Что такое диффузия физиология
Что такое диффузия физиология
После поступления свежего воздуха в альвеолы начинается следующий этап дыхательного процесса: диффузия кислорода из альвеол в кровь и диффузия двуокиси углерода в обратном направлении — из крови в альвеолы. Процесс диффузии представляет собой беспорядочное движение молекул, прокладывающих себе дорогу через дыхательную мембрану и жидкости во всех направлениях. Однако в физиологии дыхания нас интересуют не только основные механизмы диффузии, но и ее скорость, что представляет собой намного более сложную проблему и потребует более глубоких знаний в области физики диффузии и обмена газов.
Физические основы диффузии и парциальные давления газов
Все газы, представляющие интерес для физиологии дыхания, являются простыми молекулами, которые свободно перемещаются в смеси. Этот процесс называют диффузией. Это справедливо и для газов, растворенных в жидкостях и тканях тела.
Для процесса диффузии необходимо наличие источника энергии. Энергия производится кинетическим движением самих молекул. При температуре выше абсолютного нуля молекулы находятся в постоянном движении. Это значит, что свободные молекулы, не связанные с другими молекулами, двигаются линейно на высокой скорости до встречи с другими молекулами. После столкновения их движение получит новое направление — до следующего столкновения. Таким образом, молекулы находятся в быстром и случайном движении среди себе подобных.
а) Диффузия газа одном направлении. Влияние градиента концентрации. Если в емкости или в растворе концентрация одного газа в одной зоне высокая, а в другой — низкая (для облегчения понимания просим вас изучить рисунок ниже), то суммарная диффузия газа будет направлена от зоны с высокой концентрацией в зону с низкой концентрацией: на рисунке в зоне А находится больше молекул, способных двигаться в направлении зоны Б, чем молекул, которые могут переместиться в обратном направлении, поэтому диффузия в каждом из направлений пропорциональна концентрации молекул, что на рисунке демонстрирует длина стрелок.
Диффузия кислорода из одной зоны (А) в другую (Б). Разница в длине стрелок представляет величину конечной диффузии
б) Давление газов в газовой смеси. Парциальные давления отдельных газов. Давление создается множественными ударами движущихся молекул о поверхность, поэтому давление газа на поверхности дыхательных ходов и альвеол пропорционально суммарной силе ударов о поверхность всех молекул данного газа в данный момент, т.е. давление газа прямо пропорционально концентрации молекул газа.
В физиологии дыхания мы имеем дело со смесями газов, состоящих главным образом из кислорода, азота и двуокиси углерода. Скорость диффузии каждого из них прямо пропорциональна давлению, создаваемому только этим газом, и это давление называют парциальным давлением данного газа. Далее приводим объяснение концепции парциального давления.
Воздух состоит примерно из 79% азота и 21% кислорода. Общее давление этой смеси на уровне моря равно 760 мм рт. ст. Из приведенного ранее объяснения молекулярных основ возникновения давления ясно, что доля каждого газа в давлении их смеси находится в прямой пропорции с его концентрацией, поэтому 79% из 760 мм рт. ст. давления воздуха создается азотом (600 мм рт. ст.) и 21% — кислородом (160 мм рт. ст.). Таким образом, парциальное давление азота в смеси составляет 600 мм рт. ст., парциальное давление кислорода — 160 мм рт.ст., а общее давление (760 мм рт. ст.) является суммой отдельных парциальных давлений. Парциальное давление отдельных газов обозначают PCO2, PO2, PN2, PH2O, PHe и т.д.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Что такое диффузия физиология
Диффузию через клеточную мембрану разделяют на два подтипа: простую диффузию и облегченную диффузию. Простая диффузия означает, что кинетическое движение молекул или ионов происходит через отверстие в мембране или межмолекулярные пространства без какого-либо взаимодействия с мембранными белками-переносчиками. Скорость диффузии определяется количеством вещества, скоростью кинетического движения, числом и размером отверстий в мембране, через которые могут перемещаться молекулы или ионы.
Облегченная диффузия требует взаимодействия с белком-переносчиком, который способствует транспорту молекул или ионов, связываясь с ними химически и в такой форме курсируя через мембрану.
