electrosteric stabilization to dispersed particles. Examples of such substances are xanthan and guar gum.

Destabilization Edit

Destabilization can be accomplished by different methods:

  • Removal of the electrostatic barrier that prevents aggregation of the particles. This can be accomplished by the addition of salt to a suspension to reduce the Debye screening length (the width of the electrical double layer) of the particles. It is also accomplished by changing the pH of a suspension to effectively neutralise the surface charge of the particles in suspension. [1] This removes the repulsive forces that keep colloidal particles separate and allows for aggregation due to van der Waals forces. Minor changes in pH can manifest in significant alteration to the zeta potential. When the magnitude of the zeta potential lies below a certain threshold, typically around ± 5mV, rapid coagulation or aggregation tends to occur. [21]
  • Addition of a charged polymer flocculant. Polymer flocculants can bridge individual colloidal particles by attractive electrostatic interactions. For example, negatively charged colloidal silica or clay particles can be flocculated by the addition of a positively charged polymer.
  • Addition of non-adsorbed polymers called depletants that cause aggregation due to entropic effects.

Unstable colloidal suspensions of low-volume fraction form clustered liquid suspensions, wherein individual clusters of particles sediment if they are more dense than the suspension medium, or cream if they are less dense. However, colloidal suspensions of higher-volume fraction form colloidal gels with viscoelastic properties. Viscoelastic colloidal gels, such as bentonite and toothpaste, flow like liquids under shear, but maintain their shape when shear is removed. It is for this reason that toothpaste can be squeezed from a toothpaste tube, but stays on the toothbrush after it is applied.

Monitoring stability Edit

The most widely used technique to monitor the dispersion state of a product, and to identify and quantify destabilization phenomena, is multiple light scattering coupled with vertical scanning. [22] [23] [24] [25] This method, known as turbidimetry, is based on measuring the fraction of light that, after being sent through the sample, it backscattered by the colloidal particles. The backscattering intensity is directly proportional to the average particle size and volume fraction of the dispersed phase. Therefore, local changes in concentration caused by sedimentation or creaming, and clumping together of particles caused by aggregation, are detected and monitored. [26] These phenomena are associated with unstable colloids.

Dynamic light scattering can be used to detect the size of a colloidal particle by measuring how fast they diffuse. This method involves directing laser light towards a colloid. The scattered light will form an interference pattern, and the fluctuation in light intensity in this pattern is caused by the Brownian motion of the particles. If the apparent size of the particles increases due to them clumping together via aggregation, it will result in slower Brownian motion. This technique can confirm that aggregation has occurred if the apparent particle size is determined to be beyond the typical size range for colloidal particles. [15]

Accelerating methods for shelf life prediction Edit

The kinetic process of destabilisation can be rather long (up to several months or even years for some products) and it is often required for the formulator to use further accelerating methods in order to reach reasonable development time for new product design. Thermal methods are the most commonly used and consists in increasing temperature to accelerate destabilisation (below critical temperatures of phase inversion or chemical degradation). Temperature affects not only the viscosity, but also interfacial tension in the case of non-ionic surfactants or more generally interactions forces inside the system. Storing a dispersion at high temperatures enables to simulate real life conditions for a product (e.g. tube of sunscreen cream in a car in the summer), but also to accelerate destabilisation processes up to 200 times. Mechanical acceleration including vibration, centrifugation and agitation are sometimes used. They subject the product to different forces that pushes the particles / droplets against one another, hence helping in the film drainage. However, some emulsions would never coalesce in normal gravity, while they do under artificial gravity. [27] Moreover, segregation of different populations of particles have been highlighted when using centrifugation and vibration. [28]

In physics, colloids are an interesting model system for atoms. [29] Micrometre-scale colloidal particles are large enough to be observed by optical techniques such as confocal microscopy. Many of the forces that govern the structure and behavior of matter, such as excluded volume interactions or electrostatic forces, govern the structure and behavior of colloidal suspensions. For example, the same techniques used to model ideal gases can be applied to model the behavior of a hard sphere colloidal suspension. In addition, phase transitions in colloidal suspensions can be studied in real time using optical techniques, [30] and are analogous to phase transitions in liquids. In many interesting cases optical fluidity is used to control colloid suspensions. [30] [31]

A colloidal crystal is a highly ordered array of particles that can be formed over a very long range (typically on the order of a few millimeters to one centimeter) and that appear analogous to their atomic or molecular counterparts. [32] One of the finest natural examples of this ordering phenomenon can be found in precious opal, in which brilliant regions of pure spectral color result from close-packed domains of amorphous colloidal spheres of silicon dioxide (or silica, SiO2). [33] [34] These spherical particles precipitate in highly siliceous pools in Australia and elsewhere, and form these highly ordered arrays after years of sedimentation and compression under hydrostatic and gravitational forces. The periodic arrays of submicrometre spherical particles provide similar arrays of interstitial voids, which act as a natural diffraction grating for visible light waves, particularly when the interstitial spacing is of the same order of magnitude as the incident lightwave. [35] [36]

Thus, it has been known for many years that, due to repulsive Coulombic interactions, electrically charged macromolecules in an aqueous environment can exhibit long-range crystal-like correlations with interparticle separation distances, often being considerably greater than the individual particle diameter. In all of these cases in nature, the same brilliant iridescence (or play of colors) can be attributed to the diffraction and constructive interference of visible lightwaves that satisfy Bragg’s law, in a matter analogous to the scattering of X-rays in crystalline solids.

