Ärgerlich, wenn (unreife) Tomaten nach dem Regen aufplatzen und dann auch noch schimmeln. Leider mischt auch hier die Physik mit Diffusion und Osmose mit.
Wer kennt als Hobbygärtner nicht die Situation, dass nach einem länger anhaltenden Regen viele Tomaten, manchmal noch grün, an der Pflanze aufgeplatzt sind (Abb. 1)? Und oft nutzen Schimmelpilze diese „Wunde“ als Einfallstor und machen sich dort breit. Manchmal allerdings kann die Pflanze den Riss notdürftig reparieren und bildet eine zwar leichte, jedoch schützende weitere Haut aus. Aber warum gibt es diesen Ärger immer wieder? Und warum finden Sie die Risse nicht nur bei Tomaten, sondern auch bei Kirschen, Pflaumen und manchmal sogar Äpfeln und Birnen?
Die Natur hat einen Drang zum Ausgleich
Die Natur hat die Tendenz, einheitliche Verhältnisse zu schaffen: Heiße Getränke kühlen auf Zimmertemperatur ab und Luftströmungen entstehen, um Temperaturunterschiede auszugleichen. Ein Tropfen Farbe kann einen Wassereimer einfärben und auch Salz- oder Zuckergehalt in Flüssigkeiten gleichen sich aus. Denn die Moleküle haben einen von der Temperatur abhängigen Drang zur Bewegung. Die Erscheinung ist als Brownsche Molekularbewegung bekannt, benannt nach ihrem Entdecker, dem Botaniker Robert Brown. Dieser beobachtete im Jahr 1827 unter dem Mikroskop einen unablässigen Tanz kleiner Teilchen, zunächst in Pflanzenzellen, später in Milchtröpfchen. Brown deutete seine Beobachtung richtig, dass nämlich die Zitterbewegung größerer Teilchen durch die Bewegung der Flüssigkeitsmoleküle hervorgerufen wird. Diese stoßen bei ihren Bewegungen regellos auf die in der Flüssigkeit befindlichen Teilchen.
Alle Ausgleichsvorgänge – das Fachwort heißt Diffusion – beruhen auf dieser völlig regellosen Bewegung der Moleküle. Und mit ihr verteilen sich die Moleküle gleichmäßig auf den vorhandenen Raum, sodass sich nach einiger Zeit alle möglichen Substanzen vollkommen durchmischen, egal ob es sich um Giftgas, harmlose Farbteilchen, Wasser- oder Zuckermoleküle handelt.
Osmose – eine einseitige Diffusion findet statt
Was aber, wenn das regellose Ausbreiten der Moleküle „irgendwie“ unterbunden wird? Es gibt eine Anzahl poröser Stoffe mit der Eigenschaft, von einer Lösung nur kleine Moleküle, meist Wasser, nicht aber den gelösten Stoff, meist Zucker, Salze oder Eiweiße, hindurch zu lassen. Man nennt sie halbdurchlässige oder semipermeable Wände bzw. Membranen. Bei ihnen entscheidet die Teilchengröße, in welche Richtung der Konzentrationsausgleich stattfindet.
Genau diesen Fall findet man in vielen natürlichen Vorgängen, bei denen Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine derartige Wand voneinander getrennt sind. So stellen Biomembranen eine grundsätzliche Barriere dar, allerdings eine, die nicht vollkommen dicht sein darf. Zellen zum Beispiel müssen Nährstoffe aufnehmen und „Müll“ abgeben können. Zudem muss eine Zelle im Inneren ein bestimmtes Milieu aufrecht erhalten, das sich von der Außenwelt grundlegend unterscheiden kann. Nehmen Sie als Beispiel die Tomaten. Auch deren Außenhaut ist eine aus speziellen Eiweißen aufgebaute Barriere und nicht vollkommen dicht. Im ständigen Regen finden kleine Wassermoleküle durch sie ihren Weg in die Tomate, die größeren Zuckermoleküle der Tomate jedoch nicht nach außen. Die Frucht füllt sich langsam aber sicher mit Wasser.
