Cytologie
Diffusion
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Diffusion ist ein passiver Transportvorgang. Was Diffusion genau ist, wo sie in der Biologie vorkommt und von welchen Faktoren sie abhängig ist, erklären wir dir hier im Beitrag oder im kurzen Video

Diffusion einfach erklärt

Diffusion ist die selbstständige Durchmischung von Teilchen verschiedener Stoffe. Das sind in der Regel Gase oder Flüssigkeiten. Dabei werden die Teilchen gleichmäßig verteilt. Es kommt dadurch zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Hierbei ist keine Energie notwendig, da Diffusion ein passiver Transportprozess ist. Er kommt also nur aufgrund der Eigenbewegung von Teilchen zustande.

Diffusion begegnet dir im Alltag, wenn du zum Beispiel deinen Tee ziehen lässt: Nach kurzer Zeit nimmt das Wasser den Geschmack deiner Teesorte an. Das Phänomen kommt durch die gleichmäßige Bewegung der jeweiligen Moleküle zustande. 

Definition

Diffusion (lat. diffundere für „verbreiten“, „ausgießen“) ist ein passiver, physikalischer Transportprozess, der ohne Energieaufwand zu einem Konzentrationsausgleich von Flüssigkeiten oder Gasen führt. Die Triebkraft der Diffusion ist die Eigenbewegung der Teilchen (Brownsche Molekularbewegung). 

Was ist Diffusion?

Unter Diffusion verstehst du, dass sich gelöste Teilchen in einem Lösungsmittel gleichmäßig und spontan verteilen. Die gleichmäßige Bewegung der Teilchen (Eigenbewegung) bezeichnest du als Brownsche Molekularbewegung

Es handelt sich bei der Diffusion also um einen natürlich ablaufenden, passiven Prozess. Er findet solange statt, bis überall die gleiche Anzahl bzw. Konzentration an Teilchen vorkommt. Es liegt dann ein Gleichgewichtszustand vor.

Achtung! Gleichgewicht bedeutet aber nicht, dass keine Bewegung der Teilchen mehr stattfindet. Es kommt nur insgesamt zu keiner Änderung des Gesamtzustandes. Die Teilchen bewegen sich allerdings immer noch. 

Diffusion Beispiel 

Das Phänomen der Diffusion kannst du beobachten, indem du in ein Wasserglas einen Tropfen Tinte oder eine andere Farbstofflösung hinzu gibst.

Nach einiger Zeit nimmt das Wasser eine gleichmäßige blaue Färbung an, denn die Farbstoffmoleküle verteilen sich im Wasser. Du wirst niemals beobachten, dass ein einzelner Tintenfleck bestehen bleibt. Es entsteht nämlich mit der Zeit immer eine gefärbte Lösung.

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Diffusion am Beispiel von Tinte

Das gleiche passiert übrigens bei einem Teebeutel in heißem Wasser. Auch Duftmoleküle, die beispielsweise in Duftkerzen oder Parfüm freigesetzt werden, verteilen sich mit der Zeit über den gesamten Raum. Deswegen nimmst du nach einiger Zeit überall den jeweiligen Geruch wahr. 

Auch für deinen Körper ist Diffusion ein wichtiger Transportprozess und kommt zum Beispiel beim Gasaustausch in der Lunge vor. 

Diffusionsgeschwindigkeit

Unter der Diffusionsgeschwindigkeit verstehst du, wie schnell sich die Teilchen bewegen, bis ein Konzentrationsausgleich entsteht. Sie ist von verschiedenen Faktoren abhängig:

  • dem Durchmesser der Moleküle/Ionen,
  • der Temperatur,
  • dem Konzentrationsunterschied,
  • und der zu überwindenden Distanz 

Durchmesser von Molekülen/Ionen

Ein wichtiger Faktor ist die Größe, also der Durchmesser der beteiligten Moleküle oder Ionen. Hier gilt, dass sich kleinere Teilchen in der Regel schneller bewegen als größere. 

Temperatur der Lösung 

Auch die Temperatur hat einen großen Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit: Je höher die Temperatur, desto schneller erfolgt auch eine Bewegung der Teilchen. Desto schneller kommt es wiederum zu einem Gleichgewichtszustand.

Ein Teebeutel muss in kaltem Wasser beispielsweise sehr lange ziehen, während er im heißen Wasser nach wenigen Minuten genießbar ist.

Konzentrationsunterschiede

Auch die Konzentrationsunterschiede spielen eine Rolle, denn je größer ein Unterschied zwischen den Konzentrationen besteht, desto schneller läuft die Diffusion ab.

Gibst du viel Tinte in ein Glas mit Wasser, bekommst du schnell eine gleichmäßig gefärbte Lösung. Gibst du hingegen wenig Tinte in das Wasser, dauert es viel länger, bis sich die Lösung gleichmäßig färbt. 

