Von den Ozeanen, über Organismen bis hin zu Gesteinen, Salze und Ionen sind allgegenwärtig. Ionen und Salze sind ein fester Bestandteil unserer Umwelt und werden von allen Lebewesen z. B. für den Stoffwechsel benötigt. Ohne diese kleinen elektrisch geladenen Teilchen wäre ein Leben auf unserem Planeten also nicht möglich.
Ionen – Definition Biologie
Ein Ion ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Ionen können Atome oder Moleküle sein und eine negative Ladung (Anion) oder eine positive Ladung (Kation) aufweisen.
Entstehung von Ionen
Ionen entstehen durch die Aufnahme oder die Abgabe von Elektronen, oder durch die Aufnahme bzw. Abgabe von Protonen (Wasserstoff- bzw. H+-Ionen). Werden Elektronen von einer neutralen Verbindung aufgenommen, entsteht ein Anion. Werden Elektronen abgegeben, entsteht ein Kation. Andersherum entsteht ein Anion, wenn ein oder mehrere Protonen einer neutralen Verbindung abgegeben und ein Kation, wenn Protonen aufgenommen werden.
Abbildung 1: Schematische Abbildung zur Bildung von Ionen aus einer neutralen Verbindung.
Autoprotolyse des Wassers
Das Wassermolekül (H2O) ist nach außen eine neutrale Verbindung. Aufgrund seiner chemischen Eigenschaften kommt es in Wasser allerdings ständig dazu, dass ein Wassermolekül einem benachbarten Wassermolekül ein Proton stiehlt und es für einen gewissen Zeitraum behält.
Dabei entsteht ein positiv geladenes Kation (H3O+) und ein negativ geladenes Anion (OH-). Dieser Vorgang wird Autoprotolyse des Wassers genannt und kann anhand einer Gleichgewichtsreaktionsformel beschrieben werden:
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Die positive oder negative Ladung eines Ions wird am rechten oberen Ende der Summenformel vermerkt.
Ionen in der Biologie – Ionen und der Salzgehalt
Die Konzentration von gelösten Ionen bzw. Salzen im Wasser, ist für die Bewohner von aquatischen Ökosystemen besonders wichtig. Die Ionen-Konzentration bestimmt die osmotischen Bedingungen, denen die Organismen unterliegen und hat somit eine direkte Auswirkung auf deren Osmoregulation.
Ein Salz ist eine chemische Verbindung aus mindestens zwei unterschiedlich geladenen Ionen. Viele Salze lösen sich in Wasser in ihre ionischen Bestandteile auf. Die Konzentration an gelösten Salzen, bzw. deren Ionen im Wasser, wird als Salzgehalt oder Salinität definiert.
Unter Osmoregulation versteht man die Kontrolle des osmotischen Drucks und der Konzentration von osmotisch wirksamen Substanzen in den Zellen eines Organismus. Zu osmotisch wirksamen Substanzen zählen kleine Teilchen wie Ionen und Moleküle (z. B. Proteine).
Man unterteilt Wasser nach dem Salzgehalt in:
- Süßwasser
- Brackwasser
- Salzwasser
Die Einheit des Salzgehaltes kann in %, Promille, g/L oder g/kg angegeben werden.
Manchmal wird die Angabe der Salinität in g/kg der Angabe in g/L vorgezogen, da sich das Volumen (Liter) von Flüssigkeiten je nach Temperatur leicht verändern kann.
Ionen Biologie – Das Süßwasser
Süßwasser weist den geringsten Anteil gelöster Salze und deren Ionen auf. Bei einem Salzgehalt von weniger als 0,5 Promille, 0,1 % oder 1 g/kg handelt es sich um Süßwasser. Bei dem Großteil aller Binnengewässer handelt es sich um Süßwasserreservoirs. Dazu zählen unter anderem natürliche Seen im Flachland oder in den Bergen. Auch das gefrorene Wasser der Gletscher und Schneekuppen sowie das Wasser der Flüsse sind Süßwasser.
Ionen Biologie – Das Brackwasser
Brackwasser ist eine Mischung aus Süßwasser und Salzwasser. Es hat demnach eine höhere Konzentration an gelöstem Ionen (Salze) als Süßwasser, aber eine geringere Ionen-Konzentration als Salzwasser. Wasser mit einer Salzkonzentration zwischen 0,1 bis 1 % oder 1 bis 10 g/kg wird als Brackwasser bezeichnet. Brackwasser wird oft in Mündungsbereichen von Flüssen vorgefunden.
Für viele Wasserorganismen ist Brackwasser vorteilhaft, da ihre Körperzellen eine ähnliche Konzentration an osmotisch aktiven Substanzen aufweisen wie das Brackwasser. So müssen sie so weniger Energie für die Osmoregulation aufwenden.
