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15.3G: Wärmetransport - Biologie

15.3G: Wärmetransport - Biologie


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Neben seiner Rolle beim Stofftransport ist das Kreislaufsystem für die Wärmeverteilung im Körper verantwortlich. Das gilt für beides

  • endotherme, Tiere – Vögel und Säugetiere – die erzeugen im Inneren die Wärme, die benötigt wird, um ihre Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Vögel und Säugetiere sind "warmblütig" oder homöothermisch, ihre Körpertemperatur in engen Grenzen zu halten, unabhängig von der Umgebungstemperatur.
  • Mesothermen, Tiere, die intern Wärme erzeugen, aber keine feste Körpertemperatur aufrechterhalten. Thunfisch, einige Haie und der Echidna sind Mesothermen.
  • Ektothermen, Tiere – die anderen Wirbeltiere und die Wirbellosen – die ihre Wärme von ihrer Umgebung sichern (z. B. indem sie sich in der Sonne sonnen). Ektothermen sind "kaltblütig" oder poikilothermisch.

Die Hauptwärmequelle für Endotherme ist der Stoffwechsel ihrer inneren Organe. Mehr als zwei Drittel der bei einem ruhenden Menschen erzeugten Wärme werden von den Organen der Brust- und Bauchhöhle und dem Gehirn erzeugt (das 16% der Gesamtwärme ausmacht – ungefähr so ​​viel wie alle unsere Skelettmuskeln im Ruhezustand). Es gibt verschiedene Maßnahmen, die ein endothermes Tier ergreifen kann, wenn es anfängt, Wärme schneller an seine Umgebung abzugeben, als es Wärme erzeugen kann (d. h. es beginnt zu erkälten). Es kann die Stoffwechselrate seines Gewebes erhöhen. Viele kleine Säugetiere und menschliche Säuglinge tun dies, wenn ihre Umgebung kälter wird, aber es ist immer noch ungewiss, ob erwachsene Menschen dies können. Die Stoffwechselsteigerung mit einhergehender Wärmeabgabe erfolgt im braunen Fettgewebe. Es kann auch seine körperliche Aktivität steigern. Im Ruhezustand trägt die Muskulatur nur zu einem geringen Teil (ca. 16 %) zur Körperwärme bei. Bei starkem Training kann diese stark ansteigen. In Abwesenheit einer willkürlichen Muskelaktion wird der gleiche Effekt erreicht durch Zittern. Je größer das Oberflächen-Volumen-Verhältnis eines Körperteils ist, desto schneller kann Wärme an seine Umgebung abgegeben werden. Deshalb bemerken Sie zuerst Kälte an Ihren Händen und Füßen. Der Wärmeverlust der Extremitäten kann durch eine verminderte Durchblutung stark reduziert werden. Bei extremer Kälte kann beispielsweise die Blutversorgung der Finger auf etwa 1 % des Normalwertes absinken.

Gegenstromwärmetauscher

Viele Tiere (einschließlich Menschen) haben eine andere Möglichkeit, Wärme zu speichern. Die Arterien unserer Arme und Beine verlaufen parallel zu einer Reihe tiefer Venen. Wenn warmes Blut durch die Arterien fließt, gibt das Blut einen Teil seiner Wärme an das kältere Blut ab, das von den Extremitäten in diesen Venen zurückkehrt. Ein solcher Mechanismus heißt a Gegenstromwärmetauscher. Wenn der Wärmeverlust kein Problem darstellt, fließt das meiste venöse Blut aus den Extremitäten durch oberflächennahe Venen zurück.

Gegenstromwärmetauscher können mit bemerkenswerter Effizienz arbeiten. Eine Möwe kann eine normale Körpertemperatur aufrechterhalten, während sie mit ihren ungeschützten Füßen im eiskalten Wasser steht. Wenn man bedenkt, dass das Blut der Fische über die Kiemen fließt, die im umgebenden Wasser gebadet werden, ist leicht zu erkennen, warum Fische "kaltblütig" sind. Nichtsdestotrotz sind einige Meeresfische (z. B. der Thunfisch) Mesothermen – sie können ihre aktivsten Schwimmmuskeln mit einem Gegenstromwärmetauscher wärmer als das Meer halten.

Das obige Foto rechts zeigt einen Querschnitt durch einen Bonito. Der dunkle Muskel auf beiden Seiten der Wirbelsäule wird dank seines Gegenstromwärmetauschers auf einer höheren Temperatur gehalten als der Rest des Fisches. Das kalte, sauerstoffreiche arterielle Blut gelangt in eine Reihe von feinen Arterien, die das Blut in die aktiven Muskeln transportieren. Diese feinen Arterien liegen Seite an Seite mit Venen, die diese Muskeln entwässern. Wenn das kalte Blut in die Muskeln gelangt, nimmt es die von diesen Muskeln erzeugte Wärme auf und verhindert, dass sie an die Umgebung verloren geht. Dank dieses Gegenstromwärmetauschers kann ein im Winter schwimmender Thunfisch seine aktive Schwimmmuskulatur um 14°C wärmer als das umgebende Wasser halten. Die mikroskopische Aufnahme links zeigt einen Querschnitt durch den Wärmetauscher. Beachten Sie die enge, parallele Packung der Arterien (dicke Wände) und Venen (dünne Wände).

