Die Tonizität („effektive Osmolartät“) einer Lösung bestimmt, ob eine Zelle in einer Lösung Wasser aufnimmt oder verliert. Die Tonizität hängt von der Durchlässigkeit der Zellmembran für verschiedene gelöste Stoffe und von der Konzentration der nicht eindringenden gelösten Stoffe in der Lösung innerhalb und außerhalb der Zelle ab. Wenn eine semipermeable Membran den Durchtritt einiger gelöster Stoffe verhindert, aber Wasser jedoch seinem Konzentrationsgradienten folgen kann, bewegt sich Wasser von der Seite mit geringer Osmolarität (d.h. weniger gelöste Stoffe) zur Seite mit höherer Osmolarität (d.h. höherer Konzentration gelöster Stoffe). Die Tonizität der extrazellulären Flüssigkeit bestimmt das Ausmaß und die Richtung der Osmose und führt zu drei möglichen Zuständen: Hypertonizität, Hypotonizität und Isotonizität.

Isotonische Lösungen

In der Biologie bedeutet die Vorsilbe “iso” gleich oder gleich gemessen. Wenn die extrazellulären und intrazellulären Flüssigkeiten innen und außen die gleiche Konzentration eines nicht-eindringenden gelösten Stoffes aufweisen, ist die Lösung isotonisch. Bei isotonischen Lösungen gibt es keine Nettobewegung des Wassers. Das Wasser bewegt sich immer noch zu gleichen Anteilen nach innen und außen. Daher tritt keine Änderung des Zellvolumens auf.

Hypotonische Lösungen

Die Vorsilbe “hypo” bedeutet niedriger oder weniger. Immer, wenn es außen eine niedrige Konzentration eines nicht-eindringenden gelösten Stoffs und eine hohe Konzentration von Wasser im Vergleich zum Inneren gibt, ist die Umgebung hypotonisch. Das Wasser wird in die Zelle eindringen und sie anschwellen. In tierischen Zellen führt die Schwellung schließlich zum Platzen und Absterben der Zellen. Süßwasser ist ein Beispiel für eine hypotone Lösung. Süßwasserorganismen neigen dazu, eine höhere Osmolarität (d.h. eine höhere Salzkonzentration) in ihren Zellen zu haben, als das umgebende Gewässer (Seen und Flüsse).

Hypertone Lösungen

Umgekehrt bedeutet das Präfix “hyper” mehr oder höher. Während der Hypertonie enthält die extrazelluläre Flüssigkeit mehr an dem gelösten Stoff (d.h. hohe Osmolarität) und weniger Wasser als im Inneren einer Zelle. Dadurch fließt Wasser aus der Zelle heraus, wodurch tierische Zellen schrumpfen. Salzwasser ist ein Beispiel für eine hypertone extrazelluläre Flüssigkeit, da es eine höhere Osmolarität (d.h. höhere Salzkonzentration) im Gegensatz zu den meisten intrazellulären Flüssigkeiten hat.

Osmoregulation

Um das durch hypertone und hypotone Lösungen auftretende Schrumpfen und Anschwellen zu vermeiden, müssen tierische Zellen Strategien zur Aufrechterhaltung des osmotischen Gleichgewichts haben. Der Prozess, durch den das osmotische Gleichgewicht erreicht wird, nennt man Osmoregulation. Osmoregulatorische Strategien können in zwei Kategorien eingeteilt werden: regulierend und konform. Osmoregulatoren kontrollieren und erhalten ihre internen osmotischen Bedingungen unabhängig von den Umweltbedingungen. Umgekehrt nutzen Osmokonforme aktive und passive interne Prozesse, um die Osmolarität ihrer Umgebung zu imitieren.

Viele Tiere, einschließlich des Menschen, sind Osmoregulatoren. Zum Beispiel sind Fische, die in Salzwasser, einer hypertonen Umgebung, leben, in der Lage, den Wasserverlust an die Umwelt zu regulieren. Dafür nehmen sie große Mengen Wasser auf und scheiden viel Salz aus. Fische, die im Süßwasser leben, regulieren die ständige Osmose des Wassers in ihre Zellen durch häufiges Urinieren. Dies setzt Wasser aus dem Körper frei.

Die meisten wirbellosen Meerestiere, wie Hummer und Quallen, sind Osmokonformer. Osmokonformer halten die innere Konzentration an gelösten Stoffen gleich der in ihrer Umgebung vorkommenden, um Osmolarität zu erreichen. Sie gedeihen daher in Umgebungen ohne häufige Schwankungen.