Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)

Diffusion und Osmose – Biologie

Sowohl Diffusion als auch Osmose sind passive Transportvorgänge. Was die Osmose von der Diffusion unterscheidet und warum beide Prozesse – nicht nur in unserem Alltag, sondern in jedem Lebewesen und in der gesamten Natur – so bedeutend sind, klären wir im Folgenden.

Diffusion

Betrachten wir zunächst einmal die Diffusion. Im Unterricht wirst du die Diffusion nicht nur in der Biologie, sondern auch in der Physik und in der Chemie behandeln. Auch in unserem Alltag finden wir die Vorgänge der Diffusion: Wenn sich der Geruch von frisch gekochtem Essen verbreitet oder wenn wir uns einen Früchtetee machen und sich das heiße Wasser mit der Zeit rot verfärbt. Diffusion läuft überall dort ab, wo ein Konzentrationsgefälle zwischen zwei mischbaren Stoffen vorliegt. Das kann bei zwei Flüssigkeiten oder Gasen der Fall sein oder bei einem Feststoff und einer Flüssigkeit, z. B. dann, wenn man Salz in Wasser auflöst.

Was ist Diffusion? – Definition

Bei der Diffusion handelt es sich um einen ungehinderten Konzentrationsausgleich. Dieser Vorgang erfolgt passiv und ohne Zufuhr von Energie. Dabei wandern Teilchen vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration. Jedes Teilchen bewegt sich aufgrund seiner Eigenbewegung. In der physikalischen Chemie wird diese als brownsche Molekularbewegung bezeichnet.

Schauen wir uns das Beispiel des Früchtetees einmal genauer an: Zu Beginn sind die roten Farbmoleküle im Teebeutel konzentriert, während im Wasser keine roten Farbmoleküle vorhanden sind. Nach einer Weile verteilen sich die roten Farbmoleküle des Tees in der gesamten Flüssigkeit, bis es keinen Konzentrationsunterschied mehr gibt.

Einflüsse auf die Diffusion

Wie wir gerade gelernt haben, geht es bei der Diffusion im Grunde um Bewegung. Und Bewegung steht immer im Zusammenhang mit Geschwindigkeit. Daher besitzt auch der Vorgang der Diffusion eine bestimmte Geschwindigkeit – die Diffusionsgeschwindigkeit. Je höher die Diffusionsgeschwindigkeit, desto schneller kommt es zum Konzentrationsausgleich. Es gibt verschiedene Faktoren, die die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen:

• Temperatur: Mit zunehmender Temperatur steigt die Eigenbewegung der Teilchen. Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt zu.

• Strecke: Je kürzer die zu diffundierende Strecke, desto schneller erfolgt der Konzentrationsausgleich und desto höher ist auch die Diffusionsgeschwindigkeit.

• Konzentrationsunterschied: Wie oben beschrieben dient die Diffusion dem Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Je größer der Konzentrationsunterschied, desto höher ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
  Das Verhältnis von dem Konzentrationsunterschied $\Delta c$ zu der Diffusionsstrecke $\Delta x$ bezeichnet man auch als Konzentrationsgradienten $\frac{\Delta c}{\Delta x}$. Du kannst dir das wie die Steigung an einem Berg vorstellen: Je steiler der Weg, desto schneller rollt der Stein herunter.

• Teilchengröße: Die Beschaffenheit der Teilchen hat einen großen Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit. Insbesondere die Größe des diffundierenden Teilchens spielt eine Rolle. Je größer ein Teilchen ist, desto größer ist auch der Widerstand, den das Teilchen durch das Lösungsmittel erfährt. Große Teilchen diffundieren also langsamer als kleine Teilchen.

• Medium: Auch die Beschaffenheit des Mediums, in dem sich die Teilchen bewegen, beeinflusst die Diffusionsgeschwindigkeit. Je viskoser (zähflüssiger) ein Medium ist, desto langsamer bewegen sich die Teilchen. In der Folge sinkt die Diffusionsgeschwindigkeit.