Distanz 

Wichtig für die Diffusionsgeschwindigkeit ist auch die zu überwindende Distanz. Hier gilt: je größer die Distanz, desto länger dauert auch die Diffusion. 

Innerhalb der Körperzelle kann ein Stoff beispielsweise in ein paar Millisekunden per Diffusion transportiert werden. Ein Transport über eine Strecke von Zentimetern kann hingegen einige Stunden dauern. Daran wird auch deutlich, dass Diffusion als alleiniger Transportmechanismus für unserem Körper nicht ausreichend sein kann. 

Was ist eine Diffusion in der Biologie?

In der Biologie kommt der passive Transportmechanismus Diffusion sehr häufig vor. Alle eukaryotischen und prokaryotischen Zellen besitzen Biomembranen , die entweder bestimmte Zellorganellen oder die Zellen selbst begrenzen. Es entstehen also definierte Bereiche, sogenannte Kompartimente.

Über die Biomembranen können Stoffe nun per Diffusion zwischen den Bereichen transportiert werden. Es wird hierbei keine Energie benötigt, was natürlich vorteilhaft für unseren Körper ist, da er sich die Energie dafür sozusagen ‚einsparen‘ kann. 

Natürlich ist die Diffusion hier auch abhängig von der Durchlässigkeit der Membran:

  • Die Biomembran ist nämlich nur für manche Stoffe (kleine Moleküle wie Harnstoff oder Gase) durchlässig. 
  • Andere Stoffe können sie hingegen nicht passieren. Das sind wie zum Beispiel größere Moleküle (Zucker oder Aminosäuren) oder geladenen Teilchen (Ionen).

Das bezeichnest du auch als selektive Permeabilität

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Semipermeable Membran

Schon gewusst? Der Gasaustausch von  Sauerstoff (O2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) in der Lunge – genauer gesagt in den Lungenbläschen – findet über Diffusion statt. 

Generell kannst du bei der Diffusion über biologische Membranen zwischen

  • der einfachen
  • und der erleichterten Diffusion unterscheiden. 

Einfache Diffusion

Eine einfache Diffusion ist, dass bestimmte Moleküle die Membran ohne Probleme passieren können. Es handelt sich hierbei entweder

  • um Gase wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid
  • oder um kleine oder unpolare Moleküle wie Harnstoff oder Wasser.

Sie können die Phospholipid-Doppelschicht problemlos durchqueren und zwar so lange, bis auf beiden Seiten der Membran dieselben Konzentrationen vorliegen.

Hier gilt: Je fettlöslicher (hydrophob/lipophil) ein Molekül ist, desto schneller kann es auch die hydrophobe Lipid-Doppelschicht durchdringen. 

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Einfache Diffusion
 

Erleichterte Diffusion

Die erleichterte Diffusion hingegen ermöglicht auch größeren oder geladenen Molekülen einen Durchtritt über die Membran. Das sind zum Beispiel: 

  • Aminosäuren
  • Ionen
  • Zuckermoleküle

Hierfür sind bestimmte Proteine in der Membran eingelagert, die du als Kanal- oder Carrierproteine bezeichnen kannst. Sie erleichtern diesen Stoffen quasi die Diffusion über die Biomembran.

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Erleichterte Diffusion

Achtung! Auch hier erfolgt der Transport passiv mit dem Konzentrationsgefälle. Es ist im Gegensatz zu einem aktiven Transport keine Energie notwendig. 

 

Diffusion und Osmose

Osmose ist ein Spezialfall der Diffusion. Es handelt sich daher auch um einen passiven Transportvorgang. Allerdings fließt hier das Lösungsmittel, in der Regel Wasser, selbst und nicht die gelösten Teilchen.

Bei der Diffusion kann eine Membran beteiligt sein, muss aber nicht. Das ist bei der Osmose anders: Hier ist immer eine Membran beteiligt, die zwei Kompartimente voneinander abgrenzt. Sie ist für das Lösungsmittel (Wasser) durchlässig, für den gelösten Stoff jedoch nicht. Im Fall der Biomembran kann Wasser entweder durch einfache oder erleichterte Diffusion über bestimmte Kanalproteine (Aquaporine) die Membran passieren. 

Für die Osmose gilt jetzt also: Wasser diffundiert aus dem Kompartiment, an dem es höher konzentriert vorliegt (geringere Teilchenkonzentration), in das Kompartiment, in dem seine Konzentration geringer ist (höhere Teilchenkonzentration). Hier bewegen sich also im Gegensatz zur Diffusion nicht die Teilchen, sondern das Lösungsmittel, bis die Stoffkonzentrationen auf beiden Seiten ausgeglichen sind. 

Mehr über die Osmose und wo sie dir im Alltag überall begegnet, erfährst du in unserem extra Video! Schau gerne vorbei!

Zum Video: Osmose
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