Osmose
Was ist Osmose und wie läuft sie bei Tieren und Pflanzen ab? Das zeigen wir dir hier und in unserem Video !
Inhaltsübersicht
Was ist Osmose?
Osmose ist die Diffusion eines Lösungsmittels durch eine semi– oder selektiv permeable (halbdurchlässige) Membran. Sie tritt auf, wenn zwischen den beiden Seiten der Membran ein Konzentrationsgefälle vorherrscht. Das heißt, dass in dem einem Kompartiment (Raum) eine höhere Teilchenkonzentration vorliegt als in dem anderen.
Dieses Gefälle soll mithilfe eines Transports durch die Membran ausgeglichen werden. Die semipermeable Membran können allerdings nur Lösungsmittel (wie z. B. Wasser) passieren. Gelöste Teilchen wie Salz-Moleküle sind zu groß oder zu geladen, um die Membran zu durchqueren.
Bei der Osmose diffundiert das Lösungsmittel (Wasser) nun aus dem Kompartiment mit der geringeren Teilchenkonzentration in das Kompartiment mit der höheren Teilchenkonzentration. Das läuft so lange ab, bis auf beiden Seiten die gleiche Stoffkonzentration (also das gleiche Verhältnis von Teilchen zu Lösungsmittelmenge) vorliegt.
Merke: Die Osmose ist ein passiver Vorgang. Es wird also keine Energie benötigt.
Osmose ist eine Diffusion von Molekülen eines Lösungsmittels (meistens Wasser) durch eine semipermeable Membran, die zwei Regionen unterschiedlicher Konzentrationen voneinander abgrenzt. Es handelt sich um einen passiven Transport, bei dem keine Stoffwechselenergie nötig ist.
Diffusion und Osmose
Die Osmose ist eine spezielle Form der Diffusion durch eine Biomembran. Deswegen ist es wichtig, erst einmal die beiden Begriffe „Diffusion“ und „Biomembran“ zu klären.
Diffusion
Bei der Diffusion handelt sich um einen natürlich ablaufenden, passiven Prozess. Er passiert, wenn ein Konzentrationsgefälle vorliegt. Dann findet er solange statt, bis überall die gleichen Konzentrationen an Teilchen vorliegen.
Diffusion bewirkt, dass sich gelöste Teilchen in einem Lösungsmittel gleichmäßig und spontan verteilen, bis überall die gleiche Anzahl an Teilchen vorliegt. Die gleichmäßige Bewegung der Teilchen kannst du auch als Brownsche Molekularbewegung bezeichnen.
Das Phänomen der Diffusion bemerkst du, wenn du in ein Wasserglas einen Tropfen Tinte hinzugibst. Nach einiger Zeit nimmt das Wasser eine gleichmäßige blaue Färbung an. Dafür ist also keine Membran nötig. Die Diffusion als Transportprozess ist nämlich nicht auf Membranen beschränkt.
Osmose ist ein Spezialfall der Diffusion durch eine Membran, die zwei Kompartimente abgrenzt. Sie ist für das Lösungsmittel (Wasser) durchlässig, für den gelösten Stoff jedoch nicht. Die Art des Stoffes ist dabei egal, denn es geht nur um seine Konzentration.
Biomembran
Bis jetzt haben wir das Phänomen Osmose allgemein betrachtet. Aber in der Biologie hat sie eine besondere Bedeutung.
Für die Osmose ist neben einem Lösungsmittel eine durchlässige Membran nötig. Die Biomembranen aller eukaryotischen und prokaryotischen Zellen sind solche semipermeable Membranen. Sie sind aus einer Doppelschicht aus Phospholipiden aufgebaut und begrenzen bestimmte Kompartimente. Zellmembranen separieren zum Beispiel Zellen voneinander.
Die Biomembran lässt selektiv nur kleine ungeladene Teilchen oder Wasser (=Lösungsmittel) diffundieren. Damit das Wasser die Membran leichter passieren kann, gibt es spezielle Kanalproteine, die sogenannten Aquaporine. Salz-Moleküle, andere Ionen oder größere Moleküle können die Biomembranen nicht ohne Weiteres passieren.
Osmotischer Druck
Sind auf den beiden Seiten der Membran unterschiedliche viele Teilchen gelöst, kommt es zu einem Konzentrationsgefälle. Je größer dieses Gefälle ist, umso stärker strebt die Seite mit der höheren Konzentration danach, Wasser aufzunehmen. Denn das wirkt verdünnend und senkt so die Konzentration.
