Substanzen müssen in Zellen ein- und austreten, um die ordnungsgemäße Funktionsweise des Organismus zu gewährleisten. Diese Bewegung von Substanzen in und aus Zellen wird durch drei Prozesse möglich gemacht: Diffusion, Osmose und dem aktiven Transport. In diesem Artikel beschäftigen wir uns ausschließlich mit dem Prozess der Diffusion.

Die Definition von Diffusion

Diffusion wird folgendermaßen definiert:

Diffusion ist ein passiver, physikalischer Transportprozess, der ohne Energieaufwand zu einem Konzentrationsausgleich von Teilchen führt. Die Triebkraft der Diffusion ist die Eigenbewegung der Teilchen (Brownsche Molekularbewegung).

Diffusion ist ein natürlicher Prozess, der auftritt, wenn Teilchen sich von einem Bereich mit einer höheren Konzentration, das heißt wo mehr von ihnen vorhanden sind, zu einem Bereich geringerer Konzentration, wo also weniger von ihnen präsent sind, ausbreiten. Typische alltägliche Beispiele für Diffusion sind die Verbreitung von Gerüchen in der Luft und die Bewegung konzentrierter Flüssigkeiten, wenn sie zu Wasser hinzugegeben werden.

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Los geht's

Was ist das Konzentrationsgefälle?

Substanzen können über die Membran in Zellen ein- und austreten. Wie schnell das vor sich geht, hängt vom Konzentrationsgefälle ab. Sind Teilchen in einer bestimmten Menge vorhanden, dann werden diese Teilchen als konzentriert bezeichnet. Die Teilchen haben die Eigenschaft, sich zu einem Ort mit geringerer Konzentration hinzubewegen. Ein Konzentrationsgefälle (auch Konzentrationsgradient genannt) ist vorhanden, wenn es einen Bereich mit höherer Konzentration und einen mit geringerer Konzentration gibt.

Beispiele eines Konzentrationsgefälles in unserem Körper

Verdauungsprodukte, die in Wasser aufgelöst sind, können durch diesen Prozess der Diffusion durch die Wand des Dünndarms dringen. Die Konzentration dieser Produkte ist im Dünndarm höher als im Blut. Somit gibt es ein Konzentrationsgefälle zwischen Dünndarm und Blut.

Substanzen wie Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid gelangen über Diffusion in die Lunge. Das ist nur aufgrund des Konzentrationsgradienten möglich.

  • Sauerstoff wird entsprechend eines Konzentrationsgefälles zwischen der Luft in den Lungenbläschen und dem Blut transportiert.
  • Kohlenstoffdioxid wird entsprechend eines Konzentrationsgefälles zwischen dem Blut und der Luft in den Lungenbläschen transportiert.

Das bedeutet, dass die Stoffe nur diffundieren, wenn ein Konzentrationsgefälle vorhanden ist.

Diffusion in unseren Zellen über die Zellmembran

Diffusion tritt auch in unseren Zellen auf. Bestimmte Stoffe wie Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, gelöste Nährstoffe, Wasser und Harnstoff treten mittels dieses Prozesses über die Membran in Zellen ein und aus. Der Prozess geht über die Zellmembran vonstatten, die ausgewählte Stoffe hindurchtreten lässt. Für Zellen von lebenden Organismen greift das Prinzip des Transports von Stoffen entlang eines Konzentrationsgefälles auf die beschriebene Weise. Die Zellmembran, die die Zelle umgibt, beschränkt jedoch die freie Bewegung von Stoffen. Gelöste Stoffe oder Teilchen in Gaszustand müssen sich durch die Zellmembran bewegen, um in die Zelle ein- oder auszutreten.

  • Die Zellmembran ist eine semipermeable (teildurchlässige) Membran, was bedeutet, dass sie es einigen Stoffen ermöglicht, sie leicht zu durchdringen. Anderen Stoffen erlaubt sie hingegen nicht, einfach in die Zelle einzudringen oder auszutreten.
  • Die Größe der Moleküle nimmt auch Einfluss auf die Bewegung von Stoffen in und aus der Zelle.