Oft findet der Konzentrationsausgleich von Stoffen nicht ungehindert statt, sondern durch Membranen. Viele Membranen sind halbdurchlässig, man sagt auch semipermeabel. So können beispielsweise Wasser und kleine Moleküle durch eine Zellmembran diffundieren, jedoch nicht Proteine, Ionen und Zucker. Den Vorgang der Diffusion durch eine (halbdurchlässige) Membran bezeichnet man auch als Osmose.

Osmose

Um den Vorgang der Osmose besser zu verstehen, stellen wir uns folgendes Experiment vor: In einem Gefäß befindet sich eine Zuckerlösung, die durch eine semipermeable Membran von reinem Wasser getrennt ist. Die Zuckerteilchen können die Membran nicht passieren, da sie für solche Teilchen nicht durchlässig ist. Wenn die Zuckerteilchen nun nicht vom Ort der hohen Konzentration (Zuckerlösung) zum Ort der niedrigen Konzentration (Wasser) diffundieren können, wie kommt es dann zum Konzentrationsausgleich? In diesem Fall diffundiert Wasser durch die Membran in die Zuckerlösung. Mit anderen Worten: Wasser verdünnt die Zuckerlösung so weit, bis auf beiden Seiten der Kammer die Konzentration an gelösten Teilchen gleich ist. In der Folge steigt der Flüssigkeitsstand in der Kammer mit der Zuckerlösung an. Die dabei wirkende Kraft, die das Wasser in die Zuckerlösung zieht, bezeichnet man als osmotischen Druck. Der osmotische Druck ist stärker, je größer der Konzentrationsunterschied ist.

Was ist Osmose? – Definition

Die Erkenntnisse aus unserem Experiment kann man wie folgt zusammenfassen: Osmose ist die Diffusion durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran. Der Konzentrationsausgleich erfolgt gerichtet und wird durch den osmotischen Druck angetrieben. Wie bei der Diffusion handelt es sich bei der Osmose um einen passiven Vorgang, der keinerlei Energiezufuhr von außen benötigt.

Osmose – Beispiele aus der Biologie

Die beiden folgenden Vorgänge sind Beispiele für die sogenannte Osmoregulation.

Osmose bei Pflanzen
Legt man die Epidermis der roten Küchenzwiebel in eine hoch konzentrierte Zuckerlösung, so wandert in Folge des Konzentrationsunterschieds von Zucker Wasser aus den Zellen hinaus und der Protoplast (alle Zellbestandteile bis auf die Zellwand) schrumpft. Dieser Vorgang heißt Plasmolyse. Der Vorgang ist jedoch reversibel (umkehrbar): Legt man die Zwiebelepidermis anschließend in destilliertes Wasser, so wandert Wasser in die Zellen hinein. Diesen Vorgang nennt man Deplasmolyse. Die gleichen Vorgänge kannst du auch bei Pflanzen im Sommer beobachten. Leiden Pflanzen an Wassermangel, sehen sie welk aus (Plasmolyse). Wenn es regnet oder du die Pflanzen mit Wasser gießt, richten sie sich wieder auf (Deplasmolyse).

Osmose bei Tieren
Fische, die im Meerwasser leben, haben bestimmte Mechanismen entwickelt, um nicht auszutrocknen. Es klingt absurd, aber das salzige Meerwasser hat eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als die Zellen des Fischs. Demzufolge strömt laufend Wasser aufgrund des osmotischen Drucks aus den Zellen. Um dem entgegenzuwirken, trinken Fische große Mengen Meerwasser, das sie dann filtern können. Das Gegenteil passiert bei Süßwasserfischen. Ihre Körperzellen besitzen eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als das umgebende Wasser. Demzufolge nehmen ihre Zellen ständig Wasser auf. Süßwasserfische trinken nicht, sondern geben stark verdünnten Urin ab. Man spricht hier auch von der Osmoregulation der Fische.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Diffusion und Osmose