Gegenstromtauscher arbeiten auch in der Niere und werden in das Design von künstlichen Nieren eingebaut.

Das Kreislaufsystem ist auch für die Kühlung eines Tieres verantwortlich. Wenn die Körperkerntemperatur des Tieres zu hoch wird, wird die Durchblutung der Oberfläche und der Extremitäten erhöht, wodurch die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Wenn dies nicht ausreicht, kann das Tier Wasser aus dem Blut verdunsten – in Form von Schweiß bei Tieren mit Schweißdrüsen. Die Verdunstung von 1 Gramm Wasser absorbiert etwa 540 Kalorien Wärme.

Die meisten Endothermen können einen Anstieg der Körpertemperatur um mehr als 5 °C nicht tolerieren. Das Gehirn ist das Organ, das am anfälligsten für Schäden durch hohe Temperaturen ist. Einige Säugetiere, zum Beispiel Hunde, haben einen Gegenstrom-Wärmetauscher, der sich zwischen den Halsschlagadern und den Gefäßen befindet, die das Blut zum Gehirn verteilen. Dieser Wärmetauscher überträgt einen Teil der Wärme des arteriellen Blutes auf das relativ kühle venöse Blut, das aus Nase und Mund zurückströmt. Dies kühlt ihr arterielles Blut, bevor es das Gehirn erreicht.

Die zur Aufrechterhaltung der Homöothermie erforderliche Verschiebung des Blutflusses wird durch Temperaturrezeptoren im Hypothalamus des Gehirns gesteuert. Ein Satz von Rezeptoren reagiert hier auf kleine (0,01°C) Temperaturerhöhungen des Blutes. Beim Auslösen werden alle Aktivitäten wie das Shunten von Blutgefäßen zu Haut und Extremitäten und Schwitzen, durch die sich der Körper abkühlt, ins Spiel gebracht. Es ist dieses Zentrum, das es uns ermöglicht, in Zeiten extremer Anstrengung oder in heißen Umgebungen eine konstante Körpertemperatur (Homöothermie) aufrechtzuerhalten.

Eine zweite Region des Hypothalamus löst Erwärmungsreaktionen aus, wie das Ableiten von Blut von der Haut und den Extremitäten und Zittern, wenn der Körper auskühlt. Es ist der Hypothalamus, der die Fieber Antwort. Tatsächlich ist der Hypothalamus der Thermostat des Körpers. Die Freisetzung von Prostaglandinen bei Entzündungen erhöht die Einstellung; das heißt, dreht den Thermostat "auf". Wenn die Körpertemperatur noch nicht erreicht ist, beginnt der Körper heftig zu zittern - was zu "Schüttelfrost" führt - um die benötigte Wärme zu erzeugen. Die Folge ist Fieber, wenn der neue Sollwert erreicht wird.


Konvektions-Diffusions-Gleichung

Die Konvektions-Diffusions-Gleichung ist eine Kombination der Diffusions- und Konvektionsgleichungen (Advektionsgleichungen) und beschreibt physikalische Phänomene, bei denen Teilchen, Energie oder andere physikalische Größen innerhalb eines physikalischen Systems aufgrund von zwei Prozessen übertragen werden: Diffusion und Konvektion. Je nach Kontext kann dieselbe Gleichung als bezeichnet werden Advektions-Diffusions-Gleichung, Drift-Diffusions-Gleichung, [1] oder (generische) skalare Transportgleichung. [2]


Transport in biologischen Medien

Transport in biologischen Medien ist eine solide Quelle mathematischer Modelle für Forscher in einem breiten Spektrum wissenschaftlicher und technischer Probleme, wie z. Ein breites Spektrum aufkommender theoretischer und experimenteller mathematischer Methoden wird von biologischen Themen angeboten, um einzelne Forscher anzusprechen, um sie bei der Lösung von Problemen in ihrem spezifischen Forschungsgebiet zu unterstützen. Forscher in Biologie, Biophysik, Biomathematik, Chemie, Ingenieuren und klinischen Fachgebieten, die speziell auf die Verkehrsmodellierung ausgerichtet sind, werden diese Ressource unentbehrlich finden.

Transport in biologischen Medien ist eine solide Quelle mathematischer Modelle für Forscher in einem breiten Spektrum wissenschaftlicher und technischer Probleme wie die Auswirkungen von Medikamentenabgabe, Chemotherapie oder Insulinaufnahme, um Transportexperimente in Bereichen der biologischen Spitzenforschung zu interpretieren. Ein breites Spektrum aufkommender theoretischer und experimenteller mathematischer Methoden wird von biologischen Themen angeboten, um einzelne Forscher anzusprechen, um sie bei der Lösung von Problemen in ihrem spezifischen Forschungsgebiet zu unterstützen. Forscher in Biologie, Biophysik, Biomathematik, Chemie, Ingenieuren und klinischen Fachgebieten, die sich speziell auf die Verkehrsmodellierung beziehen, werden diese Ressource unentbehrlich finden.


