Osmoregulation: 10 Fragen und Antworten
Die Osmoregulation ist die Regulierung des osmotischen Drucks innerhalb von Zellen und Körperflüssigkeiten der Lebewesen. Denn die Konzentration gelöster Stoffe in den Zellen muss fein abgestimmt werden, kann bei Über- oder Unterdosierung toxisch wirken. Deshalb betreibt jeder Organismus eine Selbstregulierung, um sich stetig wechselnden Umweltbedingungen anzupassen.
Inhalt
Wieso ist eine Osmoregulation notwendig: Funktion und Bedeutung
Da Zellen eine halbdurchlässige (semipermeable) Zellmembran besitzen, können nur Nährstoffe eindringen, die eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Und deshalb sind die Moleküle dieser Nährstoffe im Wasser gelöst wurden und können so durch die Zellmembran gelangen.
Aufgrund des Eindringens entsteht eine bestimmte Konzentration des Nährstoffs bzw. des Nährsalzes innerhalb der Zelle. Die Zelle ist allerdings von Lösungen umgeben, welche ebenfalls eine Konzentration haben. Beide Konzentrationen – innen und außen – streben nach Ausgleich. Dadurch entsteht der osmotische Druck auf die Membran, welcher reguliert werden muss. Im Tier– und Pflanzenreich existieren dazu verschiedene Strategien, um die Regulierung der Konzentration zu erreichen.
Prinzipiell lässt sich sagen, dass die Salzkonzentration der Körperflüssigkeit sinkt, wenn zusätzlich Wasser aufgenommen wird und das Salz im Körper des Organismus unverändert bleibt. Genauso steigt der Salzgehalt, wenn Wasser ausgeschieden wird, bei gleichbleibenden Salzmenge im Körper.
Welche Formen der Osmoregulation gibt es
- Osmokonformer, wie marine Wirbellose, passen die osmotische Konzentration ihres Gewebes einfach der Umgebung an, wodurch ihre Zellflüssigkeit isotonisch (gleicher osmotische Druck) zum Außenmilieu ist. Diese Lebewesen sind stenohalin, was bedeutet – dass die Salztoleranz sehr gering ausfällt, weshalb große Schwankungen im Salzgehalt nicht bewältig werden.
- Osmoregulierer, wie die meisten Wirbeltiere, schaffen die Aufrechthaltung einer bestimmten osmotischen Konzentration, indem sie Ausscheidungen absondern und so entweder Wasser verlieren (Konzentrationsanstieg) oder Salze absondern (Konzentrationsabfall).
- Haloyphyten bzw. Salzpflanzen, welche auf Salzwiesen, Mangrovensümpfen oder an Küsten gedeihen, haben Salzdrüsen – um Salze auszuscheiden.
Pflanzen besitzen zudem Spaltöffnungen an ihren Blättern, um Wasser verdampfen zu lassen. Auch hier findet eine Ausscheidung statt.
Was sind Osmokonformer
Osmokonformer – auch osmotische Konformer oder poikilosmotische Organismen genannt – sind Lebewesen, welche sich wechselnden Salzkonzentrationen der Umgebung anpassen, indem sie die eigene Salzkonzentration im Körper senken oder erhöhen. Die Zellflüssigkeit der Osmokonformer ist isotonisch. Das bedeutet, dass diese stets den gleichen osmotischen Druck hat, wie das umgebende Außenmilieu. Diese Anpassungsstrategie hat zur Folge, dass osmokonforme Lebewesen eine sehr geringe Salztoleranz haben und somit stenohalin sind. Sie können sich nur in Lebensräumen aufhalten, deren Salzgehalt nicht sonderlich schwankt.
Die osmokonforme ist, neben der osmoregulierenden, die zweite Strategie im Tierreich, um Osmoregulation zu betreiben und sich so dem osmotischen Druck der Umgebung anzupassen. Osmokonforme Tiere sind vor allem die marinen Wirbellosen, welche sich entweder passiv (ohne Energieaufwand) oder aktiv (mit zusätzlichem Energieaufwand) ihrer Umgebung anpassen. Aber auch Schleimaale und Plattenkiemer, wie Haie und Rochen sind Konformer, deren Elektrolyte aber vom Elektrolytzustand des Meerwassers abweichen und ausgeglichen werden muss.