Ionen Biologie – Das Salzwasser
Salzwasser ist das Wasser mit dem höchsten Anteil an gelösten Ionen. Wasser mit einer Salzkonzentration von 1 % bzw. 10 g/kg aufwärts wird als Salzwasser bezeichnet. Der Großteil des Wassers auf der Erde liegt als Salzwasser in den Ozeanen vor. Dabei liegt die typische Salzkonzentration im Atlantischen Ozean bei 35 g/kg, während sie im Pazifischen Ozean bei 34,5 g/kg liegt. Den Großteil der gelösten Ionen macht dabei das Salz Natriumchlorid (NaCl) mit den Ionen Na+ und Cl- aus.
Das Salz Natriumchlorid wird auch Steinsalz genannt. Dieser Begriff ist passend, da ungefähr 70 % des Salzes für den menschlichen Gebrauch aus Gesteinen in Salzbergwerken gefördert wird.
Ionen Biologie – Die Osmoregulation
Viele Lebewesen im Wasser müssen Osmoregulation betreiben. Man unterscheidet die Lebewesen dabei in Osmokonformer und Osmoregulierer. Wirbellose wie Krebse, Schnecken und Würmer sind häufig Osmokonformer, während der Großteil der Wirbeltiere wie Fische und marine Säugetiere zu den Osmoregulierern gehören.
Osmokonformer können den Gehalt an osmotisch aktiven Substanzen in ihren Zellen nicht aktiv verändern. Damit haben sie stets eine ähnliche bis gleiche Konzentration an osmotisch aktiven Substanzen, wie das Wasser in dem sie leben. Ändern sich die osmotischen Verhältnisse stark, müssen sie den Ort wechseln oder sterben.
Osmoregulierer kontrollieren die Konzentration an osmotisch aktiven Substanzen in ihren Zellen durch die Bildung und den Abbau von osmotisch aktiven Teilchen, sowie die Aufnahme und Abgabe von Ionen. Zusätzlich kann durch die Aufnahme oder Abgabe von Wasser die Konzentration an osmotisch wirksamen Substanzen in den Körperzellen verändert werden.
Ionen Biologie – Die Osmoregulation am Beispiel von Fischen
Organismen können im Vergleich zu Wasser eine höhere, ähnliche bis gleiche, oder niedrigere Anzahl an osmotisch aktiven Teilchen in ihren Körperzellen aufweisen.
Besitzt ein Organismus im Vergleich zu dem Wasser seines Lebensraumes eine höhere Anzahl an osmotisch aktiven Teilchen in seinen Körperzellen, ist er hyperosmotisch. Zeigt er eine ähnliche bis gleiche Anzahl, ist er isoosmotisch. Ist die Konzentration an osmotisch aktiven Teilchen niedriger als im Wasser, ist er hypoosmotisch.
Im Süßwasser sind Fische hyperosmotisch zum Süßwasser. Das bedeutet, dass die Anzahl osmotisch wirksamer Substanzen in ihren Zellen höher ist als im Süßwasser. Das führt zu einem stetigen Einstrom von Wasser über die Körperoberfläche. Damit die Zellen der Tiere im Wasser nicht platzen, scheiden sie einen stark verdünnten Urin aus. Dabei verlieren sie allerdings auch Ionen, die mit der Nahrung aufgenommen werden müssen.
Im Brackwasser sind die Fische je nach Salzgehalt des Wassers annähernd isoosmotisch bis isoosmotisch. Die Konzentration an osmotisch wirksamen Stoffen in ihren Zellen entspricht also ungefähr dem des Brackwassers. Somit müssen sie weniger Energie für die Regulation des Ionenhaushaltes aufbringen.
Im Salzwasser sind Fische hypoosmotisch zum umgebenden Milieu. Wasser verlässt also stetig ihren Körper, sodass sie Salzwasser aktiv trinken müssen. Die überschüssigen Salze, bzw. deren einwertige Ionen (vorwiegend Natrium-Kationen (Na+) und Chlorid-Anionen (Cl-)) werden im Magen-Darm-Trakt resorbiert, ins Blut aufgenommen und schließlich über die Kiemen an die Umgebung abgegeben. Zweiwertige Ionen wie Calcium- (Ca2+) oder Magnesium-Kationen (Mg2+) werden über die Niere abgegeben.
Abbildung 2: Osmotische Bedingungen für einen Fisch im Süßwasser (hyperosmotisch), Brackwasser (isoosmotisch) und Salzwasser (hypoosmotisch).
Ionen Biologie – Das Salz im Boden
Salze können sich in Böden ablagern und dadurch die Bodenqualität für die meisten Pflanzen verschlechtern. Häufig kommt es zu diesem Phänomen, wenn Böden künstlich durch den Menschen bewässert werden müssen. Vor allem die oberen Bodenschichten des Oberbodens sind besonders von der Versalzung betroffen, da hier das meiste Wasser verdunstet.
Es gibt allerdings auch Pflanzen, die besonders an salzige Böden angepasst sind. Diese Gruppe von Pflanzen wird als Salzpflanzen oder Halophyten bezeichnet.
Im StudySmarter-Artikel zur Bodenversalzung findest Du weitere Informationen zu der Entstehung der Versalzung und ihren Folgen für das Leben im Boden.
