好幾個月前，松男在Biotop社團裡貼了一篇文章連結，是台大物理系教授陳義裕老師的文章《賭博、擴散與擴散實驗》。
我就講文章的幾個重點：
1.擴散其實很慢，氨水或香水的氣體分子靠擴散，三個小時只能移動1公尺左右。
2.擴散真的很慢，紅墨水滴到水裡之後，一秒只能移動1公分左右。
3.擴散的距離和時間的根號成正比，假設擴散1公分要1秒，那麼擴散2公分就要4秒，擴散3公分就要9秒。意思就是距離越長，擴散所花的時間就會是平方倍的長。相反的說，如果只是擴散一小小段距離，擴散其實蠻快的。
擴散很慢，這有什麼重要呢？
第一是教科書裡用紅墨水來演示擴散，其實是有問題的，因為真的讓紅墨水能快速到整杯均勻，其實不是擴散的功勞，因為擴散沒有那麼快。
第二生物學裡教擴散，難道就只是為了說「物質靠擴散作用進出細胞膜」嗎？這件事情在生物學的意義又有什麼關係呢？
我想從課本裡的第二章來探討，這其實是上冊課本的重要基礎，是後面幾章動物生理和植物生理會用到的重要概念，應該要不時回到那個基礎上去發展後續課程。不過實際上，後面幾章生理學課程就算你不去回頭檢視第二章的內容，也是可以把後面幾章上完的，只是你會少了那個連貫各個生物學知識的「橋」。
這麼說好了，神經系統、內分泌系統、個體的層次、物質進出細胞的方式，這幾個單元其實是連貫的。有想過嗎？
多細胞生物的細胞之間需要分工合作，這要分兩個層次來講，一是分工，二是合作。分工是把整個工作流程切分成數個小階段，每群細胞做不同的小階段，比如說把氧氣送到身體內部這件事情，就要有一群細胞負責引進外界的氣體，一群細胞負責把氣體運送到其他細胞...。而「合作」不只是那一群的細胞內彼此要合作，也包括不同群的細胞彼此要合作。
而合作的基礎就是要溝通，但細胞之間不會講話啊，那就要靠一些其他的方式來溝通。就好像是學生在教室裡被規定不能說話，但還是可以互相溝通，怎麼做？就傳紙條啊。
細胞之間的溝通就像是在傳紙條一樣，A細胞遞出了紙條給B細胞，B細胞的手收到了紙條就知道對方在跟自己講什麼。如果細胞之間的距離長一點，那A細胞就把細胞延長一點再去傳紙條，或者A細胞可以把紙條交給「專門來回傳紙條的細胞們」，這樣也可以把紙條傳給B細胞。其實這講的也就是神經系統、內分泌系統和循環系統所作的事情了，而那些「紙條」也就是神經傳導物質、激素等化學物質，至於B細胞伸出來的手就是細胞膜上的受體了。
我就講文章的幾個重點：
1.擴散其實很慢，氨水或香水的氣體分子靠擴散，三個小時只能移動1公尺左右。
2.擴散真的很慢，紅墨水滴到水裡之後，一秒只能移動1公分左右。
3.擴散的距離和時間的根號成正比，假設擴散1公分要1秒，那麼擴散2公分就要4秒，擴散3公分就要9秒。意思就是距離越長，擴散所花的時間就會是平方倍的長。相反的說，如果只是擴散一小小段距離，擴散其實蠻快的。
擴散很慢，這有什麼重要呢？
第一是教科書裡用紅墨水來演示擴散，其實是有問題的，因為真的讓紅墨水能快速到整杯均勻，其實不是擴散的功勞，因為擴散沒有那麼快。
第二生物學裡教擴散，難道就只是為了說「物質靠擴散作用進出細胞膜」嗎？這件事情在生物學的意義又有什麼關係呢？
我想從課本裡的第二章來探討，這其實是上冊課本的重要基礎，是後面幾章動物生理和植物生理會用到的重要概念，應該要不時回到那個基礎上去發展後續課程。不過實際上，後面幾章生理學課程就算你不去回頭檢視第二章的內容，也是可以把後面幾章上完的，只是你會少了那個連貫各個生物學知識的「橋」。
這麼說好了，神經系統、內分泌系統、個體的層次、物質進出細胞的方式，這幾個單元其實是連貫的。有想過嗎？
多細胞生物的細胞之間需要分工合作，這要分兩個層次來講，一是分工，二是合作。分工是把整個工作流程切分成數個小階段，每群細胞做不同的小階段，比如說把氧氣送到身體內部這件事情，就要有一群細胞負責引進外界的氣體，一群細胞負責把氣體運送到其他細胞...。而「合作」不只是那一群的細胞內彼此要合作，也包括不同群的細胞彼此要合作。
