OSMOSE: PROZESS, TYPEN, DIFFUSIONSUNTERSCHIEDE UND BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die Osmose ist ein passives Phänomen, bei dem Wasser durch eine Membran verdrängt wird. Dies kann eine Zellmembran, ein Epithel oder eine künstliche Membran sein. Wasser bewegt sich von einer Region mit niedrigem osmotischem Druck (oder wo Wasser häufiger vorkommt) in die Region mit höherem osmotischem Druck (oder wo Wasser weniger häufig ist).

Dieser Prozess ist von biologischer Relevanz und koordiniert eine Reihe physiologischer Prozesse sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen.

Quelle: OpenStax

Der erste Forscher, der über das osmotische Phänomen berichtete, war Abbé Jean Antoine Nollet. 1748 arbeitete Nollet mit tierischen Zellmembranen und stellte fest, dass sich das Wasser mit gelösten Stoffen in die Region bewegte, wenn reines Wasser auf eine Seite der Membran und eine Lösung mit verdünnten Elektrolyten auf die andere Seite gegeben wurde.

So wurde der Durchgang von Wasser zugunsten seines Konzentrationsgradienten beschrieben und als Osmose bezeichnet. Der Begriff stammt aus den griechischen Wurzeln osmos, was pushen bedeutet.

1877 führte Wilhelm Pfeller die ersten Studien zum osmotischen Druck durch. Sein experimenteller Entwurf beinhaltete die Verwendung einer Kupferferrocyanid- "Membran" auf der Oberfläche eines porösen Tonbechers, wodurch eine Membran entstand, die den Durchgang von Wassermolekülen ermöglichte.

Pfellers künstliche Membranen waren stark genug, um signifikanten osmotischen Drücken standzuhalten und nicht zusammenzubrechen. Dieser Forscher konnte schließen, dass der osmotische Druck proportional zur Konzentration des gelösten Stoffes ist.

Prozess

Die Bewegung von Wasser durch eine Membran von einem Bereich niedriger Konzentration zu einem Bereich hoher Konzentration wird als Osmose bezeichnet. Dieser Prozess findet von einem Bereich mit dem niedrigsten osmotischen Druck bis zum höchsten osmotischen Druck statt.

Diese Aussage kann zunächst verwirrend - und sogar widersprüchlich sein. Wir sind an passive "High to Low" -Bewegungen gewöhnt. Zum Beispiel kann Wärme von hohen bis zu niedrigen Temperaturen sein, Glucose diffundiert von Regionen mit hoher Konzentration in weniger konzentrierte Bereiche und so weiter.

Wie bereits erwähnt, bewegt sich das Wasser, bei dem das Phänomen der Osmose auftritt, von niedrigen zu hohen Drücken. Dies tritt auf, weil Wasser pro Volumeneinheit häufiger vorkommt, wenn gelöster Stoff weniger häufig vorkommt.

Das heißt, während der Osmose bewegt sich das Wasser dorthin, wo es (das Wasser) häufiger vorkommt, wo es weniger häufig vorkommt. Daher muss das Phänomen aus der Perspektive des Wassers verstanden werden.

Es ist wichtig zu bedenken, dass die Osmose die Bewegung von Wasser durch die Membranen regelt und die Bewegung von gelösten Stoffen nicht direkt beeinflusst. Wenn gelöste Stoffe diffundieren, folgen sie Gradienten ihrer eigenen chemischen Konzentration. Nur Wasser folgt dem Konzentrationsgradienten des osmotischen Drucks.

Osmotischer Druck

Druck?

Einer der verwirrendsten Aspekte beim Verständnis des Osmoseprozesses ist die Verwendung des Wortes Druck. Um Verwirrung zu vermeiden, ist es wichtig zu klären, dass eine Lösung aufgrund ihres osmotischen Drucks selbst keinen hydrostatischen Druck ausübt.

Beispielsweise hat eine 1 M Glucoselösung einen osmotischen Druck von 22 atm. Die Lösung "explodiert" jedoch nicht in Glasflaschen und kann wie reines Wasser gelagert werden, da eine isolierte Lösung keinen hydrostatischen Druck erzeugt.

Der Begriff Druck wird nur aufgrund eines historischen Unfalls verwendet, da die ersten Wissenschaftler, die diese Phänomene untersuchten, physikalisch und chemisch waren.

Wenn also zwei Lösungen, die sich in ihren osmotischen Drücken unterscheiden, durch eine Membran getrennt sind, wird ein hydrostatischer Druck erzeugt.

Osmotischer und hydrostatischer Druck

Der Osmoseprozess führt zur Bildung eines hydrostatischen Drucks. Die Druckdifferenz führt zu einem Anstieg des Niveaus der konzentrierten Lösung, wenn das Wasser in sie diffundiert. Der Anstieg des Wasserspiegels setzt sich fort, bis die Nettowasserbewegungsrate gleich Null ist.

Ein Nettofluss wird erreicht, wenn der hydrostatische Druck in Kompartiment II ausreicht, um die Wassermoleküle mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der die Moleküle durch Osmose von Kompartiment I nach II gelangen, zum Verhalten I zurückzudrängen.

Der Druck des Wassers, durch den sich die Partikel zurückziehen (aus den Kompartimenten I bis II), wird als osmotischer Druck der Lösung in Kompartiment II bezeichnet.

Wie wird der Wasserfluss in Zellen gesteuert?

Dank des osmotischen Phänomens kann sich Wasser passiv durch Zellmembranen bewegen. In der Vergangenheit ist bekannt, dass Tieren ein aktives Wassertransportsystem fehlt, um den Fluss dieser Substanz zu steuern.

