Cytologie

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Zellaufbau

Osmose

Was ist Osmose, wie kommt sie in Pflanzen- und Tierzellen vor und warum ist es gefährlich, auf einmal zu viel Wasser zu trinken oder wenn Kinder Pudding mit Salz statt mit Zucker essen? Das alles erklären wir dir hier! 

Du möchtest das Thema noch schneller verstehen? Dann schaue dir gerne unser anschauliches Video dazu an!

Inhaltsübersicht

Osmose einfach erklärt 

Unter Osmose (griechisch. osmos = Schub, Antrieb) kannst du die Diffusion eines Lösungsmitteln durch eine semi- oder selektiv permeable Membran verstehen. Sie ist im Fall der Osmose nur für das Lösungsmittel (in der Regel Wasser) und nicht für die gelösten Stoffe  durchlässig. 

Wasser diffundiert aus dem Kompartiment (Raum), an dem es höher konzentriert vorliegt (geringere Teilchenkonzentration), in das Kompartiment, in dem seine Konzentration geringer ist (höhere Teilchenkonzentration). Die Bewegung läuft so lange ab, bis die Stoffkonzentrationen auf beiden Seiten ausgeglichen sind. 

Osmose findet Anwendung in der Aufbereitung von Trinkwasser (Umkehrosmose), in Osmosekraftwerken,  in der Dialyse zur Blutreinigung oder bei der Lebensmittelkonservierung. Sie ist lebenswichtig für uns Menschen, denn sie findet in unserem Körper in jeder einzelnen Zelle als Transportprozess statt. 

Außerdem begegnet sie uns auch oft  im Alltag:  Kirschen platzen, wenn es regnet oder unsere Haut wird schrumpelig beim Baden. Durch die hohe Zuckerkonzentration in den reifen Kirschen erfolgt ein osmotischer Wassereinstrom, dem die Zellen der Kirschen nicht standhalten können und der sie zum Platzen bringt. Auch unsere Hautzellen weisen eine höhere Salzionen-Konzentration als das Badewasser auf. Das hat einen Wassereinstrom in unsere Zellen zum Konzentrationsausgleich zur Folge, was unsere Haut aufquellt.

Definition

Osmose ist eine Diffusion von Molekülen eines Lösungsmittels (meistens Wasser) durch eine semi- oder selektivpermeable Membran, die zwei Regionen unterschiedlicher Konzentrationen voneinander abgrenzt. Es handelt sich um einen passiven Transport, bei dem keine Stoffwechselenergie nötig ist. 

Was ist Osmose?

Was ist Osmose eigentlich genau und was passiert bei der Osmose? Der Begriff „Osmose“ stammt aus dem griechischen (osmos) und bedeutet „Eindringen“ , „Schub“ oder „Antrieb“. Es handelt sich hier um das gerichtete „Eindringen“ gelöster Teilchen durch eine halbdurchlässige Barriere. Diese Barriere kannst du auch als Membran bezeichnen. Da sie halbdurchlässig, also semipermeabel ist, lässt sie manche Stoffe durch, andere hingegen nicht.

Im Fall der Osmose kannst du dir das so vorstellen, dass nur das Lösungsmittel (in der Regel Wasser), die Membran passieren kann. Gelöste Teilchen wie Salz-Moleküle sind zu groß oder zu geladen, um die Membran zu durchqueren. 

Wichtig ist aber, dass du dir merkst, dass es sich hierbei um einen passiven Vorgang handelt. Es wird also keine Energie benötigt. Jetzt fragst du dich wahrscheinlich, wieso das Wasser freiwillig die Membran passiert und in welche Richtung der Transport abläuft? Das erklären wir dir hier.  

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Diffusion und Osmose

Bevor wir uns der Osmose weiter widmen, ist es wichtig, dass du verstehst, dass Osmose eine spezielle Form der Diffusion ist. 

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. 

Bei der Diffusion handelt sich um einen natürlich ablaufenden, passiven Prozess. Er findet solange statt, bis überall die gleichen Konzentrationen an Teilchen vorliegen. Das Phänomen der Diffusion kannst du beobachten, wenn du in ein Wasserglas einen Tropfen Tinte hinzu gibst. Nach einiger Zeit nimmt das Wasser eine gleichmäßige blaue Färbung an. Wichtig ist aber auch, dass du dir merkst, dass sich die Teilchen trotzdem weiter bewegen und es hier zu keinem Stillstand kommt. 