Was sind Osmoregulierer
Osmoregulierer – auch als osmotische Regulierer, Osmoseregulatoren oder homoiosmotische Organismen bezeichnet – sind eine Gruppe im Tierreich, welche den osmotischen Druck ihrer Körperflüssigkeit – unabhängig von der Umgebung – aufrechthalten können.
Tiere, welche diese Fähigkeit nicht besitzen, werden als Osmokonforme bezeichnet, die somit das Gegenstück zu den Osmoregulierern bilden. Zu den Osmoregulierern gehören die meisten Wirbeltiere.
Was machen Osmoregulierer im Süßwasser
Bei Tieren, welche im Süßwasser leben, hat die Körperflüssigkeit einen höheren osmotischen Druck als die Umgebung. Diese ist somit hyperton, verglichen mit der Umwelt. Denn jedes Wasser hat ein bestimmtes Potential und bewegt sich immer vom höheren zum niedrigeren Wasserpotential. Reines Wasser hat das höchste Potential.
Wie funktioniert die Osmoregulation bei Süßwasserfischen
Da das Süßwasser ein höheres Wasserpotential als die Körperflüssigkeit der Fische hat, würde durch Osmose permanent Wasser in die Tiere einströmen. Dadurch würde sich das Volumen der körperinneren Systeme vergrößern und deren Ionenkonzentration sinken, was das Nervensystem des Organismus mittelfristig schädigen würde. Man kann sagen, die Süßwasserfische würden permanent Salz an ihr Außenmilieu verlieren und dazu irgendwann platzen, weil zu viel Wasser im Körper ist.
Um beides zu verhindern, müssen Süßwassertiere eine hyperosmotische Regulierung betreiben. Dazu nehmen bspw. Süßwasserfische die Elektrolyte über ihre Kiemen auf und scheiden das überflüssige Wasser durch ihre Ausscheidungsorgane wieder aus.
Biologische Elektrolyte sind bspw. Natrium, Kalium, Calcium oder Magnesium. Diese haben verschiedene Aufgaben. So bauen diese bspw. das Membranpotential an der Zellmembran auf, wodurch die Kalium-Natrium-Pumpe die befindlichen Ionen an der Membran ins Zellinnere einschleust, hinausbefördert und austauscht. Dadurch entsteht an der Membran eine Oberflächenspannung, welche für die Reizleitung des Nervensystems wichtig ist. Bioelektrolyte sind auch Bestandteil des Cytosols der Zellen, an verschiedenen Prozessen im Organismus beteiligt und somit enorm wichtig.
Was geschieht bei der Osmoregulation bei anderen Süßwassertieren
Einzeller, wie einige Protisten, verfügen über eine Vakuole (Nahrungsvakuole) und somit über einen Regulationsmechanismus, um den osmotischen Druck auszugleichen. Einige im Süßwasser lebende Krebstiere ändern die Konzentration ihrer Aminosäuren und regeln so den Ausgleich.
Froschlurche betreiben über ihre Haut einen aktiven Salztransport ins Körperinnere. Andere Wirbeltiere produzieren konzentrierte Harnstoffe, welche sie dann ausscheiden und so überschüssiges Wasser oder Salz abgeben.
Welche Osmoregulierer leben im Salzwasser
Im Salzwasser lebende Tiere haben das Problem, dass das Meerwasser einen höheren osmotischen Druck hat als die Zellflüssigkeit im Inneren der Organismen. Und da sich die Wasserpotentiale vom höheren zum niedrigeren Potential bewegen, würde permanent Körperflüssigkeit aus den Tieren ins Meer strömen. Die Meerestiere würden demnach Wasser verlieren und zugleich würde sich die Ionenkonzentration im Körper erhöhen. Diese Tiere betreiben eine hypoosmotische Regulation.