Phloem-Transport: Mechanismus und Faktoren, die |Pflanzen beeinflussen

Der Mechanismus des Langstreckentransports durch das Siebrohr basiert auf der inneren Organisation von Siebrohren, ohne die er spekulativ bleibt. Phloemgewebe besteht aus den Siebelementen, Begleitzellen oder Eiweißzellen, Phloemparenchym und Phloemfasern. Von ihnen sind die Siebelemente und Begleitzellen für den Transport wichtig.

Die Siebelemente sind kernlose, längliche lebende Zellen, durch die eigentlich der Transport stattfindet. Sie sind Ende an Ende mit porösen Siebplatten dazwischen verbunden und bilden lange zelluläre Kanäle, die Siebrohre genannt werden. Die Begleitzellen haben ein dichtes Zytoplasma mit kleinen Vakuolen. Mitochondrien, Diktoysomen und endoplasmatisches Retikulum sind reichlich vorhanden. Der Kern ist gut definiert.

Die Ultrastruktur des Siebrohrs zeigt ein durchgehend glattes endoplasmatisches Retikulum. Mitochondrien in den Siebröhren sind in der Lage, die Zellatmung durchzuführen. In ausgereiften Siebelementen sind Plastiden mit einem rudimentären inneren Membransystem vorhanden. In ausgereiften Siebelementen wurde über Mikrofilamentbündel berichtet.

Es gibt verschiedene Arten von fibrillären Proteinen mit einem Durchmesser von 7-24 nm und die Molekulargewichte variieren von 14.000 bis 150.000.

Diese Proteine ​​werden als P-Proteine ​​(Phloemproteine) bezeichnet. Mit diesen P-Proteinen werden die Poren der Siebböden verstopft. Der Verschluss von Poren begünstigt nicht die Druckflusshypothese. Viele Theorien legen jedoch nahe, dass P-Proteine ​​eine aktive Rolle beim Pumpen von Lösung durch die Poren spielen.

Ob die Poren des Siebbodens offen oder durch P-Protein verschlossen sind, ist noch fraglich. Elektronenmikroskopische Untersuchungen sind postvitale Beobachtungen. Die Beobachtung von lebenden, funktionierenden Siebröhren ist wegen ihrer Zerbrechlichkeit äußerst schwierig. Bei diesen Unsicherheiten der inneren Struktur fehlt es noch an einer tatsächlichen Erklärung des Transportmechanismus.

Die Experimentatoren haben jedoch verschiedene Theorien vorgelegt, um den Transport von Photosynthesen im Phloem zu erklären, die wie folgt lauten:

(i) Elektroosmose:

Dieser Mechanismus legt nahe, dass über die Siebplatte ein elektrisches Potenzial aufrechterhalten wird. Das elektrische Potential übt eine Kraft auf die Lösung um das fadenförmige Material herum aus, das in den Poren fixiert ist, und bewirkt so ein Fließen durch die Platten.

Die elektrische Potentialität wird in Form einer kontinuierlichen Ionenzirkulation durch die Siebporen und zurück durch Begleitzellen oder sogar durch Wände der Siebrohre aufrechterhalten (Spanner, 1958) (Abb. 6.11). Nach diesem Mechanismus sind die Siebplatten also der Ursprung der Kraft für die Bewegung und kein Hindernis.

Es wird angenommen, dass K + -Ionen durch die Poren bewegt und durch eine in der Membran vorhandene ATP-getriebene Kaliumionenpumpe wieder zur gleichen Seite der Platte zurückgepumpt werden. Kaliumionen wurden in ausreichender Konzentration in Siebröhren gefunden.

Es wurde angenommen, dass die fixierten negativen Ladungen auf dem proteinhaltigen Pfropfen durch bewegliche Kaliumionen ausgeglichen werden, die durch eine elektrische Potenzialdifferenz über die Siebplatte gezogen werden und ihrerseits Wasser und andere gelöste Stoffe mitziehen.

Der Haupteinwand gegen diese Theorie besteht darin, dass sie keinen Transport von Ionen sowohl positiver als auch negativer Ladungen zeigt und polarisierte Potentiale über die Siebplatten nicht gefunden wurden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Effizienz der Wasserbewegung (die Anzahl der pro Ion bewegten Wassermoleküle) höher ist als die, die während der Elektroosmose in einem nicht lebenden System beobachtet wird.

(ii) Protoplasmatisches Streaming:

De Vries schlug 1885 vor, dass das Protoplasma-Streaming für den Transport von Zucker durch das Phloem verantwortlich ist. Ihm zufolge zirkulierte Protoplasma um die Peripherie der Siebelemente. Somit erleichterte es wie ein Förderband oder eine Zwei-Wege-Rolltreppe die bidirektionale Bewegung von Trans-Locations durch dasselbe Siebrohr.

In jüngerer Zeit in den 1960er Jahren beobachtete Thaine, wie sich interzelluläre Protoplasmastränge durch die Siebporen von einem Siebelement zum nächsten über die gesamte Länge eines Siebrohrs bewegten. Er schlug vor, dass peristaltische Pumpe und Gegenstrom für die Bewegung der Translokationen verantwortlich sind.