Простая диффузия может происходить сквозь клеточную мембрану двумя способами: (1) через межмолекулярные промежутки липидного бислоя, если диффундирующее вещество растворимо в жирах; (2) через заполненные водой каналы, пронизывающие некоторые крупные транспортные белки, как показано на рис. 4-2 слева.
Транспортные пути через клеточную мембрану и основные механизмы транспорта.
Диффузия жирорастворимых веществ через липидный бислой. Одним из наиболее важных факторов, определяющих скорость диффузии вещества через липидный бислой, является его растворимость в липидах. Например, кислород, азот, углекислый газ и спирты имеют более высокую растворимость в липидах, поэтому могут непосредственно растворяться в липидном бислое и диффундировать через клеточную мембрану точно так же, как диффундируют водорастворимые вещества в водных растворах. Очевидно, что величина диффузии каждого из этих веществ прямо пропорциональна их растворимости в липидах. Этим путем может транспортироваться очень большое количество кислорода. Таким образом, кислород может доставляться внутрь клеток практически так же быстро, как если бы клеточной мембраны не существовало.
Диффузия воды и других нерастворимых в жирах молекул через белковые каналы. Несмотря на то, что вода совсем не растворяется в липидах мембраны, она легко проходит через каналы в белковых молекулах, пронизывающих мембрану насквозь. Поражает быстрота, с которой молекулы воды могут двигаться сквозь большинство клеточных мембран. Например, общее количество воды, которое диффундирует в любом направлении через мембрану эритроцита в секунду, примерно в 100 раз больше, чем объем самой клетки.
Сквозь каналы, представленные белковыми порами, могут проходить и другие нерастворимые в липидах молекулы, если они растворимы в воде и достаточно малы. Однако увеличение размеров таких молекул быстро снижает их проникающую способность. Например, возможность проникновения мочевины через мембрану примерно в 1000 раз меньше, чем воды, хотя диаметр молекулы мочевины всего на 20% больше диаметра молекулы воды. Тем не менее, учитывая поразительную скорость прохождения воды, проникающая способность мочевины обеспечивает ее быстрый транспорт через мембрану в течение нескольких минут.
Диффузия через белковые каналы
Компьютерные трехмерные реконструкции белковых каналов продемонстрировали наличие трубчатых структур, пронизывающих мембрану насквозь — от внеклеточной до внутриклеточной жидкости. Следовательно, вещества могут двигаться по этим каналам путем простой диффузии с одной стороны мембраны на другую. Белковые каналы отличаются двумя важными особенностями: (1) они часто избирательно проницаемы для определенных веществ; (2) многие каналы могут открываться или закрываться с помощью ворот.
Избирательная проницаемость белковых каналов. Многие белковые каналы высокоизбирательны для транспорта одного или нескольких специфических ионов или молекул. Это связано с собственными характеристиками канала (диаметром и формой), а также с природой электрических зарядов и химических связей выстилающих его поверхностей. Например, один из важнейших белковых каналов — так называемый натриевый канал — имеет диаметр от 0,3 до 0,5 нм, но, что более важно, внутренние поверхности этого канала заряжены сильно отрицательно. Эти отрицательные заряды могут затягивать мелкие дегидратированные ионы натрия внутрь каналов, фактически вытягивая эти ионы из окружающих их молекул воды. Оказавшись в канале, ионы натрия диффундируют в любом направлении согласно обычным правилам диффузии. В связи с этим натриевый канал специфически избирателен для проведения ионов натрия.
Эти каналы несколько меньше, чем натриевые каналы, их диаметр составляет лишь около 0,3 нм, однако они не заряжены отрицательно и имеют иные химические связи. Следовательно, нет выраженной силы, тянущей ионы внутрь канала, и ионы калия не освобождаются от их водной оболочки. По размеру гидратированная форма иона калия значительно меньше гидратированной формы иона натрия, поскольку ион натрия притягивает гораздо больше молекул воды, чем ион калия. Следовательно, более мелкие гидратированные ионы калия легко могут проходить через этот узкий канал, в то время как более крупный гидратированный ион натрия «выбраковывается», что и обеспечивает избирательную проницаемость для специфического иона.