Aktive Transportsysteme für gelöste Stoffe können jedoch die Richtung der Wasserbewegung in eine günstige Richtung ändern. Auf diese Weise ist der aktive Transport gelöster Stoffe eine Möglichkeit, mit der Tiere ihre Stoffwechselenergie nutzen, um die Richtung des Wassertransports zu steuern.

Quantifizierung

Es gibt mathematische Formeln, mit denen die Geschwindigkeit gemessen werden kann, mit der das Wasser durch Osmose die Membranen passiert. Die Gleichung zur Berechnung lautet wie folgt:

Osmotische Transportrate von Wasser = K (Π ₁ –Π ₂ / X). Wobei Π ₁ und Π ₂ die osmotischen Drücke der Lösungen auf beiden Seiten der Membran sind und X der Abstand ist, der sie voneinander trennt.

Die Beziehung (Π _{1 -} Π ₂ / X) ist als osmotischer Druckgradient oder osmotischer Gradient bekannt.

Der letzte Term in der Gleichung ist K ist der Proportionalitätskoeffizient, der von der Temperatur und der Permeabilität der Membran abhängt.

Unterschiede mit der Diffusion

Was ist Rundfunk?

Die Diffusion erfolgt durch die zufällige thermische Bewegung von gelösten oder suspendierten Molekülen, die ihre Dispersion von den Regionen hoher Konzentrationen zu den niedrigsten bewirkt. Die Diffusionsrate kann mittels der Fick-Gleichung berechnet werden.

Es ist ein exergonischer Prozess aufgrund der Zunahme der Entropie, die durch die zufällige Verteilung der Moleküle dargestellt wird.

Falls es sich bei dem Stoff um einen Elektrolyten handelt, muss zusätzlich zu den Konzentrationen der gesamte Ladungsunterschied zwischen den beiden Kompartimenten berücksichtigt werden.

Osmose ist ein besonderer Fall der Diffusion

Diffusion und Osmose sind keine gegensätzlichen Begriffe, geschweige denn sich gegenseitig ausschließende Konzepte.

Wassermoleküle haben die Fähigkeit, sich schnell durch Zellmembranen zu bewegen. Wie wir erklärt haben, diffundieren sie in einem als Osmose bezeichneten Prozess von einem Bereich mit niedriger Konzentration an gelöstem Stoff zu einem Bereich mit hoher Konzentration.

Es erscheint uns seltsam, von „Wasserkonzentration“ zu sprechen, aber diese Substanz verhält sich wie jede andere Substanz. Das heißt, es diffundiert zugunsten seines Konzentrationsgradienten.

Einige Autoren verwenden jedoch den Begriff "Wasserdiffusion" als Synonym für Osmose. Eine wörtliche Anwendung auf biologische Systeme kann falsch sein, da gezeigt wurde, dass die Osmoserate durch biologische Membranen höher ist als bei einem einfachen Diffusionsprozess zu erwarten.

In einigen biologischen Systemen gelangt Wasser durch einfache Diffusion durch die Zellmembran. Einige Zellen haben jedoch spezielle Kanäle für den Wasserdurchgang. Die wichtigsten sind Aquaporine, die die Geschwindigkeit des Wasserflusses durch die Membran erhöhen.

Beispiele

In biologischen Systemen ist die Bewegung von Wasser durch Zellmembranen entscheidend für das Verständnis von Dutzenden physiologischer Prozesse. Einige Beispiele sind:

Osmotischer Austausch bei Süßwasserfischen

Ein interessantes Beispiel für die Rolle der Osmose bei Tieren ist der Wasseraustausch bei Fischen, die in Süßwasser leben.

Tiere, die in Süßwasserkörpern leben, nehmen ständig Wasser aus dem Fluss oder Teich auf, wo sie in ihren Körper gelangen, da die Konzentration von Blutplasma und anderen Körperflüssigkeiten eine viel höhere Konzentration aufweist als die von Wasser. .

Die Fischart Carassius auratus lebt in Süßwasserumgebungen. Eine Person mit einer Masse von 100 Gramm kann dank der Bewegung des Wassers in ihrem Körper ungefähr 30 Gramm Wasser pro Tag gewinnen. Die Fische haben energetisch teure Systeme, um überschüssiges Wasser ständig loszuwerden.

Reabsorption von Flüssigkeiten

Im Magen-Darm-System von Tieren muss das Phänomen der Osmose auftreten, damit es richtig funktioniert. Der Verdauungstrakt scheidet eine erhebliche Menge an Flüssigkeit (in der Größenordnung von Litern) aus, die durch Osmose von den Zellen, die den Darm auskleiden, resorbiert werden muss.

Falls dieses System seine Arbeit nicht ausführt, können schwere Durchfallereignisse auftreten. Eine Verlängerung dieser Fehlfunktion kann zu einer Dehydration des Patienten führen.

Turgor in Pflanzen

Das Wasservolumen in den Zellen hängt von der Konzentration der inneren und äußeren Umgebung ab, und der Fluss wird durch die Phänomene Diffusion und Osmose gesteuert.

Wenn eine tierische Zelle (z. B. ein Erythrozyt) in ein Medium gegeben wird, das den Eintritt von Wasser fördert, kann sie platzen. Im Gegensatz dazu haben Pflanzenzellen eine Wand, die sie vor osmotischem Stress schützt.

Tatsächlich nutzen nicht holzige Pflanzen diesen Druck, der durch den passiven Eintritt von Wasser erzeugt wird. Dieser Druck hilft, verschiedene Pflanzenorgane wie Blätter prall zu halten. Sobald Wasser aus den Zellen fließt, verliert die Zelle ihre Prallheit und verdorrt.

Verweise

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