Dieses zytoplasmatische Pumpen in transzellulären Strängen kann die bidirektionale Translokation durch verschiedene Stränge innerhalb eines einzelnen Siebröhrchens erklären. Der Mechanismus ist jedoch nicht in der Lage, die Geschwindigkeiten und SMTs in den höheren Bereichen zu erklären, und die membrangebundenen Stränge wurden nicht gefunden.

Dempseyet al. (1975) fanden jedoch Stränge geeigneter Größe, die jedoch nicht von Membranen umgeben waren. Darüber hinaus sind die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten, die in Pflanzenzellen beobachtet werden, kleiner als 1 mm min -1 und damit langsamer als die für den Phloemtransport typischen Geschwindigkeiten (oft 1 cm min -1 oder max).

(iii) Kontraktile Proteinvarianten:

Fensom und Peel berichteten über das Vorhandensein von fibrillären Proteinen, die als P-Proteine ​​bezeichnet werden und in einer Art und Weise oszillierten, die an sich bewegende Flagellen erinnerten. Sie fanden auch Partikel, die an den Mikrofibrillen befestigt waren und sich in einer hüpfenden Bewegung bewegten, die der Brownschen Bewegung ähnelte, jedoch um ein Vielfaches schneller.

Sie behaupteten, dass diese P-Proteine ​​eine aktive Rolle beim Pumpen von Lösung durch die Poren spielten. Es wurden verschiedene derartige Vorschläge gemacht, die die Erzeugung von Bewegung durch die Kontraktilität (aktinähnliche Aktivität) von P-Protein-Filamenten nahelegen.

Es wurden keine positiven Aktinreaktionen, wie die Bindung mit schwerem Meromyosin, nachgewiesen. Sabins und Hart zeigten, dass die P-Proteine ​​in ihrer Zusammensetzung sehr variabel und nicht kontraktil sind.

(iv) Druckgetriebener Fluss:

Die Druckfluss- oder Massenfluss-Hypothese ist derzeit die am weitesten verbreitete Hypothese, obwohl es eine Reihe von Vorbehalten gibt. Die Hypothese wurde 1926 in ihrer elementaren Form von einem deutschen Wissenschaftler, E. Munch, aufgestellt.

Die Hypothese beruht auf der Annahme, dass zwischen Quelle und Senke ein Turgor-Druck-Gradient existiert. Translokationen werden passiv als Reaktion auf den Druckgradienten durchgeführt, der durch die osmotische Diffusion von Wasser in die Siebelemente am Quellenende und aus den Siebelementen am Senkenende verursacht wird. Diese Art der Translokation wird als osmotisch erzeugter Druckfluss (OGPF) bezeichnet.

Die Hypothese ist einfach und basiert auf einem Labormodell (Abb. 6.12).

Zwei nur für Wasser durchlässige Osmometer A und B sind mit einem Schlauch miteinander verbunden. Osmometer A enthält eine Lösung, die konzentrierter ist als die umgebende Lösung und Osmometer B enthält eine Lösung, die weniger konzentriert ist als die in A, aber immer noch höher als das umgebende Medium. Beide Umgebungslösungen haben offene Kanäle.

Da das Osmometer A mehr gelöste Stoffe enthält, entwickelt es einen höheren Turgordruck, der durch den offenen Kanal im gesamten System übertragen wird, was einen passiven Massenstrom von Wasser und gelösten Stoffen von A nach B verursacht. Wasser tritt aus B beeinflusst durch den Druck aus und wird durch den offenen Kanal rezirkuliert. Wenn gelöste Stoffe kontinuierlich zu A hinzugefügt und aus B entfernt werden können, wird der Fluss fortgesetzt.

Die lebende Pflanze enthält nach Munch ein vergleichbares System (Abb. 6.13). Die Siebelemente in der Nähe von Mesophyllzellen sind analog zu A.

Die Siebelemente in diesem Bereich werden durch die Mesophyllzellen kontinuierlich mit Zucker beladen und die Konzentration hoch gehalten. Am Senkenende wird die Zuckerkonzentration in den Siebelementen immer niedrig gehalten, da Zucker durch den Stoffwechsel osmotisch inaktiv werden oder im Wachstum verwertet, als Stärke gespeichert oder in Fette umgewandelt werden.

Der Verbindungskanal zwischen Quelle und Senke ist das Phloem und die umgebenden verdünnten Lösungen sind die des Apoplasten und die im Xylem. Nach Munchs Hypothese ist die Strömung durch die Siebrohre also passiv, obwohl es Hinweise auf eine Beteiligung des Stoffwechsels am Massenstrom gibt.

Die relevanten Punkte des Druck-Strömungs-Mechanismus sind wie folgt:

1. Munch postulierte, dass die Bewegung der gelösten Stoffe im Phloem entlang eines Turgordruckgradienten von der Quelle zur Senke stattfand. Viele Jahre lang konnte der Druck im Phloem nicht direkt gemessen werden. Gradienten des osmotischen Potentials in Siebröhren von der Quelle zur Senke wurden oft gemessen, wobei die negativsten Werte an der Quelle festgestellt wurden.

