Kapitel
In diesem Artikel erklären wir, dass Osmose ist und wie sie in Pflanzen- und Tierzellen mittels einer semipermeablen (teildurchlässigen) Membran, der Zellmembran, vor sich geht.
Definition: Was ist und wie funktioniert Osmose?
Osmose wird definiert als:
„Der Prozess der Nettobewegung von Wassermolekülen aus einem Bereich höherer Konzentration gelöster Stoffe in einen Bereich niedrigerer Konzentration gelöster Stoffe durch eine semipermeable Membran, die Zellmembran, wird Osmose genannt.“
Osmose ist eine Diffusion von Wassermolekülen zwischen höherer und niedriger Konzentration in einer verdünnten Lösung durch die Zellmembran. Wir wissen, dass die Konzentration von Wassermolekülen in einer verdünnten Lösung höher ist als in einer konzentrierten Lösung. Somit bewegen sich die Wassermoleküle von der verdünnten Lösung in die konzentrierte Lösung.
Es kommt die Frage auf, was passiert, wenn die Konzentration der Wassermoleküle auf beiden Seiten gleich ist. Die Antwort ist einfach. In dieser Situation bewegen sich die Wassermoleküle in gleicher Geschwindigkeit in beide Richtungen und es gibt keine Nettobewegung von Wassermolekülen.
Osmose in lebenden Zellen
Verdünnte Lösungen aus Zucker, Aminosäuren und Ionen sind in Zellen vorhanden. Die Zellmembran, die die Zelle umgibt, ist semipermeabel. Das bedeutet, dass sie manchen Stoffe erlaubt, durch sie hindurch zu treten, und anderen nicht. Wasser bewegt sich durch den Prozess der Osmose in und aus der Zelle.
Im nächsten Abschnitt befassen wir uns damit, wie Osmose in Tier- und Pflanzenzellen vor sich geht.
Osmose in Pflanzenzellen
Wenn eine einzelne Pflanzenzelle in Wasser oder eine verdünnte Lösung gegeben wird, dann nimmt sie Wasser durch den Prozess der Osmose auf. In Pflanzen nehmen Haarwurzelzellen das Wasser aus der feuchten Luft oder Erde auf diese Weise auf. Andererseits tendieren die Blattzellen der Pflanzen an Land dazu, Wasser abzugeben, es sei denn, es regnet oder es herrscht eine hohe Luftfeuchtigkeit.
Wir wissen, dass Pflanzenzellen über eine Zellwand außerhalb der Zellmembran verfügen. Im Gegensatz zur teildurchlässigen Membran ist die Zellwand vollständig durchlässig (permeabel). Das bedeutet, dass sie es allen Molekülen erlaubt, in die Zelle einzutreten. Außerdem stärkt sie die Zelle und schützt sie davor zu platzen, wenn sie Wasser durch Osmose aufnimmt.
Es gibt Experimente, die durchgeführt werden, um den Prozess der Osmose in Pflanzen vollständig zu verstehen. In diesen Experimenten werden die Pflanzenzellen in verschiedene verdünnte Lösungen jeweils zunehmender Konzentration des in ihre gelösten Stoffes gegeben. Sehen wir uns die Ergebnisse dieser Experimente an.
Pflanzenzellen in reinem Wasser
Wenn Pflanzenzellen in reines Wasser gegeben werden, dann drücken die Zellstrukturen wie das Zytoplasma und die Vakuole gegen die Zellwand. Das führt dazu, dass der Tugor, also der Innendruck der Zelle, steigt und die Zelle prall anschwillt. Auf diese Weise bietet die Zelle der Pflanze Stärke und Struktur und macht es ihr möglich im Falle nicht hölzerner Pflanzenstämme aufrecht zu stehen.
Pflanzenzellen in konzentrierter Lösung
Wenn Pflanzenzellen in konzentrierte Lösungen gegeben werden, dann verlieren die Pflanzenzellen Wasser durch den Prozess der Osmose. Das führt dazu, dass die Zelle schrumpft und sich von der Zellwand zurückzieht, wodurch die Zelle insgesamt nicht mehr prall, sondern schlaff ist.