Anwendungsbeispiele für Ionen in der Biologie
Ionen sind ein wichtiger Bestandteil für das Überleben von Zellen und damit allen Lebens. In den Stoffkreisläufen des Ökosystems werden Ionen über die Zersetzungskette der Destruenten letztlich von Mikroorganismen aus organischer Biomasse freigesetzt. Durch die Produzenten werden sie wieder in der Nahrungskette assimiliert.
Ionen Biologie – Die Pflanzennährstoffe
Ionen sind wichtige Pflanzennährstoffe. Produzenten (Pflanzen, Algen und einige Mikroorganismen) benötigen eine Vielzahl von Ionen, um wichtige Makromoleküle aufzubauen.
Für den Aufbau des Proteins Ferredoxin benötigen Pflanzen Eisen, während sie für den Aufbau von Chlorophyll Magnesium benötigen.
In der unten stehenden Tabelle erhältst Du einen kurzen Überblick über die wichtigsten Pflanzennährstoffe und die ionische Form, in der sie aufgenommen werden.
| Pflanzennährstoff | Ion |
| Eisen | Fe2+, Fe3+ |
| Magnesium | Mg2+ |
| Calcium | Ca2+ |
| Kalium | K+ |
| Phosphor | H2PO4- |
| Schwefel | SO42- |
| Stickstoff | NH4+, NO3- |
Ionen Biologie – Das Membranpotential und die Signalweiterleitung
Lebende Zellen benötigen ein elektrisches Membranpotential, um das willkürliche Einströmen von Ionen zu unterbinden. Dazu werden aus allen lebenden Zellen stetig Ionen durch Membranproteine über die Zellmembran transportiert. Das Membranpotential ist in allen Zellen negativ und ein entscheidender Faktor zur Semipermeabilität der Zellmembranen aller Organismen. In hoch entwickelten Organismen ist das Membranpotential in Muskel- und Nervenzellen von besonderer Bedeutung.
Ionen Biologie – Muskelzellen
Ionen werden bei der Muskelkontraktion benötigt. Eine Muskelkontraktion findet bei jeder Bewegung statt, wobei chemische Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) in mechanische Energie (Zusammenziehen der Muskeln) umgewandelt wird. Ohne Calcium-Ionen (Ca2+) wäre eine Anspannung der Muskeln nicht möglich, da sie die Anspannung durch die Bindung an Myosin und Troponin einleiten.
Myosin und Troponin sind Proteine und Bestandteile eines Sarkomers. Sarkomere sind die kleinsten Bestandteile eines Muskels, die zusammengezogen bzw. angespannt werden können.
Ionen Biologie – Nervenzellen
Nervenzellen oder Neuronen sind hoch spezialisierte Zellen, die in fast allen Eukaryoten vorkommen. Sie sind für die Weiterleitung von Signalen und Informationen innerhalb eines Organismus zuständig. Die Weiterleitung geschieht über eine Spannungsänderung der Membran, von negativ zu positiv, die Aktionspotential genannt wird. Das Aktionspotential wird durch den Einstrom von Natrium-Ionen (Na+) durch Ionenkanäle gewährleistet. Um wieder in den Ruhezustand überzugehen, strömen im Anschluss Kalium-Ionen (K+) aus der Zelle aus.
Ionen Biologie – Der Stoffwechsel
Ionen sind in der Fotosynthese der Produzenten sowie in der Zellatmung aller Lebewesen von entscheidender Bedeutung. In beiden Reaktionen werden Wasserstoff-Ionen (H+), ausgelöst durch einen Elektronenfluss durch eine Elektronentransportkette in der Membran, gegen den Konzentrationsgradienten aus der inneren Membran der Zellorganelle (Chloroplast oder Mitochondrium) in einen Intermembranraum gepumpt.
Die innere Membran ist für die Wasserstoff-Ionen nicht durchlässig (permeabel) und sie müssen über ein Membranprotein (ATP-Synthase) zurück in das Innere der Zellorganelle diffundieren. Durch den Protonenfluss kann im Inneren der Organelle aus ADP und einer Phosphatgruppe ATP synthetisiert werden.
Ionen Biologie – Das Wichtigste
- Ionen sind elektrisch geladene Atome oder Moleküle. Dabei können Ionen einfach bis mehrfach negativ oder positiv geladen sein. Negativ geladene Ionen werden Anionen, positiv geladene Ionen werden Kationen genannt.
- Anionen entstehen durch die Aufnahme von Elektronen oder die Abgabe von Protonen. Kationen entstehen durch die Abgabe von Elektronen oder die Aufnahme von Protonen.
- Salze sind Verbindungen aus mindestens zwei unterschiedlich geladenen Ionen.
- Wasser kann nach seinem Salzgehalt in Süßwasser, Brackwasser und Salzwasser eingeteilt werden.
- Der Salzgehalt des Wassers bestimmt die osmotischen Bedingungen für die darin lebenden Organismen. Organismen sind entweder Osmokonformer oder Osmoregulierer.
- In der Biologie finden Ionen als Pflanzennährstoffe, bei der Aufrechterhaltung des Membranpotentials, bei der Signalweiterleitung und in Stoffwechselprozessen Verwendung.
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