Der Fachbegriff für diese einseitige Diffusion heißt Osmose, der Begriff stammt von Henry Dutrochet, einem französischen Botaniker. Er führte Versuche mit Milch durch, die er in einen Hühnerdarm füllte, diesen verknotete und den Beutel in Wasser stellte. Der Beutel quoll tatsächlich auf, denn es strömten Wassermoleküle ein. Die in der Milch gelösten Eiweiße und Fette passten jedoch wegen ihrer Größe nicht durch die Poren. Er bemerkte, dass der Konzentrationsunterschied die treibende Kraft für den Wassereinstrom darstellt.. Durch die einwandernden Moleküle kann sich innen ein bedeutender Druck aufbauen, der mehrere Atmosphären betragen kann und nachdrängende Moleküle zurückhält. Man hat schon Drücke von über 100 bar gemessen, das entspricht dem 100-fachen Luftdruck. Da wundert es nicht, wenn Zellwände, die ja nur eine begrenzte Reißfestigkeit besitzen, letztendlich aufplatzen.
Experimente zur Osmose zum Ausprobieren
Das einfachste Experiment ist es, Tomaten oder auch Kirschen in Wasser zu legen und abzuwarten, bis sie nicht nur groß und prall werden, sondern platzen. Reizvoller sind da schon Gummibärchen, die es durch Osmose zu beachtlichen Größen bringen können, leider zieht der Geschmack nicht mit.
Wesentlich eindrucksvoller ist aber folgender Versuch, der noch einmal die Wichtigkeit des Konzentrationsunterschiedes bei der Osmose verdeutlicht: Zunächst bereitet man einige etwa gleichgroße Würfel von geschälten Kartoffeln vor, die in drei Gläser mit Wasser aufgeteilt werden. In das erste Glas fügen Sie eine große Hand voll Salz hinzu, in das zweite Glas nur ein oder zwei Prisen, in das dritte Glas kommt nichts (Abb. 2; Nummerierung wie im Text beschrieben). Die Salzlösung in Glas 1 ist mit 2 Esslöffeln Salz so konzentriert, dass am Anfang die Kartoffeln sogar schwimmen.
Schon nach drei Stunden kann man erstaunliche Veränderungen beobachten (Abb. 2, untere Reihe): Die Würfel im ersten Glas sind geschrumpft, sogar kleine Einbeulungen sind sichtbar. Nimmt man sie heraus, erscheinen die Stücke merkwürdig erschlafft. Die Würfel im zweiten Glas haben in etwa ihre Größe behalten, denn die Salzkonzentrationen sind in Wasser und Kartoffel nahezu gleich. Im dritten Glas sind die Würfel aufgequollen, das Wasser ist durch Osmose in die Kartoffeln gewandert.
Ein eindrucksvolles Experiment, das verdeutlicht, dass man mit Hilfe von Salz Früchte oder Gemüse entwässern kann. Die Anwendung kennt jeder, nämlich das Einlegen von Gurken oder anderen Gemüsearten in Salzlösung zur Konservierung. Die konzentrierte Flüssigkeit entzieht den Einlagen Flüssigkeit, sodass Mikroorganismen, die eine wässrige Lebensumgebung lieben, nicht mehr gedeihen.
Dutrochets historischer Versuch
Auch den historischen Versuch von Dutrochet können Sie nachahmen, benötigt wird dafür Cellophan als Ersatz für die Blasen und Därme. Die Einmachhaut wirkt wie eine Membran und ermöglicht Wassermolekülen, vor allem Wasserdampf, den Durchtritt. Nicht umsonst trockneten mit ihr zugebundene Marmeladen an der Oberfläche aus. Mit etwas Glück können Sie Cellophanverpackungen bei Zigaretten oder Keksen finden, achten Sie auf den charakteristischen Knistereffekt. Moderne Frischhaltefolien funktionieren für diesen Versuch nicht, denn sie sind absolut wasserdicht.
Füllen Sie etwas Himbeersirup auf Cellophan und binden Sie die Folie wie ein kleines Beutelchen oben zu. Das Beutelchen wird nun in Wasser getaucht, so dass die Füllhöhe etwa der Wasseroberfläche entspricht (Abb. 3). Schon nach einer guten Stunde kann man beobachten, dass durch das Einwandern von Wassermolekülen das Beutelchen an Volumen gewinnt, der Himbeersirup verdünnt wird und der Wasserspiegel im Beutel über den äußeren Spiegel hinaus steigt.