Diffusion und Biologie

Viele Phänomene des Alltags erscheinen auf den ersten Blick zwar nicht besonders merkwürdig, aber genausowenig für den Laien leicht erklärbar.

Hierzu gehört die spontane Bewegung von Teilchen, in der Wissenschaft auch Diffusion genannt. Fast jeder kennt diesen Effekt - Wenn man einen Farbstoff in ein Wasserglas träufelt, durchmischen sich Farbstoff und Wasser, ohne dass man durch Umrühren nachhelfen müsste - etwas Zeit vorausgesetzt.

Wie kann das geschehen?

Seit gut 200 Jahren ist innerhalb der Wissenschaft gesichert bekannt, dass alle bekannte Materie aus kleinsten Teilchen aufgebaut ist - den Atomen. Die Atom-Idee reicht aber viel weiter zurück - schon alte griechische Philosophen wie Demokrit (ca. 400 v. Chr.) vermuteten, dass hinter Materie mehr steckt, als das Auge sehen kann.

Was haben nun Atome mit der Diffusion zu tun?

Diffusion ist nichts anderes als die spontane Bewegung einzelner Atome. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Bewegung eines Atoms zunimmt, wenn die Temperatur zunimmt (anders ausgedrückt ist "Temperatur" nichts anderes als die Bewegung von Atomen). Wenn man sich das Beispiel vom Farbstoff im Wasserglas wieder vor Augen führt, wird das Prinzip klar: Wenn sich die Vielzahl der Farbstoffatome, die im Farbstofftropfen in das Wasserglas gelangt sind, bewegen, entfernen sie sich zunehmend voneinander und durchdringen nach und nach das umgebende Wasser. Die Atombewegung ist rein zufällig - die einzelnen Atome "entscheiden" sich nicht, wohin sie sich bewegen sollten, sondern werden rein zufällig in alle möglichen Richtungen verteilt. Deshalb ist das gesamte Wasserglas nach einiger Zeit gleichmäßig gefärbt - der Zufall bewirkt, dass an jedem Ort im Wasserglas eine ähnliche Anzahl von Farbstoffteilchen landet.

Wie wirkt sich die Diffusion nun auf die Biologie aus?

Viele Prozesse im menschlichen Körper beruhren auf Diffusion. Einer der anschaulichsten Vorgänge ist die Atmung. Es ist allgemein bekannt, dass der Mensch aus der Atemluft Sauerstoff aufnimmt und im Gegenzug Kohlendioxid abgibt.

Wie passiert dieser Stoffaustausch?

Beim Einatmen gelangt frische Atemluft in die Lunge. Gleichzeitig wird durch das Blut "aufgebrauchte" Luft - beziehungsweise Kohlendioxid - zurück in die Lunge geliefert. In der Lunge findet nun eine Diffusion der beiden Gase Sauerstoff und Kohlendioxid statt. Da in der frischen Luft mehr Sauerstoff und im Blut mehr Kohlendioxid vorhanden ist, vermischen sich beide Anteile. Sauerstoff aus der Atemluft diffundiert in das Blut, und Kohlendioxid im Blut diffundiert in die Atemluft der Lunge. Nachdem dieser Austausch stattgefunden hat, wird durch Ausatmen die Kohlendioxid-reiche Luft wieder abgegeben. Im nächsten Atemzug kann wieder frische Atemluft herbeigeschafft werden.