살아있는 세포는 중량의 대부분이 물(H₂O)이다. 따라서 생명을 지탱하는 물질대사는 이 세포내의 수계(水系)에서 일어나고 있는 반응계이다. 수분이 극히 적은 휴면상태의 종자(種子)나 포자(胞子)에서는, 대사 예를 들면 산소호흡의 활성은 거의 잃고 있지만, 물이 공급되어, 발아(發芽)상태가 되면, 대사는 다시 활발해져서, 최대치에 달한다.

이것으로 알 수 있듯이, 활발한 생명대사에는 충분한 물을 함유한 세포내에서 발현된다. 그러면 세포는 어떻게 하여 물을 흡수 하며, 유지하고 있는가. 그것은 세포를 감싼 세포막의 작용에 의한다. 세포막 등 세포내의 막계(膜系)의 기본구조는, 인지질-2중층이다. 여기서는 먼저 세포가 물을 흡수하는 구조에 대해서 설명코자 한다.

세포막으로 격리된 세포질과 환경사이에서 일어나고 있는, 물 분자(H₂O)와 용질분자의 상호이동의 원리는 확산(Diffusion)이다.  물속이나 공기 중에 있는 입자(분자)는 끊임없이 열운동을 하고 있다. 확산은, 수용액 중의 농도가 서로 다른 영역사이에서 자연적으로 일어나는 물리현상이다. 따라서 농도가 똑 같이 되면 외관상 확산은 정지된다.

확산은 온도분포가, 다른 영역에 있는 성분사이에서도 보이며, 특히 이것을 “열확산” 또는 “온도확산”이라 부른다. 지금 물위에 빨간 잉크를 한 방울 떨어뜨리면, 그 고(高)농도(濃度)영역의 내부에 있는 빨간 잉크입자는, 상하좌우 어떤 방향으로 직진해도, 다른 입자와 충돌하여 직진이 방해된다.

이에 대하여 고(高)농도영역의 주변부에 있는 입자는, 내부로 진입하면 다른 입자와 충돌하지만, 외부의 저(低)농도 영역으로 진입하면, 충돌확률은 상당히 적어지든가. 정면으로 거의 충돌하지 않는다. 따라서 고(高)농도주변의 입자는, 충돌의 확률이 낮은 방향으로 이동하게 된다. 이것이 확산의 원리이다.   

칸막이를 사이에 둔 확산에서는, 작은 분자는 신속히 막 구멍을 뚫고 빠져나갈 수 있지만, 큰 분자는  칸막이에 막히기 때문에, 그 확산속도는 늦다. 이와 같이 막(膜)은 물질의 확산에 대하여, 큰 영향을 미치기 때문에, 특히 이것을 삼투(Osmosis)라 한다. 

여기에서 막은 작은 용매분자(세포에서는 물 분자)만이 통과하고, 큰 용질분자(세포에서는 단백질 등)를 통과하지 못한다. 이러한 살아있는 막의 성질을 반투성(Semi-permeability)이라 한다. 그러나 이것도 엄밀하지는 않다. “큰 용질분자의 침투속도가 작은 물 분자에 비해 현저히 낮기” 때문에 반투성으로 보이는 것에 지나지 않는다.  

여기에 대하여, 식물세포의 세포벽과 같이, 분자의 대소(大小)에 관계없이, 모두 잘 통과하는 성질은 전투성(全透性)이라 부른다. 소나 양의 방광막이 반투성을 가졌기 때문에, “삼투압”을 나타내는 실험을 해보자. 방광막 주머니 속에 진한 설탕물을 넣고, 가느다란 유리관을 주머니 입구에 부착 묶어서, 물속에 설치한다.

그러면 관내(官內)의 수위(水位)는 차차로 올라가며, 일정한 시간 후에는 정지한다. 이것은 물 분자와 설탕분자가 서로 침투하는 속도에 차(差)가 있기 때문에 생기는 현상이다. 즉 물 분자는 "방광막"안으로, 설탕분자는 “방광막”밖으로, 각각 농도 기울기에 따라서 일어나는 확산차(差)에 의한 현상인 것이다.

그런데, 어느 정도 시간이 지난 후에는, 막(膜)내외에 있어서, 물과 설탕물의 농도차가 없어지고, 삼투압이 없어진다. 삼투압이란, 반투막을 통한 삼투압에 의하여, 농도가 높은 용액 쪽에 생기는 수압을 말한다. 삼투압이란 이론적으로 말하면, 비전해질 1M용액, 즉 수용액 1,000중에 용질 1g분자량이 녹아있을 때, 섭씨 0도에서 22.4 atm와 같다.

세포에 물이 들어가는 원동력은, 살아있는 세포의 내(內)액이 외(外)액에 대하여, 가지고 있는, 보다 높은 삼투압(Osmotic pressure)에 있다. 따라서 동물, 식물을 불문하고, 세포가 끊임없이 흡수(吸水)하기 위해서는, “세포내-액”은 “세포외-액”보다도 높은 용질농도를 유지하지 않으면 안 된다.

예를 들면  (A)순수, (B)0.9%식염수, (c)2%식염수의 3종류의 액에 포유동물의 적혈구를 넣으면, (A)에서는 적혈구의 용적이 증대하고, 다음에는 세포막이 파열되어 “헤모글로빈”이 녹아나와, 소위 용혈(溶血)한다.

이에 대하여, (B)의 적혈구에서는 용적은 변화하지 않고, 정상적으로 유지된다.

한편 (C)에 들어있는 적혈구는 탈수되어, 곧 수축된다. 따라서 동물에 대한 실험에서, 조직이나 기관을 살아있는 대로 유지하려면, 0.9%식염수가 사용되며, 이것을 생리적 식염수라 부르고 있다.

그러나 장시간에 걸쳐서 조직이나 기관을 살아있는 상태로 보존하기 위해서는, 다당류의 염류를 함유한 용액에 담근다. 이것은 “생리적 염류용액”이라 하여, “생리적 식염수”와 구별하고 있다. 

여기에서 (A)액과 같이, “세포내 액” 보다도 “낮은 삼투압” 을 가진 “세포외 액”은  “저장액”, (B)과 같이 “세포내 액”과 “같은 삼투압”을 가진 외(外)액은 “등장액”, 그리고 (C)같이 세포내 액보다도 “높은 삼투압”을 가진 외(外)액은 “고장 액”이라한다. 

이와 같은 동물에 비해서, 식물세포에 대한 효과는 크게 차이가 있다. 이것은 식물세포의 원형질(세포질과 핵과를 합한 개념)의 외부에는, 두껍고, 견고해서, 신축성이 없는 피막, 즉 세포벽이 존재하기 때문이다.

성장이 현저한 줄기의 세포에서는, 세포벽은 세포의 신장(伸長)을 허용할 정도로 용적이 증대하지만, 성숙한 줄기의 세포벽에서는 리그닌이 침적(沈積)하여, 목화(木化)하고, 이제는 세포의 용적은 증가하지 않는다. 이와 같은 세포는, 저(低)장액에 넣어두어도, 원형질의 팽윤(澎潤)이 세포벽에 막히기 때문에, 외견상으로는 어떤 변화도 일어나지 않는다.

그렇기 때문에, 식물세포는 고(高)장액에 넣어두면, 세포벽은 수축할 수 없기 때문에, 원형질만이 수축하여, 세포벽에서 분리된다. 이것을 원형질분리라 부른다. 이것이 식물세포의 원형질의 표면에 세포의 밖이 존재하는 것을, 나타낸 최초의 증명이었다. 농작물에 고(高)농도의 비료를 주면, 식물체가 위축되는 것은 이 현상이다.