而合作的基礎就是要溝通，但細胞之間不會講話啊，那就要靠一些其他的方式來溝通。就好像是學生在教室裡被規定不能說話，但還是可以互相溝通，怎麼做？就傳紙條啊。
細胞之間的溝通就像是在傳紙條一樣，A細胞遞出了紙條給B細胞，B細胞的手收到了紙條就知道對方在跟自己講什麼。如果細胞之間的距離長一點，那A細胞就把細胞延長一點再去傳紙條，或者A細胞可以把紙條交給「專門來回傳紙條的細胞們」，這樣也可以把紙條傳給B細胞。其實這講的也就是神經系統、內分泌系統和循環系統所作的事情了，而那些「紙條」也就是神經傳導物質、激素等化學物質，至於B細胞伸出來的手就是細胞膜上的受體了。
神經系統和內分泌系統做的事情，說穿了也就是細胞之間進行互相溝通，那麼這跟擴散又有什麼關係呢？你想想喔，你今天在這棟大樓要傳紙條給那棟大樓的同學，有沒有可能你把紙條丟在地上，然後路過的人踢啊踹的就傳到另外一棟大樓的同學那邊？可能性還是有啊，但就是很低嘛。
細胞之間的溝通也就是這樣，兩個細胞靠很近，就靠擴散作用把化學物質傳過去就行了，但如果兩個離很遠，就不能只靠擴散作用來傳東西，因為擴散作用很慢很慢。因此要在多細胞生物的細胞之間運送物質（無論是養分、氧氣、激素...），就需要有一套運送機制來加速運送。
我們靠消化系統把外界的養分送進身體
我們靠呼吸系統把外界的氧氣送進身體
我們靠循環系統把送進身體的養分、氧氣轉送到細胞旁邊
擴散速度雖然慢，但是物質如果就在細胞旁邊，不管是要進去還是要出去，其實速度夠用的，因為只要能通過細胞膜就可以了，細胞膜也只有幾個奈米而已。
這也可以再去延伸想一想，為什麼細胞都很小？怎麼生物沒有發展出大細胞呢？這跟擴散作用也有關係喔。
當細胞變大的時候，體積會變大，細胞膜的面積也會變大，但是兩者卻不是正比的關係喔。用正方體來想一個細胞吧，假設有個邊長各是1微米的立方體細胞，體積是1立方微米，表面積則是6平方微米。如果這個細胞的邊長變成10倍，那它的體積就會是1000立方微米，表面積卻只有600平方微米。
把這樣的關係整理成圖，就會更清楚知道這樣的趨勢，隨著細胞變大（半徑增加），體積和表面積也隨之變大，但是表面積變大的趨勢遠遠趕不及體積。
改用比例關係來看會更清楚一點。細胞要活下來，就需要物質通過細胞膜來供應內部需求，所以體積越大，理應就要有越大片的細胞膜。可是實際上當細胞變得越大，一單位體積分到的細胞膜反而是越小片。重點就是細胞越小，才有相對比較大片的細胞膜，所以細胞就不可能長太大。紅血球直徑7微米、口腔皮膜細胞直徑數十微米，即便是長度可達一公尺的神經細胞，它的寬度也是數微米而已。
而如果是在組織層次，細胞如何排出更大的表面積來進行擴散呢？細胞長得扁扁的、左右相鄰黏成一大片、在有限的空間裡產生皺摺或突起...，這些條件就是負責把物質運出體內或體外的組織應該要有的，例如動物肺泡、鰓絲、腸壁、植物根毛通通都是。
所以總結一下，擴散跟生物學知識有什麼樣的關係呢？
1.因為擴散很慢，所以在多細胞生物裡，要有不同的方式進行細胞間的溝通。
2.因為擴散很慢，所以不會有大細胞。
3.因為擴散很慢，所以負責轉運物質的組織就要有增大的表面積。
這些就是我前面說的「橋」，是能夠把生理學的概念互相連接的那個橋。
最後再來談的是，針對擴散的速度有沒有探究實驗可以作呢？有啊？不是什麼海帶芽、泡菜都可以嗎？不過那些只有觀察到現象，也就是知道有擴散，但是不容易知道有多快。
暑假時候，我在edX修一門課，叫做Science and Cooking，這課程裡頭每週都有一個lab活動，是在家中就可以進行的實驗，其中一週就是要作擴散的實驗，是紀錄擴散的速度和計算擴散係數。
方法很簡單，就只要一顆蛋、醬油和一把尺就行了。
把一顆蛋煮熟了，切半
把蛋黃挖空