Wie dir bestimmt aufgefallen ist, spielt eine Membran keine Rolle. Diffusion als Transportprozess ist also nicht auf Membranen beschränkt. 

 

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Osmose ist nun ein Spezialfall der Diffusion. Hier kommt jetzt eine Membran ins Spiel, die zwei Kompartimente abgrenzt. Sie ist für das Lösungsmittel (Wasser) durchlässig, für den gelösten Stoff jedoch nicht. Es ist aber egal, welcher Stoff gelöst vorliegt, denn es geht nur um seine Anzahl , nicht um die Art. Die Anzahl der gelösten Teilchen (= osmotisch aktive Teilchen) pro Volumeneinheit kannst du auch als Osmolarität bezeichnen. 

Für die Osmose gilt jetzt also:

Wasser diffundiert aus dem Kompartiment, an dem es höher konzentriert vorliegt (geringere Teilchenkonzentration), in das Kompartiment, in dem seine Konzentration geringer ist (höhere Teilchenkonzentration). Hier bewegen sich also im Gegensatz zur Diffusion nicht die Teilchen, sondern das Lösungsmittel, bis die Stoffkonzentrationen auf beiden Seiten ausgeglichen sind. Es herrscht ein Gleichgewichtszustand vor. 

Biomembran

Bis jetzt haben wir das Phänomen Osmose allgemein behandelt. Jetzt wollen wir uns anschauen, was Osmose in der Biologie für eine Bedeutung hat. Wie du bereits weißt, spielt bei Osmose das Vorhandensein eines Lösungsmittels und einer durchlässigen Membran eine Rolle. 

Die Biomembranen aller eukaryotischen  und prokaryotischen Zellen sind solche semipermeable Membranen. Sie sind aus einer Doppelschicht aus Phopholipiden aufgebaut und begrenzen bestimmte Kompartimente. Im Fall der Zellmembran separieren sie Zellen voneinander. Die Biomembran lässt selektiv nur kleine ungeladene Teilchen oder Wasser (= Lösungsmittel) diffundieren. Damit Wasser leichter durch die Membran passieren kann, gibt es spezielle Kanalproteine, sogenannte Aquaporine. Salz-Moleküle, andere Ionen oder größere Moleküle können die Biomembranen nicht ohne weiteres passieren. 

Der Transport von Wasser zwischen Zellen oder Zellorganellen erfolgt immer vom Ort der höheren zum Ort der niedrigeren Konzentration an gelösten Teilchen. Besonders bei Pflanzenzellen ist der Wassertransport von großer Bedeutung. Aber auch viele Tierzellen sind in einer wässrigen Umgebung von Blut und Lymphe umgeben, denn der menschliche Körper besteht zu 60 – 75 % aus Wasser. Osmose stellt also einen essentiellen Stofftransport im menschlichen Körper dar. 

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Osmotischer Druck

Je größer der Unterschied an gelösten Teilchen auf den jeweiligen Seiten ist, desto größer ist das Bestreben der Seite mit mehr gelösten Teilchen Wasser aufzunehmen. Diese Kraft kannst du auch als osmotischen Druck bezeichnen.  Darunter verstehst du den Druck, der durch die in einem Lösungsmittel gelösten Moleküle auf der höher konzentrierten Seite verursacht wird. Er stellt die Triebkraft dar, damit das Lösungsmittel die Membran passieren kann. 

Diesen Druck kann man mit einem Osmometer messen. Der deutsche  Botaniker Wilhelm Pfeffer entwickelte eine Apparatur zur Messung des osmotischen Drucks in wässrigen Lösungen – die Pfeffersche Zelle. Das Messverfahren kannst du als Osmometrie bezeichnen. 

