Osmosis en las plantas y en los animales

LA ÓSMOSIS EN LAS PLANTAS Y LOS ANIMALES

LA CÉLULA es un sistema abierto que intercambia materia con su medio, sumergido en un baño que a su vez está constituido por una solución acuosa de iones, albúmina, glicerol, etcétera.
Cuando se trata de un organismo animal, en el interior de sus células se encuentra el citoplasma que es una solución acuosa viscosa cuyos solutos (proteínas solubles, azúcares, aminoácidos y iones) producen efectos osmóticos. La célula también está constituida por un núcleo y organelos como ribosomas y mitocondrias.
La importancia de la descripción osmótica de la célula radica en que este mecanismo describe el intercambio de solvente de la célula con el baño en que se encuentra sumergido. El intercambio de solutos ha llevado a considerar un proceso de diferente naturaleza a los termodinámicos, denominado "transporte activo". Además, por la presencia de iones como parte de los solutos, el fenómeno osmótico se ve modificado por el efecto Donnan, que se ha incorporado a la teoría termodinámica de los procesos de transporte, gracias a que tal efecto está representado por potenciales, cuya formulación electrostática modifica el potencial químico, y por lo mismo es capaz de contrarrestar los efectos de presiones y concentraciones. Por consiguiente, el equilibrio puramente mecánico se altera por la presencia de un potencial electrostático, al grado que es posible el equilibrio entre dos soluciones a iguales presiones y con diferente concentración de iones.
La aplicación de los conceptos termodinámicos a la membrana celular pone de manifiesto una dificultad conceptual que se origina en la aplicación de conceptos macroscópicos a nivel de la escala celular.
La membrana celular es una frontera con un espesor de alrededor de cien Angstroms. En esta dimensión no es posible definir una temperatura o una presión, debido a que los procesos involucran un pequeño número de moléculas. No se puede hablar ni siquiera de mil moléculas en una porción de la membrana; mientras que los procesos hidrodinámicos reportan más de mil billones de moléculas.
No obstante esta dificultad, no es de extrañar los casos en que los conceptos macroscópicos siguen utilizándose en una escala de pocas moléculas, por ejemplo, la hidrodinámica de capilares sigue siendo válida en la descripción de datos experimentales en radios del orden de unas cuantas docenas de moléculas.1
Los conceptos termodinámicos a la escala de la membrana celular cobran vigencia debido a la evidencia experimental.
El efecto osmótico en las células se verifica directamente por el fenómeno llamado "plasmólisis". Esto ocurre cuando una célula viva se introduce en un vaso con agua destilada. A consecuencia de que el líquido celular consta de una solución acuosa a cuyos solutos disueltos se les impide fluir al exterior, producen una tensión de absorción tal, que ocurre un flujo osmótico a través de la membrana celular, y el agua fluye al interior de la célula; ésta se hincha lentamente hasta llegar el momento en que estalla, dispersando su contenido celular en el agua destilada.
En cambio, si una célula viva, en lugar de ser introducida en agua destilada, se introduce en una solución que posee un valor de presión osmótica mayor a la dada por el plasma celular (solución hipotónica), la célula disminuye de tamaño, adquiriendo aspecto de mórula por el paso del solvente intracelular al exterior. Si la solución en la que se coloca la célula no provoca ningún cambio por el flujo osmótico, ya sea interior o exterior a la célula, se le llama solución isotónica. Esta última solución nos da una medida de la "fuerza" con que la célula enlaza sus moléculas de agua y su determinación representa un método empleado por De Vries y Donders (1886); éste consistía en colocar una célula viva, sucesivamente, en soluciones: acuosas que contenían concentraciones crecientes de un soluto cualquiera, hasta alcanzar ese punto crítico en que la célula ya no puede mantener sus moléculas de agua y las cede a la solución de mayor presión osmótica y se deshidrata.
Durante este proceso se considera a la célula como un sistema termodinámico; pero esta asociación ha surgido por circunstancias históricas y se establece por tradición. Esto ha sido justificado, ya que el concepto de la ósmosis misma aparece primero en relación a los procesos de intercambio de la célula y luego toma el lenguaje termodinámico; pero queda sobreentendido que tal formalismo se acepta porque describe al fenómeno observado por los fisiólogos, sin comprometerse a simplificar la realidad o en inferir limitaciones a la naturaleza.