Die direkte Druckmessung durch Anbringen eines Druckmessers an einem Trieb oder durch Anlegen einer Druckmanschette, ähnlich wie bei der Blutdruckmessung, zeigt einen Wert von bis zu 2,4 MPa. H. T. Hammel (1968) maß mit einer speziellen Mikronadel den Druck an zwei Punkten am Stamm des Quercus rubrum. Er erhielt Werte, die das Munch-Modell vorhersagt.

2. Aktives Laden und Entladen von Saccharose begünstigt die Druckflusshypothese. Das Laden von Phloem ist eine sehr geeignete Modifikation des Modells von Munch. Munch war sich der aktiven Beladung von Phloem nicht bewusst, die ein sehr negatives osmotisches Potenzial in den Begleitzellen erzeugt, was zu einem osmotischen Eintritt von Wasser und Massenstrom führt.

3. Die Siebrohre selbst scheinen nicht an den aktiven Be- und Entladevorgängen beteiligt zu sein. Benachbarte Begleitzellen verbrauchen die notwendige Energie. Nach Munchs Hypothese ist der Saftfluss durch die Siebrohre ein passives Phänomen und erfordert keine Energie entlang des Weges, um den Fluss aufrechtzuerhalten.

Die hemmenden Wirkungen von niedriger Temperatur oder Anoxie sind in einigen Fällen vorübergehende Wirkungen und der Phloemtransport setzt sich nach einer bestimmten Anpassungszeit fort. Dies legt nahe, dass die Aufrechterhaltung des Phloem-Transportsystems für den Massenfluss anscheinend nur ein Minimum an metabolischer Energie erfordert. Sie wird für die Be- und Entladevorgänge benötigt.

4. Siebplattenporen sind offene Kanäle, da sie den Mechanismus begünstigen. Knoblauch und Van Bel konnten mit einem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop den Transport von Zucker zusammen mit einem grünen Phloem – einem mobilen Fluoreszenzfarbstoff – in den lebenden Siebelementen sichtbar machen.

Die Siebplatten zeigten eine Verfärbung innerhalb der mit Plasmamembranen ausgekleideten Poren und dass die Poren offen und nicht verschlossen waren. Es ist zu beachten, dass Poren in Siebbereichen und Siebböden modifizierte Plasmodesmen sind.

5. Gleichzeitiger bidirektionaler Transport in einem einzelnen Siebrohr wurde nicht festgestellt. In Siebelementen verschiedener Leitbündel in Stängeln wurde ein Transport in beide Richtungen nachgewiesen. Der unidirektionale Transport durch ein einzelnes Siebelement unterstützt das Modell von Munch’s.

(v) Einwände gegen die Druck-Fluss-Hypothese:

Die Hypothese besagt, dass sich Stoffe in dieselbe Richtung und mit derselben Geschwindigkeit bewegen sollten. Es wurde festgestellt, dass sich 14 C-Zucker am schnellsten bewegten, 32 P-Phosphate langsamer und 3 H,0 sich am langsamsten bewegten. Es wird erklärt, dass Wasser entlang des Weges schnell ausgetauscht wird.

Es tritt durch die Siebrohrmembran in das umgebende Gewebe aus und diffundiert wieder in das Siebrohr zurück. Während sich Saccharose und Phosphat nicht so leicht durch die Membran bewegen, können sie sich viel schneller bewegen als die Wassermoleküle.

Es gibt eine Reihe von Situationen, in denen Siebrohre scheinbar zwei Substanzen gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen transportieren. Trip und Gorham zeigten deutlich die Anwesenheit von 14 C-Assimilaten und 3 H-Glucose, die sich in einem einzelnen Siebrohr aus entgegengesetzten Richtungen bewegten. In kleinen Blattadern scheint die Bewegung in beide Richtungen oder in beide Richtungen zu gehen.

Viele Arbeiter schlagen jedoch vor, dass eine bidirektionale Bewegung in separaten Phloemgängen stattfindet, eine Möglichkeit unter dem Druck-Fluss-System.

Auch hier bieten die Siebplatten selbst einen erheblichen Widerstand gegen die passive Massenströmung, wie sie im Munch-Modell postuliert wird.

Die Ultrastruktur des Phloems deutet darauf hin, dass die Poren teilweise oder vollständig mit P-Proteinen blockiert sind. Obwohl diese Einwände also eine rudimentäre Barriere für die universelle Akzeptanz der Druckfluss-Hypothese bleiben, könnte sich herausstellen, dass Druckfluss der wahrscheinlichste Mechanismus der Phloem-Translokation ist.

Beeinflussende Faktoren Phloem-Transport:

Der Phloemtransport wird von mehreren wichtigen Faktoren beeinflusst, die wie folgt sind:

Bei der Translokation spielt die Temperatur eine wichtige Rolle. Es gibt einen optimalen Temperaturbereich für eine maximale Translokationsrate. Hewitt und Curtis beobachteten, dass der optimale Temperaturbereich für die Translokation in Bohnenpflanzen 20 °C – 30 °C betrug.

