Diffusion spelar en viktig roll i många kemiska och biologiska processer. Organismer genomgår en konstant och pågående diffusionsprocess i varje del, komponent och område av deras system. På så vis utgör också diffusion en grundläggande aspekt inom cellbiologin.
Även när du läser detta diffunderar syre ut ur ditt kärlsystems kapillärer och infunderar dina muskler. Detta är en passiv diffusion; inga andra molekyler hjälper syret att mätta vävnaden de diffunderar in i. Andra diffusionsfunktioner hjälps åt av olika molekyler.
Precis som praktiskt taget alla andra naturfenomen följer diffusion naturlagarna och fysiken. Vilka dessa lagar är och varför de finns; hur de följs och de faktorer som påverkar spridningen är vad din Superprof tittar på nu.
Några nyckelfakta att bära med sig är:
- Diffusion är nettorörelsen av molekyler från ett område med hög koncentration till ett område med låg koncentration.
- Diffuserat material kan vara fast, flytande eller gas
- Material kan diffundera in i en fast, flytande eller gasformig miljö.
- Diffusion betecknar molekylrörelse längs en koncentrationsgradient.
- Diffusionshastigheter beror på interaktionen mellan mediet och materialet det diffunderar in i.
Förstå diffusion
Diffusion beskriver ett ganska brett aktivitetsområde över alla materiatillstånd - gas, fast och flytande. Även plasma, som ibland anses vara materiens fjärde tillstånd. Ändå, trots all mångfald av materia som kan delta i diffusion, är det en enkel process.
Diffusion är rörelsen av molekyler från ett område med högt koncentrerade partiklar till där partiklarna är mindre koncentrerade.
Har du mjölk i ditt te eller kaffe? Om du inte är en kaffe-/tekonsument, har du någonsin sett en kaffe- eller tedrickare förbereda sin dryck? I så fall kanske du har märkt att mjölken inte omedelbart gör hela drycken ljusare. Till en början var bara den punkt där mjölken hälldes vit; det tog lite omrörning för att balansera blandningen ordentligt.
Att tillsätta mjölk till kaffet är ett bra exempel på diffusion, även om du var tvungen att hjälpa till lite genom att röra om.
Genom att ta hjälp av läxhjälp biologi kan du få hjälp att lära dig knepiga begrepp och fenomen genom andra intressanta experiment.
Inte alla diffusioner är omedelbara; det är därför vi måste överväga spridningshastigheten. Två enkla vätskor, som karamellfärg och vatten skulle blandas in i varandra ganska snabbt.
Omvänt, när vi testar vätskor som inte blandas - bensin och vatten, till exempel, skulle vi upptäcka att endast det minsta kontaktskiktet av de två vätskorna diffunderar in i varandra, och mycket långsamt.
En kritisk faktor skiljer diffusion från osmos: närvaron av ett membran att diffundera igenom. Osmos definieras som diffuserande molekyler genom ett semipermeabelt membran; diffusion å andra sidan definieras som molekyler som rör sig längs en koncentrationsgradient med eller utan en barriär på plats.
Ändå är osmos en form av diffusion. Vi har ägnat en hel artikel åt att reda ut vad osmos faktiskt är.
Där går att läsa om syre som diffunderar genom kapillärer och in i våra kroppars vävnader. När vi gräver djupare in i det konceptet finner vi att aerob andning spelar en roll i diffusionsprocessen.
Koldioxiden som genereras som en biprodukt av cellandning ökar koncentrationen av dessa molekyler i cellerna. När antalet molekyler ökar, skjuts de sedan utåt, mot kapillärerna, där kraften som utövas av blodflödet sveper ut det från vävnaderna, genom kärlsystemet och in i lungorna, för att drivas ut när vi andas.
I det här exemplet kan vi se hur bred diffusionsakten är i biologiska system. Även när syremolekyler ständigt kommer in i vävnaderna, rör sig koldioxidmolekyler ständigt ut. Det bevisar att ett ämne eller en diffusionsprocess kan ske oberoende av alla andra diffusionsprocesser som kan pågå samtidigt.
Sammantaget är diffusion avgörande för att cellstrukturer ska fungera korrekt.
Typer av diffusion
Eftersom diffusion är universell - en process som varje typ av materia tar i varje tillstånd, och avgörande för att upprätthålla organismer, borde det inte komma som någon överraskning att det skulle finnas två metoder för diffusion.
Enkel diffusion representerar molekyler som rör sig längs en koncentrationsgradient utan input, påverkan eller interferens från andra molekyler eller krafter.
Tidigare nämnde vi koldioxid som diffunderar in i kärlsystemet för dess resa till lungorna och den ultimata utdrivningen. Koldioxidmolekylen är tillräckligt liten för att lätt diffundera, utan någon hjälp - det som kallas underlättad diffusion; den typen vi ska prata om om bara ett ögonblick.
Osmos faller inom kategorin enkel diffusion. Vattenmolekylerna som passerar genom våra cellväggar kräver ingen ytterligare hjälp; de är tillräckligt små för att passa genom porerna i dessa barriärer utan några specialiserade proteiner.
Underlättad diffusion
Medan enkel diffusion i huvudsak är naturens och fysikens lagar som fungerar, kräver underlättad diffusion lite hjälp för att uppnå önskade resultat. En annan molekyl lånar då ut sin energi för att flytta en större eller mer polär molekyl över det hydrofoba/lipid-dubbelskiktet.
