主要内容
渗透和张力
渗透和张力。低渗，等渗和高渗的溶液以及它们对细胞的影响。
介绍
你有没有几天忘记给植物浇水，然后发现曾经挺拔的植物变枯萎了吗？如果有，那想必你已经知道水平衡对植物十分重要。植物枯萎是由于细胞中的水流到了细胞外，使通常支撑植物的细胞内压（即膨压）降低了。
水为什么会流出细胞？这是因为细胞外含水量随着植物失水而降低，但细胞外的离子与其他粒子数量不变。这些 溶质（溶解的物质）浓度的增加使水流出细胞，留到细胞外的空间。这一过程被称为渗透。
严谨来说，渗透作用 是指水通过半透膜从低浓度区域流向高浓度区域的净运动。这也许一开始听起来很奇怪，因为我们通常研究溶质的扩散，而不关心水本身的运动。然而，渗透在许多生物过程中十分重要，并且它通常与溶质扩散同时发生。在这里，我们将深入探究渗透的原理和其在维持细胞水平衡中的作用。
工作原理
为什么水从溶质浓度较低的区域流向浓度较高的区域？
这个问题其实十分复杂。要回答这个问题，我们先回顾一下扩散的过程。在扩散中，分子从高浓度处转移到低浓度处并非由于它们对环境有所感知，而是一个简单的概率事件。一个物质在液态或气态时，分子在持续地随机运动，相互发生碰撞或擦肩而过。如果A区域有很多分子，而B区域完全没有，一个分子很少——其实不可能——会从B自由运动到A。另一方面，分子极有可能从A运动到B。你可以想象成许多分子的碰撞使一些分子从A跨越到B。所以分子净运动的方向是从A到B，直到两区域浓度相等。
在渗透作用中，你可以想像水分子被一层膜分成两部分。若两侧都没有任何溶质，那么水分子会在两部分间自由流动，两方向概率相同。但如果向一边加入溶质，这将影响水分子向另一边运动的概率——具体来说，这会使概率减少。
为什么呢？有两种不同的解释。大致上更受科学支持的一种是溶质会撞上膜并弹回，妨碍水分子接近，使它们更难通过
不论真正的机制是什么，关键在于溶液含有的溶质越多，水分子便越难通过膜到达另一边。这导致水的净运动是从低浓度处到高浓度处。
上图中的烧杯展示了这个过程，水的净运动是从左侧流向右侧，直到两侧溶质浓度近乎于平衡。需要注意的是在这里两侧浓度不会完全相等，因为右侧水位上涨施加的静水压会与渗透压对抗，使得水流在浓度仍有差距时达到平衡。
张力
胞外溶液通过渗透作用使水进出细胞的能力叫做张力。溶液的张力与摩尔渗透压浓度有关，即溶液里所有溶质的总浓度。摩尔渗透压浓度低的溶液每升含有的溶质较少，渗透压浓度高则相反。当把不同渗透压浓度的溶液用一层透水但不透溶质的膜隔开时，水将会从低渗透压浓度处流向高渗透压浓度处。
三个术语——低渗，等渗，高渗——被用于描述细胞与胞外溶液的摩尔渗透压浓度差别。
注意：当我们使用这些术语时，我们只考虑无法穿过膜的溶质。
- 如果胞外溶液的摩尔渗透压浓度比胞内液体的低得多，那么该溶液被称作 低渗 （hypotonic，hypo 表示低于）。水的净运动方向为进入细胞。
- 相反，如果胞外溶液的摩尔渗透压浓度比胞内液体高得多，那么该溶液被称作 高渗（hypertonic，hyper 表示高于）。水会流出细胞，即向高浓度处流去。
- 在 等渗 （isotonic，iso 表示相同）溶液中，胞外液体的摩尔渗透压浓度与细胞内的相同，所以不会发生水的净运动。
低渗，等渗，高渗都是相对的。它们描述了溶液与溶液之间摩尔渗透压浓度的对比。例如，胞内溶液摩尔渗透压浓度更高，细胞内相对外界便是 高渗的 ，而外界相对细胞内则是 低渗的 。
生物系统中的溶液张力
如果一个细胞被置于高渗溶液中，水将离开细胞，而细胞会缩小。在等渗环境中，溶质和水的相对浓度在膜两侧相等。因为没有水的净运动发生，所以细胞大小没有变化。当细胞被置于一个低渗环境中，水将进入细胞，细胞将会膨胀。
以血红细胞为例，等渗是理想条件，而且你的身体具有稳态（homeostatic，保持稳定）系统，以确保这些条件保持不变。如果置于低渗的溶液中，血红细胞就会膨胀，并且有可能会破裂。而高渗溶液会使细胞萎缩——使细胞质密度增加，造成细胞组成部分浓缩——并可能会导致细胞死亡。
然而，对于一个植物细胞，低渗的胞外溶液却是理想条件。细胞膜只能扩大到细胞壁的限度，所以细胞不会破裂，或裂解（lyse）。事实上，植物中的细胞质通常与胞外环境相比是高渗的，水会不断进入细胞，直到其内部压力——即 膨压——阻止水的流入。
保持这种水和溶质的平衡对植物的健康非常重要。如果你没有给植物浇水，胞外液体会变得高渗或等渗，导致水离开植物细胞。这将减少细胞的膨压，导致了你可能看到的枯萎现象。在高渗环境下，细胞膜实际上可能会脱离细胞壁并压缩细胞质，这种状态被称为 质壁分离（下图左侧）。
溶液张力关系到所有生物，特别是那些缺乏坚硬的细胞壁却生活在高渗或低渗环境中的生物，例如下图中的草履虫，还有阿米巴变形虫。它们是没有细胞壁的原生生物，有些具有被称为收缩泡的特殊结构。收缩泡从细胞收集多余水分并将其泵出，使在低渗环境下的细胞不会因为吸水过度而破裂。