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Osmoregulation


Als Osmoregulation wird in der Biologie die Regulation des osmotischen Drucks der Körperflüssigkeiten eines Organismus bezeichnet. Jeder Organismus muss verhindern, dass die Konzentration gelöster Stoffe in seinen Zellen zu hoch oder zu niedrig wird. Die Osmoregulation sorgt für einen verträglichen Wassergehalt, bei vielen Tieren darüber hinaus für einen annähernd gleichbleibenden Zustand im Körper (Homöostase).

Prinzip

Sind zwei Lösungen durch eine semipermeable Membran getrennt und weisen unterschiedliche Wasserpotentiale auf, bewegt sich Wasser durch Osmose vom jeweils höheren zum niedrigeren Wasserpotential (das höchste Potential hat reines Wasser). Je mehr gelöste Teilchen in der Lösung vorhanden sind, desto höher ist der osmotische Wert.

In allen Umgebungen, ob im Wasser (aquatisch) oder an Land (terrestrisch), müssen Organismen die Konzentration gelöster Stoffe sowie den Wassergehalt der Körperflüssigkeiten in einem für sie geeigneten Bereich aufrechterhalten. Dazu ist die Exkretion (Ausscheidung) von überschüssigen Stoffwechselprodukten und Salzen erforderlich, die bei zu hoher Konzentration toxisch wirken würden. Alle Vorgänge und Mechanismen in diesem Zusammenhang sind Bestandteil der Osmoregulation.

Osmotische Konformer und osmotische Regulierer

Bei der Osmoregulation werden zwei Haupttypen von Organismen unterschieden: Osmokonformer und Osmoregulierer.

Osmokonformer (oder osmotische Konformer, engl. osmotic conformers, auch Osmokonforme genannt) passen die Osmolarität ihrer Körpergewebe an ihre Umgebung an, sie sind poikilosmotisch. Dies kann entweder passiv geschehen (ohne zusätzlichen Energieaufwand) oder aktiv (unter Energieverbrauch). Die meisten marinen Wirbellosen sind Konformer. Auch Schleimaale und Plattenkiemer (Haie und Rochen) sind Konformer, allerdings weicht ihre Elektrolyt-Zusammensetzung von der des Meerwassers ab. Insbesondere aufgrund des Donnan-Effekts, der bei Anwesenheit nicht permeabler Stoffe (beispielsweise Proteine) im Inneren des Organismus auftritt,[1] sind auch passive Konformer stets schwach hyperosmotisch gegenüber dem Außenmedium.[2]

Im Tierreich weiter verbreitet sind die Osmoregulierer (oder osmotische Regulierer, engl. osmotic regulators). Sie halten die Osmolarität des Organismus in engen, nahezu konstanten Grenzen und regulieren den Salzgehalt ihrer Körperflüssigkeiten unabhängig vom Salzgehalt der Umgebung. Man nennt solche Organismen homoiosmotisch.

  • Süßwasserfische sind hyperosmotische Regulierer. Sie haben einen höheren osmotischen Wert im Körperinneren als ihre Umgebung und nehmen deshalb Elektrolyte mit den Kiemen aktiv aus dem umgebenden Wasser auf. Das dabei mit aufgenommene, überschüssige Wasser wird über den Urin wieder ausgeschieden, der deshalb sehr verdünnt ist.
  • Im Meerwasser lebende Organismen sind hypoosmotische Regulierer. Sie haben einen niedrigeren osmotischen Wert im Körperinneren als ihre Umgebung, was ohne Gegenregulation zu einem ständigen Wasserverlust führen würde. Sie scheiden daher aktiv Salze über die Kiemen aus.

Die meisten Fischarten sind auf Süß- oder Salzwasserumgebungen beschränkt (stenohalin). Arten, deren Osmoregulation das Leben in einem weiten Salinitätsbereich ermöglicht, werden als euryhalin bezeichnet.

Osmoregulation bei Pflanzen

Die meisten höheren Pflanzen verfügen über keine spezifischen Organe für die Osmoregulation, eine Ausnahme sind die Salzdrüsen bei Mangroven und manchen Pionierpflanzen, darunter Salzpflanzen. Wasserabgabe- und aufnahme werden von den internen und externen Einflüssen bestimmt, die sich auf die Transpiration der Pflanze auswirken.

