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Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)

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Bio-Team
Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Beschreibung Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)

Diffusion und Osmose einfach erklärt

Sowohl Diffusion als auch Osmose sind passive Transportvorgänge. Was die Osmose von der Diffusion unterscheidet und warum beide Prozesse – nicht nur in unserem Alltag, sondern in jedem Lebewesen und in der gesamten Natur – so bedeutend sind, klären wir im Folgenden.

Diffusion

Betrachten wir zunächst einmal die Diffusion. Im Unterricht wirst du die Diffusion nicht nur in der Biologie, sondern auch in der Physik und in der Chemie behandeln. Auch in unserem Alltag finden wir die Vorgänge der Diffusion: Wenn sich der Geruch von frisch gekochtem Essen verbreitet oder wenn wir uns einen Früchtetee machen und sich das heiße Wasser mit der Zeit rot verfärbt. Diffusion läuft überall dort ab, wo ein Konzentrationsgefälle zwischen zwei mischbaren Stoffen vorliegt. Das kann bei zwei Flüssigkeiten oder Gasen der Fall sein oder bei einem Feststoff und einer Flüssigkeit, z. B. dann, wenn man Salz in Wasser auflöst.

Diffusion – Definition
Bei der Diffusion handelt es sich um einen ungehinderten Konzentrationsausgleich. Dieser Vorgang erfolgt passiv und ohne Zufuhr von Energie. Dabei wandern Teilchen vom Ort der hohen Konzentration zum Ort der niedrigen Konzentration. Jedes Teilchen bewegt sich aufgrund seiner Eigenbewegung. In der physikalischen Chemie wird diese als Brownsche Molekularbewegung bezeichnet.

Schauen wir uns das Beispiel des Früchtetees einmal genauer an: Zu Beginn sind die roten Farbmoleküle im Teebeutel konzentriert, während im Wasser keine roten Farbmoleküle vorhanden sind. Nach einer Weile verteilen sich die roten Farbmoleküle des Tees in der gesamten Flüssigkeit bis es keinen Konzentrationsunterschied mehr gibt.

Diffusion Erklärung am Beispiel Tee

Einflüsse auf die Diffusion
Wie wir gerade gelernt haben, geht es bei der Diffusion im Grunde um Bewegung. Und Bewegung steht immer im Zusammenhang mit Geschwindigkeit. Daher besitzt auch der Vorgang der Diffusion eine bestimmte Geschwindigkeit – die Diffusionsgeschwindigkeit. Je höher die Diffusionsgeschwindigkeit, desto schneller kommt es zum Konzentrationsausgleich. Es gibt verschiedene Faktoren, welche die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen:

  • Temperatur: Mit zunehmender Temperatur steigt die Eigenbewegung der Teilchen. Die Diffusionsgeschwindigkeit nimmt zu.

  • Strecke: Je kürzer die zu diffundierende Strecke ist, desto schneller erfolgt der Konzentrationsausgleich und desto größer ist auch die Diffusionsgeschwindigkeit.

  • Konzentrationsunterschied: Wie oben beschrieben dient die Diffusion dem Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Je größer der Konzentrationsunterschied, desto größer ist die Diffusionsgeschwindigkeit.
    Das Verhältnis von dem Konzentrationsunterschied $\Delta c$ zu der Diffusionsstrecke $\Delta x$ bezeichnet man auch als Konzentrationsgradienten $\frac{\Delta c}{\Delta x}$. Du kannst dir das wie die Steigung an einem Berg vorstellen: Je steiler der Weg, desto schneller rollt der Stein herunter.

  • Teilchengröße: Die Beschaffenheit der Teilchen hat einen großen Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit. Insbesondere die Größe des diffundierenden Teilchens spielt eine große Rolle. Je größer ein Teilchen ist, desto größer ist der Widerstand den das Teilchen durch das Lösungsmittel erfährt. Große Teilchen diffundieren also langsamer als kleine Teilchen.

  • Medium: Auch die Beschaffenheit des Mediums, in welchem sich die Teilchen bewegen, beeinflusst die Diffusionsgeschwindigkeit. Je viskoser (zähflüssiger) ein Medium ist, desto langsamer bewegen sich die Teilchen. In der Folge sinkt die Diffusionsgeschwindigkeit.

