Info om  djur   Fråga   Svar   Djurfakta   Artiklar   Källor 

Lunds universitet
Facebook

Hur sker transporter i djurens kroppar? Diffusion och massflöde

Anders Lundquist

Väggen hos en blodkapillär

Elektronmikroskopiskt snitt genom en bit av en bukspottskörtel med en del av en blodkapillär. Det röda skalstrecket motsvarar 1 µm, det vill säga 0,001 mm. Den tjocka dubbelpilen visar kapillärväggens tjocklek, mindre än en 1 µm! Väggen består av ett inre skikt av endotelceller och utanför cellerna en basallamina. Vävnadscellerna befinner sig bara några µm från den syretransporterande röda blodkroppen. Eftersom kapillärväggen är mycket tunn och det finns mycket tätt med kapillärer, blir transportavstånden med så kallad diffusion (se huvudtexten nedan) mycket korta för syre, koldioxid och alla andra ämnen som ska transporteras mellan blod och vävnadsceller. Eftersom det finns så många kapillärer, blir deras totala väggyta mycket stor och därmed den totala ytan genom vilken diffusion sker. De korta avstånden och den stora ytan gör att diffusionen sker mycket snabbt. Modified image. Courtesy of Louisa Howard, in the public domain.

Syre och koldioxid kan transporteras på två sätt: genom diffusion eller genom massflöde. Detsamma gäller alla andra ämnen som ska transporteras i kroppen. Kortväga transport, kortare än cirka 1 mm i vatten, kan ske med diffusion, medan långväga transport måste ske med massflöde. Detta kan man se när man blandar saft, se nedan. Många ämnen, dock ej syre och koldioxid, kan också transporteras genom cellmembran med hjälp av proteiner, ofta energikrävande sådana.

Vid diffusion rör sig enskilda molekyler. Alla molekyler i vätskor och gaser är i ständig rörelse. Molekylerna rör sig oregelbundet och "studsar" ständigt mot varandra. Vid diffusion transporteras molekyler av ett visst slag (t.ex. syremolekyler) genom molekylrörelserna i en viss riktning. Transporten drivs av en koncentrationsskillnad för just denna molekyl (i vårt fall syre). Syremolekyler lösta i vatten transporteras med diffusion från ett område med tätt mellan syremolekylerna (d.v.s. hög koncentration) till ett med glesare mellan syremolekylerna (d.v.s. låg koncentration). Notera att detta resonemang är något förenklat, när det gäller lösta gaser. (Det gäller dock strikt för oladdade molekyler av fasta ämnen, till exempel glukos och urea, se vidare faktarutan nedan.)

Vid massflöde drivs en vätska med alla molekyler den innehåller från ett ställe till ett annat. Massflödet drivs nästan alltid av en tryckskillnad. Vätskan flödar från ett område med högt tryck till ett område med lågt. Vattnet som kommer ur vattenkranen rör sig med hjälp av massflöde. Blodet i cirkulationssystemet, urinen i njurarana, innehållet i magtarmkanalen och luften i lungorna rör sig också med hjälp av massflöde. Dessa långväga transporter kan bara ske med massflöde och i princip hur långt som helst: från vattentornet till vattenkranen eller från hjärtat till bakänden hos en blåval.

Om du ska blanda saft och vatten kan du försiktigt skikta vattnet ovanför saften, så att du får ett saftlager underst och ett vattenlager överst. Sedan kan du vänta på att saftmolekyler ska röra sig från saften (där koncentrationen av saftmolekyler är hög) till vattnet (där koncentrationen är 0, d.v.s. det finns inga saftmolekyler där). Rätt snart börjar gränslinjen mellan saft och vatten bli otydlig. Det beror på att saftmolekylerna rör sig med diffusion in i vattenskiktet. Men du får vänta väldigt länge, innan saften blandats färdig på detta sätt. Den vane saftblandaren rör naturligtvis om i glaset och åstadkommer då tryckskillnader som på några ögonblick blandar saften med vattnet. Den vane saftblandaren använder sig av massflöde.
 

Fördjupning om diffusion

För de intresserade beskriver jag här det enklaste fallet av diffusion utförligare.
    Tänk dig två likadana vattenfyllda behållare som är åtskiljda av ett plant membran, en barriär. I den vänstra har vi en lösning med hög koncentration av ämnet X, i den högra en lösning med låg. Ämnet X består av oladdade molekyler av ett fast ämne lösta i vatten. För joner, som har elektrisk laddning, och för gasmolekyler bli situationen mer komplicerad. Koncentrationen av X definieras som antalet molekyler per volymsenhet vätska och mäts med enheten mol/liter (gram/liter hade också gått bra). Membranet släpper igenom X, men är ogenomsläppligt för vatten.

