Diffusion und Osmose

Zellmembranen und Diffusion

Um zu funktionieren, müssen Zellen Materialien über ihre Zellmembranen in ihr Zytoplasma hinein und aus ihr heraus bewegen. Diese Membranen sind semipermeabel, was bedeutet, dass bestimmte Moleküle passieren dürfen, andere jedoch nicht. Diese Bewegung von Molekülen wird durch die Phospholipid-Doppelschicht und ihre eingebetteten Proteine vermittelt, von denen einige als Transportkanäle für Moleküle fungieren, die sonst nicht in der Lage wären, die Membran zu passieren, wie z. B. Ionen und Kohlenhydrate.

Zellgröße und das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen

Ein Grund, warum Zellen so klein sind, ist die Notwendigkeit, Moleküle in, durch und aus der Zelle zu transportieren. Aufgrund des Verhältnisses zwischen Oberfläche und Volumen gibt es eine geometrische Einschränkung für die Zellen, die die Fähigkeit einschränkt, genügend Nährstoffe aufzunehmen, um eine größere Zellgröße zu unterstützen. Das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen (SA:V) nimmt mit zunehmender Größe der Zelle aufgrund der unterschiedlichen Skalierungsfaktoren von Oberfläche und Volumen ab. Das bedeutet, dass mit zunehmender Größe der Zelle weniger Membranfläche vorhanden ist, die in der Lage ist, ein größeres Zellvolumen mit Nährstoffen zu versorgen.

Einige Ionen werden durch Diffusion in die Zelle gebracht, d. h. durch die Nettobewegung von Partikeln von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedrigerer Konzentration. Dies wird als Verschieben eines Konzentrationsgradienten nach "unten" bezeichnet. Die Diffusion ist nettogerichtet; Während die Nettobewegung der Partikel entlang des Konzentrationsgradienten verläuft, bewegen sie sich aufgrund der zufälligen Bewegung der Partikel ständig in beide Richtungen. Das bedeutet, dass sich Partikel in Lösungen im Gleichgewicht immer noch bewegen, aber mit einer konstanten Austauschrate, so dass die Lösung gleichmäßig gemischt bleibt. In einer wässrigen Umgebung wie der Zelle sind bei diesem Prozess gelöste Ionen, sogenannte gelöste Stoffe, die sich durch Wasser, das Lösungsmittel, bewegen. Sie kann in einer offenen Umgebung stattfinden, z. B. wenn sich Farbstoff durch ein Becherglas ausbreitet, oder über eine Zellmembran, z. B. wenn sich Ionen durch einen Proteinkanal bewegen.

Osmose und die Bewegung des Wassers

Wasser bewegt sich durch Diffusion über die Zellmembranen, ein Prozess, der als Osmose bekannt ist. Osmose bezieht sich speziell auf die Bewegung von Wasser über eine semipermeable Membran, wobei sich das Lösungsmittel (z. B. Wasser) von einem Bereich mit niedriger Konzentration an gelösten Stoffen (gelöstes Material) zu einem Bereich mit hoher Konzentration an gelösten Stoffen bewegt. In diesem Fall lässt die semipermeable Membran den gelösten Stoff nicht durch. Man kann sich dies so vorstellen, dass sich Wasser in seinem eigenen Konzentrationsgradienten bewegt und den gleichen zufälligen Prozess wie die Diffusion beinhaltet.

Lösungen, die durch semipermeable Membranen getrennt sind, können als hypertonisch, hypoton oder isotonisch beschrieben werden, abhängig von den relativen Konzentrationen gelöster Stoffe in jeder Lösung. Eine hypertone Lösung (hyper- bedeutet auf Griechisch "oben") hat eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als eine benachbarte Lösung, während eine hypotone Lösung (hypo- bedeutet auf Griechisch "unten") eine geringere Konzentration an gelösten Stoffen aufweist. In dieser Situation bewegt sich Wasser von der hypotonen Lösung zur hypertonischen Lösung, bis die Konzentrationen des gelösten Stoffes gleich sind. Lösungen, die isotonisch sind (iso- bedeutet auf Griechisch "gleich"), haben gleiche Konzentrationen des gelösten Stoffes und haben daher keinen Konzentrationsgradienten ¹.