Oft findet der Konzentrationsausgleich von Stoffen nicht ungehindert statt, sondern durch Membranen. Viele Membranen sind halbdurchlässig, man sagt auch semipermeabel. So können beispielsweise Wasser und kleine Moleküle durch eine Zellmembran diffundieren, jedoch nicht Proteine, Ionen und Zucker. Den Vorgang der Diffusion durch eine (halbdurchlässige) Membran bezeichnet man auch als Osmose.

Osmose

Um den Vorgang der Osmose besser zu verstehen, stellen wir uns folgendes Experiment vor: In einem Gefäß befindet sich eine Zuckerlösung, die durch eine semipermeable Membran von reinem Wasser getrennt ist. Die Zuckerteilchen können die Membran nicht passieren, da sie für solche Teilchen nicht durchlässig ist. Wenn die Zuckerteilchen nun nicht vom Ort der hohen Konzentration (Zuckerlösung) zum Ort der niedrigen Konzentration (Wasser) diffundieren können, wie kommt es dann zum Konzentrationsausgleich? In diesem Fall diffundiert Wasser durch die Membran in die Zuckerlösung. Mit anderen Worten: Wasser verdünnt die Zuckerlösung soweit, bis auf beiden Seiten der Kammer die Konzentration an gelösten Teilchen gleich ist. In der Folge steigt der Flüssigkeitsstand in der Kammer mit der Zuckerlösung an. Die dabei wirkende Kraft, welche das Wasser in die Zuckerlösung zieht, bezeichnet man als osmotischen Druck. Der osmotische Druck ist stärker, je größer der Konzentrationsunterschied ist.

Osmose – Definition
Die Erkenntnisse aus unserem Experiment kann man wie folgt zusammenfassen: Osmose ist die Diffusion durch eine halbdurchlässige (semipermeable) Membran. Der Konzentrationsausgleich erfolgt gerichtet und wird durch den osmotischen Druck angetrieben. Wie bei der Diffusion handelt es sich bei der Osmose um einen passiven Vorgang, der keinerlei Energiezufuhr von außen benötigt.

Osmose schematische Erklärung

Osmose in der Biologie – Beispiele

Osmose bei Pflanzen
Legt man die Epidermis der roten Küchenzwiebel in eine hochkonzentrierte Zuckerlösung, so wandert in Folge des Konzentrationsunterschieds von Zucker Wasser aus den Zellen hinaus und der Protoplast (alle Zellbestandteile bis auf die Zellwand) schrumpft. Dieser Vorgang heißt Plasmolyse. Der Vorgang ist jedoch reversibel (umkehrbar): Legt man die Zwiebelepidermis anschließend in destilliertes Wasser, so wandert Wasser in die Zellen hinein. Diesen Vorgang nennt man Deplasmolyse. Die gleichen Vorgänge kannst du auch bei Pflanzen im Sommer beobachten. Leiden Pflanzen an Wassermangel, sehen sie welk aus (Plasmolyse). Wenn es regnet oder du die Pflanzen mit Wasser gießt, richten sie sich wieder auf (Deplasmolyse).

Osmose bei Tieren
Fische, die im Meerwasser leben, haben bestimmte Mechanismen entwickelt, um nicht auszutrocknen. Es klingt absurd, aber das salzige Meerwasser hat eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als die Zellen des Fischs. Demzufolge strömt laufend Wasser aufgrund des osmotischen Drucks aus den Zellen. Um dem entgegenzuwirken, trinken Fische große Mengen Meerwasser, welches sie dann filtern können.

Das Gegenteil passiert bei Süßwasserfischen. Ihre Körperzellen besitzen eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als das umgebende Wasser. Demzufolge nehmen ihre Zellen ständig Wasser auf. Süßwasserfische trinken nicht, sondern geben stark verdünnten Urin ab.

Beide Vorgänge sind Beispiele für die so genannte Osmoregulation.

