Dyfuzja - o podstawowym procesie, dzięki któremu żyjemy

Dyfuzja to proces nieodłączny dla materii - każdy gaz, ciecz i ciało stałe podlegają jej w większym lub mniejszym stopniu, ale czy w gruncie rzeczy wiemy, czym ona jest i jak bardzo potrzebują jej organizmy żywe?


Dyfuzja - o podstawowym procesie, dzięki któremu żyjemy

Dyfuzja to proces rozprzestrzeniania się cząsteczek jednej substancji w drugiej. W przeciwieństwie do mieszania nie wymaga dostarczenia dodatkowej energii z zewnątrz układu. Zachodzi dzięki zjawisku znanemu jako ruchy Browna, czyli chaotycznego ruchu cząsteczek w cieczach i gazach, który jest spowodowany przez kolizje cząsteczek substancji rozpuszczonej, zawiesiny lub koloidu ze składowymi płynu. Po raz pierwszy zauważył je szkocki botanik Robert Brown podczas obserwacji pyłków roślinnych zawieszonych w gazach i cieczach.
Dyfuzja w skali makro jest po prostu konsekwencją wcześniej opisanego procesu stochastycznego w skali nano. Dzielimy ją według tego na dyfuzję śledzoną (pojedyncze cząstki w otoczeniu cząstek rozpuszczalnika opisywane przy pomocy mechaniki kwantowej i statystycznej) i chemiczną (roztwór jako układ opisywany przez zasady termodynamiki klasycznej).

Porównanie dyfuzji mikro z dyfuzją makro, autor: Sbyrnes321

Dyfuzja w ujęciu fizycznym

Podstawowym modelem dyfuzji są tzw. prawa Ficka, według których proces ten zależy od wyznaczonego eksperymentalnie współczynnika dyfuzji oraz stężenia substancji. Według pierwszego prawa Ficka przepływ substancji rozpuszczonej jest równy ujemnemu iloczynowi gradientu stężenia i współczynnika dyfuzji. Głównym założeniem, żeby to twierdzenie mogło działać, jest przepływ substancji jedynie od obszaru większego stężenia do mniejszego.
Drugie prawo Ficka opisuje zmiany stężenia substancji w czasie. Ujmuje te fluktuacje jako iloczyn laplasjanu stężenia substancji i współczynnika dyfuzji. Drugie prawo Ficka jest pochodną pierwszego po czasie.
Według równania Einsteina-Stokesa wartość współczynnika dyfuzji dla danej grupy cząsteczek zależy od ich lepkości, temperatury roztworu oraz rozmiarów samych cząstek; według równania mobilności elektrycznej zależy od ładunku elektrycznego substancji, jej mobilności elektrycznej (μ=vd/F) oraz temperatury roztworu. Te dwa równania przenoszą prawa Ficka na grunt fizyki statystycznej, co znaczy, że opisują dyfuzję na gruncie ruchów Browna.
Drugie prawo Ficka dla ruchów Browna to iloczyn laplasjanu gęstości i współczynnika dyfuzji, gdzie gęstość jest funkcją przestrzeni i czasu.

