Difuzija ir osmozė yra du pagrindiniai medžiagų pernašos procesai, vykstantys gyvųjų organizmų ląstelėse ir aplinkoje. Nors abu procesai susiję su medžiagų judėjimu ir pasižymi tam tikrais panašumais, jie turi esminių skirtumų, lemiančių jų funkcijas ir reikšmę biologiniuose bei cheminiuose procesuose. Šiame straipsnyje išnagrinėsime, kas yra difuzija ir osmozė, kaip šie procesai vyksta ir kuo jie skiriasi.
Difuzijos apibrėžimas ir esmė
Difuzija yra medžiagų judėjimo procesas nuo didesnės jų koncentracijos vietos link mažesnės koncentracijos vietos, kol pasiekiamas koncentracijos pusiausvyros būsenos. Tai yra savaiminis (pasyvus) procesas, kuriam įvykti nereikia išorinės energijos. Difuzija yra labai svarbi gyvųjų organizmų ląstelėse, nes perneša maisto medžiagas, deguonį ir kitas būtinas medžiagas per ląstelės membraną.
Difuzija - tai žodis, kilęs iš lotynų kalbos, kuriame atspindima idėja apie plitimą, sklaidą arba išsisklaidymą. Lotyniškas šio žodžio šaknis yra diffusio, kuri reiškia "sklaidą" arba "išplatinimą".
Difuzijos procesai ir veiksniai
Difuzija sukelia medžiagų koncentracijos, chemiškai potencialo (termo-difuzija), slėgio (barodifuzija) skirtumus, išorinį elektrinį lauką elektro difuzija.
Koncentracijų skirtumas. Kuo didesnė koncentracija, tuo greičiau vyksta difuzija. Difuzijos greitis tiesiogiai proporcingas koncentracijos gradientui.
Difuzija greičiau vyksta pro plonytes membranas, nes dalelėms reikia nueiti trumpesnį kelią. Juo ląstelė didesnė, tuo jos paviršiaus ploto ir tūrio santykis mažesnis. Tai reiškia, kad santykiškai sumažėja plazmolemos, pro kurią gali vykti difuzija, paviršiau plotas, tačiau kai kurios ląstelės geba padidinti savo paviršiaus plotą, pvz., epitelio ląstelės mikrogaureliais.
Difuzijos greitis priklauso nuo:
- Temperatūros;
- Skysčio klampumo.
Difuzija skirtingose būsenose
Sparčiausiai difuzija vyksta dujose, lėčiau skysčiuose ir dar lėčiau - kietuosiuose kūnuose. Dujose difuzija tuo stipresnė kuo ilgesnis molekulių šiluminio judesio laisvasis kelias. Kietuosiuose kūnuose - atomai peršoka į tuščius kristalinės gardelės mazgus, juda tarp jų arba pasikeičia vietomis su gretimais atomais.
Dujose difuzija, palyginus su difuzija skysčiuose ir tuo labiau kietose medžiagose, yra labai greita. Nekoringose medžiagose, stikle arba metaluose dujos difunduota labai lėtai.
Difuzijos dėsniai ir matematinis aprašymas
Difuzija kiekybių nusako fizikos dėsniai. Difuzijos greitis yra proporcingas plotui, per kurį ji vyksta, ir difunduojančios medžiagos koncentracijos gradientui dc/dx. Dažnai pasitaiko, kad difuzijos procesas pasidaro stacionarus, t.y difuzija vyksta esant pastoviam koncentracijos gradientui visame jos kelyje. Taip atsitinka kai difuzija vyksta, iš sotaus tirpalo, kurio kkoncentraciją nuolatos papildo tou pat metu vykstantis kietos medžiagos perteklius.
Difuziją aprašo Fiko dėsnis, nusakantis pernešamos medžiagos masės kiekį per vienetinį skerspjūvio plotą pper laiko vienetą.
čia D = 1×10-11ø100×10-11 m2/s difuzijos konstanta, S - skysčio ar dujų srauto skerspjūvio plotas, C1 ir C2 atitinkamai koncentracijos pakitus sluoksnio storiui l.
Difuzija ir osmosas: skirtumai
Osmozė yra specifinė difuzijos rūšis, kurioje tirpiklis (dažniausiai vanduo) juda per pusiau pralaidžią membraną iš mažesnės tirpalo koncentracijos srities į didesnės koncentracijos sritį. Šis procesas taip pat yra savaiminis ir vyksta siekiant suvienodinti tirpalo koncentraciją abiejose membranos pusėse.
Difuzija ir osmozė yra du esminiai medžiagų pernašos procesai, tačiau jie skiriasi savo specifika ir taikymo sritimis. Difuzija apima bet kokių medžiagų judėjimą nuo aukštesnės iki žemesnės koncentracijos, nepriklausomai nuo to, ar yra naudojama pusiau pralaidi membrana. Tuo tarpu osmozė specifiškai susijusi su tirpiklio, paprastai vandens, judėjimu per pusiau pralaidžią membraną iš vietos su mažesne tirpalo koncentracija į vietą su didesne tirpalo koncentracija.