Osmose und die Pflanzenzelle

Die Fähigkeit des Wassers, in die Zellen einzudringen, unterscheidet sich zwischen pflanzlichen und tierischen Zellen aufgrund des Vorhandenseins einer Zellwand in Pflanzen. Zellwände sind starr und nur für sehr kleine Moleküle durchlässig. Wenn Wasser in die Zelle eindringt, wird die Membran gegen die Zellwand gedrückt, wodurch ein hydrostatischer oder turgorartiger Druck entsteht. Dieser Druck begrenzt die Geschwindigkeit und Menge an Wasser, die in die Zelle eindringen kann. Die Wahrscheinlichkeit, dass Wasser in eine Zelle eindringt, wird als Wasserpotential bezeichnet, quantitativ definiert als das Druckpotential plus das Potential des gelösten Stoffes. Das Druckpotential ist abhängig vom Druck in der Zelle und das Potential des gelösten Stoffes hängt von der Konzentration des gelösten Stoffes in der Zelle ab.

Das Wasserpotenzial kann in einer lebenden Pflanzenzelle wie Elodea, einer Wasserpflanze, in Aktion beobachtet werden. Unter dem Mikroskop kann ein Phänomen namens zytoplasmatisches Strömen oder Zyklose beobachtet werden, bei dem sich Zytoplasma und Organellen wie Chloroplasten durch die Zelle bewegen. Dieser Prozess ändert sich sichtbar, wenn die Zellen in verschiedene Lösungen getaucht werden. Interessanterweise ermöglicht diese Bewegung den Chloroplasten, bei der Photosynthese effizienter zu arbeiten. Sie bewegen sich in den Schatten hinein und wieder heraus und sammeln Photonen, wenn sie wieder in die beleuchteten Bereiche der Zellen eintreten³.

Der Prozess der Osmose ist essentiell für den Mechanismus, durch den Pflanzen Wasser von ihren Wurzeln zu ihren Blättern bringen, sogar Dutzende von Metern über dem Boden. Kurz gesagt, Pflanzen transportieren Zucker und andere gelöste Stoffe zu ihren Wurzeln, um ein Gefälle zwischen der Innen- und Außenseite der Wurzel zu erzeugen. Wasser aus dem Boden gelangt dann durch Osmose in die Wurzel. Von diesem Zeitpunkt an führt ein Prozess namens Transpiration dazu, dass das Wasser durch Röhren im Inneren der Pflanze, das Xylem, gezogen wird und die Blätter verdunstet. Im Idealfall bleibt diese Wassersäule, sobald sie etabliert ist, während des gesamten Lebens der Pflanze intakt. ⁴

Dieses natürlich vorkommende Phänomen wurde genutzt, um wertvolle Technologien zu entwickeln. Ein Beispiel ist die Wasseraufbereitung. Vor kurzem hat die NASA damit begonnen, den Prozess der Vorwärtsosmose zur Reinigung und Wiederverwendung von Abwasser an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) sowie für erdgebundene Anwendungen zu untersuchen. ² Bei diesem Verfahren werden halbdurchlässige Membranen verwendet, um Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen, wodurch es sicher getrunken werden kann. Diese Technologie wurde kürzlich eingesetzt, um die Hilfsmaßnahmen nach einer schweren Überschwemmung im Westen Kenias^{zu unterstützen 5}.

Referenzen

1. Soult, Allison. LibreTexte, Chemie. 8.4 Osmose und Diffusion. [Im Internet] 19. Oktober 2017. https://chem.libretexts.org/LibreTexts/University_of_Kentucky/UK%3A_CHE_103_-_Chemistry_for_Allied_Health_(Soult)/Chapters/Chapter_8%3A_Properties_of_Solutions/8.4%3A_Osmosis_and_Diffusion.
2. Levine, Howard. NASA Forward Osmose Tasche. NASA Kennedy Space Center, Cape Canaveral, FL, Vereinigte Staaten. [Im Internet] 11. Juli 2018. https://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/846.html.
3. Dodonova SO, Bulychev AA (2011). "Wirkung des zytoplasmatischen Strömens auf die photosynthetische Aktivität von Chloroplasten in den Internodien von Chara corallina". Russische Zeitschrift für Pflanzenphysiologie. 59: 35–41. doi:10.1134/S1021443711050050.
4. Osmose und Pflanzenernährung. Hammer, Michael. 2000, Der Rhododendron, Bd. 40.
5. Innovationen in der Trinktechnologie. Humanitäre Vorwärtsosmose-Wasserfiltration. [Im Internet] [Zitiert: 21. August 2018.] http://www.htiwater.com/divisions/humanitarian/lead_story.html.