生物学中的扩散定义

扩散是指分子从高浓度区域转移到低浓度区域的过程。

扩散的含义

任何物质（如原子、离子、粒子或能量）从一个高浓度区域向另一个低浓度区域的整体运动称为扩散。扩散是由吉布斯自由能或化学势的梯度驱动的。在量子物理学中，扩散这个术语被用来描述波包的传播。最简单的例子是，随着时间的推移，高斯波包的能量在空间维度上移动时会扩散。原子可能通过“向上”扩散，即从低浓度区域流向高浓度区域，这类似于旋节分解。由于扩散实体的内在不确定性，扩散是一个不可预测的过程，可用于模拟现实世界中发生的各种不可预测的情况。

“扩散”一词广泛应用于多个学科，包括物理学（粒子扩散）、生物科学、化学、社会学、统计学、经济学、数据科学和财务管理（人员、思想、数据和价格值的扩散）。这些领域使用源自统计物理学的相同或相关数学模型来模拟随机系统。它们都遵循扩散的基本概念，即一种物质或集合从其浓度较高的地方扩散开来。梯度是由于另一个变量（通常是距离）的变化而导致的某个量的值得变化，例如浓度、压力或温度。术语“浓度梯度”、“压力梯度”和“温度梯度”用于描述在给定距离上的浓度、压力和温度的变化。

扩散的特点是，混合或质量移动无需定向的整体运动即可发生，因为它依赖于随机的粒子行走。平流是整体运动或整体流的一个特性。对流是将这两种输运现象结合起来的科学术语。

扩散的类型

扩散在物理学、化学和生物学等多个学科中都有广泛应用。扩散可分为两大类：简单扩散和协助扩散：

1. 简单扩散

物质在没有转运蛋白协助的情况下穿过半透膜或溶液的活动。例如，在细胞质中，细菌利用简单扩散来供应微量营养素、水和氧气。

2. 协助扩散

协助扩散是指当分子通过载体分子被动地从高浓度区域移动到细胞膜的低浓度区域时发生的。

• 透析：在透析过程中，溶质在选择性渗透膜上扩散。当一个膜只允许有限数量的离子和分子通过，同时阻止其他物质通过时，这个膜就被称为选择性渗透膜。
• 渗透：溶剂分子通过半透膜从一个低浓度区域向另一个低浓度区域渗透。由于水是所有生物体的溶剂，生物学家将渗透理解为液体水通过选择性渗透膜的扩散。例如，植物通过渗透作用从根部吸收矿物质和水。

影响扩散的因素

物质扩散的介质、通过分子的尺寸、溶液的温度以及碰撞之间的距离只是影响扩散速率的因素中的一部分。虽然扩散发生在具有浓度梯度的化学品环境中，但有几个因素会影响扩散速率。一些因素会影响扩散过程，它们各自对扩散的速率和范围产生影响，无论是单独还是集体。这些因素包括：

• 浓度梯度的大小：浓度差异越大，扩散越快。当物质分布接近平衡时，扩散速率会减慢。
• 扩散分子质量：扩散速度会因分子质量而减慢，因为较重的分子移动较慢。此外，较轻的分子扩散得更快。
• 温度：由于在较高温度下分子移动速度更快，因此需要更多能量。在较低温度下，由于分子能量降低，扩散速率减慢。
• 溶解性：极性化合物穿过质膜的速度比非极性或脂溶性化合物慢。

扩散与整体流的区别

“整体流”是指整个身体由于压力梯度而移动或流动，例如从水龙头放水。当没有物质净流动时，“扩散”是指由于身体内的浓度梯度引起的浓度缓慢移动或分散。人类呼吸是结合了扩散和整体运动的机制的一个例子。

首先是“整体流”过程。随着外呼吸过程的开始，容纳肺部的胸腔扩大。这种扩张导致肺泡体积增加，从而降低了其内部压力。结果，肺泡和身体外部的空气之间存在压力差，肺泡的压力相对较低，而外部空气的压力相对较高。空气沿着压力梯度流经肺部气道并进入肺泡，直到空气压力和肺泡压力相等；一旦没有压力梯度，整体空气流就停止发生。

第二个过程是“扩散”。进入肺泡的空气中的氧气含量高于已有的“陈旧”空气。随着氧气浓度的升高，在肺泡周围毛细血管的血液和肺泡内的空气之间产生氧气浓度梯度。然后，氧气沿着浓度梯度扩散到血液中。由于空气进入肺泡，肺泡中的二氧化碳浓度降低。由于新鲜空气中二氧化碳的含量远低于体内的血液，因此存在一个浓度梯度，使得二氧化碳可以从血流进入肺泡。

第三种是另一种“整体流”过程。然后，心脏的泵血功能将血液输送到全身。心脏左心室收缩时，其容积减小，导致心室压力升高。由于毛细血管和心脏之间因此产生了压差，血液通过血管以整体流的形式沿着梯度流动。

扩散的重要性

各种生命过程都涉及到扩散这一关键机制。如前所述，它是粒子、离子、分子、溶液等的整体分散。扩散对于所有生物体中分子通过细胞代谢至关重要。

以下是扩散重要的几个原因

• 通过细胞膜，这种技术在呼吸过程中帮助二氧化碳气体扩散到血液中。植物细胞中也发生扩散。所有绿色植物的根毛细胞都允许土壤中的水扩散到植物中。
• 神经元之间通过扩散进行离子传输，产生电荷。
• 扩散促进了物质在人体细胞内外的移动。
• 肺部与气体：在呼吸过程中，扩散允许氧气和二氧化碳气体进出细胞。
• 扩散有助于人体肾脏交换气体、水、盐和废物。这些有害物质作为尿液从我们体内排出。
• 皮肤外层与温度：当体温升高时，人体需要降温。为了通过排汗来冷却身体，热量因此在扩散过程中被排出。当皮肤上的水分蒸发时，它会散失热量并降温。

扩散的例子

• 如果您打开碳酸饮料瓶，瓶中的二氧化碳气泡会开始消失，使其变得无气。
• 血液将二氧化碳和氧气扩散到身体细胞以及从身体细胞中扩散出来。
• 合金中也可能发生扩散，例如将铜扩散到铜合金中。
• 食物的香气在空气中飘散并传到您那里。
• 从植物的叶细胞中，氧气扩散到大气中。
• 香水可以被闻到，因为它溶解在空气中并进入您的鼻子。
• 当加入几颗高锰酸钾晶体时，它会扩散到水中并将其染成紫色。
• 在热水中泡茶包的蒸汽会渗透到水中。
• 烟草烟雾会消散到大气中。
• 当热量通过传导传递时，例如当一杯热液体放在那里时，热量会分散。