Dieses Video

Dieses Video gibt dir für die Diffusion und die Osmose eine Erklärung anhand von zahlreichen Beispielen. Am Ende weißt du nicht nur, welche Vorgänge hinter Osmose und Diffusion stecken und wo sie auftreten, sondern auch, was der Unterschied zwischen Osmose und Diffusion ist. Außerdem findest du zu den Themen Diffusion und Osmose interaktive Übungsaufgaben und ein Arbeitsblatt.

Wenn du noch tiefer in die Thematik der Zellbiologie eindringst, wirst du den Unterschied von einfacher Diffusion und erleichterter Diffusion kennenlernen. Während die einfache Diffusion durch die Membran stattfindet, sind für die erleichterte Diffusion spezielle Kanäle und Poren in der Membran zuständig.

Transkript Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)

Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen)

Hallo! Hast du schon einmal gesehen, was passiert, wenn man einen Spritzer blaue Tinte in ein Wasserglas gibt und dieses dann nicht bewegt? Zunächst siehst du ziemlich deutlich die dunkelblauen Schlieren der Tinte. Nach einigen Stunden hat sich die Tinte in dem Wasser verteilt und die Flüssigkeit hat eine gleichmäßig blaue Farbe.

Diese Beobachtung lässt sich einfach mit Diffusion erklären. Diese möchte ich dir in diesem Video zusammen mit der Osmose erläutern. Dabei wirst du auch sehen, welche Bedeutung Diffusion und Osmose für tierische und pflanzliche Zellen haben.

Wenn man einen Spritzer Tinte in ein Wasserglas gibt, verteilen sich die Tinteteilchen nach einiger Zeit gleichmäßig. Von Diffusion spricht man also dann, wenn aufgrund der so genannten Brown’schen Molekularbewegung, also der Eigenbewegung der Teilchen, ein ungehinderter Konzentrationsausgleich stattfindet.

Dieser Konzentrationsausgleich sorgt dafür, dass Teilchen von einem Ort mit hoher Konzentration zum Ort mit niedriger Konzentration strömen. In unserem Beispiel also vom Tintespritzer in das umgebene Wasser hinein. Alle Teilchen besitzen eine Brown’sche Molekularbewegung, also auch Wasserteilchen, so dass sich auch die Wasserteilchen zwischen die Tinteteilchen bewegen.

Diffusion läuft überall dort ab, wo ein Konzentrationsgefälle zwischen zwei mischbaren Stoffen vorliegt. Das kann bei zwei Flüssigkeiten der Fall sein, bei einem Feststoff und einer Flüssigkeit, z.B. dann wenn man ein Salz in Wasser auflöst, aber auch bei zwei Gasen oder bei einem Gas und einer Flüssigkeit. Diffusion läuft so lange ab, bis der Konzentrationsunterschied zwischen den zwei Stoffen ausgeglichen ist. Hast du eine Idee, welche Faktoren die Geschwindigkeit von Diffusion beeinflussen?

Da gibt es einige Regeln: Je höher die Temperatur, desto höher die Diffusionsgeschwindigkeit. Je kürzer die zu diffundierende Strecke, desto schneller erfolgt der Diffusionsvorgang. Außerdem hängt die Diffusionsgeschwindigkeit von dem Konzentrationsunterschied der beiden Stoffe ab: Je höher der Konzentrationsunterschied ist, desto schneller läuft die Diffusion ab. Merke dir außerdem, dass Teilchen mit einer geringen Molekülmasse schneller diffundieren können als solche mit einer hohen Molekülmasse.

Aber welche Bedeutung hat nun die Diffusion für eine Zelle oder einen ganzen Organismus? Das wird deutlich, wenn wir uns die Diffusion durch eine Zellmembran näher anschauen, die man auch als Osmose bezeichnet. Eine Zellmembran ist nämlich nur für Wasser durchlässig, nicht aber für die darin gelösten Salze, Zucker und Proteine. Man sagt auch, sie ist semipermeabel, also halbdurchlässig.

Stell dir nun vor, du hast eine Zuckerlösung, die durch eine solche semipermeable Membran von reinem Wasser getrennt ist. Was passiert? Die Zuckerteilchen können die Membran nicht passieren, da sie für solche Teilchen nicht durchlässig ist. Wasserteilchen können dagegen ungehindert passieren.