Der osmotische Druck ist für diesen Stofftransportprozess die Hauptvoraussetzung. Die gelösten Moleküle in einem Lösungsmittel verursachen auf derjenigen Trennschichtseite mit der höheren Konzentration den osmotischen Druck. Die so entstehenden Druckverhältnisse treiben den Fluss des Lösungsmittels durch die jeweilige Membran an. Auf diese Weise bewegt sich das Lösungsmittel von der Seite mit der niedrigeren Teilchenkonzentration durch die Membran hin zur Seite mit der jeweils höheren Konzentration, auf der der osmotische Druck besteht. Dies findet solange statt, bis die Druckverhältnisse auf beiden Seiten ausgeglichen sind. 

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Osmose in pflanzlichen und tierischen Zellen

Wie du bereits gelernt hast, findet Osmose als Transportprozess von Wasser zwischen Zellen statt. Generell gibt es drei Begriffe, um die Konzentrationen von Stoffen, die durch Membranen getrennt sind, zu beschreiben: hypertonisch, isotonisch und hypotonisch.

Eine hypertonische (hyper = über, tonus = Spannung) Lösung besitzt eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als die Vergleichslösung. Bei isotonischen (iso = gleich) Verhältnissen sind auf beiden Seiten gleiche Konzentrationen gelöster Stoffe zu finden. Eine hypotone (hypo = unter) Lösung besitzt eine niedrigere Konzentration an gelösten Stoffen als die Vergleichslösung.

Du kannst dir folgenden Zusammenhang merken: Wasser bewegt sich immer von einer hypotonischen Lösung zu einer hypertonischen Lösung.

Natürlich findet immer ein Hin- und Rückfluss statt. Hier ist die Tendenz in eine Richtung entscheidend, also in welches Kompartiment das meiste Wasser zum Konzentrationsausgleich strömt. 

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Die größten Unterschiede zwischen tierischen und pflanzlichen Zellen sind, dass Pflanzenzellen zusätzlich zur Zellmembran eine Zellwand und eine Vakuole besitzen. Schauen wir uns also an, ob sich diese Unterschiede auf den Vorgang der Osmose auswirken: 

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Tierische Zellen

Wir behandeln als Beispiel für tierische Zellen rote Blutzellen (= Blutkörperchen, Erythrozyten). Sie befinden sich normalerweise im Blutplasma. Darunter kannst du dir eine wässrige Lösung vorstellen, die unter anderem Salze und Proteine enthält.

Im Normalzustand besitzen rote Blutzellen die Form einer Scheibe (=bikonkav). Verdünnt man jetzt die Bluttropfen mit reinem Wasser, schwellen die Zellen an und platzen. Das reine Wasser ist also hypoton im Vergleich zum hypertonen Medium im Inneren der roten Blutzellen. Die Plasmamembran kann dem Druck des Wassereinstroms nicht standhalten und das führt zum Platzen der 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 Form (Stechapfelform) besitzen. Diese sind nun nicht mehr in der Lage, Sauerstoff zu transportieren, was gravierende Folgen hat. Deshalb muss beim Kochen besonders bei kleinen Kindern aufgepasst werden, dass Zucker und Salz nicht vertauscht werden. 

Pflanzenzellen 

Betrachten wir jetzt als Beispiel für die Pflanzenzellen Salat. Wenn wir welken Salat in destilliertes Wasser geben, kommen dessen Zellen im Gegensatz zu den Blutzellen nicht zum Platzen. Er wird stattdessen wieder knackig.  Das liegt an der robusten Zellwand. Sie sorgt dafür, dass nur eine bestimmte Menge an Wasser in die Zellen – genauer gesagt in die Vakuolen – aufgenommen werden kann. Die Vakuole übt dadurch einen starken Druck auf die Zellwand aus. Du kannst dir das wie die Luft innerhalb eines Ballons vorstellen, die gegen die Ballonwand drückt.

Die Zellwand baut beim Wassereinstrom einen Druck auf – den Tugor. Er kann in der Zelle bis zu 7 bar betragen (Zum Vergleich: das ist dreimal mehr als bei einem Autoreifen.). Diese „pralle“ Zelle kannst du auch als voll turgeszent und den Vorgang als Deplasmolyse bezeichnen. 