Um eine Austrocknung zu verhindern, geben Knochenfische das Salz über ihre Kiemen ab. Einige Knorpelfische, Meeresvögel und Reptilien besitzen zudem Salzdrüsen, um überschüssiges Salz abzugeben. Außerdem können einige Säugetiere, wie Wale und Delfine, einen hochkonzentrierten Harnstoff produzieren – welcher durch eine Verlängerung der Henleschen Schleife die Niere länger durchläuft, wodurch noch mehr Salz im Harn angereichert wird und diesen dann ausscheiden.
Wie geschieht die Osmoregulation bei Landwirbeltieren
Die Strategie mit dem längeren Schleifenfortsatz konnte sich auch bei Landwirbeltieren, welche in Trockengebieten leben durchsetzen. So scheiden bspw. auch Kamele, um die Austrocknung des Körpers zu verhindern, einen Harnstoff mit höherem Salzgehalt aus.
Bei den meisten Landwirbeltieren, vor allem den Säugetieren, wird der Wasserhaushalt nicht durch Regulierung der Ionenbeständen bestimmt, sondern durch die Wasseraufnahme und der damit verbundenen Wassermenge, in denen die Teilchen gelöst sind. Wasserverluste treten bei der Atmung, beim Schwitzen über die Haut oder bei der Ausscheidung über Darm und Nieren auf. Für die Konstanthaltung des osmotischen Drucks und die damit verbundene Ionenkonzentration ist bei den meisten Landwirbeltieren die Rückresorption (Rückgewinnung) der Ionen und des Wassers ausschlaggebend.
Anders als Salze, welche die Membranen nur in bestimmten Größenordnungen und somit reglementiert überqueren können, verteilt sich Wasser frei im Körper, wird durch den osmotischen Druck angetrieben und kann die Unterschiede in den Regionen ausgleichen. Dadurch können Zellen weder schrumpfen noch anschwellen.
Durch die Bio-Elektrolyte Kalium und Natrium, wird die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe an den Membranen erhalten, wodurch die Membranspannung aufgebaut wird, eine Reizleitung über das Nervensystem stattfinden kann und somit über das Gehirn als Entscheidungsträgers des Organismus bestimmte Maßnahmen zur Osmoregulation ergriffen werden können.
Die Kontrolle der Konzentrationen wird über Osmorezeptoren gesteuert, welche bspw. in der Niere, der Leber, im Rachen oder im Darm vorhanden sind. Diese Rezeptoren messen die Konzentration an gelösten Molekülen außerhalb der Zellen, was bei Unter- oder Überversorgung einen Reiz entstehen lässt, wodurch Botenstoffe ans Gehirn gesendet werden, um einen auftretenden Wasser- oder Salzverlust zu kompensieren. Man unterscheidet zwischen:
- Hypoosmolarität tritt bei erhöhten Salzverlust auf, wodurch Wasser in die Zellen einströmt und diese anschwellen lässt
- Hyperosmolarität tritt bei erhöhten Wasserverlust auf, wodurch Zellen schrumpfen würden.
Tritt bspw. ein Wassermangel (Hyperosmolarität ) auf, werden Signale ans Gehirn geschickt, um dem entgegenzuwirken. Nun werden zwei Prozesse angesteuert:
- In der Neurohypophyse, einem Teil der Hirnanhangdrüse, wird ein Hormon – namens ADH – gebildet. Dieses Hormon stimuliert, dass in der Niere ein Protein, namens Aquaporin aufgebaut wird, welches ermöglicht, dass weniger Wasser ausgeschieden wird.
- Außerdem wird über dem Nucleus supraopticus, einem Kerngebiet im Hypothalamus – welcher für Reize zur Nahrungsaufnahme verantwortlich ist, das Verlangen nach Wasser ausgelöst, welches Menschen als Durst empfinden. Diese Empfindung regt Landwirbeltiere dazu an, Wasser zu trinken – um den Wasserverlust auszugleichen.
