Osmose

Osmose beschreibt den Vorgang der sogenannten Diffusion eines Lösungsmittels durch eine semipermeable oder selektivpermeable Membran, um dadurch einen Konzentrationsausgleich der im Lösungsmittel gelösten Teilchen auf beiden Seiten der Membran zu erreichen. Dem zu Grunde liegt das Streben der beiden Lösungen nach einem Konzentrationsausgleich.

Diffusion

Der Osmose zugrunde liegt der Vorgang der Diffusion. Alle Bestandteile einer Lösung sind ständig in Bewegung und durchmischen sich ständig. Gibt man einen Tropfen Farbstoff (hochkonzentrierte Lösung) in ein Glas Wasser, verharrt der Tropfen Farbstoff nicht im Wasser. Nach kurzer Zeit ist das gesamte Wasser im Glas gleichmäßig eingefärbt, weil sich der Farbstoff durch Diffusion und die ständige Bewegung der Teilchen gleichmäßig im Glas verteilt (Streben nach Konzentrationsausgleich). Diese ständige selbständige Durchmischung aller Bestandteile einer Lösung nennt man Diffusion. Bei der Osmose wird die Diffusion und der damit einhergehende Konzentrationsausgleich zweier miteinander in Kontakt kommender Lösungen durch eine sogenannte semipermeable Membran "behindert".

Semipermeable Membran

Eine semipermeable (halbdurchlässige) Membran ist eine Membran, die lediglich für Stoffe bestimmter Größe durchlässig ist. In der Biologie passiert die semipermeable Membran meistens das Lösungsmittel Wasser. Die im Lösungsmittel gelösten Moleküle wie beispielsweise Zucker oder Salze sind hingegen zu groß um die semipermeable Membran passieren zu können. Besteht ein Konzentrationsgefälle zwischen den durch eine semipermeable Membran getrennten Lösungen diffundiert allein das Lösungsmittel durch die Membran hin zur höheren Konzentration des gelösten Stoffes.

Die Biomembran der Zellen ist eine semipermeable Membran. Genauer gesagt ist die Biomembran eine selektiv permeable Membran, da in die Membran eingebaute Proteine bestimmte Moleküle passieren lassen. 

Konzentrationsgefälle und Konzentrationsausgleich

Trennt man nun ein Glas Wasser durch eine semipermeable Membran in zwei gleich große Hälften auf und gibt in die eine Hälfte einen Tropfen Farbstoff, ist die Lösung auf der Seite mit dem Farbstofftropfen höher konzentriert als die Lösung ohne. Es besteht ein Konzentrationsgefälle zwischen den beiden Lösungen. Da die beiden Lösungen lediglich durch eine dünne semipermeable Membran getrennt sind, sind sie noch immer in Kontakt, und Streben nach einem Konzentrationsausgleich. Da allerdings der Farbstoff die semipermeable Membran nicht passieren kann, diffundiert mehr Wasser durch die semipermeable Membran von der geringer konzentrierten Lösung hin zur höher konzentrierten als zurück. Dadurch wird mit der Zeit ein Konzentrationsausgleich der beiden Lösungen erreicht. Durch das einseitig in die höher konzentrierte Lösung "drückende" Lösungsmittel nimmt die Menge der Lösung im Laufe der Osmose auf der einen Seite der Membran zu, auf der anderen ab. Man spricht hierbei vom osmotischen Druck.

Das Lösungsmittel diffundiert entgegen des Konzentrationsgefälles durch die semipermeable Membran hin zur höheren Stoffkonzentration

Osmotischer Druck

Der Osmotische Druck ist verantwortlich für eine Vielzahl intrazellulärer Vorgänge. Bei Pflanzenzellen erwirkt er den als "Turgor" bezeichneten Innendruck der Zellsaftvakuole gegen die Zellwand. Ohne diesen Druck würde eine holzfreie Pflanze nicht aufrecht stehen können. Tierzellen hingegen besitzen im Vergleich zu Pflanzenzellen keine umgebende Zellwand. Sie sind darauf angewiesen stets von einem isotonischen Medium umgeben zu sein. Ist dies nicht der Fall, kann die Zelle kollabieren oder platzen.

1. Zelle hypotonisch, Medium hypertonisch

Ist die Stoffkonzentration im Medium das die Zelle umgibt höher als innerhalb der Zelle, besteht ein Konzentrationsgefälle zum Zellinneren hin. Der Druck in der Zelle ist gering (hypotonisch), der Druck des umgeben Mediums hoch (hypertonisch).  Wasser drückt aus der Zelle in das umgebende Medium, die Zelle kollabiert.

2. Zelle hypertonisch, Medium hypotonisch

Ist die Stoffkonzentration in der Zelle höher als im Medium das die Zelle umgibt, besteht ein Konzentrationsgefälle zum Medium hin. Der Druck in der Zelle ist hoch (hypertonisch), der Druck des umgebenden Mediums ist gering (hypotonisch). Wasser drückt in die Zelle, die Zelle platzt.

3. Zelle und Medium isotonisch

Ist die Stoffkonzentration innerhalb der Zelle gleich der Stoffkonzentration im die Zelle umgebenden Medium, ist auch der Druck auf beiden Seiten gleich (isotonisch). Wasser passiert die semipermeable Membran in beide Richtungen in gleicher Menge. Die Zelle ist in Normalform