Modell för diffusion

Bilden visar den modell för diffusion som beskrives i texten ovan, Vatten är ljusblått. Membranet mellan de två behållarna är violett. Molekyler av ämnet X är mörkröda. De mörkblå pilarna visar transporten av ämnet X över membranet. Pilarnas längd anger transportens storlek i de båda riktningarna.

Genom de så kallad termiska molekylärörelserna rör sig X-molekylerna ständigt slumpmässigt och krockar ofta med varandra. Då och då leder detta till att en X-molekyl passerar membranet. Eftersom X-koncentrationen är högre i den vänstra behållaren än i den högra, kommer fler molekyler passera membranet från vänster till höger, än från höger till vänster. Vi får således en nettotransport från vänster till höger. Denna nettotransport är diffusionen och mäts i antal molekyler per tidsenhet eller mol/sekund. Diffusionen pågår tills dess koncentrationerna på båda sidor av membranet blir lika stora. Vi har då nått diffusionsjämvikt.
    Intuitivt kan man kanske föreställa sig att följande gäller:

  • Diffusionen (M mol/sekund) ökar, om skillnaden i koncentration mellan den vänstra behållaren (C  mol/liter) och den högra (C  mol/liter) ökar. Då kommer nämligen skillnaden mellan antalet X-molekyler, som går åt höger, och antalet, som går åt vänster, bli större.
  • Diffusionen ökar om membranets yta (A cm2) ökar, eftersom detta ger fler möjligheter för X-molekyler att passera membranet.
  • Diffusionen minskar om membranets tjocklek (L cm) ökar, eftersom det då blir svårare för X-molekylerna att passera barriären.
  • Diffusionen minskar om X har en högre molekylvikt, eftersom stora molekyler rör sig långsammare än små.
  • Difffusionen minskar om X-molekylerna har svårt att lösa sig i membranet. Ett cellmembran är ett exempel. Det består huvudsakligen av fettämnen (fosfolipider). Vattenlösliga molekyler stöts bort av fettämnena och löser sig mycket dåligt i membranet. Därför blir deras diffusion genom membranet mycket liten.
  • Diffusionen minskar om lösningarnas temperatur (K) minskar, eftersom X-molekylerna då rör sig långsammare. Temperaturen har dock en relativt liten effekt på diffusionen.

För den matematiskt intresserade kan allt detta sammanfattas som:

Matematisk formel för diffusion

D är diffusionskoefficienten. Dess storlek minskar, om molekylvikten för X ökar, om X har svårare att lösa sig i membranet och om temperaturen minskar.
    I lungorna är förhållandena mer komplicerade, men de allmänna principerna ovan gäller. Ett problem är att alveolernas (lungblåsornas) inre yta är buktig, inte plan. Det matematiska uttrycket ovan blir då mer komplicerat. Men detta brukar man bortse ifrån inom fysiologin. Två andra problem är dels att syre och koldioxid är gaser, dels att diffusionen i lungorna sker mellan en gas, alveolluften, och en vätska, lungvävnaden. Dessa problem kan man inte bortse ifrån. De leder till att formeln ovan måste modifieras. Men jag diskuterar dem inte här. Ytterligare ett problem är att diffusionbarriären i lungorna är komplicerat uppbyggd och består av ett vätskeskikt, alveolceller med cellmembran, vävnadsvätska, kapillärväggens celler med cellmembran, blodplasman och de röda blodkropparnas cellmembran. Läs mer om lungornas byggnad i artikeln "Kan människor andas vatten? Om våra luftvägar och lungor" på en annan sida.
    En stor sfär har mycket mindre yta än många små sfärer med samma totala volym. Om våra lungor hade varit enkla säckar, som grodornas, hade de haft en mycket liten diffusionsyta per volym lunga. I och med att lungorna innehåller ett otal mycket små alveoler, genom vilkas väggar diffusion kan ske, blir den totala diffusionsytan per volym lunga enormt mycket större.

Till början på sidan

Till "Djurfakta"


Zoofysiolog, skribent och webbansvarig:
Anders Lundquist, senior universitetslektor emeritus
Adress: Biologiska institutionen, Lunds universitet, Biologihus B, Sölvegatan 35, 223 62 Lund
Telefon: 046-222 93 53
E-post:
Senast uppdaterad: 11 november 2019
Webbplatsen använder kakor. Surfar du vidare, godkänner du detta. Läs mer här.

Creative Commons License
Detta verk är licensierat under en Creative Commons Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar 2.5 Sverige Licens.