Дифузия - въведение

Да кажем, че имам този зелен съд и в него има въздух. Предполагаме, че молекулите на въздуха имат определена температура и средна кинетична енергия, но всяка от тях има различна скорост, всички ще се удрят една в друга и ще се движат в различни посоки. Може да забележиш нещо на тази схема. От лявата страна – тук ще нарисувам въображаема линия, можем да кажем, че тази линия не представлява нещо реално, не разделя съда наистина, просто я използвам, за да обознача лявата и дясната страна. Виждаш, че отляво има по-висока концентрация на молекули, по-висока концентрация. Как измерваме концентрацията – като броя молекули в даден обем. Тук виждаме напречно сечение на съда. Ако разгледаме сектор с този размер, тук имаме четири молекули, изглежда, че имаме четири молекули, между три и пет молекули в област с този размер, но ако взема област с този размер от другата страна, имаме около една или две молекули. Тези числа не са много точни, но е ясно, че тук имаме по-висока концентрация. Имаме повече молекули на единица площ. Ако го разглеждаме в три измерения, ако мислим за единица обем, имаме по-висока концентрация отляво и по-ниска концентрация отдясно. Когато имаме по-висока концентрация в една част на съда и по-ниска в друга, казваме, че имаме концентрационен градиент. Концентрацията се променя от по-висока към по-ниска, и това наричаме концентрационен градиент. Какво мислиш, че ще се случи? Да кажем, че това е ситуацията, която виждаме, какво мислиш, че ще се случи? Всички тези частици ще се блъскат една в друга и нещата ще се преместват от ляво надясно. Но отляво имаме повече частици, които могат да се придвижат надясно, и по-малко частици отдясно, които да могат да се преместят наляво. Запомни, те всички се движат в различни посоки с произволни скорости, но имаме повече частици от тази страна, те ще подскачат наоколо, така че във всеки произволен момент, когато имаме по-висока концентрация отляво, имаме по-голям шанс за придвижване на частици от ляво надясно, отколкото от дясно наляво. С напредване на времето, разпределението на молекулите в съда ще изглежда така. Ако оставим тази система да се стабилизира за малко, тя ще започне да изглежда така. Да видим дали ще успея да я нарисувам добре. Ще нарисувам само молекулите, няма да рисувам векторите на скоростта им. Ако изчакаме малко – колко молекули имахме? Една, две, три, четири, пет, шест, седем, осем, девет, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Сега имам една, две, три, четири, пет, шест, седем, осем, девет, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Ако изчакаме достатъчно дълго, ще видим, че вече няма да имаме концентрационен градиент – концентрацията във всички части на съда ще се изравни с времето. Ако сега нарисувам тази въображаема прекъсната линия, ще имам еднаква концентрация и от двете страни, вече няма да има градиент. Това не е магия, молекулите не са си казали: "О, имаме по-малка концентрация от тази страна, трябва някак си да се преместим от другата." – просто трябва да знаеш, че молекулите подскачат произволно из съда и ако имаме по-висока концентрация отляво, има по-голям шанс молекулите от лявата страна да преминат в дясната, отколкото молекули от дясната страна да преминат в лявата. Дори и в тази ситуация молекули ще се движат от ляво надясно и от дясно наляво, но сега имаме еднакъв брой от двете страни. Следователно във всеки момент има еднаква вероятност молекули да се придвижат от ляво надясно, както и от дясно наляво, така стигаме до ситуация на равновесие. Разбира се, ако разгледаме някакъв период време, може би тази молекула се движи от ляво надясно, тази се движи от ляво надясно, тази се движи от ляво надясно, но тъй като имаме еднакви концентрации от двете страни има еднаква вероятност същият брой молекули да се придвижат от дясно наляво. В този пример имаме само 20 частици, което е напълно измислен и малък брой. Ако говорим за концентрации на молекулите на въздуха, или ако се занимаваме с клетъчни мембрани, ако мислим за различни видове молекули, които са във воден разтвор, ще имаме много повече от 20 молекули. Ако мислим за вероятностите при тези огромни числа, вероятността нещо да се придвижи от ляво надясно е същата като тази да се придвижи от дясно наляво. Ще имаме тази стабилност. Тук има много по-голяма вероятност във всеки момент нещо да се придвижи от ляво надясно, отколкото от дясно наляво, затова наблюдаваме движение на частици от по-висока към по-ниска концентрация. Друг начин, по който можем да разгледаме въпроса, е, че това, което наблюдаваме, е дифузия по посока на концентрационния градиент. Така че процесът, който описахме, е процес на дифузия. Това е дифузия. Kогато изучаваме различни видове системи, ще видим, че тя е много важна за биологичните, и дори за химичните системи, защото не изисква допълнителна енергия за придвижването на частици от тук до там, движението ще се извършва вероятностно, спонтанно. И още веднъж, това не е магия, просто има повече молекули в тази част и по-голям шанс за движение от ляво надясно, отколкото за движение от дясно наляво. Искам това да е ясно. Възможно е да има движение от дясно наляво, например тази молекула, вместо да се движи в тази посока, е напълно възможно да се придвижи от дясно наляво. Не абсолютно всяка молекула се движи от ляво надясно, но има по-голям шанс молекулите да се преместят от ляво надясно. Тази молекула се движи в тази посока, защото има повече молекули тук. Всички се блъскат и подскачат в различни и произволни посоки.