Neben den Zellen ist die Diffusion auch für andere Körperfunktionen entscheidend.

Warum ist der Stofftransport in Zellen wichtig?

Es ist unerlässlich, dass Stoffe wie Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, gelöste Nahrungsmoleküle, Mineralien und Harnstoff über die Membran in die Zellen eines Organismus ein- und austreten. Der Transport von Abfallprodukten aus der Zelle sowie von nützlichen Stoffen in die Zelle stellt ihre ordnungsgemäße Funktionsweise sicher. Diffusion ist einer von drei Prozessen, die diese Bewegung von Stoffen möglich machen.

Geschwindigkeit der Diffusion

Moleküle bewegen sich dauerhaft in und aus unseren Zellen und stellen so sicher, dass unsere Körper richtig funktionieren. Bestimmte Faktoren können sich darauf auswirken, wie schnell die Diffusion dieser Stoffe geschieht. Im Folgenden besprechen wir diese Faktoren:

  • Konzentrationsgefälle: Ein größeres Gefälle zwischen hoher und niedriger Konzentration beschleunigt die Diffusion. Anders ausgedrückt, je größer die Differenz in der Konzentration, umso schneller die Diffusion.
  • Temperatur: Eine höhere Temperatur beschleunigt die Diffusion zusätzlich, da sie größere kinetische Energie auf die Teilchen überträgt. Niedrigere Temperaturen verlangsamen den Diffusionsprozess, aufgrund der niedrigen Energie in den Teilchen.
  • Oberfläche: Ein größere Oberfläche führt ebenso zu einer höheren Diffusionsgeschwindigkeit.

Das Verhältnis von Oberfläche und Volumen

Steigt das Volumen der Zelle, dann braucht sie mehr Stoffe, wie zum Beispiel Sauerstoff für die verschiedenen Zellreaktionen. Vergrößert sich die Oberfläche der Zelle, dann steigt auch die Anzahl der Stoffe, die in die Zelle diffundieren. Steigt der Durchmesser der Zelle, dann vergrößert sich auch die Oberfläche der Zelle. Das Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche ist so, dass das Volumen deutlich schneller ansteigt als die Zelloberfläche zunimmt.

Es kommt allerdings die Frage auf: Warum sind Zellen so klein? Die Antwort liegt darin, dass es auf diese Weise eine größere Oberfläche für die Diffusion gibt. Vergrößert sich die Zelle, dann steigt auch ihr Volumen und damit der Nährstoffbedarf. Die Vergrößerung der Zelle wirkt sich stärker auf ihr Volumen als auf ihre Oberfläche aus. Ab einer bestimmten Zellgröße können Stoffe nicht mehr schnell durch Diffusion in die Zelle ein- oder austreten.

Diffusion in mehrzelligen Organismen

Mehrzeller, das heißt Organismen mit mehreren Zellen, haben Organe wie die Lunge entwickelt, die eine vergrößerte Oberfläche für den internen Gasaustausch besitzt. Da es einen Unterschied zwischen der Lunge und anderen Zellen des Körpers gibt, gibt es ein Kreislaufsystem, das die gleichmäßige Versorgung aller Zellen mit den notwendigen Stoffen wie Sauerstoff ermöglicht. Anders ausgedrückt: Wir können sagen, dass mehrzellige Organismen spezielle Oberflächen und Organsysteme besitzen, um den Transport und Austausch von Stoffen zu gewährleisten. Die Lunge, der Dünndarm, Fischkiemen, Wurzeln und Blätter von Pflanzen sind alle für den Stofftransport spezialisiert.

Zusammengefasst hilft Diffusion lebenden Organismen:

  • ihren täglichen Bedarf zu decken,
  • Abfallprodukte zu entfernen und
  • den Gasaustausch in der Lunge zu ermöglichen.
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