Der Baum als Lebewesen: Grundlagen: Physik und Wassertransport

Physik und Wassertransport

Wie jedes Lebewesen benötigt auch der Baum ausreichend Wasser für all seine Zellen, umso erstaunlicher ist es, wie das flüssige Nass in der Lage ist, teilweise 20 oder gar 30 Meter Höhe zu überwinden und entgegen der Schwerkraft nach oben zu gelangen. Der Baum verfügt in diesem Sinne auch über keine Pumpen, die das Wasser so hoch bringen könnten, aber irgendwie ist es möglich, das Wasser zu transportieren. Der Küstenmammutbaum (Sequoia sempervirens) wird über 100 Meter hoch (!) und muss Unmengen an Wasser in diese unvorstellbare Höhe bringen. Wie das gelingt, wird in diesem Kapitel erklärt. Jedoch ist dazu leider ein großes Vorwissen nötig, was vor allem Physik und auch Chemie betrifft, deshalb werde ich diese Unterkapitel ebenso erklären, damit es verständlich ist.

Diffusion - Alles bewegt sich

Punkt Eins ist die Diffusion. Dieser Begriff sagt eigentlich nur aus, dass sich alle Teile, sofern sie klein genug sind, immer bewegen und nie zur Ruhe kommen. Als Experiment ist folgendes bekannt: Man gibt einen Tropfen Tinte in ein Glas mit Wasser und wartet ab. Nach einigen Minuten verteilt sich die Tinte immer mehr, obwohl man nicht umrührt und auch sonst das Glas nicht bewegt. Nach einer Weile ist die gesamte Flüssigkeit blau. Woran liegt das? Es hat ja niemand gerührt oder das Wasser bewegt. Nicht direkt, nein, aber: Die Wassermoleküle im Glas bewegen sich ständig, auch wenn das nicht sichtbar ist. Je wärmer eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, desto schneller bewegen sich die Teile. Oder anders herum: Das, was wir als "Wärme" bezeichnen ist nichts anderes als die Bewegung von sehr kleinen Teilchen. Das Wasser dürfte etwa Zimmertemperatur haben, was ein guter Wert ist, denn diese Teile bewegen sich immer, selbst wenn man es auf -150°C abkühlt. Der absolute Nullpunkt von -273,15°C = 0 Kelvin wird in der Natur niemals erreicht, so kalt kann kein Objekt werden. Deshalb kommt die Teilchenbewegung niemals ganz zum Stillstand, Bewegung ist immer vorhanden. Je kleiner Teilchen sind, desto besser erfolgt die Diffusion. Allerdings muss man aufpassen, denn Diffusion erklärt nicht den Wassertransport. Die Teilchen bewegen sich zwar, aber nicht sehr weit, es geht um den Bereich von wenigen Millimetern pro Stunde, was in Zellgröße wichtig ist. Aber bis ein Molekül Wasser damit 30 Meter nach oben gelangen würde, würden Monate oder Jahre verstreichen. Allerdings können wir mit dem Wissen über Diffusion den nächsten Bereich erklären.

Vorgang der Osmose

Osmose - Konzentrationsunterschiede

Punkt Zwei ist Osmose. Dieser Begriff hängt stark mit Diffusion zusammen, bringt aber weitere Faktoren ins Spiel. Wir beginnen mit einem Beispiel, um es anschaulich zu machen. Wir haben ein Becken, in dem sich relativ reines Wasser befindet, d. h. es sind keine Stoffe wie Ionen oder Zucker gelöst. In diesen großen Behälter wird nun ein kleinerer Behälter gegeben, dessen Oberfläche eine semipermeable (auch: selektiv permeable) Membran ist. Dieser Begriff besagt folgendes: Die Membran kann nur bestimmte Moleküle passieren lassen, andere werden aufgrund ihrer Größe zurückgehalten. In diesem Behälter befindet sich eine konzentrierte Zuckerlösung, also Wasser- und Zuckermoleküle. Was geschieht:

Die Wassermoleküle sind in der Lage, diese Membran zu passieren, weil sie klein genug sind; die großen Zuckermoleküle hingegen sind "eingesperrt" und können nicht heraus. Da Diffusion immer stattfindet passiert das Wasser die Membran. Nun achte man auf die Lösungen: Im Inneren haben wir eine konzentrierte Zuckerlösung, d. h. dort ist die Wasserkonzentration geringer, weil mehr andere Moleküle dort sind. Im äußeren Becken ist die Wasserkonzentration hingegen sehr hoch, da sich dort praktisch nur Wasser befindet und gar keine anderen Stoffe gelöst sind. Wasser jedoch wandert immer vom Ort der höheren Wasserkonzentration zum Ort der geringeren Wasserkonzentration. Es strömt also Wasser in die Zuckerlösung ein, dadurch wird die Zuckerkonzentration geringer und das Volumen des kleineren Behälters nimmt zu, bzw. der Wasserspiegel steigt. Dieser Vorgang heißt Osmose.

Wir fassen zusammen: Sind zwei unterschiedlich stark konzentrierte Flüssigkeiten durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt, so wandert das Wasser in den Teil mit der geringeren Wasserkonzentration, bis ein Ausgleich erfolgt ist. Dadurch fließt Wasser ohne äußere Energieeinwirkung von alleine und verändert so Volumina.

Aufnahme in die Wurzel

Bekanntlich gewinnt die Pflanze ihr Wasser aus dem Boden, die Wurzeln dort sind die erste Station. Das Wasser gelangt nun über Diffusion und Osmose in die Wurzeln, dabei ist zu beachten, dass die Pflanze aktiv im Boden gelöste Ionen in die Wurzel pumpt. Dadurch sinkt die Wasserkonzentration in der Wurzel, weil die Ionenkonzentration groß ist. Deshalb strömt nun Wasser über die unzähligen Wurzelspitzen und Wurzelhaare in die Zelle und gelangt dort in den Holzteil (Xylem). Dieser ist für den Wassertransport zuständig und bringt das Wasser nun nach oben. Dabei wirken verschiedene Mechanismen, damit dies möglich wird.

Transport entgegen der Schwerkraft

Das Wasser im Xylem wird nun nach oben zu den Blättern transportiert. Dabei gibt es zum einen die Sogwirkung, welche von den Blättern ausgeht. Die zahlreichen Blätter des Baumes verdunsten Unmengen an Wasser, dieses fehlt also dort oben. Es entsteht ein Art Sog, sodass das untere Wasser durch die Bahnen nach oben gezogen wird und schließlich in die Blätter gelangt. Dieser Mechanismus wird als Transpirationssog bezeichnet. Weiterhin gibt es Kapillarkräfte (Kohäsion und Adhäsion), welche mit den Eigenschaften des Wasser zusammenhängen. Dabei sollte man bedenken, dass Wasser ein extrem seltsamer und wunderbarer Stoff ist und deshalb Leben alleine erst möglich wird. Ich empfehle die Lektüre der Wikipedia Artikel, da das Thema hier zu weit führen würde.