Транспорт ионов натрия и калия через белковые каналы. Показаны также конформационные изменения в белковых молекулах, открывающие или закрывающие ворота каналов.
Что такое диффузия физиология
Простейшим процессом перемещения вещества является диффузия. В растворах (или газах) атомы и молекулы перемещаются свободно, а разность концентраций уравновешивается благодаря диффузии. Рассмотрим два объема, заполненные жидкостью или газом (рис. 1.3), в которых вещества имеют концентрации c1 и с2 и разделены слоем с площадью поверхности А и толщиной d. Поток вещества m за время t описывается первым законом диффузии Фика:
где D-коэффициент диффузии, постоянный для данного вещества, растворителя и температуры. В более общем виде для разности концентраций dc на расстоянии dx
поток через сечение А пропорционален градиенту концентрации dc/dx. Знак «минус» возникает в уравнении потому, что изменение концентрации по направлению х-отрицательно.
Диффузия-это наиболее важный процесс, благодаря которому большая часть молекул в водных растворах перемещается на небольшие расстояния. Это относится и к их движению в клетке постольку, поскольку диффузии не препятствуют мембраны. Множество веществ могут свободно диффундировать через липидные мембраны, в особенности вода и растворенные газы, такие, как 02 и С02. Жирорастворимые вещества также хорошо диффундируют через мембраны; это касается и полярных молекул достаточно малого размера, таких, как этанол и мочевина, тогда как сахара проходят через липидный слой с трудом. Вместе с тем липидные слои практически непроницаемы для заряженных молекул, в том числе даже для неорганических ионов.
На рисунке сравниваются проницаемости (Р) липидной мембраны для различных молекул.
ДИФФУЗИЯ
ДИФФУЗИЯ (лат. diffusio распространение, растекание) — процесс самопроизвольного взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга за счет теплового движения частиц вещества. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведет к равномерному распределению веществ по всему занимаемому ими объему. В биологических объектах Диффузия является основным процессом, обеспечивающим направленный поток вещества во время жизнедеятельности организма (поступление газов, воды, минеральных солей и т. д.). У человека в основном за счет Диффузии происходит газообмен в легких и тканях (см. Газообмен), водно-солевой обмен (см.), всасывание продуктов пищеварения в кишечнике (см. Всасывание), генерирование потенциала действия в нервных и мышечных клетках (см. Биоэлектрические потенциалы) и другие процессы жизнедеятельности. Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологических процессах (адсорбции, цементации, диффузионной сварке, диффузионной металлизации и др.).
Диффузия происходит в газах, жидкостях и твердых телах; диффундировать могут как находящиеся в них посторонние частицы (гетеродиффузия), так и собственные частицы (самодиффузия). Скорость Д. зависит от многих факторов: плотности и вязкости среды, температуры, природы диффундирующих частиц, воздействия разного рода внешних сил и т. д. Наиболее быстро Д. происходит в газах, медленнее в жидкостях и еще медленнее в твердых телах, что определяется характером теплового движения частиц в этих средах.
Dt и является коэффициентом Д. Соотношение было выведено Эйнштейном (A. Einstein) и справедливо для Д. в любых средах. Коэффициент Д. обратно пропорционален давлению газа и увеличивается с возрастанием температуры. С увеличением молекулярной массы диффундирующего вещества Д. уменьшается.
Диффузия в газах. Каждая частица газа движется по ломаной траектории, т. к. при столкновении частицы меняют направление и скорость движения. В силу этого скорость поступательного движения гораздо меньше скорости свободного движения молекул (так, скорость распространения запахов намного меньше скорости движения молекул пахучих веществ).
Диффузия в жидкостях рассматривается как движение с трением; для анализа применяют второе соотношение Эйнштейна: D
Диффузия в твердых телах осуществляется за счет обмена местами атомов с незанятыми узлами кристаллической решетки (вакансиями), прямого обмена двух соседних атомов, одновременного циклического перемещения нескольких атомов, движения атомов и ионов через междоузлия кристаллической решетки и т. д. Коэффициент Д. в твердых телах в большой степени зависит от дефектов кристаллической структуры, возникающих при нагреве, деформациях, напряжениях и других воздействиях. Так, коэффициент Д. цинка в медь при повышении температуры с 20 до 300° возрастает в 1014 раз.
