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BOTANIK

Diffusion und Osmose

Diffusion: Alle Teilchen eines gelösten Stoffes sind in ständiger Bewegung. Kommt es in der Lösung zu einem Konzentrationsunterschied, beispielsweise durch örtliche Zugabe von Lösungsmittel oder durch die Neubildung einer löslichen Substanz an einer bestimmten Stelle, so entsteht ein Konzentrationsgefälle.
Durch die Teilchenbewegung wird dieses Konzentrationsgefälle, sofern es nicht ständig neu erzeugt wird, im Laufe der Zeit ausgeglichen. Die spontan eintretende, gleichmäßige Verteilung eines Stoffes in dem zur Verfügung stehenden Raum nennt man Diffusion. Die Diffusionsgeschwindigkeit hängt, gleiche Temperatur vorausgesetzt, vor allem vom Konzentrationsgefälle und von den Eigenschaften des diffundierenden Stoffes ab. Was für gelöste Stoffe gilt, trifft auch für das Lösungsmittel Wasser zu:

Abb. rechts: Veränderung eines Konzentrationsgefälles, oben durch Osmose, unten durch Diffusion (Bild aus "Die Zelle")

Modell eines osmotischen Systems: Zwei Behälter sind durch eine semipermeable (selektiv durchlässige) Membran getrennt. Die Porengröße ist ausreichend, um kleinen Partikeln (Ionen, Molekülen) einen ungehinderten Durchlass zu gewähren; sie verhindert den Durchgang der großen. Es baut sich daher im linken Behälter ein höherer osmotischer Druck auf, da sich jedes Partikel mit einer Hydrathülle umgibt. Da jener Behälter mehr "wasserbindende" Partikel enthält, dehnt sich das Volumen aus.
Der osmotische Druck (Turgor): delta P ist messbar. Hierbei sind: psi = das Wasserpotential, delta P = der hydrostatische Druck, sigma = das Verhältnis von scheinbarem zu theoretischem osmotischen Druck in Abhängigkeit von der Semipermeabilität der Membran und pi = der osmotische Druck des Behälters (Zelle).

Osmose:

Ist die Konzentration des Wassers auf beiden Seiten einer Membran gleich groß, ändert sich an diesem Zustand, statistisch betrachtet, nichts, obwohl ständig Wassermoleküle in beiden Richtungen durch die Membran hindurch wandern. Je höher die Temperatur, umso stärker ist diese Teilchenbewegung. Ist die Membran zwischen zwei Lösungen hauptsächlich für das Lösungsmittel durchlässig, für andere Teilchen aber kaum, wird sie als halbdurchlässige oder semipermeable Membran bezeichnet. Die Durchlässigkeit einer Membran hängt in der Regel von ihrer Porengröße ab. Befinden sich auf beiden Seiten der Membran Lösungen unterschiedlicher Wasserkonzentration, dann werden in Richtung niedrige Wasserkonzentration im gleichen Zeitraum mehr Wassermoleküle durch die Membran treten als umgekehrt. Man spricht von Osmose.

Unter Osmose versteht man den Nettofluss von Wasser durch eine halbdurchlässige Membran hindurch.

isotonisch: Der osmotische Druck auf beiden Seiten der Membran ist gleich.
hypotonisch: Die Konzentration einer gelösten Substanz (z.B. in der Zelle) ist niedriger als in der Vergleichslösung (z.B. der Umgebung der Zelle)
hypertonisch: Die Konzentration einer gelösten Substanz ist höher als in der Vergleichslösung. Wasser wandert so lange aus einer hypotonischen in eine hypertonische Lösung ein, bis beide isotonisch sind.

Osmose und biologische Membranen; Turgor:

Jede Zelle hat stets mit osmotischen Erscheinungen zu kämpfen. Zellwandlose Zellen in wässriger Lösung sind in der Regel hypertonisch, d.h., es erfolgt in sie ein kontinuierlicher Wassereinstrom, der seinerseits einen Druck von innen auf die Membran ausübt. Bei einigen Ciliaten (z.B. Paramecium) und Flagellaten (z.B. Euglena) wird es mittels pulsierender Vakuolen wieder herausgepumpt.

Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) kommen normalerweise in einer isotonischen Umgebung (Blutplasma) vor. Verdünnt man Blut mit Wasser, platzen die Zellen, da die Membran dem osmotischen Druck des Zellinneren nicht standhält. Man kann das Platzen unterbinden, wenn man das Blut mit einer isotonischen Lösung (0,9 prozentige NaCl-Lösung = physiologische Kochsalzlösung) verdünnt.

Bei Pflanzenzellen ist die Situation nur deshalb anders, weil sie in der Regel von einer elastisch dehnbaren Zellwand umgeben sind. Bringt man sie in eine hypotonische Lösung, können sie nur so lange Wasser aufnehmen, bis ein Ausgleich des Wasserpotentials innen und außen erreicht ist; innen steht das Wasser trotz höherer Konzentration der osmotisch wirksamen Substanzen unter einem zusätzlichen hydrostatischen Druck, dem Turgor. Das ermöglicht den Pflanzenzellen, in ihren Vakuolen Ionen, Zucker, organische Säuren, Aminosäuren u.a. in beträchtlichen Konzentrationen zu speichern.

Durch Wasseraufnahme baut sich intrazellulär ein entsprechend hoher hydrostatischer Druck auf. Der auf die Wand ausgeübte Druck (Turgor) spielt eine entscheidende Rolle zum Erhalt der Stabilität und Steifheit pflanzlicher Gewebe. Jede Zelle übt dabei Druck auf die benachbarten aus. In der Summe baut sich daher eine beträchtliche Gewebespannung auf. Pflanzenzellen, die wie reife Kirschen einen süßen, konzentrierten Zellsaft besitzen, können sogar platzen, wenn es regnet oder wenn sie in Wasser gelegt werden. Der osmotische Druck in ihren Zellen übersteigt dann die Festigkeit der Zellwand.

Plasmolyse: Bringt man aber prallgefüllte Zellen in konzentrierte Zuckerlösung, dann löst sich das Plasma mit seiner begrenzenden Membran von der Zellwand ab und legt sich als Plasmahülle um die geschrumpfte Vakuole. Diesen Vorgang nennt man Plasmolyse.

Bilder: Bauer, Bossler: "Die Zelle", Cornelsen-Velhagen & Klasing

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