Osmoregulation

Osmoregulation – Osmose

Die Osmose beschreibt einen gerichteten Fluss von Teilchen durch eine halbdurchlässige Trennschicht. In biologischen Systemen handelt es sich vereinfacht um den Fluss von Wassermolekülen durch die semipermeable Biomembran.

Der Fluss der Wassermoleküle liegt physikalischen Gesetzen zugrunde. Dabei wird immer ein Konzentrationsausgleich von osmotisch aktiven Teilchen zwischen den abgegrenzten Räumen angestrebt. Das Wasser strömt also vom niedriger Konzentration zum Ort hoher Konzentration.

Wie stark der Fluss der Teilchen ausfällt, ist von der sogenannten Osmolarität der abgegrenzten Lösungen abhängig.

Anhand der folgenden Abbildung soll das Prinzip der Osmose verdeutlicht werden. Dargestellt ist ein Experiment, welches damals zum Verständnis der Osmose beigetragen hat.

Abbildung 1: Schematische Darstellung Osmose.

1. Die Ausgangslage sieht wie folgt aus (Darstellung 1): Ein Wasserbehälter, der durch eine semipermeable Trennschicht in zwei Kammern getrennt ist.
2. Im nächsten Schritt werden osmotisch aktive Teilchen im Wasser gelöst (z. B. durch das Lösen eines Salzes). In Kammer 1 werden weniger Teilchen gelöst als in Kammer 2 (Darstellung 2). Wichtig! Die osmotisch aktiven Teilchen sind im Gegensatz zu den Wassermolekülen nicht in der Lage, die semipermeable Membran zu passieren. Um einen Konzentrationsausgleich zu erreichen, fließt das Wasser von Kammer 1 und Kammer 2 (Osmose: dunkelblauer Pfeil).
3. Da die osmotisch aktiven Teilchen durch die Trennschicht zurückgehalten werden, ist ein Konzentrationsausgleich nur möglich, wenn sich die Wasservolumina der beiden Kammern unterscheiden. Die Wassermoleküle bewegen sich so lange durch die Membran, bis sich ein Konzentrationsausgleich eingestellt hat (Darstellung 3).

Osmoregulation – Bedeutung

Die Bedeutung der Osmose lässt sich besonders gut an einem Einzeller erläutern. Einzeller sind wie alle Zellen durch eine semipermeable Biomembran abgegrenzt und können in Bezug auf das vorgestellte Experiment als eine der Kammern betrachtet werden. Die Umgebung, in der sich der Einzeller befindet, kann als zweite Kammer interpretiert werden.

Je nachdem, in welchem Verhältnis die Konzentration der osmotisch aktiven Teilchen im Umfeld zum Inneren des Einzellers steht, unterscheidet man zwischen einem isotonischen, hypertonischen oder hypotonischen Milieu.

Abbildung 2: Osmose bei Einzellern.

1. Hypertonisches Milieu (hyperosmotisch): die Konzentration an osmotisch aktiven Teilchen in der Umgebung ist höher als innerhalb des Einzellers.
2. Hypotonisches Milieu (hypoosomotisch): die Konzentration an osmotisch aktiven Teilchen in der Umgebung ist niedriger als innerhalb des Einzellers.
3. Isotonisches Milieu (isoosotisch): die Konzentration der osmotisch aktiven Teilchen in der Umgebung entspricht der innerhalb des Einzellers.

Aufgrund der Osmose und dem angestrebten Konzentrationsausgleich ergeben sich für die verschiedenen Szenarien unterschiedliche Probleme für den Einzeller. In einer hypertonischen Umgebung strömen Wassermoleküle aus der Zelle heraus und der Einzeller hat mit einem Wasserverlust zu kämpfen.

Befindet sich der Einzeller in einem hypertonischen Milieu, strömt Wasser aufgrund der Osmose in die Zelle hinein. Ein zu großer Wassereinstrom kann dazu führen, dass die Zelle platzt.

In einer isotonischen Umgebung steht der osmotische Wasserausstrom und Wassereinstrom im Gleichgewicht. Eine Osmoregulation ist nicht zwingend notwendig.

Osmoregulation – Beispiele & Strategien

Um einen zu starken Wasserverlust bzw. eine zu starke Wasseraufnahme der Zellen zu verhindern, haben Organismen verschiedene Strategien entwickelt, ihren Wasserhaushalt zu regulieren.

Grundlegend unterscheidet an zwischen zwei Strategien der Osmoregulation. Hierbei handelt es sich um die sogenannten Osmokonformer und die Osmoregulierer.

Typische Osmokonformer sind Wirbellose marine Tiere wie Oktopusse und Würmer. Die meisten Wirbeltiere hingegen sind Osmoregulierer.

Osmoregulation Beispiele – Einzeller

Bei Einzellern entspricht eine einzelne Zelle dem vollständigen Organismus. Die Osmoregulation ist weniger komplex, aber dennoch von großer Bedeutung. Je nachdem, ob Einzeller im Meerwasser oder im Süßwasser vorkommen, unterscheiden sich die Strategien der Osmoregulation.

Einzeller im Meerwasser

Einzeller im Meerwasser sind Osmokonformer. Die Einzeller sind immer isoosmotisch zum Meerwasser. Sie regulieren zwar ihren Ionenhaushalt, um die Ionenverhältnisse im Inneren stabil zuhalten, eine zusätzliche Regulation der Wasseraufnahme bzw. -abgabe ist jedoch nicht nötig.