В полимерах Д. происходит за счет теплового движения молекул полимера или их отдельных участков. На этом свойстве основано явление адгезии (слипание) полимеров. Диффундировать в полимерных материалах могут и частицы посторонних веществ. Так, газопроницаемость полимерных пленок является результатом последовательно протекающих процессов: растворение газа в пограничном слое пленки, Д. растворенного вещества через полимер и выделение молекул газа с другой стороны пленки. Газопроницаемость полимерных материалов зависит от гибкости цепных макромолекул, от физ. состояния полимера, от природы диффундирующих частиц. При кристаллизации, поперечном «сшивании» молекул (вулканизации) с ростом межмолекулярных сил и плотности упаковки газопроницаемость уменьшается.
Д. низкомолекулярных веществ через полимерную пленку осуществляется аналогично. Коллоидные вещества слабо диффундируют, а коллоидные р-ры почти не обнаруживают способности к Д. В то же время Д. низкомолекулярных веществ в коллоидных р-рах низкой концентрации почти не отличается от Д. в чистом растворителе. С увеличением концентрации коллоидного р-ра скорость Д. в нем низкомолекулярных веществ снижается. Д. в гелях зависит от концентрации и природы структурообразующего вещества и от природы и строения частичек диффундирующего вещества.
Единица коэффициента Д. в Международной системе единиц (СИ) — м 2 /сек, единица потока Д. — 1/м 2 •сек или кг/м 2 •сек.
Диффузионный поток. На практике существенное значение имеет не Д. отдельных частиц, а поток вещества, движущийся в сторону меньшей концентрации (диффузионный поток). Диффузионный поток (J) выражается через разность частиц, пересекающих единицу площади в прямом и обратном направлении за единицу времени (закон Фика): j = dm = —DS((C1-C2)/(X1-X2))dt = — DS(dC/dx)dt, где dm — количество частиц вещества, диффундирующих за время dt при градиенте концентрации dC/dx, D — коэффициент диффузии; знак минус указывает, что перемещение происходит в направлении убыли концентрации частиц. Для биол, систем коэффициент Д. заменяют коэффициентом проницаемости P
Диффузия в биологических системах
Д. играет важную роль в биологич. системах, обеспечивая поступление газов, воды, минеральных веществ в ткани растений и животных. За счет Д. происходят процессы газообмена в легких и тканях, обмена воды и солей в почках, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, генерирование потенциала действия в нервных и мышечных клетках, перенос молекул медиатора в синапсах, перемещение веществ внутри клетки и т. д. Расчет диффузионных потоков растворенных веществ через мембраны клеток проводят по уравнению Фика, в к-ром коэффициент Д. заменен на коэффициент проницаемости; по уравнению Фика расчитывают Д. газов и воды, заменяя при этом разность концентраций значениями разности давления газов или осмотического давления по обе стороны мембраны клетки. В большинстве случаев скорость Д. через мембраны меньше скорости свободной Д., что свойственно большинству молекул, имеющих средний размер или заряд, взаимодействующий с заряженной мембраной (большинство анионов)— ограниченная Д. В том случае, когда молекулы и ионы самостоятельно не могут проникать или слабо проникают через биол, мембраны, а при взаимодействии с нек-рыми веществами («переносчиками») их проницаемость увеличивается, говорят об облегченной Д. Такая Д. характерна для ряда сахаров, аминокислот и других органических соединений.
Конечная концентрация молекул или ионов в клетке и окружающей среде мало зависит от скорости их Д. через мембраны. Распределение ионов и молекул между клеткой и средой зависит от их хим. сродства к веществам цитоплазмы, сорбционных процессов, физ. растворения и других процессов, протекающих неодинаково в цитоплазме и окружающей клетку жидкости (см. Клетка). Кроме того, перераспределение ионов зависит от процессов, направленных против концентрационного (электрохимического) градиента и происходящих с затратой энергии — так наз. активный транспорт (см. Транспорт ионов). Поступление биополимеров (белков, нуклеиновых к-т) может происходить за счет механизмов пиноцитоза (см.) и фагоцитоза (см.).