Osmosas yra vandens molekulių difuzija pro puslaidę membraną iš mažos koncentracijos į didelės koncentracijos tirpalą. Membrana vienas molekules praleidžia, kitas sulaiko. Tokia membrana vadinasi puslaide.
Difuzija biologiniuose procesuose
Dauguma žmogaus organizmo skysčių, elektrolitai, amino rūgštys, įvairios dujos ir gliukozė, difunduoja per ląstelių membranas. Kai kurioos virškinant susidariusios medžiagos difunduoja pro žarnų sienelės į kraują.
Daugelių ląstelių membranos yra pralaidžios vandeniui, bet nepralaidžios kitoms vandenyje ištirpusioms molekulėms. Vadinasi, vanduo gali patekti į ląstelę, bet tam tikros ląstelės komponentės negali palikti ląstelės. Šis procesas (tirpiklio difuzija per membraną mažesnės koncentracijos kryptimi) vadinamas osmosu.
Praktinis difuzijos panaudojimas
Metaluose difuziniai procesai pagrįsti metalų difuzija. Difuziniais procesais sukepinami metalų milteliai (miltelių metalurgija ) gerinamos metalų ir jų lydinių mechanika bei cheminėmis ir fizinėmis savybėmis (terminis apdirbimas ), įsotinamas metalų ar jo lydinių paviršius įsotinamas kitomis medžiagomis ( termocheminis apdirbimas, difuzinė metalizacija ) homogenizuojami lydiniai. Ištyrus medžiagų difuzija išvengiama nepageidaujamų medžiagų pasikeitimų.
Edukaciniai užsiėmimai apie difuziją ir osmosą
Vasario 27 dieną šeštos klasės mokiniai su fizikos mokytoja Vilma Mekionyte vyko į Kauno tvirtovės VII fortą, gamtos ir tiksliųjų mokslų mokyklą. Dalyvavo STEAM edukacinėse programose: ,,Šalčio kerai“, ,,Difuzija ir Osmosas“. Kitos edukacijos metu mokiniai sužinojo kokius procesus vadiname difuzija ir osmosu, išsiaiškino, kuo šie procesai skiriasi vienas nuo kito bei kokios savybės juos sieja. Visi šeštokai tyrė, kokia yra temperatūros įtaka difuzijai bei kokiuose skysčiuose ji vyksta greičiausiai. Mokiniai programos metu taip pat atliko tyrimą ir bandė išsiaiškinti osmoso įtaką želiniams guminukams. Išsiaiškinome, kad didžiausias guminukas užaugo distiliuotame vandenyje.
Baltymų vaidmuo pernašos procesuose
Medžiagų pernašos - transportinė: į lastelę ir iš jos keliauja vandu, mineralinės ir organinės medžiagos (funkciją atlieka baltymai).
Yra tik du tokių baltymų tipai - kanalų baltymai ir baltymai nešikliai. Baltymai nešikliai, kanalų baltymai - reguliuoja ir tiesiogiai dalyvauja vandenyje tirių jonų ir tam tikrų molekulių pernašoje pro membraną. Kanalų baltymai sudaro tunelį skersai membraną , taigi juo gali judėti jonai. Baltymai nešikliai funkciją atlieka daug sudėtingiau.
Paprastai kiekvienas kanalų baltymas yra specifiškas. Tai reiškia, kad kiekvienas baltymas gali praleisti tik vieno tipo jonus. Kanalo baltymo tunelis panašiai kaip vartai gali atsiverti arba užsiverti. Tai lemia ląstelės poreikiai.
Ląstelės komponentai ir jų funkcijos
Kiti ląstelės komponentai ir jų funkcijos:
- Receptoriniai baltymai - atpažįsta ląsteles paviršiuje esančias tam tikras molekules, kaip antai hormonus, ir ju jomis susijungia.
- Cholesterolis - įsiterpia tarp fosfolipidų molekulių, todėl membrana pasidaro tvirtesnė.
- Glikoproteinai - junginiai, sudaryti iš susijungusių baltymų (proteinų) ir angliavandenių. Svarbūs ląstelėms atpažįstant vienoms kitas.
Osmosas augalinėse ir gyvūninėse ląstelėse
Osmosas augalinėse ląstelėse. Osmosas gyvūninėse ląstelėse Kas būtų raudoniesiems kraujo kūneliams , jeigu juos įdėtume į distiliuotą vandenį. O kas būtų , jeigu raudonuosius kraujo kūnelius įdėtume į koncentruotą valgomosios druskos tirpalą.
Apibendrinimas
Difuzija yra esminis procesas, užtikrinantis medžiagų pernašą įvairiose sistemose, o osmosas - ypatingas difuzijos atvejis, svarbus biologinėms sistemoms. Šių procesų supratimas leidžia geriau suvokti gyvybės mechanizmus ir pritaikyti žinias praktinėse srityse.