Sie diffundieren von dem Ort der höheren Wasserkonzentration, also dem reinen Wasser, zu dem Ort der niedrigeren Wasserkonzentration, also der Zuckerlösung. Dadurch steigt der Flüssigkeitsstand in der Kammer mit der Zuckerlösung an. Die Kraft, mit der das Wasser in die Zuckerlösung hineingezogen wird, bezeichnet man auch als osmotischen Druck. Dieser ist natürlich umso höher, je größer der Konzentrationsunterschied an gelösten Teilchen ist. Somit wandern mehr Wassermoleküle durch die semipermeable Membran. Mit einem Osmometer kann man den osmotischen Druck einer Lösung bestimmen.

Hier wird die zu messende Lösung durch eine semipermeable Membran getrennt und aufgrund von Osmose wandern Wasserteilchen in die zu messende Lösung. Diese steigt in einem Steigrohr an und der osmotische Wert der Lösung kann abgelesen werden.

Osmose findet in allen pflanzlichen und tierischen Zellen statt. Es handelt sich dabei um einen passiven Vorgang, der keinerlei Energie benötigt. Wusstest du, dass man Osmose bei einer lebenden Zelle unter dem Mikroskop beobachten kann? Gibt man zu einer Epidermis der roten Küchenzwiebel eine hochkonzentrierte Zuckerlösung, so wandert Wasser aus den Zellen hinaus und die Zellsaftvakuole zieht sich zusammen. Der Protoplast schrumpft. Dieser Vorgang heißt Plasmolyse.

Legt man die Zwiebelepidermis wieder in destilliertes Wasser, so wandert Wasser in die Zellen hinein und die Plasmolyse wird wieder rückgängig gemacht. Dieses nennt man Deplasmolyse. Die Zellen sind wieder prall mit rotem Zellsaft gefüllt.

Du fragst dich, wann Osmose überhaupt wichtig ist? Denke an die im Meerwasser lebenden Organismen wie z.B. Fische. Aus ihren Zellen strömt laufend Wasser ins umgebende Meerwasser hinaus, so dass solche Meerwasserfische z.b. laufend große Mengen an Wasser aufnehmen müssen, um nicht auszutrocknen.

Im Süßwasser lebende Organismen haben das gegenteilige Problem: Bei ihnen besitzen die Körperzellen eine höhere Konzentration an gelösten Stoffen als das umgebende Wasser. Ihre Zellen nehmen aufgrund von Osmose ständig Wasser auf und dieses muss natürlich wieder ausgeschieden werden. Beides sind Beispiele für die so genannte Osmoregulation.

Du weißt jetzt, dass sich ein Spritzer Tinte in einem Wasserglas aufgrund von Diffusion gleichmäßig verteilt. Dafür ist die Brown’sche Molekularbewegung verantwortlich. Die Diffusionsgeschwindigkeit wird von der Temperatur, der zu diffundierenden Strecke, dem Konzentrationsunterschied und der Molekülmasse beeinflusst. Osmose bezeichnet die einseitig gerichtete Diffusion durch eine semipermeable Membran, wie sie z.B. die Zellmembran darstellt. Osmose spielt z.B. bei der Osmoregulation von Meer- und Süßwasserfischen eine wichtige Rolle.

Tschüss.

10 Kommentare

10 Kommentare
  1. MEGA GUT!!!!!!!!
    HAT MIR SEHR GEHOLFEN

    Von Antje Schwenkbier, vor mehr als einem Jahr
  2. Sehr gutes Video endlich verstehe ich es

    Von Seiboldweiss, vor etwa 2 Jahren
  3. Ich glaube, langsam verstehe ich die Osmose und das dank diesem Video! Super erklärt. :-)

    Von Valentina Weiss, vor mehr als 4 Jahren
  4. Hallo Sophie,
    in dem Video wird die Osmose mit Wasser und einer Zuckerlösung erläutert. Wenn du weißt, dass es sich bei der einen Lösung um Wasser handelt und bei der anderen um eine Zuckerlösung, kannst du daraus ableiten, dass dieselbe Menge Wasser mehr Wasserteilchen hat als die Zuckerlösung. Da die Zuckerteilchen die Membran nicht diffundieren können, ist es das Wasser, das durch die Membran in die Zuckerlösung diffundiert und den Konzentrationsunterschied ausgleicht. Ich hoffe, ich konnte dir weiterhelfen. Viele Grüße aus der Redaktion!