The large number of experiments exploring the physics and chemistry of these so-called "colloidal crystals" has emerged as a result of the relatively simple methods that have evolved in the last 20 years for preparing synthetic monodisperse colloids (both polymer and mineral) and, through various mechanisms, implementing and preserving their long-range order formation. [37]

Colloidal phase separation is an important organising principle for compartmentalisation of both the cytoplasm and nucleus of cells into biomolecular condensates, similar in importance to compartmentalisation via lipid bilayer membranes - a type of liquid crystal. The term biomolecular condensate has been used to refer to clusters of macromolecules that arise via liquid-liquid or liquid-solid phase separation within cells. Macromolecular crowding strongly enhances colloidal phase separation and formation of biomolecular condensates.

Colloidal particles can also serve as transport vector [38] of diverse contaminants in the surface water (sea water, lakes, rivers, fresh water bodies) and in underground water circulating in fissured rocks [39] (e.g. limestone, sandstone, granite). Radionuclides and heavy metals easily sorb onto colloids suspended in water. Various types of colloids are recognised: inorganic colloids (e.g. clay particles, silicates, iron oxy-hydroxides), organic colloids (humic and fulvic substances). When heavy metals or radionuclides form their own pure colloids, the term "eigencolloid" is used to designate pure phases, i.e., pure Tc(OH)4, U(OH)4, or Am(OH)3. Colloids have been suspected for the long-range transport of plutonium on the Nevada Nuclear Test Site. They have been the subject of detailed studies for many years. However, the mobility of inorganic colloids is very low in compacted bentonites and in deep clay formations [40] because of the process of ultrafiltration occurring in dense clay membrane. [41] The question is less clear for small organic colloids often mixed in porewater with truly dissolved organic molecules. [42]

In soil science, the colloidal fraction in soils consists of tiny clay and humus particles that are less than 1μm in diameter and carry either positive and/or negative electrostatic charges that vary depending on the chemical conditions of the soil sample, i.e. soil pH. [43]

Colloid solutions used in intravenous therapy belong to a major group of volume expanders, and can be used for intravenous fluid replacement. Colloids preserve a high colloid osmotic pressure in the blood, [44] and therefore, they should theoretically preferentially increase the intravascular volume, whereas other types of volume expanders called crystalloids also increase the interstitial volume and intracellular volume. However, there is still controversy to the actual difference in efficacy by this difference, [44] and much of the research related to this use of colloids is based on fraudulent research by Joachim Boldt. [45] Another difference is that crystalloids generally are much cheaper than colloids. [44]


Multiphysics Cyclopedia

The subject of transport phenomena describes the transport of momentum, energy, and mass in the form of mathematical relations [1] . The basis for these descriptions is found in the laws for conservation of momentum, energy, and mass in combination with the constitutive relations that describe the fluxes of the conserved quantities [2] . The most accurate way to express these conservation laws and constitutive relations in continuum mechanics is to use differential equations [3] .

Solving the equations that describe transport phenomena and interpreting the results is an efficient way to understand the systems being studied. This methodology is successfully used for studying fluid flow, heat transfer, and chemical species transport in many fields, including:

  • Engineering sciences
  • مادة الاحياء
  • كيمياء
  • Environmental sciences
  • جيولوجيا
  • Material science
  • طب
  • Meteorology
  • Physics

Momentum, Energy, and Mass Transport Analogies

The conservation laws for the different transported quantities (momentum, energy, and mass) can be derived from simple principles. Take, for example, a quantity Φ that is conserved in a system where its flux is given by a vector j = (jx, jذ, jض). A balance of the quantity Φ may be obtained by looking at each small volume element with dimensions Δx، Δذو Δض, where the flux, j, is given in quantity per unit area and unit time. The production or consumption term, صس, is given in quantity per unit volume and unit time.

Based on the figure above, the equations for the balance of the quantity are as follows:

In order to follow the conservation laws, this balance equation has to be satisfied in every tiny volume element in a continuum (a fluid or solid, for example) in the studied system. This partial differential equation – “partial” since it is expressed as a change along one independent variable at a time (x, y, z, و ر are independent variables) – is able to describe the conservation laws of momentum, energy, and mass in modeling and simulations of transport phenomena.