Högenergimolekyler som ATP är inte nödvändigtvis involverade i varje underlättad diffusionsprocess eftersom diffusionsprocessen, oavsett om den är underlättad eller enkel, är molekyler som rör sig längs sina koncentrationsgradienter. Ändå kan ATP och dess relaterade molekyl, GTP (guanosintrifosfat) spela en indirekt roll.
På grund av den okomplicerade strukturen har bakterier ingen annan utväg än enkel diffusion för att ta in syre och vissa näringsämnen. Underlättad diffusion används för att transportera näringsämnen i bakterier eftersom dessa organismer inte har några organeller; alltså inget sätt att ta tag i och transportera mat.
Diffusionsfunktioner
Inom en vätska eller gas rör sig molekyler och joner ständigt och försöker bli jämnt fördelade i lösningsmedlet. Även om dessa partiklar i slutändan uppnår en stabil koncentration i hela mediet, kommer de att fortsätta att röra sig, och de kommer att röra sig i vilken riktning som helst.
Vad är all den rörelsen till för? Förutom att upprätthålla balansen,
- I djur
- Syre och koldioxid diffunderar in och ut ur blodet
- Koldioxid diffunderar ut ur lungorna och ut i luften
- Näringsämnen och syre sprids in i vävnader
- Partiklar diffunderar för att förse celler med näringsämnen, vatten och syre. Samt för att transportera ut avfallsprodukter.
- I växter
- Koldioxid sprids från luften till växternas löv
- Syre diffunderar ut ur växternas löv
- Näringsämnen sprids genom växttransportsystemet, vilket underlättas av proteiner
Fotosyntesen, processen att skapa glukos och syre från solljus, är beroende av diffusion. Strukturen hos växtceller – och djurceller, för den delen, är optimala för den typen av gasutbyte; en funktion av diffusion.
Dessutom är de konstruerade på ett sådant sätt att de tillåter diffusion av större molekyler, särskilt mineral- och näringspartiklar, även om de är mer benägna att använda underlättad diffusion.
Faktorer som påverkar diffusion
Oavsett vilka lösta ämnen och lösningsmedel som är involverade är diffusionen kontinuerlig. Dock fyra faktorer som kan förändra hastigheten och graden av diffusion.
Partikelstorlek
Oavsett förhållanden kommer mindre partiklar att diffundera snabbare än större. Dessutom behöver mindre partiklar kanske inte "hjälparproteiner" för att hålla dem i rörelse. Större molekyler, särskilt de med mer komplexa former/ytor och större massor böjer sig efter fysikens lagar. De kommer att röra sig långsammare längs sina koncentrationsgradienter än mindre, mer strömlinjeformade partiklar.
Till exempel kommer en syremolekyl, relativt enkelt konstruerad och lätt, att röra sig snabbare än, säg, en molekyl av jodgas.
Interaktionsområde
För att göra detta tydligt, låt oss påminna om vår kopp kaffe, som vi precis tillsatte mjölk i. Stället vi hällde mjölken i är lättare och beroende på hur mycket vi hällt i har vågor av mjölk spridit sig genom drycken. Om vi inte gör något annat kommer mjölken så småningom att samlas i botten av koppen eftersom den är något tätare än kaffe.
Kom ihåg att partikelstorlek är en annan faktor som påverkar diffusionen; i det här fallet mjölkens utbredning i kaffet. Om mjölken ligger i botten av koppen, är området för interaktion mellan partiklar mycket litet. Vi måste röra om vår drink för att öka interaktionsytan.
Omrörning driver mjölkpartiklarna mot områden där det finns färre mjölkpartiklar. Efter ett par sekunders omrörning har mjölkpartiklarna spridit sig genom den mörkare drycken.
Att öka interaktionsområdet på något sätt möjliggör en snabbare diffusionsprocess.
Temperatur
Högre temperaturer orsakar frigöring av mer kinetisk energi. Du kan själv bekräfta denna fysiklag genom att prova mjölk/kaffe-experimentet. Du behöver en varm kopp kaffe eller te, och en som bara är ljum. Häll nu en förutbestämd mängd mjölk i båda kopparna och observera hur mjölken reagerar.
I den varma koppen kommer mjölken att se livligare ut; det kommer att studsa från botten och skapa synliga vågor precis under vätskans yta. Däremot kommer mjölken i den ljumna koppen kaffe att verka trög, lägga sig på botten och förmodligen inte skapa några studsande vågor.
Ju större temperaturskillnaden är, desto livligare blir molekylerna med lägre temperatur. De börjar studsa ifrån varandra och bort från det kalla centret, och kastar sig in i den hetare delen av drycken.
Det är samma princip som gör att isen smälter snabbare en varm dag än en svalare.
Lutningensförhållanden
Diffusion är fenomenet med att partiklar flyttar från ett område med hög koncentration till ett område som har en lägre koncentration av partiklar. Det är därför naturligt att ju lägre koncentration av partiklar, desto snabbare kommer de att röra sig för att ockupera det området. Omvänt, ju mer mättat ett område blir, desto långsammare kommer dessa partiklar att röra sig.
Kom ihåg att diffusion är en konstant och pågående process, och den är multiriktad. Så, om ett område blir mättat, kommer partiklar att fortsätta färdas tills de hittar ett område där balans ännu inte har uppnåtts.
Molekylernas nettorörelse och de faktorer som påverkar diffusionen har stor inverkan på cellbiologin – i alla organismer. Det är viktigt att veta hur dessa interaktioner fungerar och hur de upprätthåller livet.
Tycker du om artikeln? Visa det gärna!
Loading...