Гиршфельдер Д., Кертисс Ч. и Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Пост X. Физиология клетки, пер. с англ., М., 1975; Никольский H. Н. и Трошин А. С. Транспорт сахаров через клеточные мембраны, Л., 1973, библиогр.; Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике, М., 1967; Ходоров Б. И. Проблема возбудимости, JI., 1969, библиогр.; Шьюмон П. Диффузия в твердых телах, пер. с англ., М., 1966.
Что такое диффузия физиология
Актуальность работы
Диффузия – фундаментальное явление природы. Оно лежит в основе превращений вещества и энергии. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни.
Сущность диффузии – движение частиц среды, приводящее к переносу веществ и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения частиц данного вида в среде. Диффузия молекул и атомов обусловлена их тепловым движением.
Диффузия является также фундаментальным процессом, лежащим в основе функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц (электронная диффузия) и заканчивая биосферным уровнем (круговоротом веществ в биосфере).
Она играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике. Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.
С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.
Цель работы: Исследовать особенности протекания диффузии в газах, жидкостях и в твердых телах и выяснить применение диффузии человеком и проявление диффузии в природе, рассмотреть влияния диффузионных процессов на экологическое равновесие в природе и влияние человека на процессы диффузии.
1. Сущность диффузии
Демонстрирует диффузию в газах, разбрызгивая в углу класса дезодорант. Распространение запаха объясняется движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы дезодоранта много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.
Процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения называется диффузией (от лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание). Таким образом, диффузия – результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.
Движения частиц при диффузии совершенно случайны, все направления смещения равновероятны,
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объема сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами четко видна граница раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.
Граница между веществами расплывается (рис.1б). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во все более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится еще более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит, в конце концов, к тому, что раствор в сосуде становится однородным (рис.1в).
а) 
б) 
в) 
Рис.1. Объяснение явления диффузии
2. Диффузия в природе
С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния.
Результатом этого явления может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком.
Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжелого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот инертные газы.
В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…»
В жидкостях диффузия протекает медленнее, чем в газах, но этот процесс можно ускорить, с помощью нагревания. Например, чтобы быстрее засолить огурцы, их заливают горячим рассолом. Мы знаем, что в холодном чае сахар растворится медленнее, чем в горячем.
Летом, наблюдая за муравьями, я всегда задумывалась над тем, как они в огромном для них мире, узнают дорогу домой. Оказывается, и эту загадку открывает явление диффузии. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости
Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.
А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.
Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.
Экология окружающей среды ухудшается за счет выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это все распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.
На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.
Во всех приведенных примерах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т.е. диффузию. На этом процессе основаны многие физиологические процессы в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание и др. В общем, диффузия имеет большое значение в природе, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды.
2.1. Диффузия в растительном мире
К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счет веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счет другого, соседнего, – везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия».
Действительно, в растительном мире очень велика роль диффузии. Например, большое развитие листовой кроны деревьев объясняется тем, что диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет не только функцию дыхания, но частично и питания. В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.
Большую роль играют диффузные процессы в снабжении природных водоемов и аквариумов кислородом. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.
В процессе обмена веществ, при расщеплении сложных питательных веществ или их элементов на более простые, происходит освобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.
2.2. Роль диффузии в питании растений
Основную роль в диффузионных процессах в живых организмах играют мембраны клеток, обладающие избирательной проницаемостью. Прохождение веществ через мембрану зависит от:
• от присутствия и числа молекул воды;
• от растворимости этих частиц в жирах;
• от структуры мембраны.
Существует две формы диффузии: а) диализ – это диффузия молекул растворенного вещества; б) осмос – это диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану. В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому происходит диффузия из зоны с большей концентрацией в зону с меньшей концентрацией. Затем концентрация воды в этих клетках становится выше чем в вышележащих – возникает корневое давление, обуславливающее восходящий ток сока по корням и стеблю, а потеря воды листьями обеспечивает дальнейшее поглощение воды.
