Difusión
La difusión es el movimiento de partículas desde una zona de mayor concentración hacia una zona de menor concentración hasta que quedan distribuidas de manera uniforme.
Definition
La difusión es la manera en que las partículas se esparcen desde un lugar más concentrado hacia un lugar menos concentrado, por sí solas, sin ningún empuje ni bombeo. Es el movimiento neto de partículas desde una región de mayor concentración hacia una de menor concentración, impulsado por su movimiento aleatorio, y continúa hasta que la concentración es la misma en todas partes aunque las partículas sigan moviéndose; en las células, moléculas pequeñas como el oxígeno y el dióxido de carbono cruzan la membrana por difusión simple sin costo energético. La primera ley de Fick lo describe: el flujo es proporcional al gradiente de concentración, $J = -D\,\frac{dC}{dx}$, donde $D$ es el coeficiente de difusión. El tiempo característico para difundirse una distancia $x$ varía con $x^2 / D$, así que duplicar la distancia cuadruplica el tiempo. A través de una membrana, la velocidad también depende de la solubilidad lipídica y el tamaño del soluto, y los solutos polares o cargados necesitan proteínas de canal o transportadoras (difusión facilitada), que sigue siendo pasiva porque se mueven a favor de su gradiente electroquímico.
Example
Si alguien abre un frasco de perfume en una esquina de un cuarto, el olor pronto llega al otro lado porque las partículas del perfume se difundieron por el aire. Una gota de colorante alimenticio en agua quieta se esparce hasta que todo el vaso queda teñido de manera uniforme, y el agua más caliente acelera esto porque las moléculas se mueven más rápido, terminando en minutos donde el agua fría tarda mucho más. El oxígeno en el agua tiene $D \approx 2 \times 10^{-9}\ \text{m}^2/\text{s}$, así que cruzar una célula de $10\ \mu\text{m}$ toma del orden de $x^2 / (2D) \approx (10^{-5})^2 / (4 \times 10^{-9}) \approx 0.025\ \text{s}$, pero cruzar $1\ \text{cm}$ tomaría unas $7$ horas, razón por la cual los tejidos necesitan capilares a menos de unos $100\ \mu\text{m}$ de cada célula.
Key Insight
La difusión es la manera en que el oxígeno pasa de tus pulmones a tu sangre y de tu sangre a tus células; ninguna parte de tu cuerpo tiene que empujarlo. Es rápida en distancias diminutas y muy lenta en distancias largas, razón por la cual las células son pequeñas y por la cual tu cuerpo necesita un sistema circulatorio en lugar de depender solo de la difusión. La difusión es impulsada por la entropía, no por ninguna fuerza que separe a las partículas: cada partícula tiene la misma probabilidad de moverse en cualquier dirección, pero hay más de ellas en el lado concentrado, así que más cruzan hacia el lado más disperso que en sentido contrario.