高張液と低張液: 違いと用途

科学では、溶液中の溶質粒子の濃度を説明するときに「高張」および「低張」という用語がよく使用されます。しかし、高張溶液と低張溶液の違いは正確には何でしょうか?

細胞生物学、生理学、さらには医療に関連する最も基本的な概念を理解したい場合は、これらの用語にある程度の知識が必要です。

高張溶液と低張溶液が細胞や生物にどのような影響を与えるか、また日常生活におけるそれらの重要性など、両方の用語の詳細については、以下をお読みください。

高張液と低張液とは何ですか?

溶液は物質の混合物であり、ある物質 (溶質) が別の物質 (溶媒) に溶けています。これらの溶質粒子の濃度によって、溶液を高張と呼ぶことができるか低張と呼ぶことができるかが決まります。

高張溶液は、別の溶液または基準点と比較した場合、溶質濃度が高くなります。基本的に、高張溶液では、溶質粒子が多くなり、水分子が少なくなります。

比較すると、別の溶液または基準点と比較すると、低張溶液の溶質濃度は低くなります。言い換えれば、低張溶液では溶質粒子が少なく、水分子が多くなります。

なぜその違いが注目に値するのでしょうか?溶質濃度は、人間や他の生物の生物学的および生理学的プロセスにおいて重要な役割を果たします。たとえば、細胞膜を通過する水や溶質の動きに影響を与えます。

この重要性のため、科学者はさまざまな種類の溶質濃度を説明するための用語を開発しました。

3 高張溶液と低張溶液の例

高張性および低張性のソリューションは単なる理論上の概念ではありません。次のシナリオなど、日常生活の中で両方の状況に遭遇する可能性があります。

1. 静脈内 (IV) 溶液の場合

医療専門家が作ったものなので、体の自然な体液と互換性があります。

浮腫（腫れ）を軽減するために、過剰な水分を血流から細胞内に排出するために高張性点滴溶液が使用される場合があります。一方で、医師は体内の体液の総量を増やすために低張性点滴液を投与する場合があります。

2. イン・ユア・ブラッド

体中に酸素を運ぶ赤血球は、高張溶液と低張溶液が細胞にどのような影響を与えるかの典型的な例です。

赤血球が高張溶液に遭遇すると、水が細胞から出て赤血球が縮小し、酸素を運ぶ効率が低下します。これにより、血圧が低下し、血球が運ぶことができる酸素の量が減少する可能性があります。

対照的に、赤血球が低張溶液に遭遇すると、水が細胞に入り込み、赤血球が膨張して破裂する可能性があります。これにより、赤血球がいわゆる破裂する可能性があり、明らかに有害な結果となります。

3. 植物内で

植物細胞は、高張溶液および低張溶液に対しても応答を示します。ここでは、細胞膜を取り囲む堅い植物細胞壁が重要な役割を果たします。

高張溶液では、水が植物の細胞から移動し、細胞膜が細胞壁から剥がれます。この現象は原形質溶解として知られ、植物細胞の膨張圧の低下（萎凋を引き起こす）を引き起こす可能性があります。

低張溶液では、水が植物細胞内に移動して細胞が膨張し、これは植物の健康と成長にとって絶対に不可欠なものです。

高張液 vs. 低張液 vs. 等張液

高張溶液は溶質濃度が高いため、水が細胞の外に移動し、細胞の収縮を引き起こす可能性があります。一方、低張溶液は溶質濃度が低いため、水が細胞内に移動し、細胞が膨張したり破裂したりする可能性があります。

等張溶液と呼ばれる 3 番目のタイプの溶液もあります。等張溶液では、溶質の濃度は参照溶液と同じであるため、水の正味の移動は生じません。

等張ソリューションは、体の体液レベルのバランスを維持するのに役立ちます。たとえば、医療では、塩化ナトリウム ( 食塩) を水に溶かした溶液がよく使用されます。

生理食塩水は体液に対して等張性であり、血液と同様の濃度の溶質を含んでいます。これにより、細胞との互換性が得られます。適合しない場合は、代わりに高張または低張の溶液となり、生理学的に悪影響を及ぼします。

高張溶液が細胞に与える影響

高張溶液が細胞にどのような影響を与えるかをよりよく理解するには、2 つの容器を隔てる半透膜 (特定の分子を通過させ、他の分子を遮断する膜) があると想像してください。

1 つの容器には溶質濃度の高い高張溶液が入っており、もう 1 つの容器には溶質濃度の低い、おそらく純水が入っています。

半透膜がこれら 2 つの溶液を分離すると、高張溶液がそれに浸透圧を及ぼします。これは、低溶質濃度側からの水分子が膜を通って高張溶液に移動し、より高い溶質濃度を薄めようとすることを意味します。

この水分子の動きを浸透といいます。浸透中、高張溶液中で水が細胞の外に移動し、細胞が収縮します。これが体内で起こると、筋肉の機能や細胞全体の健康に影響を与える可能性があります。

低張溶液が細胞に与える影響

ここで、溶質濃度の低い低張溶液が入った容器があり、もう 1 つの容器には溶質濃度が高い、おそらく塩溶液が入っていると考えてください。

半透膜がこれら 2 つの溶液を分離すると、低張溶液は反対方向に浸透圧を及ぼします。これを「逆浸透」と呼びます。

言い換えれば、低張溶液では水が細胞内に移動します。それらは水分を獲得し、膨張したり、破裂したりすることがあります。これは膨圧の増加につながる可能性があります。たとえば、膨圧圧が高い植物は直立するか、さらには硬くなりますが、膨圧圧が低い植物は垂れ下がります。

浸透の例

浸透は受動的なプロセスです。発生するのにエネルギーは必要ありません。代わりに、濃度勾配、つまり 2 つの領域間の溶質濃度の差に依存して、水分子の動きを一方向または別の方向に動かします。

浸透は細胞内で発生しますが、日常の他の多くの状況でも浸透が働いているのを観察することができます。

たとえば、レーズンを水に浸すと、浸透圧によってレーズンが水を吸収して膨らみます。別の例は、塩と浸透圧を利用して食品から水分を取り除き、食品を保存し、悪玉菌の増殖を阻止する酸洗いのプロセスです。

3 等張液の実際の応用

生物学では、溶質と溶媒の濃度のバランスが細胞や生物の生存に役立つため、平衡を維持することが非常に重要です。したがって、細胞膜を横切る水の正味の移動がないことを保証する等張溶液は、平衡を維持する上で重要な役割を果たします。

仕事でそれらが見られるいくつかの状況を次に示します。