Es wurde auch gefunden, dass die Translokation durch Temperaturen über 50 °C irreversibel inaktiviert wird. Ebenso beeinflussen zu niedrige Temperaturen die Translokationsrate. Niedrige Temperaturen hemmen den aktiven Phloemtransport, indem sie die Beteiligung von Stoffwechselenergie verhindern.

Es gibt zwei Arten von Pflanzen nach der Empfindlichkeit gegenüber niedrigen Temperaturen. Bei einigen Pflanzen wie Gurken und Tomaten beträgt die Hemmungstemperatur etwa 10°C und die Hemmung hält über einen längeren Zeitraum an. Sie sind kälteempfindliche Pflanzen. Eine andere Pflanzengruppe wie Zuckerrübe, Kartoffel etc. sind kälteunempfindlich. Bei diesen Pflanzen hat eine niedrige Temperatur eine vorübergehende Wirkung.

Sie können die Translokationsgeschwindigkeit und SMT nach 60 bis 90 Minuten wiederherstellen. selbst wenn die lokale Kühlung eines Organs bei 0°C gehalten wird.

Niedrige Temperaturen erhöhen die Viskosität des Phloemsaftes, was die Geschwindigkeit verringert und die Membranstrukturen verändert, was den Inhalt desorganisiert und ein Verstopfen der Siebporen verursacht. Bei kälteunempfindlichen Anlagen bleibt die Membran wahrscheinlich unverändert.

Bestimmte Stoffwechselhemmer wie Cyanid und Dinitrophenol hemmen nachweislich die Kohlenhydrattranslokation und unterstützen die Nutzung der Atemenergie zur Unterstützung der Bewegung. Lokal auf das Phloem aufgetragenes Cyanid verhindert die Translokation durch die behandelte Zone. Bei intakten Pflanzen gelangen die Inhibitoren nicht in das Phloem und so wird zur Applikation das Leitbündel chirurgisch freigelegt.

Ob sich der Inhibitor auf das Transportphänomen oder auf das Be- und Entladephänomen auswirkt, ist schwer zu beurteilen. In beiden Fällen wird die Translokation gehemmt. Die Translokationsrate wird jedoch mehr durch den Stoffwechsel der Quell- und Senkenzellen als durch den Stoffwechsel der leitenden Zellen selbst reguliert.

(iii) Kalium- und Bormangel:

Kalium ist im Phloemsaft reichlich vorhanden. Kaliummangel beeinflusst das Wachstum von Früchten und Speicherorganen.

Die Zirkulation von Kalium um den Siebboden erhöht die Verlagerung von Zucker in Siebrohren. Die Zirkulation von Kalium stellt eine Potentialdifferenz zwischen den Siebböden her, die tatsächlich die Zuckertranslokation begünstigt. Aber es gibt keine allgemeine Akzeptanz dieser Erklärung. Es wird nun angenommen, dass K + -Ionen an der Beladung in den kleinen Adern in Blättern beteiligt sind.

Bor ist auch für den Zuckertransport unerlässlich. Es gibt keine hinreichende Erklärung für die Funktion von Bor beim Zuckertransport. Gauch und Dugger schlugen jedoch vor, dass Bor mit Saccharose einen Zucker-Borat-Komplex bildet, der die negativ geladenen Membranen leichter passieren könnte als neutrale Zuckermoleküle.

In den aktiv wachsenden Regionen sind wachstumsfördernde Phytohormone in hohen Mengen vorhanden. Die aktiv wachsenden Regionen wirken als stärkere Senken und ziehen so die meisten Nährstoffe aus den Quellregionen. Wachstumshormone stimulieren das Wachstum in diesen Regionen.

Es wird daher vermutet, dass Wachstumshormone einen starken Einfluss auf die Phloem-Translokation haben. Aber dieser Effekt ist indirekt. Es ist sehr schwierig, hormonelle Wirkungen auf die Translokation von hormonellen Wirkungen auf den Stoffwechsel von Sinkgewebe zur Anziehung von Translokationen zu unterscheiden.

Man kann sagen, dass die Phloem-Translokation zumindest teilweise unter der Kontrolle von Phytohormonen wie den Cytokininen, Indol-3-Essigsäure (IAA) und Gibberellinsäure (GA) steht.

Natürlich gibt es bei intakten Pflanzen keinen Hinweis darauf, dass die endogenen Hormonspiegel in den verschiedenen Geweben einen Zusammenhang mit der Phloem-Translokation haben. Sie beeinflussen die Assimilationspartitionierung, indem sie das Senkenwachstum, die Blattalterung und andere Entwicklungsprozesse kontrollieren.


