Osmose und Diffusion

Teilchen in Gasen und Flüssigkeiten stehen nie still. Sie zittern und stoßen ständig gegeneinander, angetrieben von Wärmeenergie – man nennt das die Brownsche Molekularbewegung. Diese ungerichtete Eigenbewegung ist die Grundlage für zwei Vorgänge, die in jeder Zelle und im ganzen Alltag ablaufen: Diffusion und Osmose. Beide brauchen keine Pumpe und keine Muskelkraft, sie laufen von selbst ab, solange ein Unterschied in der Konzentration besteht.

Öffnest du eine Packung Kaffee, riechst du ihn nach kurzer Zeit im ganzen Raum, obwohl niemand die Duftmoleküle verteilt hat. Genau das ist Diffusion: Teilchen bewegen sich von einem Ort hoher Konzentration zu einem Ort niedriger Konzentration, bis sie gleichmäßig verteilt sind. Osmose ist ein Sonderfall davon, bei dem sich speziell Wassermoleküle durch eine Membran bewegen. Für Zellen ist das überlebenswichtig, denn jede Zelle ist von einer solchen Membran umgeben.

In dieser Lektion lernst du, wie Diffusion und Osmose sich unterscheiden, warum die Zellmembran dabei die entscheidende Rolle spielt und was mit einer Zelle passiert, wenn sie in reines Wasser oder in stark gesalzenes Wasser gerät. Das Thema taucht in Klassenarbeiten fast immer mit Experimenten zu Kartoffel- oder Rosinenstückchen auf, deshalb lohnt sich ein genauer Blick auf den Mechanismus.

Diffusion bezeichnet die Bewegung von Teilchen – das können Gase, gelöste Stoffe oder auch Wasser selbst sein – von einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedriger Konzentration. Der Antrieb ist rein die ungerichtete Wärmebewegung der Teilchen, kombiniert mit der Tatsache, dass an einem dicht besetzten Ort statistisch mehr Teilchen in Richtung des leereren Bereichs stoßen als umgekehrt. Nach ausreichend Zeit sind die Teilchen gleichmäßig verteilt, man spricht von einem Konzentrationsausgleich oder Fließgleichgewicht.

Wichtig ist: Diffusion braucht keine Membran. Ein Tropfen Tinte verteilt sich auch frei in einem Wasserglas. In der Zelle ist Diffusion trotzdem entscheidend, denn viele kleine Moleküle wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid gelangen genau auf diesem Weg durch die Zellmembran hindurch, ohne dass die Zelle dafür etwas tun muss. Je größer der Konzentrationsunterschied und je höher die Temperatur, desto schneller läuft die Diffusion ab – das erklärt, warum sich Duftstoffe in einem warmen Raum schneller ausbreiten als in einem kalten.

Diffusion ist außerdem der Grund, warum Lebewesen mit sehr kleinen Zellen oder feinen Strukturen auskommen: Über kurze Strecken ist Diffusion schnell, über lange Strecken dagegen viel zu langsam. Deshalb sind Lungenbläschen hauchdünn und Wurzelhaare winzig – sie verkürzen den Diffusionsweg.

Was mit einer Zelle passiert, hängt stark davon ab, ob sie eine feste Zellwand besitzt oder nicht. Eine tierische Zelle, zum Beispiel eine rote Blutzelle, hat nur die dehnbare Zellmembran. Kommt sie in reines Wasser, also eine stark hypotonische Umgebung, strömt viel Wasser hinein, die Zelle schwillt an und kann platzen. In stark salzhaltigem, hypertonischem Wasser schrumpft sie dagegen, weil ihr Wasser entzogen wird.

Eine Pflanzenzelle hat zusätzlich zur Membran eine stabile Zellwand aus Zellulose. In hypotonischer Umgebung nimmt sie ebenfalls Wasser auf, doch die Zellwand verhindert das Platzen: Die Zelle wird prall, man nennt diesen Zustand turgeszent, und der entstehende Innendruck heißt Turgordruck. Er hält Blätter und krautige Pflanzenteile aufrecht, ohne Turgordruck welken sie. In hypertonischer Umgebung, etwa in stark gesalzener Erde, verliert die Pflanzenzelle Wasser, die Membran löst sich von der Zellwand ab – dieser Vorgang heißt Plasmolyse und ist unter dem Mikroskop gut sichtbar.

Genau deshalb schadet Streusalz Pflanzen am Straßenrand und warum du eine welke Salatgurke nicht mit Salz, sondern mit Süßwasser wieder aufpeppen solltest. Auch die 0,9-prozentige Kochsalzlösung, die in der Medizin für Infusionen verwendet wird, ist bewusst isotonisch zum Blutplasma gewählt, damit rote Blutzellen weder schrumpfen noch platzen.

Der häufigste Fehler ist die Verwechslung der Fließrichtung: Viele schreiben, Wasser wandere zur „schwächeren“ statt zur stärker konzentrierten Lösung. Merke dir stattdessen, dass sich Wasser dorthin bewegt, wo relativ gesehen weniger Wasser und mehr gelöster Stoff vorhanden ist – es gleicht also die Wasserkonzentration aus, nicht die Konzentration des gelösten Stoffs direkt.

Ein zweiter Fehler ist die Aussage, Osmose und Diffusion seien dasselbe. Osmose ist ein Spezialfall: Es diffundiert dabei nicht der gelöste Stoff, sondern ausschließlich das Wasser, weil die Membran den gelösten Stoff zurückhält. Wer beide Begriffe in einer Aufgabe synonym verwendet, verliert häufig Punkte.

Drittens wird oft vergessen, dass Pflanzenzellen wegen ihrer Zellwand nicht platzen können. Statt zu platzen zeigen sie bei starkem Wasserverlust eine Plasmolyse, bei der sich nur die Membran von der Zellwand löst, während die Zellwand ihre Form behält.