    Von Serpil K., vor mehr als 4 Jahren
  5. Woher weiß ich welcher von den beiden Stoffen die höhere Konzentration hat?

    Von Sophieelea, vor mehr als 4 Jahren
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Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Diffusion und Osmose (Vertiefungswissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere die Begriffe Osmose und Diffusion.

    Tipps

    Semipermeabel bedeutet halbdurchlässig.

    Die Brownsche Molekularbewegung ist die Eigenbewegung der Teilchen.

    Lösung

    Die Brownsche Molekularbewegung ist die Eigenbewegung von Teilchen in einer Lösung. Sie bewirkt den Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Können sich die Stoffe in der Lösung frei verteilen, nennt man diesen Ausgleich Diffusion. Du kannst die Diffusion übrigens leicht beobachten. Mache dir doch einmal einen Kakao, dann siehst du, wie sich das Pulver auch ohne Umrühren verteilt.

    Werden Stoffe bei der Diffusion von einer semipermeablen Membran voneinander getrennt, nennt man den Ausgleich des Konzentrationsunterschiedes Osmose. Semipermeabel bedeutet halb durchlässig. Es können also nur bestimmte Stoffe durch die Membran hindurch diffundieren.

  • Beschreibe die Osmoregulation bei Süß- und Salzwasserfischen.

    Tipps

    Überlege dir, wo die Wasserkonzentration am höchsten ist.

    Lösung

    Da sich die Salzkonzentration im Inneren eines Fisches von dem Wasser, in dem er schwimmt, unterscheidet, entsteht ein Konzentrationsgefälle.

    Die Salzkonzentration im Inneren eines Meeresfisches ist geringer als die Konzentration des Salzwassers im Meer. Zum Ausgleich des Konzentrationsgefälles strömt ständig Wasser aus dem Fisch in die Umgebung. Der Fisch verliert also ständig Wasser und muss deshalb viel davon aufnehmen, um nicht zu vertrocknen. Gleichzeitig versucht der Meeresfisch, überschüssiges Salz aus seinem Körper zu transportieren. Der Urin eines solchen Fisches ist also besonders salzig und enthält möglichst wenig Wasser.

    Der Fisch, der im Süßwasser lebt, hat das umgekehrte Problem. Die Konzentration an Salzen ist außen viel geringer als im Inneren des Fisches. Aus diesem Grund strömt ständig Wasser in den Fisch. Um die Menge an Wasser wieder loszuwerden, scheidet der Süßwasserfisch viel Flüssigkeit aus und muss gleichzeitig seine eigene Salzkonzentration aufrecht halten. Sein Urin ist also stark verdünnt und enthält kaum Salze.

  • Entscheide, ob es sich bei den Vorgängen um die Osmose handelt.

    Tipps

    Erythrozyten sind die roten Blutkörperchen im Blut.

    Überlege dir, warum Diffusion und Osmose stattfindet. Erfüllen alle Aussagen diese Bedingung?

    Lösung

    Osmose

    Die Plasmolyse, die Deplasmolyse und die Wasseraufnahme der Erythrozyten sind Vorgänge der Osmose, weil der Konzentrationsausgleich aufgrund der Brownschen Molekularbewegung durch eine Membran erfolgt. Man spricht immer dann von Osmose, wenn etwas durch eine Membran hinduch diffundiert. Die Osmose baut also auf der Diffusion auf. Solche selektiv permeablen Membranen sind häufig die Membranen der Zellen und ihrer Organellen. Mithilfe von Prinzipien der Osmose können über sie Stoffe in die Zelle oder heraus transportiert werden.

    Diffusion

    Salz löst sich in Wasser und Sauerstoffaufnahme von Wasser an der Oberfläche sind Diffusionsvorgänge, da der Konzentrationsausgleich ungehindert (also ohne Membran) erfolgt. Auch dies geschieht aufgrund der Brownschen Molekularbewegung. Die Teilchen bewegen sich frei in der Lösung und gleichen auf diese Weise Unterschiede in der Konzentration aus.

