Градиент концентрации

Очень важная статья, которая скопирована отсюда.

***

Этот пост написан второпях, поэтому прошу меня простить. Возможно, в будущем, я изложусь детальнее и точнее. (Заодно пробую себя в статьях).

«Пассивный транспорт происходит по градиенту концентрации. Активный транспорт происходит против градиента концентрации», — Известная любому студенту в области биологии, медицины, физиологии, фармации и тому подобного формула, которую он знает как отче наш. Как отче наш эту формулу знают и преподаватели этого студента, и его однокашники, и даже некоторые из друзей и родни. Эта формула неверна.

Правда в том, что пассивный транспорт, ярчайшим и самым известным примером которого служит диффузия, происходит против градиента концентрации. Как раз таки по градиенту происходит активный транспорт.

Давайте разбираться.

Чтобы понять смысл градиента концентрации как физико-химического понятия, следует сначала обратиться к смыслу градиента как математического понятия.

Градиент — это вектор, своим направлением указывающий направление наибольшего возрастания некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой, и по модулю равный скорости роста этой величины в данном направлении.

Таково строгое общепринятое определение математического термина. Ещё раз: градиент — это вектор (у него есть направление), он показывает, в какую сторону величина меняется больше всего. Если не верите (и правильно делаете), можете обратиться к англоязычным источникам или хотя бы почитать вики — и убедиться, что автор не врёт.

Рассмотрим случай, в котором некоторой величиной выступает концентрация. Тогда имеем следующее не противоречащее математическому смыслу определение:

Градиент концентрации (∇C) — это физико-химическая векторная величина, своим направлением указывающая направление наибольшего возрастания концентрации вещества, значение которой меняется от одной точки пространства к другой, и по модулю равный скорости роста концентрации в данном направлении; ∇C = dC/dl

Таким образом, градиент концентрации направлен от меньшей концентрации вещества к большей концентрации вещества.

Вы с этим согласны? Это не противоречит математическому смыслу.

 

Вернёмся к нашим баранам, то есть направлению градиента и транспорта.

Мы знаем, что энтропия растёт. Процессы, множащие энтропию, происходят самопроизвольно, без затрат энергии. Так происходит и простой транспорт. Так происходит и самый известный и распространённый простой транспорт — диффузия:

Диффузия — это процесс взаимного проникновения частиц одного вещества между частицами другого, который приводит к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

Таким образом, при диффузии происходит процесс переноса вещества из области с большей его концентрацией в область меньшей. Вы с этим согласны? Таково определение понятия, с ним невозможно поспорить.

Каково направление диффузии? Каково при этом направление градиента концентрации?

• Диффузия, по определению, направлена из зоны с большей концентрацией в зону меньшей.
• Градиент концентрации, по определению, направлен из зоны с меньшей концентрацией в зону большей.
  

Таким образом, диффузия направлена против градиента концентрации. 

Некоторые могут возразить, что под «по» и «против» имеется в виду «благодаря» и «вопреки» соответственно. Но когда речь заходит о научной терминологии, нужно понимать, что наука не терпит неоднозначности и подразумеваний.

То же самое формулируется и в известном биофизикам (и многим другим действительно сведущим в естественных науках людям) законе Фика [первом].

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал, обусловливающий поддержание потока вещества. В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация.

В упрощённой форме D = –k * dC/dx, где D —поток частиц (диффузия), k — коэффициент диффузии, а dC/dx — градиент концентрации.

Мы видим, что между D и dC/dx, то есть между D и ∇C, зависимость обратно пропорциональная (коэффициент диффузии положителен). Это не противоречит выше приведённым строгим определениям.

Из этого формулируется второй закон Фика и уравнение диффузии, с которыми пытливые умы могут ознакомиться самостоятельно.

В случае активного транспорта происходит противоположное.

Таким образом, мы видим, что текущее понимание градиента концентрации является противоречащим концепции градиента и концепции диффузии, противоречащим физике и химии вообще.

Пожалуйста, рассуждая о физических и химических процессах, помните об их природе и физическом или химическом смысле.

Пожалуйста, употребляя какие-то термины, всегда имейте заднюю мысль о том, каково определение этих терминов.

Пожалуйста, употребляйте термины правильно или не употребляйте вообще.