Zuckertransporter in Pflanzen: Neue Erkenntnisse und Entdeckungen

Die Aufteilung von Kohlenhydraten ist der Prozess der Kohlenstoffassimilation und -verteilung von Quellgeweben, wie Blättern, zu sinkenden Geweben, wie Stängeln, Wurzeln und Samen. Saccharose, das primäre Kohlenhydrat, das bei vielen Pflanzenarten über lange Distanzen transportiert wird, wird in das Phloem geladen und in distale Sinkgewebe entladen. Viele Faktoren, sowohl genetische als auch umweltbedingte, beeinflussen jedoch den Stoffwechsel und den Transport von Saccharose. Daher ist das Verständnis der Funktion und Regulation von Zuckertransportern und Saccharose-Stoffwechselenzymen der Schlüssel zur Verbesserung der Landwirtschaft. In diesem Übersichtsartikel heben wir neuere Erkenntnisse hervor, die (i) den Weg der Phloem-Beladung von Saccharose in Reis- und Maisblättern adressieren (ii) die Phloem-Entladewege in Stängeln und Wurzeln und die vermutlich beteiligten Zuckertransporter diskutieren (iii) beschreiben, wie Hitze und Trockenstress beeinflusst die Kohlenhydratverteilung und den Phloemtransport (iv) beleuchtet, wie Pflanzenpathogene Zuckertransporter entführen, um Kohlenhydrate für das Überleben von Krankheitserregern zu erhalten, und wie die Pflanze Zuckertransporter zur Abwehr von Krankheitserregern einsetzt und (v) neue Rollen für Zuckertransporter in Pflanzen diskutieren Biologie. Diese aufregenden Entdeckungen und Erkenntnisse liefern wertvolle Erkenntnisse, die letztendlich dazu beitragen werden, die drohenden gesellschaftlichen Herausforderungen aufgrund des globalen Klimawandels und einer wachsenden Bevölkerung durch Verbesserung der Ernteerträge und der Produktion erneuerbarer Energien zu mildern.

Schlüsselwörter: Phloem SUTs SWEETs Stresstoleranz Saccharose Zuckertransporter.


Der Transport von Wärme

Viele Tiere (einschließlich Menschen) haben eine andere Möglichkeit, Wärme zu speichern. Die Arterien unserer Arme und Beine verlaufen parallel zu einer Reihe tiefer Venen. Wenn warmes Blut durch die Arterien fließt, gibt das Blut einen Teil seiner Wärme an das kältere Blut ab, das von den Extremitäten in diesen Venen zurückkehrt.

Ein solcher Mechanismus heißt a Gegenstromwärmetauscher. Wenn der Wärmeverlust kein Problem darstellt, fließt das meiste venöse Blut aus den Extremitäten durch oberflächennahe Venen zurück.

Gegenstromwärmetauscher können mit bemerkenswerter Effizienz arbeiten. Eine Möwe kann eine normale Körpertemperatur aufrechterhalten, während sie mit ihren ungeschützten Füßen im eiskalten Wasser steht.

Wenn man bedenkt, dass das Blut der Fische über die Kiemen fließt, die im umgebenden Wasser gebadet werden, ist leicht zu erkennen, warum Fische "kaltblütig" sind. Nichtsdestotrotz sind einige Meeresfische (z. B. der Thunfisch) Mesothermen und können ihre aktivsten Schwimmmuskeln mithilfe eines Gegenstromwärmetauschers wärmer als das Meer halten.

Dieses Foto rechts (mit freundlicher Genehmigung von E. D. Stevens, Dept. of Zoology, University of Guelph, Ontario) zeigt einen Querschnitt durch einen Bonito. Der dunkle Muskel auf beiden Seiten der Wirbelsäule wird dank seines Gegenstromwärmetauschers auf einer höheren Temperatur gehalten als der Rest des Fisches.

Das kalte, sauerstoffreiche arterielle Blut gelangt in eine Reihe von feinen Arterien, die das Blut in die aktiven Muskeln transportieren. Diese feinen Arterien liegen Seite an Seite mit Venen, die diese Muskeln entwässern. Wenn das kalte Blut in die Muskeln gelangt, nimmt es die von diesen Muskeln erzeugte Wärme auf und verhindert, dass sie an die Umgebung verloren geht.

Dank dieses Gegenstromwärmetauschers kann ein im Winter schwimmender Thunfisch seine aktive Schwimmmuskulatur um 14°C wärmer halten als das umgebende Wasser.

Die mikroskopische Aufnahme links (ebenfalls mit freundlicher Genehmigung von Dr. Stevens) zeigt einen Querschnitt durch den Wärmetauscher. Beachten Sie die enge, parallele Packung der Arterien (dicke Wände) und Venen (dünne Wände).

Gegenstromtauscher arbeiten auch in der Niere und werden in das Design von künstlichen Nieren eingebaut.

Das Kreislaufsystem ist auch für die Kühlung eines Tieres verantwortlich. Wenn die Körperkerntemperatur des Tieres zu hoch wird, wird die Durchblutung der Oberfläche und der Extremitäten erhöht, wodurch die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann. Wenn dies nicht ausreicht, kann das Tier Wasser aus dem Blut verdunsten - bei Tieren mit Schweißdrüsen in Form von Schweiß. Die Verdunstung von 1 Gramm Wasser absorbiert etwa 540 Kalorien Wärme.