細胞之間的溝通也就是這樣，兩個細胞靠很近，就靠擴散作用把化學物質傳過去就行了，但如果兩個離很遠，就不能只靠擴散作用來傳東西，因為擴散作用很慢很慢。因此要在多細胞生物的細胞之間運送物質（無論是養分、氧氣、激素...），就需要有一套運送機制來加速運送。
我們靠消化系統把外界的養分送進身體
我們靠呼吸系統把外界的氧氣送進身體
我們靠循環系統把送進身體的養分、氧氣轉送到細胞旁邊
擴散速度雖然慢，但是物質如果就在細胞旁邊，不管是要進去還是要出去，其實速度夠用的，因為只要能通過細胞膜就可以了，細胞膜也只有幾個奈米而已。
這也可以再去延伸想一想，為什麼細胞都很小？怎麼生物沒有發展出大細胞呢？這跟擴散作用也有關係喔。
當細胞變大的時候，體積會變大，細胞膜的面積也會變大，但是兩者卻不是正比的關係喔。用正方體來想一個細胞吧，假設有個邊長各是1微米的立方體細胞，體積是1立方微米，表面積則是6平方微米。如果這個細胞的邊長變成10倍，那它的體積就會是1000立方微米，表面積卻只有600平方微米。
把這樣的關係整理成圖，就會更清楚知道這樣的趨勢，隨著細胞變大（半徑增加），體積和表面積也隨之變大，但是表面積變大的趨勢遠遠趕不及體積。
改用比例關係來看會更清楚一點。細胞要活下來，就需要物質通過細胞膜來供應內部需求，所以體積越大，理應就要有越大片的細胞膜。可是實際上當細胞變得越大，一單位體積分到的細胞膜反而是越小片。重點就是細胞越小，才有相對比較大片的細胞膜，所以細胞就不可能長太大。紅血球直徑7微米、口腔皮膜細胞直徑數十微米，即便是長度可達一公尺的神經細胞，它的寬度也是數微米而已。
而如果是在組織層次，細胞如何排出更大的表面積來進行擴散呢？細胞長得扁扁的、左右相鄰黏成一大片、在有限的空間裡產生皺摺或突起...，這些條件就是負責把物質運出體內或體外的組織應該要有的，例如動物肺泡、鰓絲、腸壁、植物根毛通通都是。
所以總結一下，擴散跟生物學知識有什麼樣的關係呢？
1.因為擴散很慢，所以在多細胞生物裡，要有不同的方式進行細胞間的溝通。
2.因為擴散很慢，所以不會有大細胞。
3.因為擴散很慢，所以負責轉運物質的組織就要有增大的表面積。
這些就是我前面說的「橋」，是能夠把生理學的概念互相連接的那個橋。
最後再來談的是，針對擴散的速度有沒有探究實驗可以作呢？有啊？不是什麼海帶芽、泡菜都可以嗎？不過那些只有觀察到現象，也就是知道有擴散，但是不容易知道有多快。
暑假時候，我在edX修一門課，叫做Science and Cooking，這課程裡頭每週都有一個lab活動，是在家中就可以進行的實驗，其中一週就是要作擴散的實驗，是紀錄擴散的速度和計算擴散係數。
方法很簡單，就只要一顆蛋、醬油和一把尺就行了。
把一顆蛋煮熟了，切半
把蛋黃挖空
在蛋黃那個洞裡頭放入碘液或是亞甲藍液，這裡我放的是亞甲藍液。然後就是等待等待，你會發現第一小時就能看到蛋白就有藍色液體擴散進去了，但是接下來數小時就會發現好像都沒什麼改變（記得喔，擴散的距離平方和時間成正比，距離越長，擴散的時間就會更長）。下圖是放了24小時的樣子，也才擴散一點點。
用尺量一下距離，大約是3mm。過了24小時，才擴散幾mm而已，足見之慢啊。順帶一提的是作這實驗最好在放蛋的容器外封個保鮮膜，不然24小時之後，蛋會縮得很明顯喔。
這個則是放了醬油的，基本上就是做完洗一洗就能吃了。
這有一個縮時影片，是同修一門課的同學製作的，能夠看到亞甲藍液在蛋白裡擴散的速度
https://vimeo.com/136274477
前陣子去TOPshow7也分享了這個LAB活動，然後聽到玉枝主任也講了一個作法，很簡單叫做冰滷蛋，概念也是一樣的，用白煮蛋泡醬油，一天切開一個看擴散速度。
我在想喔，如果能掌握了滷蛋的擴散係數，其實就能看圖算出這些滷蛋到底滷了多久
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