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5.7: Tonizität bei Tieren
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Tonicity in Animals
 
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5.7: Tonicity in Animals

5.7: Tonizität bei Tieren

The tonicity of a solution determines if a cell gains or loses water in that solution. The tonicity depends on the permeability of the cell membrane for different solutes and the concentration of nonpenetrating solutes in the solution within and outside of the cell. If a semipermeable membrane hinders the passage of some solutes but allows water to follow its concentration gradient, water moves from the side with low osmolarity (i.e., less solute) to the side with higher osmolarity (i.e., higher solute concentration). Tonicity of the extracellular fluid determines the magnitude and direction of osmosis and results in three possible conditions: hypertonicity, hypotonicity, and isotonicity.

Isotonic Solutions

In biology, the prefix “iso” means equal or being of equal measurements. When extracellular and intracellular fluid have an equal concentration of nonpenetrating solute inside and outside, the solution is isotonic. Isotonic solutions have no net movement of water. Water will still move in and out, just in equal proportions. Therefore, no change in cell volume occurs.

Hypotonic Solutions

The prefix “hypo” means lower or below. Whenever there is a low concentration of nonpenetrating solute and a high concentration of water outside relative to inside, the environment is hypotonic. Water will move into the cell, causing it to swell. In animal cells, the swelling ultimately causes cells to burst and die. Freshwater is an example of a hypotonic environment. Freshwater organisms tend to have higher osmolarity (i.e., higher salt concentration) inside their cells than the surrounding body of water such as a lake or river.

Hypertonic Solutions

Conversely, the prefix “hyper” means more or above. During hypertonicity, the extracellular fluid contains more solute (i.e., high osmolarity) and less water than the inside of a cell. Thus, water moves out of the cell, causing animal cells to shrink. Saltwater is an example of hypertonic extracellular fluid because it has a higher osmolarity (i.e., higher salt concentration) in contrast to most intracellular fluids.

Osmoregulation

To avoid the shrinking and swelling that occurs in hypertonic and hypotonic solutions, animal cells must have strategies to maintain osmotic balance. The process by which osmotic balance is achieved is called osmoregulation. Osmoregulatory strategies can be grouped into two categories: regulating and conforming. Osmoregulators control and maintain their internal osmotic conditions independent of environmental conditions. Conversely, osmoconformers use active and passive internal processes to mimic the osmolarity of their environment.

Many animals, including humans, are osmoregulators. For instance, fish that live in saltwater, a hypertonic environment, are able to regulate water lost to the environment by taking in copious quantities of water and frequently excreting salt out. Fish that live in freshwater mitigate the constant osmosis of water into their cells by frequent urination that releases water out of the body.

Most marine invertebrates, such as lobsters and jellyfish, are osmoconformers. Osmoconformers maintain an internal solute concentration—or osmolarity—equal to that of their surroundings, and so they thrive in environments without frequent fluctuations.

Die Tonizität („effektive Osmolartät“) einer Lösung bestimmt, ob eine Zelle in einer Lösung Wasser aufnimmt oder verliert. Die Tonizität hängt von der Durchlässigkeit der Zellmembran für verschiedene gelöste Stoffe und von der Konzentration der nicht eindringenden gelösten Stoffe in der Lösung innerhalb und außerhalb der Zelle ab. Wenn eine semipermeable Membran den Durchtritt einiger gelöster Stoffe verhindert, das Wasser aber seinem Konzentrationsgradienten folgen kann, bewegt sich das Wasser von der Seite mit geringer Osmolarität (d.h. weniger gelöste Stoffe) zur Seite mit höherer Osmolarität (d.h. höherer Konzentration gelöster Stoffe). Die Tonizität der extrazellulären Flüssigkeit bestimmt das Ausmaß und die Richtung der Osmose und führt zu drei möglichen Zuständen: Hypertonizität, Hypotonizität und Isotonizität.

Isotonische Lösungen

In der Biologie bedeutet die Vorsilbe “iso” gleich oder gleich gemessen. Wenn extrazelluläre und intrazelluläre Flüssigkeit innen und außen eine gleiche Konzentration an nicht eindringenden gelösten Stoff aufweisen, ist die Lösung isotonisch. Bei isotonischen Lösungen gibt es keine Nettobewegung des Wassers. Das Wasser bewegt sich immer noch zu gleichen Anteilen nach innen und außen. Daher tritt keine Änderung des Zellvolumens auf.

Hypotonische Lösungen

Die Vorsilbe “hypo” bedeutet niedriger oder niedriger. Immer, wenn es eine niedrige Konzentration eines nicht eindringenden gelösten Stoffs und eine hohe Konzentration von Wasser außen im Vergleich zum Inneren gibt, ist die Umgebung hypotonisch. Das Wasser wird in die Zelle eindringen und sie zum Anschwellen bringen. In tierischen Zellen führt die Schwellung schließlich zum Platzen und Absterben der Zellen. Süßwasser ist ein Beispiel für eine hypotone Lösung. Süßwasserorganismen neigen dazu, eine höhere Osmolarität (d.h. eine höhere Salzkonzentration) in ihren Zellen zu haben, als das umgebende Gewässer (Seen und Flüsse).

Hypertone Lösungen

Umgekehrt bedeutet das Präfix “hyper” mehr oder höher. Während der Hypertonie enthält die extrazelluläre Flüssigkeit mehr gelösten Stoff (d.h. hohe Osmolarität) und weniger Wasser als das Innere einer Zelle. Dadurch fließt Wasser aus der Zelle heraus, wodurch tierische Zellen schrumpfen. Salzwasser ist ein Beispiel für hypertone extrazelluläre Flüssigkeit, da es eine höhere Osmolarität (d.h. höhere Salzkonzentration) im Gegensatz zu den meisten intrazellulären Flüssigkeiten hat.

Osmoregulation

Um das durch hypertone und hypotone Lösungen auftretende Schrumpfen und Anschwellen zu vermeiden, müssen tierische Zellen Strategien zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts haben. Der Prozess, durch den das osmotische Gleichgewicht erreicht wird, nennt man Osmoregulation. Osmoregulatorische Strategien können in zwei Kategorien eingeteilt werden: regulierend und konform. Osmoregulatoren kontrollieren und erhalten ihre internen osmotischen Bedingungen unabhängig von den Umweltbedingungen. Umgekehrt nutzen Osmokonformer aktive und passive interne Prozesse, um die Osmolarität ihrer Umgebung zu imitieren.

Viele Tiere, einschließlich des Menschen, sind Osmoregulatoren. Zum Beispiel sind Fische, die in Salzwasser, einer hypertonen Umgebung, leben, in der Lage, den Wasserverlust an die Umwelt zu regulieren. Sie nehmen große Mengen Wasser auf und scheiden viel Salz aus. Fische, die im Süßwasser leben, mildern die ständige Osmose des Wassers in ihre Zellen durch häufiges Urinieren. Dies setzt Wasser aus dem Körper frei.

Die meisten wirbellosen Meerestiere, wie Hummer und Quallen, sind Osmokonformer. Osmokonformer halten die innere Konzentration an gelösten Stoffen gleich der ihrer Umgebung, um Osmolarität zu erreichen. Sie gedeihen daher in Umgebungen ohne häufige Schwankungen.


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