Dies ist ein Grund dafür, weshalb man Durst von salzigem Essen bekommt.
Bei Hypoosmolarität (Wasserüberschuss) werden Prozesse angestoßen, welche eine Umkehrung darstellen:
- Die Wasserausscheidung wird durch Hormone erhöht.
- Das Verlangen nach Wasser wird gedrosselt.
Was geschieht bei Osmoregulation bei Pflanzen
Das Volumen der Pflanzenzellen ist abhängig vom internen Zelldruck, dem sogenannten Turgor, welcher auf die Zellwand wirkt. Dieser verleiht den Zellen ihre Form und Stabilität.
Bei Wassermangel können Pflanzen den Zelldruck nicht erhalten, wodurch die Zellen schrumpfen und schließlich sterben. Pflanzen benötigen das Wasser, um die Zellstruktur zu erhalten, aber auch um gelöste Nährstoffe über Leitungsbahnen in die einzelnen Organe zu leiten.
An den Blättern der Pflanzen befinden sich Spaltöffnungen. Durch diese kann die Pflanze das Kohlendioxid aus der Luft aufnehmen, welches für die Photosynthese benötigt wird. Aber über die Spaltöffnungen wird auch Wasser, in Form von Wasserdampf, abgegeben. Durch die Abgabe des Wasserdampfes entsteht ein Innendruck in den Pflanzen, welcher das Wasser nach oben pumpt, wodurch die interne Wasserbeförderung zu den einzelnen Pflanzenorganen erst möglich wird.
Über die Spaltöffnungen kann eine Regulierung der Wasserabgabe erfolgen, wodurch die Transpiration geringer ausfällt. So bilden einige Pflanzenarten einen wachsartigen Überzug, welcher als Cuticula bezeichnet wird, welcher eine übermäßige Wasserabgabe verhindert. Diese Cuticula befindet sich beispielsweise auf den Nadeln von Kieferngewächsen.
Strandhafer hat Blätter, welche sich nach innen rollen lassen, so dass die Spaltöffnungen geschlossen werden können. Einige Pflanzen sind an Dürreperioden angepasst und können Wasser in einem speziellen Gewebe lagern und speichern. Kakteen besitzen ein Speicherparenchym, um Wasservorräte langfristig zu speichern. Andere Sukkulente, wie Aloe Vera, haben Pflanzenorgane als Wasserspeicherorgan umgebildet. Bei den Aloe Vera sind dies die Blätter.
Salzpflanzen (Halophyten) und andere Pflanzen in salzreicher Umgebung können nur dann Wasser aufnehmen, wenn sie einen größeren osmotischen Druck ausüben können als die Salze, welche gelöst sind. Denn schließlich fließen Wasserpotentiale immer vom höheren zum niedrigeren Potential. Und da das Wasser in den Zellsäften der Pflanzen ein höheres Wasserpotential aufweist als die salzreiche Umgebung, muss der osmotische Druck erhöht werden.
Dieser Druckaufbau gelingt den Pflanzen, indem sie organische Stoffe, wie Glucose oder Stärke, anreichern. Diese entstehen als Stoffwechselprodukt bei der Photosynthese und können als Reservestoff angelegt werden. Während beim Anabolismus (Baustoffwechsel) diese Kohlenhydrate aufgebaut werden, können diese während des Katabolismus (Abbaubstoffwechsel) als Energiequelle genutzt werden, um einen so großen osmotischen Druck zu erzeugen, welche die Umgebung übersteigt.
In normalen Pflanzenzellen herrscht ein Druck von 5 bis 40 bar. In Halophyten kann dieser bis zu 160 bar ansteigen. Dadurch ist es ihnen möglich, in salzreicher Umgebung – Wasser aufzunehmen.
Zusätzlich haben auch Halophyten spezielle Organe um- oder ausgebildet. Über Salzdrüsen wird zusätzliches Salz ausgeschieden. Und über die Wurzelhaare können Salze bereits herausgefiltert werden.