Dyfuzja jest procesem, który prowadzi do zapewnienia w danym układzie najniższego poziomu energii. Oznacza to, że cząsteczki danej substancji zgromadzone w jednym punkcie będą miały tendencję do spontanicznego rozchodzenia się w całej objętości danego układu aż do momentu, gdy w każdej jego części stężenie będzie identyczne.
Co to jest dyfuzja?
Dyfuzja to samorzutny proces rozchodzenia się substancji w jej otoczeniu. Cząsteczki danego związku, znajdujące się w pewnej przestrzeni w temperaturze wyższej od zera bezwzględnego, poruszają się chaotycznie i zderzają, co powoduje ich przemieszczanie się. Proces dotyczy zarówno gazów, cieczy, jak i (w mniejszym zakresie) ciał stałych. Szybkość tego procesu uzależniona jest od budowy danej substancji i rodzaju otaczającego ją środowiska. Duże znaczenie ma też temperatura całego układu, ponieważ im jest ona wyższa, tym intensywniejsze są ruchy cząsteczek.
Dyfuzja – przykłady
Najprostszym przykładem dyfuzji może być stopniowe rozchodzenie się niewielkiej ilości barwnika wkroplonego do szklanki z wodą. Strefa zabarwiona stopniowo powiększa się, nawet gdy woda nie jest mieszana i nie występują w niej ruchy konwekcyjne. Jeśli obserwacja zostałaby prowadzona przez dostatecznie długi czas, cały płyn uzyskałby jednolity kolor.
Rozchodzenie się zapachów jest kolejnym przykładem dyfuzji – jeśli w jednej części pomieszczenia otwiera się pojemnik z substancją o wyczuwalnym zapachu, woń prędzej czy później dotrze do każdego miejsca. Jeśli w pomieszczeniu obserwuje się intensywny ruch powietrza (przeciąg, włączony wentylator czy uruchomiony grzejnik), to zapach dotrze do obserwatora szybciej, ale nawet przy nieruchomym, stojącym powietrzu proces ten będzie łatwy do zaobserwowania.
Zobaczcie, jak pracują nasze płuca w czasie aktywności fizycznej:
Dyfuzja w organizmie człowieka
Dyfuzja jest jednym z najważniejszych mechanizmów pozwalających na przenoszenie gazów i niezbędnych do życia substancji oraz produktów przemiany materii. Krążąca w naczyniach krew pozwala na ich transportowanie z miejsca, gdzie stężenie jest wysokie, do lokalizacji, w których danego związku jest mniej. Na przykład cząsteczki tlenu, których dużo jest we wdychanym powietrzu, przenikają w płucach do krwi, a następnie są przez nią dostarczane do tkanek, gdzie tlenu jest mniej i tam są uwalniane.
Oczywiście przenoszenie substancji nie jest oparte jedynie na mechanizmie dyfuzji, który jest procesem biernym. Organizm wykorzystuje tutaj możliwości aktywnego transportu przez ściany naczyń. Cząsteczki są (w pewnym uproszczeniu) wychwytywane przez określone związki na powierzchni komórek śródbłonka naczyniowego i uwalniane po drugiej ich stronie, co znacznie przyspiesza przenikanie z i do narządów.
Z kolei np. transport tlenu jest we krwi ułatwiany przez znajdującą się w czerwonych krwinkach hemoglobinę, która aktywnie wyłapuje cząsteczki tego gazu i uwalnia je w naczyniach włosowatych tkanek. Jednak by tlen przemieścił się z pęcherzyka płucnego do erytrocytu oraz (już w narządach) z erytrocytu do tkanek, niezbędne jest wykorzystanie procesu dyfuzji.
Dyfuzja w płucach
Dyfuzja w płucach to zjawisko umożliwiające wymianę gazową. Dzięki budowie tego narządu powierzchnia wymiany jest olbrzymia – wynosi u dorosłego człowieka około 100 m2. Pozwala to na przedostawanie się gazów z powietrza znajdującego się w płucach do naczyń włosowatych oplatających pęcherzyki płucne i odwrotnie. Ta wielka powierzchnia i powolny przepływ krwi w naczyniach włosowatych sprawiają, że dostająca się do płuc krew zdąży się natlenować. Kierunek dyfuzji jest tu oczywisty: wdychane powietrze zawiera dużo tlenu, a krew doprowadzana z narządów zawiera go mało, gdyż został zużyty w tkankach.
W tym samym czasie dochodzi w płucach do dyfuzji dwutlenku węgla (CO2). Odbywa się ona w przeciwnym kierunku. Duże ilości tego gazu powstają w procesach metabolicznych w tkankach. Przenika on do krwi włośniczkowej i dostaje się z nią do płuc. Tam nadmiar CO2 jest uwalniany do powietrza i wydychany.
Mechanizmy te są oczywiście bardziej skomplikowane (na proces wymiany gazów ma wpływ np. pH środowiska w płucach i w narządach obwodowych). Jednak głównym elementem całego procesu jest dyfuzja zachodząca na granicy naczyń włosowatych pęcherzyków płucnych i tkanek.
Dyfuzja – możliwe negatywne skutki dla organizmu
Procesy związane z dyfuzją mogą mieć dla organizmu nie tylko pozytywne skutki, ale również negatywne, np.:
- jeśli na skórze człowieka znajdzie się substancja toksyczna lub trująca, to na skutek dyfuzji będzie przenikać ona przez powłoki i przedostawać się do głębszych tkanek i krwioobiegu, zatruwając organizm,
- jeśli substancja toksyczna znajdzie się we wdychanym powietrzu – dostając się do płuc, będzie dyfundować do krwioobiegu i rozprzestrzeniać się w całym ciele,
- jeśli człowiek znajdzie się w środowisku z dużą zawartością CO2 w powietrzu, to stężenia tego gazu w powietrzu wdychanym i krwi mogą się wyrównać, dyfuzja i wydalanie tego produktu przemiany materii zostaną zahamowane, a nadmiar dwutlenku węgla wyprodukowanego przez organizm doprowadzi do zatrucia.
Problem dotyczy także przypadków chorób układu oddechowego, przebiegających ze zmniejszeniem powierzchni wymiany gazowej. Rozedma, zwłóknienie i marskość płuc, czy nawet obfity wysięk (choćby w przebiegu masywnego zapalenia płuc) mogą doprowadzić do ograniczenia dyfuzji i wymiany gazowej, a w efekcie do niewydolności oddechowej.