Einzeller im Süßwasser

Einzeller im Süßwasser sind immer hyperosmotisch zu ihrem Umfeld. Sie haben mit einem osmotischen Wassereinstrom zu kämpfen. Eindringendes Wasser muss ausgeschieden werden. Hierbei nutzen Einzeller spezialisierte Organellen wie kontraktile Vakuolen.

Osmoregulation Beispiele – Osmoregulation bei Meerwasserfischen und Süßwasserfischen

Der Großteil der Fische gehört zu den Osmoregulierer. Die Strategien zur Regulation im Meerwasser und Süßwasser stehen sich gegenüber.

Meerwasser Fische

Marine Fische sind einem hohen Salzgehalt in ihrer Umwelt ausgesetzt. Sie leben in einem hyperosmotischen Milieu und müssen daher mit einem Wasserverlust an ihren Grenzflächen (z. B. Kiemen und Haut) und eine erhöhte Aufnahme an Salzionen umgehen.

• Marine Fische trinken große Mengen an Meerwasser, aber scheiden nur geringe Mengen an stark konzentrierten Harn aus.
• Marine Fische gleichen die übermäßige Salzaufnahme durch Abgabe (aktive Transport) von Salzionen an den Kiemen und durch den Harn aus.

Abbildung 3: Osmoregulation von marinen Fischen.

Süßwasserfische

Süßwasserfische sind immer hyperosmotisch gegenüber ihrer Umwelt. Daher dringt Wasser aus osmotischen Gründen in den Fisch ein. Weiterhin verlieren Süßwasserfische Salzionen (vorwiegend Natriumchlorid) an ihre Umgebung.

• Süßwasserfische trinken nicht. Um überschüssiges Wasser loszuwerden, muss die Abgabe von großen Mengen stark verdünnten Harns erfolgen.
• Süßwasserfische müssen Salzionen aus ihrer Umgebung aufnehmen (aktiver Transport).

Abbildung 4: Osmoregulation bei Süßwasserfischen.

Osmoregulation Beispiele – Mensch

Die Osmoregulation bei Menschen dient wie bei anderen Tieren dazu, ein stabiles inneres Milieu aufrechtzuerhalten. So werden Gewebe und Organe von Schwankungen der Außenwelt abgeschirmt und deren Funktionalität wird gewährleistet.

Die Auswirkungen einer fehlerhaften Osmoregulation können erheblichen Schaden an Zellen verursachen. So kann beispielsweise eine zu niedrige Osmolarität im Blutplasma dazu führen, dass die roten Blutkörperchen schwellen und aufgrund osmotischen Wassereinfluss platzen.

Die Nieren spielen eine große Rolle bei der Osmoregulation von Menschen. Vereinfacht wird in den Nieren fehlendes Wasser aus Flüssigkeiten resorbiert oder überschüssiges Wasser mit dem Urin ausgeschieden. Den grundsätzlichen Wasserbedarf decken Menschen durch Trinken. Eine fehlende Wasseraufnahme kann schnell zu erheblichen Schaden im Körper führen und führt innerhalb weniger Tage zum Tot.

Osmoregulation Beispiele – Pflanzen

Auch Pflanzen sind in der Lage auf Wasserüberschuss beziehungsweise Wasserknappheit zu reagieren. In der Regel müssen Pflanzen Wasser aufnehmen, um einen Verlust zu kompensieren. Hierbei verlieren Pflanzen hauptsächlich Wasser durch Verdunstung über die Blattoberfläche. Sogenannte Spaltöffnungen in den Blättern, welche zur Aufnahme von CO₂ benötigt werden, begünstigen die Verdunstung.

Pflanzen haben Anpassungen hervorgebracht, welche die Verdunstungen minimieren. Hierzu gehören spezielle Blattformen (z. B. Nadelblätter), Anordnung der Spaltöffnungen (z. B. Unterseite der Blätter) sowie verdickte Zellschichten. Andere Pflanzen haben Strategien entwickelt, Wasser zu speichern, wenn ausreichend davon zur Verfügung steht (z. B. Kakteen).

Regulation durch Pflanzenzellen

In der Regel besitzen höhere Pflanzen keine speziellen Organe oder Organellen zur Osmoregulation. Die Zellwand der Pflanzenzellen schützt die Zelle bei einem hypoosmotischen Umwelt davor zu zerplatzen, wodurch Pflanzenzellen größere osmotische Schwankungen tolerieren können. Weiterhin nutzen Pflanzenzellen ihre Vakuolen, um den Ionenhaushalt und Wasserhaushalt im Cytoplasma zu regulieren und so ggf. ihr Osmolarität im Inneren anzupassen.

Osmoregulation – Niere

Die Nieren sind die wichtigsten Organe der Osmoregulation bei Wirbeltieren. Denn neben der Filtration des Blutes und der Entsorgung von Giftstoffen wie Medikament- und Drogenrückständen, sind sie maßgeblich an der Regulation des Wasser- und Ionenhaushaltes beteiligt.

Wie Du bereits gelernt hast, ist die Ausscheidung eines konzentrierten bzw. verdünnten Harns notwendig, um eine übermäßige Wasserzufuhr oder einen übermäßigen Wasserverlust auszugleichen. Weiterhin spielt die Resorption von Wasser eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, den Wasserverlust zu minimieren.