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Gesundheitslexikon: Diffusion

Diffusion – der chaotische Konzentrationsausgleich

Diffusion beschreibt die Tendenz von Teilchen, sich gleichmäßig im Raum zu verteilen. Das gilt vor allem für die Vermischung von Flüssigkeiten und Gasen untereinander, für Feststoffe nur bedingt. Als Teilchen werden Atome, Moleküle und Ionen bezeichnet. Die Diffusion ist ein passiver Prozess, der im Gegensatz zu aktiven Transportprozessen an Zellmembranen ohne Energiezufuhr auskommt.

Ursachen/Diffusionsvorgang

Die Erklärung für die Tendenz von Teilchen, sich gleichmäßig im Raum zu verteilen, liefert die nach dem schottischen Botaniker Robert Brown benannte ‚Brownsche Molekularbewegung‘. Er hat beschrieben, dass sich Teilchen in einer Flüssigkeit immer bewegen. Diese Bewegungen spielen sich rein zufällig ab, was bedeutet, dass sie nicht gerichtet sind und keinem vorhersehbaren Muster folgen. Durch wiederholte Kollisionen untereinander kommt es zusätzlich immer wieder zu Richtungswechseln. Die Teilchenbewegung ist ein passiver Vorgang, der keine Energie benötigt, aber mit steigender Temperatur an Geschwindigkeit zunimmt. In diesem Sinne unterscheidet er sich biologisch von aktiven Transporten, bei denen Stoffe unter Energieverbrauch auch gegen ein Konzentrationsgefälle transportieren werden können.

In Medien, in denen die Stoffverteilung ungleichmäßig ist, erfolgt die Verteilung immer von dem Ort der höheren zum Ort der niedrigeren Teilchenkonzentration (Konzentrationsausgleich). Das hat rein statistische Ursachen, weil die Wahrscheinlichkeit, dass sich viele Teilchen in einem begrenzten Gebiet in einen gleichen Raum mit wenigen Teilchen bewegen viel höher ist als umgekehrt. Die Geschwindigkeit des Ausgleichs ist abhängig von der Höhe des Konzentrationsunterschiedes (Gradient) und dem Abstand der unterschiedlichen Konzentrationen zueinander.

Das klassische Beispiel für eine Diffusion ist die Vermischung von zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten. Gibt man zum Beispiel vorsichtig eine farbige Flüssigkeit in klares Wasser, ist zu Beginn eine klare Trennung der beiden Stoffe zu beobachten. Diese hebt sich allmählich von alleine auf, weil die Farbteilchen ins Wasser und die Wasserteilchen in die Farbsubstanz wandern. Die beiden Stoffe vermischen sich immer mehr, bis eine gleichmäßig gefärbte Flüssigkeit entsteht. Der gleiche Vorgang kann auch beim Mixen von Getränken beobachtet werden, obwohl dort meistens durch Umrühren nachgeholfen wird. Die Erkenntnis, dass höhere Temperaturen die Teilchengeschwindigkeit erhöhen und damit die Vermischung von Stoffen beschleunigen, macht man sich beim Kochen zunutze.

Sonderform Osmose

Als Osmose wird eine Diffusion durch eine Membran bezeichnet, die nur für bestimmte Stoffe durchlässig (semipermeabel) ist, während andere sie nicht durchdringen können. Wasser kann immer durch die Membran diffundieren. Manchmal nimmt es kleine Moleküle mit, während größere Verbindungen wie zum Beispiel Zucker und Salze oder Makromoleküle wie Eiweiß zurückgehalten werden. Die Richtung der Wanderung der Wassermoleküle folgt immer der niedrigen Wasserkonzentration. Beim Menschen findet dieser Prozess zum Beispiel beim Gasaustausch in den Lungenbläschen statt. Sauerstoff ist ein kleines Molekül, das mit dem Wasser ungehindert durch ihre Membranen ins Blut diffundieren kann, genauso wie Kohlendioxid, das umgekehrt von dort in die Lunge aufgenommen wird. In den Nierentubuli ist die Osmose an der Regulierung des Wasserhaushaltes beteiligt. Abhängig von der Elektrolytkonzentration im Urin wird dabei entweder Wasser ins Innere aufgenommen oder nach außen abgegeben.

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