  • Erkläre, warum die Kirsche platzt.

    Tipps

    Überlege dir, wann z.B. ein Luftballon platzt, und übertrage diese Erkenntnisse auf die Kirsche.

    Lösung

    Warum platzt die Kirsche?

    Auch die Haut der Kirsche ist eine selektiv permeable Membran. Sie folgt also den Regeln der Osmose. Regnet es, bleibt Wasser auf der Oberfläche der Kirsche zurück. Dieses Wasser kann die Kirschhaut passieren. Da gerade die Zuckerkonzentration im Inneren der Kirsche viel höher ist als die des Regenwassers, strömt das Wasser zum Konzentrationsausgleich hinein. Die Kirsche dehnt sich langsam aus, bis sie schließlich platzt. Tatsächlich sind platzende Kirschen häufig ein großes Problem von Obstbauern. Geplatzte Kirschen kann man zwar noch essen, aber sie verderben sehr schnell. Allerdings platzen verschiedene Kirschsorten unterschiedlich schnell. Am empfindlichsten sind Süßkirschen. Ihr hoher Zuckergehalt führt zu einem besonders hohen osmotischen Druck. Nicht so süße Kirschen oder Kirschen mit einer besonders festen Haut halten dagegen mehr Regen aus.

  • Beschreibe die Plasmolyse und die Deplasmolyse.

    Tipps

    Der Protoplast umfasst alles, was von der Zellmembran umschlossen ist.

    Der Konzentrationsausgleich erfolgt immer gegen das Konzentrationsgefälle.

    Lösung

    Plasmolyse

    Umgibt man eine Zelle mit einer Zuckerlösung, dann ist die Wasserkonzentration in der Zelle höher als im Außenbereich. Es herrscht ein Konzentrationsgefälle über die Membran des Protoplasten. Im Gegensatz zu Zucker kann Wasser die Membran frei passieren. Deswegen strömt Wasser zum Konzentrationsausgleich nach außen. Der Protoplast verliert an Volumen und schrumpft.

    Deplasmolyse

    Umgibt man die Zelle nun mit destilliertem Wasser, dann ist die Wasserkonzentration im Außenmedium höher als im Zellinneren.Gleichzeitig sind die Konzentrationen der vielen anderer Moleküle im Inneren des Protoplasten höher. Genauso wie bei der Plasmolyse entsteht ein Konzentrationsgefälle über der Membran. Aber diesmal strömt das Wasser zum Ausgleich in den Protoplasten. Dieser schwillt an und wird größer. Wir der osmotische Druck zu hoch, kann sogar die gesamte Zelle platzen.

  • Erkläre den Wassertransport in der Wurzel.

    Tipps

    Schaue dir genau an, wo die Pfeile entlanggehen.

    Die dicke schwarze Linie markiert den Casparischen Streifen.

    Lösung

    Die oberen Pfeile markieren den Wassertransport durch die Zellen. Das Wasser fließt entlang eines Konzentrationsgefälles von außen ins Innere der Pflanzenwurzeln. Dabei fließt es durch verschiedene Zellen hindurch und muss dabei natürlich auch die Zellmembranen passieren. Es handelt sich als um einen Konzentrationsausgleich durch die selektiv permeablen Membranen der Pflanzenzellen. Ist eine Membran im Spiel, spricht man immer von Osmose.

    Die unteren Pfeile zeigen den Transport zwischen den Zellen, jedoch nur bis zum Casparischen Streifen. Er sorgt dafür, dass das Wasser von nun an durch die Zellen transportiert wird, damit die Pflanze das Wasser besser verwerten kann. Hier kommt es also erst zur Diffusion und dann zur Osmose. Der Unterschied zum oberen Pfeil besteht darin, dass das Wasser zunächst nicht durch die Zellen und ihre Membranen fließt, sondern um die Zellen herum. Es handelt sich also um einen Konzentrationsausgleich ohne Beteiligung einer Zellmembran. Das nennt man Diffusion. Im späteren Verlauf fließt das Wasser doch wieder durch die Zellen hindurch und es handelt sich wieder um Osmose.

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