Минеральные вещества в растение поступают: а) путем диффузии; б) иногда путем активного переноса против градиента концентрации, сопровождающееся расходом энергии. Различают также тургорное давление – это давление, оказываемое содержимым клетки на клеточную стенку. Оно почти всегда ниже осмотического давления клетки сока, т.к. снаружи находится не чистая вода, а солевой раствор. Значение тургорного давления:
— сохранение формы растительного организма;
— обеспечение роста в молодых клетках растений;
— сохранение упругости растений (демонстрация растений кактуса и алоэ);
— формообразование при отсутствии арматурной ткани (демонстрация помидора).
3. Применение диффузии в медицине
Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек.
Применение аппарата «искусственная почка» становится в большей мере терапевтической процедурой, аппарат применяется как в клинике, так и в домашних условиях. С помощью аппарата проводилась подготовка реципиента к первой в мире успешной трансплантации почки, проведенной в 1965 г. академиком Б.В. Петровским.
Аппарат представляет собой гемодиализатор, в котором кровь соприкасается через полупроницаемую мембрану с солевым раствором. Вследствие разности осмотических давлений из крови в солевой раствор сквозь мембрану проходят ионы и молекулы продуктов обмена (мочевина, мочевая кислота), а также различные токсические вещества, подлежащие удалению из организма. Аппарат представляет собой систему из плоских каналов, разделенных тонкими целлофановыми мембранами, по которым встречными потоками медленно движутся кровь и диализат – солевой раствор, обогащенный газовой смесью CO2 + О2 Аппарат подключается к кровеносной системе больного с помощью катетеров, введенных в полую (вход крови в диализат) и локтевую (выход) вены. Диализ продолжается 4-6 ч. Этим достигается очистка крови от азотистых шлаков при недостаточной функции почек, т.е. осуществляется регулирование химического состава крови.
Учитель биологии: Разобраться и понять формы диффузии, осмос и диализ вам поможет следующее сообщение.
4. Применение диффузии в технике и в повседневной жизни
Диффузия находит широкое применение в промышленности и повседневной жизни. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Методом диффузионной сварки без применения припоев, электродов и флюсов соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.
Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены главным образом в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.
Существенную роль в работе ядерных реакторов играет диффузия нейтронов, то есть распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением направления и скорости их движения в результате столкновения с ядрами атомов. Диффузия нейтронов в среде аналогична диффузии атомов и молекул в газах и подчиняется тем же закономерностям.
В результате диффузии носителей в полупроводниках возникает электрический ток, Перемещение носителей заряда в полупроводниках обусловлено неоднородностью их концентрации. Для создания, например, полупроводникового диода в одну из поверхностей германия вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия в нем образовывается р-n – переход, по которому может идти значительный ток при минимальном сопротивлении.
На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целях, так, для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.
5. Влияние человека на протекание диффузии в природе
К сожалению, в результате развития человеческой цивилизации оказывается негативное влияние на природу и процессы, протекающие в ней. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей, океанов. Например, можно быть уверенным, что моющие средства, слитые в канализацию, например, в Одессе, окажутся у берегов Турции из-за диффузии и существующих течений. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире исчисляется десятками триллионов тонн. Примером отрицательного влияния человека на процессы диффузии в природе являются крупномасштабные аварии, произошедшие в бассейнах разных водоемов. В результате этого явления нефть и продукты ее переработки растекаются по поверхности воды и, как результат, нарушаются процессы диффузии, например: кислород не поступает в толщу воды, и рыбы без кислорода погибают.
Вследствие явления диффузии воздух загрязняется отходами разных фабрик, из-за него вредные отходы жизнедеятельности человека проникают в почву, воду, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование животных и растений. Увеличивается площадь земель, загрязненных выбросами промышленных предприятий и т.д. Свыше 2 тыс. гектаров земли занято свалками промышленных и бытовых отходов. Один из трудно решаемых в настоящее время вопросов является вопрос утилизации промышленных отходов, в том числе токсичных.