Weißt du, was passiert, wenn eine Pflanzenzelle schlaff wird? Um diese Frage zu beantworten, nehmen wir das Beispiel des Pflanzenstiels. Wenn die Pflanzenzellen schlaff werden, sinkt der Druck in der Zelle und der Stiel verliert seine Stärke und Festigkeit.
Pflanzenzellen in hochkonzentrierter Lösung
In einer hochkonzentrierten Lösung durchläuft die Zelle Plasmolyse, da sie viel Wasser verliert. Wenn der Wassergehalt in der Erde geringer ist, dann ist die Pflanze einer hohen Konzentration gelöster Substanzen ausgesetzt. In dieser Situation verlieren die Pflanzen Wasser mittels Osmose. Eine solche Situation hoher Konzentration gelöster Substanzen in der Erde tritt üblicherweise auf, wenn Trockenheit herrscht, entweder weil der Regen ausbleibt oder eine Zimmerpflanze nicht genügend gegossen wird.
Wenn Süßwasserpflanzen beispielsweise in Salzwasser gegeben werden oder Algen in ein Felsenbecken, dann verdampft das Wasser aufgrund der Sonneneinstrahlung allmählich und die Pflanzen geben Wasser durch Osmose ab.
Im nächsten Abschnitt sehen wir uns an, wie die Osmose in Tierzellen vor sich geht.
Osmose in Tierzellen
Wie Pflanzenzellen nehmen auch tierische Zellen Waser durch Osmose auf bzw. geben es ab. Im Gegensatz zu pflanzlichen Zellen verfügen Tierzellen nicht über eine Zellwand. Deshalb verändern sie ihre Größe und Form, wenn sie in Lösungen unterschiedlicher Konzentration von Wassermolekülen gegeben werden.
Wenn rote Blutzellen beispielsweise in eine konzentrierte Lösung gegeben werden, verlieren sie Wasser und schrumpfen infolge dessen. Andererseits nehmen sie Waser auf, wenn sie in eine Lösung geringer Konzentration gegeben werden, die entsprechend viel Wasser enthält. Sie nehmen so viel Wasser auf, dass sie schließlich platzen. Die Konzentration von Flüssigkeiten im Körper sollte bei Tieren bestimmte Grenzen nicht unter- oder überschreiten, da die Zellen, wenn sie zu viel Wasser durch Osmose verlieren, nicht richtig funktionieren. Sehen wir uns an, was passiert, wenn Tierzellen in Lösungen unterschiedlicher Konzentration gegeben werden.
In reinem Wasser oder einer stark verdünnten Lösung
Wenn Tierzellen in reines Wasser oder eine stark verdünnte Lösung gegeben werden, dann dringt das Wasser über eine semipermeable Membran durch den Prozess der Osmose in die Zelle ein, da das reine Wasser bzw. die verdünnte Lösung eine höhere Konzentration an Wassermolekülen hat. Die Zellen nehmen über die Osmose Wasser auf und die Zellmembran dehnt sich aus. Das kann so führen, dass die Zelle platzt, was als Zytolyse bekannt ist.
Zytolyse kommt in Pflanzenzellen nicht vor, da sie über eine Zellwand verfügen, die sie vor dem Platzen schützt, wenn der Druck der Zelle steigt. In einer hypotonischen Umgebung verfügt die Lösung außerhalb der Zelle über eine geringere Konzentration der gelösten Substanz als das Zellinnere. Deshalb ist es wichtig, dass in Tierkörpern stets ein ausreichendes Wasserpotenzial vorhanden ist.
In einer konzentrierten Lösung
Wenn Tierzellen in eine Lösung mit einem geringen Wasserpotenzial gegeben werden, d. h. in eine konzentrierte Lösung, dann tritt Wasser durch den Prozess der Osmose aus der Zelle aus. Das führt dazu, dass die Zelle schrumpft. Es kommt insbesondere dazu, wenn die Lösung außerhalb der Zelle eine höhere Konzentration des gelösten Stoffes aufweist als das Zellinnere.
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