Dieses Bestreben nach dem Lösungsmittel bezeichnest du als osmotischen Druck . Er wird durch die in einem Lösungsmittel gelösten Moleküle auf der höher konzentrierten Seite verursacht. Dabei stellt er die Triebkraft dar, durch die das Lösungsmittel die Membran passieren kann.
Isotonie, Hypotonie, Hypertonie
Es gibt drei Begriffe, um die Konzentrationen von Stoffen zu beschreiben, die durch Membranen getrennt sind:
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Isotonie
Bei isotonischen (iso = gleich, tonus = Spannung) Verhältnissen sind auf beiden Seiten gleiche Konzentrationen gelöster Stoffe zu finden.
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Hypotonie
Hypotone (hypo = unter) Lösungen verfügen über eine niedrigere Konzentration an gelösten Stoffen als die Vergleichslösung.
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Hypertonie
Bei einer hypertonischen (hyper = über) Lösung ist dagegen die Konzentration an gelösten Stoffen höher als die der Vergleichslösung.
Isotonie, Hypotonie und Hypertoni
Merke: Es findet immer ein Hin– und Rückfluss statt. Dabei ist die Richtung entscheidend, also in welches Kompartiment das meiste Wasser zum Konzentrationsausgleich strömt. Dabei bewegt sich das Wasser immer von der hypotonischen zur hypertonischen Lösung.
Osmose in tierischen Zellen
Tierzellen sind von einer wässrigen Umgebung aus Blut und Lymphe umgeben. Der menschliche Körper besteht zum Beispiel zu 60-75 % aus Wasser. Dementsprechend spielt Osmose bei tierischen Zellen eine große Rolle.
Beispiel Osmose bei roten Blutzellen
In tierischen Zellen kommt die Osmose zum Beispiel bei roten Blutzellen vor. Sie befinden sich normalerweise im Blutplasma. Das ist eine Art wässrige Lösung, die unter anderem Salze und Proteine enthält.
Im Normalzustand besitzen rote Blutzellen die Form einer Scheibe. Verdünnt man die Bluttropfen mit reinem Wasser, schwellen die Zellen an und platzen. Das reine Wasser ist also hypoton (niedrigere Konzentration) im Vergleich zum hypertonen (höhere Konzentration) Medium im Inneren der roten Blutzellen. Weil die Plasmamembran dem Druck des Wassereinstroms nicht standhalten kann, platzen die Zellen.
Wird im umgekehrten Fall eine relativ konzentrierte Salzlösung dem Blut zugefügt, ist nun das Zellplasma der Blutzellen hypoton im Vergleich zum Außenmedium. Das hat zur Folge, dass Wasser per Osmose austritt und die Blutzellen eine faltige Stechapfelform annehmen. Sie sind nun nicht mehr in der Lage, Sauerstoff zu transportieren.
Osmose in Pflanzenzellen
Für Pflanzen ist der Wassertransport von der Wurzel enorm wichtig. Hier wird Wasser passiv über die Wurzel per Osmose aufgenommen.
Beispiel Osmose bei Salat
Gibst du welken Salat in destilliertes Wasser, wird er wieder knackig. Das liegt daran, dass Pflanzenzellen im Gegensatz zu tierischen Zellen zusätzlich eine Zellwand und Vakuole besitzen.
Diese robuste Zellwand sorgt nämlich dafür, dass nur eine bestimmte Menge an Wasser in die Vakuolen aufgenommen werden kann. Deswegen übt die Vakuole einen starken Druck auf die Zellwand aus. Das funktioniert ungefähr wie die Luft im Inneren eines Luftballons, die gegen die Ballonwand drückt.
Die Zellwand baut beim Wassereinstrom einen Druck auf, den Turgor. Er kann in der Zelle bis zu 7 bar betragen. Das ist dreimal mehr als bei einem Autoreifen! Diese „pralle“ Zelle bezeichnest du auch als voll turgeszent, den Vorgang nennst du Deplasmolyse.
Legst du das Salatblatt statt in eine destillierte Lösung in eine konzentrierte Salzlösung, kommt es zu einem Wasserausstrom aus der Vakuole und der Tugordruck nimmt ab. Der Zellkörper (Protoplast ) löst sich von der Zellwand. Du sprichst bei diesem Vorgang von der Plasmolyse .