Насущной проблемой является загрязнение воздуха выхлопными газами, продуктами переработки вредных веществ, выбрасываемыми в атмосферу различными заводами. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.
В некоторых медицинских исследованиях была показана связь заболеваемости органов дыхания и верхних дыхательных путей с состоянием воздуха. Отмечается прямая зависимость между показателем уровня заболеваемости органов дыхания и объемом выбросов вредных веществ в атмосферу. Перечисленные примеры диффузии оказывают вредное влияние на различные процессы, происходящие в природе.
Загрязнение водоемов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры. Такие фильтры установлены, например на ТЭЦ в Ленинском районе Челябинска, но установка их стоит очень дорого. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.
Учитывая глобальное потепление, важно исследовать изменение скорости диффузии в зависимости от повышения температуры окружающей среды.
I опыт. Наблюдение проникновения частицами одного вещества между молекулами другого вещества
Цель: изучить, диффузию твердых веществ и сделать вывод о скорости протекания диффузии.
Приборы и материалы: желатин, перманганат калия, медный купорос, чашка Петрия, пинцет, нагревательный прибор.
Описание опыта и полученные результаты:
Таким образом, диффузия в твердых телах протекает более медленно. Если в окружающую среду попадают, сильные окислители, то они приводят ее к разрушению.
II опыт. Наблюдение растворения кусочков гуаши в воде, при неизменной температуре ( при t = 22°С)
Таким образом, явление диффузии это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.
Ш опыт. Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры и проникновение в продукты питания
Цель: изучить, как температура влияет на скорость протекания диффузии.
Приборы и материалы: термометры – 2 шт, часы – 1 шт, стакан – 1шт, йод, картофель, магнитная мешалка.
Описание опыта и полученные результаты: взяли стакан поместили в него йод и на закрыли стакан разрезанным на половину картофелем при t=22 °С. Через 15 мин от начала эксперимента процесс диффузии не активный. Начали процесс нагревания через 4 мин. Пошел процесс диффузии, через 1 мин, видим, проникновение йода в картофель, через 2 мин.
Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии, что отрицательно влияет на продукты питания.
Таким образом, воздух загрязняется отходами разных фабрик, выхлопными газами автомобилей проникают в продукты питания, а затем оказывают вредное влияние на жизнь и функционирование человека, животных и растений.
IV опыт. Изучение зависимости скорости протекания диффузии газообразных веществ в воду при постоянной температуры
Цель: изучить скорости протекания диффузии газообразных веществ в воду при постоянной температуры и сделать вывод о скорости протекания диффузии.
Приборы и материалы: термометры – 1 шт, часы – 1 шт, колба – 1 шт, вода, йод.
Описание опыта и полученные результаты: в колбу была налита вода одинаковой массы и одинаковой температуры (22 °С), затем в другую колбу была налит растительное масло (5 мл). Растительное масло в нашем опыте имитировало нефть. Колбы закрыли скотчем с приклееным к нему йодом. Наблюдение сняли через 45 минут.
Вода, покрытая пленкой растительного масла, окрасилась очень слабо, то можно судить о том, что и молекулам кислорода труднее проникнуть в воду: рыбы и другие водные обитатели испытывают недостаток кислорода и могут даже погибнуть.
Вывод: наличие различных веществ на поверхности воды нарушает процессы диффузии и может привести к нежелательным экологическим последствиям.
Заключение
Мы видим, как велико значение диффузии в неживой природе, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.
Природа широко использует возможности, заложенные в процессе диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении питания и насыщении кислородом крови. В пламени Солнца, в жизни и смерти далеких звезд, в воздухе, которым мы дышим, всюду мы видим проявление всемогущей и универсальной диффузии.
Таким образом, диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений. Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови – в ткани. Но, к сожалению, люди в результате своей деятельности часто оказывают негативное влияние на естественные процессы в природе.
Изучая диффузию, ее роль в экологическом равновесии природы и факторы, влияющие на ее протекание в природе, я пришла к выводу, что надо привлекать внимание общественности к проблемам окружающей среды.