Legen wir jetzt das Salatblatt in eine konzentrierte Salzlösung, so kommt es zu einem Wasserausstrom aus der Vakuole und der Tugordruck nimmt ab. Der Zellkörper (Protoplast ) löst sich von der Zellwand. Diesen Vorgang kannst du auch als Plasmolyse%Verweis bezeichnen. 

Für Pflanzen ist der Wassertransport von der Wurzel enorm wichtig. Hier wird Wasser passiv über die Wurzel per Osmose aufgenommen. In biologischen Systemen spielt oft der Begriff Wasserpotential 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 und setzt sich aus dem osmotischen Druck – also der Anzahl der gelösten Teilchen – und dem Turgordruck zusammen. Wichtig: Das Wasser fließt immer vom Ort des höheren Wasserpotentials zum Ort des niedrigeren Wasserpotentials. 

Osmoregulation

Du siehst also, dass die Regulation  der osmotischen Verhältnisse (= Osmoregulation) vor allem in tierischen Zellen enorm wichtig ist. Sie müssen aufpassen, dass die Zahl der gelösten Teilchen nicht zu hoch oder niedrig wird. Das hängt natürlich auch von der jeweiligen Lebensweise ab. 

Viele wasserlebende Tiere müssen mit unterschiedlichen Wasser- und Salzkonzentrationen auskommen. Du kannst hier zwischen Osmokonformern und Osmoregulierern unterscheiden. Osmokonformer sind vor allem wirbellose Tiere und passen ihre Osmolarität an ihre Umgebung an. 

Osmoregulierer regulieren wie ihr Name bereits vorwegnimmt, 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)%Verweis, die Alge Euglena oder Amöben haben eine besondere Lösung, ihren Wasserhaushalt zu regulieren. Sie besitzen nämlich eine kontraktile Vakuole , die sich vergrößern und verkleinern kann. Dadurch kann überschüssiges Wasser aus dem Zellplasma durch Osmose in die Vakuole einströmen und über die Zellmembran abgegeben werden. 

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Pflanzen besitzen zwar Anpassungen wie eine dicke Cuticula oder eingesenkte Spaltöffnungen als Schutz vor Austrocknung. Aber bis auf wenige Ausnahmen haben höhere Pflanzen keine Strukturen für Osmoregulation. 

Osmose Anwendungen

Das Prinzip der Osmose wird in Technik und Medizin genutzt, erklärt aber auch viele Alltagsphänomene. In der medizinischen Dialyse werden beispielsweise mithilfe von Osmose schädliche Stoffe aus dem Blut entfernt.

Eine andere Möglichkeit der Nutzung von Osmose bietet die Umkehrosmose. Bei einer Umkehrosmose wird gemäß des Namens die Osmose umgekehrt. Mithilfe eines externen Drucks wird eine Substanz gegen ihr Konzentrationsgefälle aufkonzentriert. Diese Methode findet bei der Aufbereitung von Trinkwasser Anwendung.

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Außerdem wird in Osmosekraftwerken osmotische Arbeit in Energie umgewandelt und zur Stromerzeugung genutzt.  

Auch im Alltag begegnen wir dem Phänomen der Osmose häufig. Beim Kochen von Gemüse achten wir zum  Beispiel darauf, dass wir Salzwasser verwenden. Dadurch wird ein Wassereinstrom in das leicht salzhaltige Gemüse vermieden, was den Geschmack beeinträchtigen würde. Auch zur Konservierung von Lebensmitteln wird häufig Zucker oder Salz (Pökeln) dazu gegeben, um das Wasser aus den Lebensmitteln „herauszuziehen“. Reife Früchte wie Kirschen platzen eben auch häufig bei Regen, da es zu einem osmotischen Wassereinstrom kommt. Die schrumpelige Haut nach dem Baden ist übrigens auch ein Ergebnis von Osmose. 

Besonders tragisch sind Fälle, bei denen durch zu viel Wasseraufnahme in kurzer Zeit, wie etwa bei einem Marathon, Menschen sterben können. Durch die Wasseraufnahme sinkt die Salzkonzentration in den Zellen und Wasser strömt in die nun höher konzentrierten Hirnzellen ein. Das führt zu einer Hirnschwellung, die im schlimmsten Fall zum Tod führen kann. 

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