扩散

发生的部位

扩散在任何存在浓度梯度之处发生，在气体、液体及穿越膜时，例如氧气从肺泡移入血液。

在人体内，最清楚的例子是各种交换表面。在肺泡处，氧气从肺泡腔内的空气出发，穿过各仅一层细胞厚的肺泡壁与毛细血管壁，进入红细胞；二氧化碳则沿相反方向扩散。

在小肠中，葡萄糖、氨基酸等已消化的食物从肠腔扩散进入绒毛内的毛细血管。在叶片中，二氧化碳经气孔扩散进入气腔，再进入叶肉细胞供光合作用使用。

对于变形虫这样的单细胞生物，穿过整个细胞膜的扩散已足以供氧并排出废物，因为细胞极小，表面积与体积之比很高。

输入与输出

• 输入：一群分布不均的粒子（气体分子、离子或小分子溶质），因此存在浓度梯度。
• 输入：粒子因自身温度而本来就具有的动能，不需要呼吸作用提供的三磷酸腺苷。
• 输入：可供穿行的介质，空气、水、细胞质，或带有孔隙或通道蛋白的选择性透过膜，供小分子、水溶性或脂溶性分子通过。
• 输出：粒子从高浓度区域向低浓度区域的净转移。
• 输出：粒子均匀分布、浓度梯度为零的平衡状态，但随机运动仍在继续。
• 在人体内的输出：氧气被送入血液或细胞，二氧化碳被排出，已消化的食物被送入血流。

步骤

1. 存在浓度梯度：粒子在某一区域比相邻区域更浓。
2. 每个粒子都因动能而向各个方向随机运动；温度越高，运动越快。
3. 由于浓侧粒子更多，越过到稀侧的粒子数恰好多于返回的粒子数。
4. 结果是粒子顺浓度梯度、从高浓度向低浓度的净移动。
5. 若途中有膜，氧气、二氧化碳等小分子或脂溶性分子直接从磷脂之间穿过（简单扩散），而葡萄糖、离子等较大或带电的粒子则经通道蛋白或载体蛋白通过（协助扩散），同样不消耗能量。
6. 随着粒子散开，梯度变得平缓，净扩散速率下降。
7. 扩散持续到粒子均匀分布，动态平衡，此时粒子以相同速率向两个方向移动，不再有净变化。

为何重要以及如何受控

扩散使氧气、二氧化碳与溶解的食物进出细胞，并解释肺与叶中的气体交换。更大的表面积、更短的距离与更陡的梯度都会加快它。

扩散速率由四个因素控制，每一个都会出现在关于交换表面的考试答案里。浓度梯度越陡，速率越快，这就是为什么血流与通气不断把刚扩散过来的物质带走，以保持较大的浓度差。

扩散距离越短，速率越快，这就是为什么肺泡壁与毛细血管壁各自只有一层细胞厚。表面积越大，同一时间能穿过的粒子越多，这就是为什么肺内有数以百万计的肺泡，回肠内壁布满绒毛与微绒毛。

温度越高，粒子动能越大，运动越快。细胞无法把扩散开启或关闭，但能通过调节梯度间接控制它，例如，正在呼吸的细胞内线粒体不断消耗氧气，使氧气持续流入。

扩散还限制了生物的体型。生物长大时，体积的增长快于表面积，表面积与体积之比下降，单靠扩散已无法足够迅速地供应身体内部。

这就是为什么大型多细胞生物需要专门的交换表面和运输系统，而单细胞生物只靠穿过细胞膜的扩散即可。

扩散与渗透、主动运输的比较

如何考查

你可能被要求定义扩散、举一个生物学例子，或把扩散与渗透和主动运输比较。

结构题通常给出一幅交换表面的图或一个装有染料的烧杯，要求你用浓度梯度、净移动和动能这些词来解释移动。论述题会问肺泡、绒毛或叶片如何适应高效扩散，评分标准会奖励把每个特征与四个速率因素之一联系起来的答案。

在实验类试卷中，高锰酸钾或墨水在琼脂或水中的扩散是典型情境：你可能需要指出操纵变量（如温度）、反应变量（如颜色扩散所需时间）以及固定变量（如水的体积）。

常见误解

考试风格例题

题目。 图X显示一个与毛细血管接触的肺泡。

肺泡气中氧的分压高于到达毛细血管的血液。(a) 写出氧气进入血液的过程名称。

(b) 解释肺泡的三个特征如何提高这一过程的速率。(c) 一名学生说，一旦达到平衡，氧气的移动就会停止。

评论这一说法。

参考答案。 (a) 扩散（简单扩散，因为氧是小的非极性分子）。

(b) 肺泡壁与毛细血管壁各仅一层细胞厚，提供短的扩散距离；肺内肺泡数量极多，提供大的表面积让氧气穿过；丰富的毛细血管网与持续的通气把含氧血带走并更新肺泡气，从而维持陡峭的浓度梯度。可溶解氧气的湿润内壁也可得分。

(c) 该说法部分错误：平衡时净移动停止，但氧分子继续随机运动，以相同速率向两个方向移动，即动态平衡。在活体肺中并不会达到平衡，因为血流不断把氧气带走。

来源:SRC-DSKP-EN

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