Osmose ist ein biophysikalisches Phänomen, bei dem sich Wasser (oder ein anderes Lösungsmittel) von einer weniger konzentrierten Lösung zu einer konzentrierteren Lösung durch eine teilweise durchlässige Membran bewegt (mit anderen Worten, sie lässt einige Teilchen durch, während sie andere blockiert).
Das Lösungsmittel hält diese Wanderung aufrecht, bis ein Konzentrationsgleichgewicht erreicht ist.
Wenn also eine Nettowanderung der Wassermoleküle von einer Lösung mit einer niedrigen Konzentration an gelösten Stoffen zu einer Lösung mit einer höheren Konzentration an gelösten Stoffen stattfindet, nennen wir dieses Phänomen Osmose. Diese Bewegung wird manchmal auch als „entlang des Konzentrationsgradienten“ bezeichnet.
Der osmotische Druck ist die Kraft, die erforderlich ist, um die Bewegung des Wassers durch die semipermeable Membran zu verhindern.
Der Begriff Osmose, der aus dem Griechischen stammt und „Schub“ oder „Impuls“ bedeutet, wurde erstmals von J.A. Nollet geprägt, der 1747 ein Experiment beschrieb, bei dem er eine Tierblase verwendete, um zwei Kammern mit Wasser und Wein zu trennen. Er stellte fest, dass sich das Volumen in der Kammer mit dem Wein vergrößerte und dass der Druck anstieg, wenn die Kammer geschlossen wurde.
Wie Osmose funktioniert
Ein klassisches Experiment zur Osmose besteht darin, ein Becherglas mit Wasser in zwei Hälften zu teilen, wobei eine halbdurchlässige Membran dazwischen liegt und auf einer Seite Salz hinzugefügt wird. Schon bald wird man feststellen, dass das Wasser von der Seite des Bechers, die kein Salz enthält, zu der Seite mit der Salzlösung wandert. Diese Wasserbewegung wird so lange anhalten, bis die Salzkonzentration auf beiden Seiten gleich ist.
Aus demselben Grund sollte man niemals eine Schnecke in die Nähe von Salz setzen, denn das würde dazu führen, dass die arme Kreatur stirbt, weil ihr das Wasser entzogen wird.
Der Schlüssel zur Osmose ist das Vorhandensein einer halbdurchlässigen Membran, die es für Wassermoleküle in einer niedrig konzentrierten Lösung wahrscheinlicher macht, mit der Membran zu kollidieren und sie zu durchdringen, während in einer konzentrierten Lösung viel weniger Wassermoleküle mit der Membran kollidieren und sie durchdringen. Diese Diskrepanz bedeutet, dass eine größere statistische Wahrscheinlichkeit besteht, dass mehr Wassermoleküle aus einer weniger konzentrierten Lösung die Membran durchdringen. Sobald die statistische Wahrscheinlichkeit, dass Wassermoleküle die Membran durchdringen, gleich ist, hört die Osmose auf.
Osmose in der Natur
Osmose ist einer der wichtigsten Prozesse des Lebens. Jede Zelle unseres Körpers, Pflanzen und Tiere um uns herum verdanken ihr Überleben der Osmose.
Nehmen wir zum Beispiel Pflanzen. Wenn wir sie gießen, gießen wir es auf das Stängelende und die Erde. Wenn die Zellen der Pflanze von einer Lösung umgeben sind, die eine höhere Konzentration von Wassermolekülen enthält als die Lösung im Inneren der Zellen, dringt das Wasser durch Osmose in die Blätter, Früchte und Blüten ein. Während dieses Prozesses wird die Pflanzenzelle fest.
Wird eine Pflanze jedoch von einer Lösung umgeben, die eine geringere Wasserkonzentration enthält, so werden die Wassermoleküle der Lösung im Inneren der Pflanzenzellen durch Osmose ausgetrieben und die Pflanze wird schlaff.
Wenn wir Pflanzen gießen, gießen wir normalerweise das Stängelende und den Boden, in dem sie wachsen. Daher nehmen die Wurzeln der Pflanzen das Wasser auf, und von den Wurzeln aus gelangt das Wasser zu den verschiedenen Teilen der Pflanze, seien es Blätter, Früchte oder Blüten. Jede Wurzel wirkt wie eine halbdurchlässige Barriere, die es den Wassermolekülen ermöglicht, von einer hohen Konzentration (Boden) zu einer niedrigen Konzentration (Wurzeln) zu gelangen. Die Wurzeln sind behaart, was die Oberfläche und damit die Wasseraufnahme der Pflanzen vergrößert.
Ein vergleichbares Beispiel findet sich vielleicht in unserem eigenen Körper. Wenn wir Wasser trinken, nehmen die Zellen es durch Osmose auf, genau wie Pflanzenwurzeln. Die Zellwand wirkt wie eine halbdurchlässige Membran, die einen osmotischen Druck zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle erzeugt. Blut ist eine verdünntere Lösung als das Zytoplasma der Zelle, so dass Wasser die Zellwand durchdringen kann. Das Gleiche gilt für Nährstoffe und Mineralien, die ebenfalls durch Osmose übertragen werden.
Die Menschen haben das Potenzial der Osmose schon in der Antike erkannt und sie zur Konservierung von Lebensmitteln genutzt. Die Alten beobachteten, dass die Zugabe von Salz oder Zucker dem Gewebe Wasser entzieht. Damals nannte man diesen Vorgang „Imbibition“, weil gelöste Stoffe wie Salz und Zucker das Wasser aus dem Material, mit dem sie in Berührung kommen, anziehen.
Was ist der Unterschied zwischen Osmose und Diffusion
Diffusion und Osmose sind beides passive Transportprozesse, d.h. sie erfordern keine Energiezufuhr, um Stoffe zu bewegen. Beide Prozesse sind für das ordnungsgemäße Funktionieren biologischer Prozesse, wie z. B. den Transport von Wasser oder Nährstoffen zwischen den Zellen, unerlässlich.
Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht darin, dass Diffusion in jedem Gemisch auftreten kann, auch wenn zwei Lösungen nicht durch eine halbdurchlässige Membran getrennt sind, während Osmose ausschließlich durch eine halbdurchlässige Membran erfolgt.
Die Diffusion sorgt für eine gleichmäßige Zusammensetzung der Luft, indem sie chemische Spezies, wie z. B. Sauerstoff in der Luft, umverteilt, bis ein Gleichgewicht erreicht ist, d. h. bis das Konzentrationsgefälle – der Konzentrationsunterschied zwischen zwei Bereichen – beseitigt ist. Wenn die Konzentration einer Spezies anfangs nicht gleichmäßig ist, bewirkt die Diffusion im Laufe der Zeit einen Massentransfer zugunsten einer gleichmäßigeren Konzentration.
Fazit: Osmose – die natürliche Bewegung von Wasser in eine Lösung durch eine halbdurchlässige Membran – ist ein zentraler Vorgang in der gesamten Biologie. Es handelt sich um einen passiven Transportprozess wie die Diffusion, aber die beiden sind unterschiedlich.