For the conservation of momentum, the conserved quantity is a vector, while the flux term is expressed in a tensor form including the so-called stress tensor. Combining the conservation of momentum, the constitutive equations for the flux of momentum, and the conservation of mass for an incompressible Newtonian fluid yields the Navier-Stokes equations. These equations are the basis for the modeling of fluid flow (CFD) and their solutions describe the velocity and pressure field in a moving fluid. If the conserved quantity is energy, the heat transfer equation in the system can be derived from the conservation equation above.

Finally, let us look at mass transport. Assume that we want to study the composition of a fluid where transport and reactions are present. We can then define and solve the conservation equations for the mass of each species in the fluid. The concentration جأنا of each species أنا is the conserved quantity and its flux is denoted by نأنا.. Using the conservation equation above gives us the following equation for each species:

في هذه المعادلة ، دأنا denotes the diffusion coefficient of species أنا in the solution.

Diffusion in water surrounding a zebra fish embryo and diffusion and reaction of oxygen in the fish embryo's body (reproduced from [4] ). Note the high concentration of oxygen in the yolk, where there is hardly any metabolism taking place, only energy storage. Also, insects "breathe" by diffusion. Diffusion-reaction processes are widely used to describe biological systems.

Diffusion in water surrounding a zebra fish embryo and diffusion and reaction of oxygen in the fish embryo's body (reproduced from [4] ). Note the high concentration of oxygen in the yolk, where there is hardly any metabolism taking place, only energy storage. Also, insects "breathe" by diffusion. Diffusion-reaction processes are widely used to describe biological systems.

If there is advection, which means that there is a net transport of the whole solution, then we get the transport equation often used in reacting systems where fluid flow is present:

في هذه المعادلة ، ش denotes the velocity vector. If there is an electric field ه applied on the solution and ions are present, then we obtain the Nernst-Planck equations used in electrochemical systems:

في هذه المعادلة ، ضأنا denotes the valence of species أنا و شأنا denotes the mobility of speciesأنا. The mobility is directly related to diffusivity through the Nernst-Einstein relation. The third term in the flux vector is called the migration term.

The analogy in the conservation of transported quantities is also present in the constitutive relations for the fluxes. For example, transport properties derived from molecular properties yield the viscous term in momentum transport, which is given by Newton's law for fluids the conduction term in heat transfer, given by Fourier's law for heat transfer and the diffusion term in mass transport, given by Fick's law for diffusion. The linear relation of the migration term to the electric field parallels Ohm's law, which arises from the transport properties of electrons in metals.

In gases, the transport properties for viscosity, thermal conductivity, and diffusivity are derived from collisions, Brownian motion, and molecular interactions. In liquids, the theory is less general, but still relates molecular momentum, energy, and mass transport properties for a given fluid.

In conclusion, the principle of defining the model equations is straightforward. It is a matter of defining the conservation laws and the relations for how flux can be provoked. It is by solving these equations for a given system over and over again under different conditions, and then studying the results, that we get an understanding of the transport phenomena in the system.

Published: January 14, 2015
Last modified: March 22, 2018


Heat-shock proteins

Heat-shock proteins (HSPs), or stress proteins, are highly conserved and present in all organisms and in all cells of all organisms. Selected HSPs, also known as chaperones, play crucial roles in folding/unfolding of proteins, assembly of multiprotein complexes, transport/sorting of proteins into correct subcellular compartments, cell-cycle control and signaling, and protection of cells against stress/apoptosis. More recently, HSPs have been implicated in antigen presentation with the role of chaperoning and transferring antigenic peptides to the class I and class II molecules of the major histocompatibility complexes. In addition, extracellular HSPs can stimulate professional antigen-presenting cells of the immune system, such as macrophages and dendritic cells. HSPs constitute a large family of proteins that are often classified based on their molecular weight: hsp10, hsp40, hsp60, hsp70, hsp90, etc. This unit contains a table that lists common HSPs and summarizes their characteristics including (a) name, (b) subcellular localization, (c) known function, (d) chromosome assignment, (e) brief comments, and (f) references.


After studying this section you should be able to:

Oxygen is absorbed in the lungs from fresh air which has been breathed in. Red blood cells (erythrocytes) contain the rotein haemoglobin which can reversibly combine with oxygen. In the lungs, where the concentration of oxygen is high, haemoglobin will take up oxygen and form oxyhaemoglobin. In the tissues where the oxygen concentration is low, the oxyhaemoglobin will dissociate and release the oxygen. This is shown by the graph below which is called the oxygen dissociation curve.

Note that the list outlines just some of the functions of plasmatransported substances. There are many more!


شاهد الفيديو: من المسؤولة عن تنظيم درجة حرارة الجسم (أغسطس 2022).