Die meisten Endothermen können einen Anstieg der Körpertemperatur von mehr als 5 °C oder so nicht tolerieren. Das Gehirn ist das Organ, das am anfälligsten für Schäden durch hohe Temperaturen ist. Einige Säugetiere, zum Beispiel Hunde, haben einen Gegenstrom-Wärmetauscher, der sich zwischen den Halsschlagadern und den Gefäßen befindet, die das Blut zum Gehirn verteilen. Dieser Wärmetauscher überträgt einen Teil der Wärme des arteriellen Blutes auf das relativ kühle venöse Blut, das aus Nase und Mund zurückströmt. Dies kühlt ihr arterielles Blut, bevor es das Gehirn erreicht.

Eine zweite Region des Hypothalamus löst Erwärmungsreaktionen aus:

Es ist der Hypothalamus, der die Fieber Antwort. Tatsächlich ist der Hypothalamus der Thermostat des Körpers. Die Ausschüttung von Prostaglandinen bei Entzündungen erhöht die Einstellung, d.h. dreht den Thermostat „hoch“. Wenn die Körpertemperatur noch nicht erreicht ist, beginnt der Körper heftig zu zittern &ndash, wodurch "Schüttelfrost" &ndash die benötigte Wärme erzeugt. Die Folge ist Fieber, wenn der neue Sollwert erreicht wird.


Inhalt

Kolloide können wie folgt klassifiziert werden:

Medium/Phase Dispergierte Phase
Gas Flüssig Fest
Dispersion
Mittel
Gas Solche Kolloide sind nicht bekannt.
Helium und Xenon sind bekanntermaßen unter bestimmten Bedingungen nicht mischbar. [9] [10]
Flüssigaerosol
Beispiele: Nebel, Wolken, Kondenswasser, Nebel, Haarsprays
Festes Aerosol
Beispiele: Rauch, Eiswolke, atmosphärischer Feinstaub
Flüssig Schaum
Beispiel: Schlagsahne, Rasierschaum
Emulsion oder Flüssigkristall
Beispiele: Milch, Mayonnaise, Handcreme, Latex, biologische Membranen, flüssiges biomolekulares Kondensat
Sol oder Suspension
Beispiele: pigmentierte Tinte, Sediment, Niederschläge, festes biomolekulares Kondensat
Fest Fester Schaum
Beispiele: Aerogel, Styropor, Bims
Gel
Beispiele: Agar, Gelatine, Gelee, gelartiges biomolekulares Kondensat
Feste Sole
Beispiel: Cranberry-Glas

Homogene Mischungen mit einer dispergierten Phase in diesem Größenbereich können als . bezeichnet werden kolloidale Aerosole, kolloidale Emulsionen, kolloidale Schäume, kolloidale Dispersionen, oder Hydrolate.

Ein Kolloid hat eine dispergierte Phase und eine kontinuierliche Phase, während in einer Lösung der gelöste Stoff und das Lösungsmittel nur eine Phase bilden. Ein gelöster Stoff in einer Lösung sind einzelne Moleküle oder Ionen, während kolloidale Partikel größer sind. Zum Beispiel löst sich in einer Salzlösung in Wasser der Natriumchlorid-Kristall (NaCl) auf und die Na + und Cl – -Ionen sind von Wassermolekülen umgeben. In einem Kolloid wie Milch sind die kolloidalen Partikel jedoch eher Fettkügelchen als einzelne Fettmoleküle.

Bei der Wechselwirkung von Kolloidteilchen spielen folgende Kräfte eine wichtige Rolle: [11] [12]

    : Dies bezieht sich auf die Unmöglichkeit einer Überlappung zwischen harten Partikeln. : Kolloidale Partikel tragen oft eine elektrische Ladung und ziehen sich daher an oder stoßen sich gegenseitig ab. Die Ladung sowohl der kontinuierlichen als auch der dispergierten Phase sowie die Mobilität der Phasen sind Faktoren, die diese Wechselwirkung beeinflussen. : Dies ist auf die Wechselwirkung zwischen zwei Dipolen zurückzuführen, die entweder permanent oder induziert sind. 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. [fünfzehn]

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. [fünfzehn]

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
  • Biologie
  • Chemistry
  • Environmental sciences
  • Geologie
  • Material science
  • Medizin
  • 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, jja, jz). A balance of the quantity Φ may be obtained by looking at each small volume element with dimensions Δx,ja, undz, where the flux, J, is given in quantity per unit area and unit time. The production or consumption term, RS, 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, und T 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 Cich of each species ich is the conserved quantity and its flux is denoted by nich.. Using the conservation equation above gives us the following equation for each species:

In dieser Gleichung Dich denotes the diffusion coefficient of species ich 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:

In dieser Gleichung du denotes the velocity vector. If there is an electric field E applied on the solution and ions are present, then we obtain the Nernst-Planck equations used in electrochemical systems:

In dieser Gleichung zich denotes the valence of species ich und duich denotes the mobility of speciesich. 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!



Bemerkungen:

  1. Arashibar

    Nicht die Not!

  2. Elmore

    Sie haben den Punkt getroffen. Ich finde, das ist eine sehr tolle Idee. Ich stimme völlig mit Ihnen.

  3. Baldemar

    Meiner Meinung nach sind sie falsch. Schreiben Sie mir in PM.

  4. Adalwen

    Gehen heute alle persönlich ab?

  5. Grole

    Wie wird sie verstehen?



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