Esto se pone de manifiesto cuando se hace notar que la teoría termodinámica del intercambio celular representa un modelo simplificado de la naturaleza; es decir, de un modelo simple donde se describe el fenómeno osmótico en membranas rígidas, lo que a su vez es compatible con estados estacionarios donde no se aprecian cambios de volumen dentro del sistema. En general, esto no es cierto, pues las células modifican su volumen de acuerdo a las características del medio circundante. En efecto, los trabajos de Ponder en 1933 establece las relaciones semiempíricas que describen el volumen de una célula, dependiendo de la diferencia de las presiones osmóticas externas e internas de la célula.
Ponder observa los mecanismos de regulación osmótica de una célula animal. Los cambios de volumen de una célula se correlacionan con los cambios en la concentración del citoplasma. Así, dicha concentración se hace mayor cuando la célula está en equilibrio, representado por un baño con una solución concentrada. Asimismo, la concentración del citoplasma disminuye cuando el baño está representado por una solución diluida. Respecto a los cambios de volumen en las células de las plantas, se destacan mecanismos diferentes de regulación a las que ocurren en las células animales. Parece ser que las membranas de las células de los vegetales resisten mecánicamente las presiones osmóticas de una solución hipertónica, restringiendo el flujo de agua hacia el interior de la célula. Este comportamiento hace que la pared de la célula vegetal se distienda, ejerciendo una presión suficientemente grande para balancear la diferencia de las presiones osmóticas de la solución externa e interna. A la presión ejercida por la membrana celular sobre la solución interna de la célula se le llama "presión de Turgor". Este fenómeno ocurre porque la membrana celular en realidad es poco elástica y el incremento del volumen celular, debido a la entrada de un poco de agua, produce un incremento apreciable en la presión de Turgor.
La carencia de una teoría que incorpore en la descripción termodinámica estos casos, no significa una falla de fondo de los fundamentos de la termodinámica, sino de la necesidad de una nueva formulación respecto a las membranas biológicas, consideradas como paredes elásticas con permeabilidades y área efectiva dependientes del tiempo.
Por otra parte, hay que distinguir claramente entre la escala de la célula y la escala macroscópica donde se presentan mecanismos de cooperación entre un extenso número de células, originando funciones reguladoras internas de organismos biológicos de mayor tamaño como los animales y las plantas.
En estos casos, la utilización de conceptos termodinámicos en la biología cobran pleno sentido. En el siguiente capítulo sobre irrigación se considerará el caso en que los efectos de la presión osmótica se observan a escala en un árbol.
En la escala macroscópica también se distingue a los organismos biológicos como sistemas termodinámicos sujetos a la acción de un medio ambiente. A este respecto se ha hecho algunos progresos desde el punto de vista termodinámico. En efecto, los procesos de intercambio de trabajo, materia y energía del sistema con el medio ambiente, están sujetos a un principio de máxima eficiencia. Este principio fue propuesto por Prigogine y Wiame en 1946 y está basado en el teorema de la termodinámica de no equilibrio para estados estacionarios de mínima producción de entropía. Lo más interesante de esta descripción es verificar que los organismos biológicos no operan alrededor del estado de equilibrio, sino que ejecutan óptimamente sus funciones de intercambio alrededor de una situación estacionaria. Otra característica también interesante de esta aplicación, es que tales condiciones son estables respecto a perturbaciones exteriores o internas. Estas dos características están asociadas a la evolución de adaptación de un organismo con su medio ambiente.
De nueva cuenta se observa que el formalismo termodinámico tiene una falla al describir el fenómeno biológico. Esto se debe a que el teorema de mínima producción de entropía tiene su validez para una situación muy cercana al estado de equilibrio total, mientras que los sistemas biológicos operan muy alejados de esta situación.
Los intentos de extender la validez de este teorema a estados lejanos del equilibrio han sido infructuosos hasta la fecha.