In biologischen Systemen spielt der Begriff Wasserpotential oft eine Rolle, wenn es um die Beschreibung des Wasserhaushaltes geht. Es beschreibt die Verfügbarkeit von Wasser in einem System wie der Luft oder dem Boden. Das Wasserpotential setzt sich aus dem osmotischen Druck (Anzahl der gelösten Teilchen) und dem Turgordruck zusammen.
Osmoregulation
Als Osmoregulation bezeichnest du die Regulation der osmotischen Verhältnisse. Sie ist vor allem in tierischen Zellen sehr wichtig. Die Zahl der gelösten Teilchen sollte bei diesen Zellen nämlich weder zu hoch noch zu niedrig sein.
Dazu gehören auch wasserlebende Tiere. Viele von ihnen müssen mit unterschiedlichen Wasser- und Salzkonzentrationen auskommen.
Du unterscheidest hier:
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Osmokonformer
Diese meist wirbellosen Tiere passen ihre Osmolarität (Anzahl der gelösten Teilchen pro Volumeneinheit) an ihre Umgebung an. Aber auch Haie gehören zu den Osmokonformern.
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Osmoregulierer
Sie regulieren, dass ihr Salzgehalt unabhängig von ihrer Umgebung fast immer konstant bleibt. Süßwasserfische beispielsweise müssen das Problem, dass ständig Wasser per Osmose einströmt, beheben. Salzwasserfische (Halophile) müssen aufpassen, dass sie nicht zu viel Wasser verlieren.
Einzeller wie das Pantoffeltierchen (Parameticum), die Alge Euglena oder Amöben regulieren ihren Wasserhaushalt auf eine besondere Art und Weise. Sie besitzen nämlich eine kontraktile Vakuole , die sich vergrößern und verkleinern kann. So kann überschüssiges Wasser aus dem Zellplasma durch Osmose in die Vakuole einströmen und über die Zellmembran wieder abgegeben werden.
Pflanzen verfügen zwar über Anpassungen wie eine dicke Cuticula oder eingesenkte Spaltöffnungen als Schutz vor Austrocknung. Bis auf wenige Ausnahmen haben höhere Pflanzen aber keine Strukturen für Osmoregulation.
Osmose im Alltag
Das Prinzip der Osmose wird in Technik und Medizin genutzt. Es erklärt aber auch viele Alltagsphänomene. Einige Anwendungsbereiche der Osmose sind:
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Medizinische Dialyse
Hier werden schädliche Stoffe aus dem Blut entfernt. -
Aufbereitung von Trinkwasser
Dabei wird die Osmose umgekehrt, du sprichst deshalb auch von der sogenannten Umkehrosmose. Mithilfe eines externen Drucks wird eine Substanz gegen ihr Konzentrationsgefälle aufkonzentriert. -
Stromerzeugung
In Osmosekraftwerken wird osmotische Arbeit in Energie umgewandelt und so Strom erzeugt. -
Gemüse-Kochen
Durch das Verwenden von Salzwasser wird ein Wassereinstrom in das leicht salzhaltige Gemüse vermieden. So behält das Gemüse seinen Geschmack. -
Konservierung von Lebensmitteln
Hier wird oft Zucker oder Salz zu den Lebensmitteln hinzugegeben, um das Wasser aus den Lebensmitteln „herauszuziehen“.
Osmose — häufigste Fragen
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Was ist Osmose?
Osmose ist ein passiver Transport eines Lösungsmittels, wie Wasser, durch eine Biomembran. Grundlage ist der sogenannte osmotische Druck, also ein Konzentrationsgefälle zwischen den Räumen auf beiden Seiten der Membran. Dieses Gefälle wird bei der Osmose durch einseitige Diffusion ausgeglichen.
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Was bedeutet Osmose einfach erklärt?
Beim Prozess der Osmose diffundiert ein Lösungsmittel, wie Wasser, von der niedrigeren zur höheren Teilchenkonzentration durch eine Membran. Die Konzentration ist der Anteil des gelösten Stoffes im Lösungsmittel. Dieser Stoff kann z. B. Zucker sein.
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Welche Osmose Beispiele gibt es?
Osmose kommt z. B. bei Kirschen im Regen vor.
1. Im Inneren ist mehr Zucker als im Regenwasser
2. Die Teilchen wollen einen Konzentrationsausgleich erreichen
3. Deswegen diffundiert Wasser in die Kirsche
4. Ist der Druck zu hoch, platzt sie
Turgor
Durch die Osmose kommt es in Pflanzenzellen zum sogenannten Turgordruck. Was das genau ist und welche Auswirkungen er auf die Pflanzen hat, zeigen wir dir in diesem Video !