Dyfuzja i ruchy Browna w biologii

Jak wiemy, układy żywe składają się z komórek, w których rolę głównej bariery stanowi błona fosfolipidowa lub eterowa (u Archaea). W błonach tych występują kanały białkowe, które umożliwiają swobodny przepływ niektórych rodzajów cząstek zgodnie z gradientem stężeń, czyli według praw Ficka od wyższego do niższego stężenia. Dyfuzja umożliwia komórkom pozyskiwanie wody i niewielkich cząstek takich jak cukry, aminokwasy, jony metali, kwasów, itd. Pozwala również na zachodzenie wewnątrz komórek reakcji, które następnie składają się na grupy reakcji, szlaki metaboliczne i w końcu cały metabolizm. Przykładowo tlen, którego stężenie wewnątrz naczyń włosowatych jest wyższe niż w tkankach sąsiednich, swobodnie dyfunduje do nich, a dwutlenek węgla na tej samej zasadzie dostaje się do krwi. Niektóre związki jednakże muszą dostawać się do komórki poprzez dyfuzję anomalną. Jest to taki rodzaj dyfuzji, który zależy nieliniowo od średniego przemieszczenia kwadratowego i czasu w przeciwieństwie do dyfuzji Ficka, która jest procesem liniowym. Z najnowszych badań wynika, że większość procesów komórkowych podlega właśnie temu typowi dyfuzji. Dyfuzję do komórek wbrew gradientowi stężeń umożliwia transport aktywny, w wyniku którego w komórce powstaje wyższe stężenie niektórych substancji, np. kationów potasowych, a chlorkowych i sodowych na zewnątrz.
Kolejnym ważnym procesem jest osmoza, której konsekwencją jest dostarczanie wody do roślin z gleby do tkanek przewodzących korzenia dzięki wyższemu stężeniu jonów w glebie niż korzeniu. Mimo że bez niej komórki nie mogłyby żyć, to osmoza sama w sobie może je zabić, np. stężenie znacznie wyższe niż wewnątrz komórki spowoduje wypływ wody z komórki i jej plazmolizę. Mówimy wtedy, że środowisko jest hipertoniczne. Stężenie niższe spowoduje napływ wody do komórki - środowisko hipotoniczne - i komórka pęknie, z kolei w środowisku o podobnym stężeniu komórka znajduje się w stanie względnej równowagi - środowisko izotoniczne.
Dyfuzja i osmoza mogą się mylić, ponieważ mają podobną zasadę działania, główna różnica między nimi polega na tym, że podczas dyfuzji nie zmienia się objętość roztworu po obu stronach błony półprzepuszczalnej, a w trakcie osmozy roztwór przemieszcza się do przegrody o wyższym stężeniu do momentu wyrównania się stężeń.

Niezależnie od tego, czy jest biologiem, chemikiem, fizykiem, czy nawet humanistą, człowiek powinien sobie zdawać sprawę z tego, jakie zjawiska go otaczają i pozwalają egzystować każdego dnia. Moje artykuły mogą zapewnić podstawową dawkę wiedzy, ale na pewno nie zastąpią profesjonalnych artykułów badawczych i podręczników akademickich, dlatego zachęcam do przejrzenia źródeł po przeczytaniu tego materiału.

Źródła:

Fick, A. (1855). "Ueber Diffusion". Annalen der Physik (in German). 94 (1): 59–86. Bibcode:1855AnP...170...59F. doi:10.1002/andp.18551700105.

Fick, A. (1855). "V. On liquid diffusion". Phil. Mag. 10 (63): 30–39. doi:10.1080/14786445508641925.

Haynie, Donald T. (2001). Biological Thermodynamics. Cambridge: Cambridge University Press. pp. 130–136. ISBN 978-0-521-79549-4.

Introduction to Nanoscience by Stuart Lindsay, p. 107.

Feynman, R. (1964). "The Brownian Movement". The Feynman Lectures of Physics, Volume I. pp. 41–1.

Einstein, Albert (1905). "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" [On the Movement of Small Particles Suspended in Stationary Liquids Required by the Molecular-Kinetic Theory of Heat] (PDF). Annalen der Physik (in German). 322 (8): 549–560. Bibcode:1905AnP...322..549E. doi:10.1002/andp.19053220806.

Einstein, Albert (1956) [1926]. Investigations on the Theory of the Brownian Movement (PDF). Dover Publications. Retrieved 25 December 2013.

Saxton, Michael J. (15 February 2007). "A Biological Interpretation of Transient Anomalous Subdiffusion. I. Qualitative Model". Biophysical Journal. 92 (4): 1178–1191. Bibcode:2007BpJ....92.1178S. doi:10.1529/biophysj.106.092619. PMC 1783867. PMID 17142285.

Whitmer, Phil. "Why Is Diffusion Important to the Life of a Cell?" sciencing.com, https://sciencing.com/diffusion-important-life-cell-8759126.html. 9 July 2020.

Lavenda, Bernard H. (1985). Nonequilibrium Statistical Thermodynamics. John Wiley & Sons. p. 20. ISBN 978-0-471-90670-4.



Grafika tytułowa pochodzi z witryny https://www.economist.com/img/b/1280/720/90/sites/default/files/20200222_STP002.jpg