Genau wie Tiere müssen Pflanzen Wasser aufnehmen und den Überschuss wieder abgeben. Viele Arten haben Methoden zur Wasserspeicherung entwickelt. Als Xerophyte werden Pflanzen trockener Habitate bezeichnet, die ausgedehnten Trockenheitsperioden widerstehen können. Sukkulente Pflanzen wie Kakteen speichern Wasser in ausgedehnten Parenchym-Geweben. Andere Pflanzen zeigen Anpassungen ihrer Blätter, die den Wasserverlust durch Transpiration gering halten. Dazu zählen nadelförmige Blätter, versenkte Spaltöffnungen sowie eine verdickte Cuticula wie bei den Kiefern. Der Strandhafer hat zusammengerollte Blätter mit innenliegenden Spaltöffnungen.

Osmoregulation bei Einzellern und Tieren

Manche Einzeller wie Pantoffeltierchen, Amöben oder die Alge Euglena verfügen über eine oder mehrere kontraktile Vakuolen, die überschüssiges Wasser aus dem Zellplasma durch Osmose aufnehmen. Der Inhalt der kontraktilen Vakuole kann entweder durch ein Pore (Pantoffeltierchen) oder Exozytose aus der Zelle entfernt werden. Die Pulsationsfrequenz der kontraktilen Vakuolen beträgt je nach Art zwischen 5 und 10 Sekunden (Paramecium caudatum) bis zu 30–40 Minuten (beim Wimperntierchen Spirostomum) und wird von einer Reihe von externen Faktoren wie dem Ionen-Konzentrationsgefälle und der Temperatur beeinflusst.[3]

Bei Wirbeltieren haben Nieren eine wichtige Funktion für die Osmoregulation: sie regeln die Menge Wasser, die zusammen mit Stoffwechselprodukten über den Urin ausgeschieden wird. Der menschliche Körper kann mittels körpereigener Hormone wie Antidiuretisches Hormon, Aldosteron und Angiotensin II die Durchlässigkeit des Sammelrohrs der Nephronen in der Niere regulieren. Bei erhöhter Durchlässigkeit wird vermehrt Wasser aus dem Primärharn absorbiert und dadurch weniger Flüssigkeit ausgeschieden.

Die Kontrolle über die Wasserausscheidung ist im Tierreich der Hauptmechanismus zur Osmoregulation.

Das Ausscheidungssystem der Wirbeltiere

Abfallprodukte des Proteinstoffwechsels

Hauptartikel: Urin

Als Nebenprodukt des Proteinstoffwechsels entsteht das Zellgift Ammoniak. Dieser wird vor der Ausscheidung in weniger giftige Substanzen umgewandelt: bei Säugetieren in Harnstoff, der in Wasser löslich ist, bei Vögeln und Reptilien in unlösliche Harnsäure.

Mechanismen der Osmoregulation

Hauptartikel: Niere

Es können vier Prozesse unterschieden werden.

  • Filtration: Der Flüssigkeitsanteil des Bluts (das Blutplasma) wird in den Nierenkörperchen ultrafiltriert und gelangt als Primärharn in das sich anschließende Röhrchensystem (Nierentubuli) des Nephrons, der funktionellen Untereinheit der Niere.
  • Resorption: Der größte Teil dieses Filtrats wird im System von Tubuli und Henlescher Schleife von den umgebenden Blutgefäßen wieder aufgenommen.
  • Sekretion: Der verbleibende Endharn fließt über die abführenden Gänge des Nierenmarks ab.
  • Exkretion: Bei Säugetieren wird der Urin in der Harnblase gespeichert und über die Harnröhre ausgeschieden. Bei anderen Wirbeltieren wird der Urin in der Kloake mit anderen Abfallstoffen gemischt, bevor er den Körper verlässt. (Bei Fröschen findet sich ebenfalls eine Harnblase.)

Siehe auch

Literatur

  • E. Solomon, L. Berg, D. Martin, Biology 6th edition. Brooks/Cole Publishing. 2002

Einzelnachweise

  1. Rolf Siewing (Hrsg.): Lehrbuch der Zoologie, Band 1 Allgemeine Zoologie, 3. Auflage, S. 531. Gustav Fischer Verlag, 1985, ISBN 3-437-20223-5
  2. Herbert Remmert: Über Poikiloosmotie und Isoosmotie. Z. vergl. Physiologie 65 (1969), S. 424-427.
  3. Rolf Siewing (Hrsg.): Lehrbuch der Zoologie, Band 1 Allgemeine Zoologie, 3. Auflage, S. 63. Gustav Fischer Verlag, 1985, ISBN 3-437-20223-5

Weblinks


Kategorien: Ökologischer Prozess | Osmose | Zellbiologie

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