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Biophysik : Wie Bäume Wasser saugen

  • -Aktualisiert am

Stille und stetige Wasserzieher, hier in der Variante Rosskastanie Bild: picture-alliance / dpa/dpaweb

Zwischen zehn und mehreren hundert Litern Wasser transportiert ein Baum täglich von den Wurzeln hinauf zu den Blättern. Nun haben Physiker nachkonstruiert, welche Effekte dabei ins Spiel kommen, und visieren technische Anwendungen an.

          Wenig deutet beim Anblick eines Baumes auf die großen Wassermengen hin, die innerhalb seines Stammes bewegt werden. Zwischen zehn und mehreren hundert Litern Flüssigkeit transportiert die Pflanze am Tag von den Wurzeln hinauf zu den Blättern, wo das Wasser für die Photosynthese und zum Erhalt der Blattstruktur benötigt wird. Schon seit geraumer Zeit sind Wissenschaftler bestrebt, den Transportmechanismus der Bäume aufzuklären und ihn sich technisch zunutze zu machen. Zu diesem Zweck haben zwei Forscher von der Cornell University in Ithaca kürzlich eine Art "künstlichen Baum" konstruiert. Wie Tobias Wheeler und Abraham Stroock in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 455, S. 208) berichten, konnten sie mit ihrer etwa fünf Zentimeter großen Konstruktion erstmals den kompletten Wassertransport des natürlichen Vorbildes wirklichkeitsgetreu nachstellen.

          Nach Ansicht von Biologen nutzen Bäume für den Flüssigkeitstransport unter anderem den sogenannten Kapillareffekt, der durch die Oberflächenspannung des Wassers und der Grenzflächenspannung der Flüssigkeit mit der Kapillarenwand hervorgerufen wird. Das Wasser steigt innerhalb dünner Kanäle im Holz wie von selbst nach oben, und zwar desto höher, je dünner die Kanäle sind. Der Anstieg kommt zum Erliegen, wenn das Eigengewicht der Flüssigkeitssäule die Kapillarkräfte überwiegt. Der Kapillareffekt allein ist aber nicht in der Lage, das Wasser in einem Baum zu transportieren. Deshalb bedarf es eines weiteren Antriebs. Durch die Verdunstung des Wassers aus den fünf bis zehn Nanometer winzigen Blattporen - so die Vorstellung - kommt es zu einem Sog in den dünnen Kanälen, der das Wasser schließlich nach oben bis in die Blätter zieht.

          Baum aus Kanälen

          Für alle Wissenschaftler, die einen künstlichen Baum herstellen wollen, stellen der Kapillareffekt und der Sog durch die Verdunstung große Schwierigkeiten dar. Denn innerhalb eines Baumes führen beide Mechanismen dazu, dass der Druck im aufsteigenden Wasser einen negativen Wert annimmt. Unter diesen Bedingungen können sich jederzeit Dampfblasen bilden, die den Wassertransport behindern oder gar eine Apparatur zerstören. Die amerikanischen Forscher aus Ithaca konnten diese Schwierigkeiten durch die Wahl eines geeigneten Materials, das sie für ihren künstlichen Baum verwendeten, verhindern.

          Das Gebilde der beiden Wissenschaftler erinnert nur äußerst entfernt an das natürliche Vorbild. So besteht sein "Stamm" aus einem nur wenige Mikrometer dünnen und ein bis drei Zentimeter langen Kanal. Blätter und Wurzeln wurden von jeweils durch eine dünne von engen Kanälen durchzogene kreisförmige Membran mit einem Durchmesser von etwas zwei Zentimetern repräsentiert.

          Die beiden Forscher verwendeten zur Konstruktion des "Baumes" mitsamt seinen Kanälen ein sogenanntes Hydrogel - ein besonderer Kunststoff, in dessen Polymernetzwerk Wasser eingelagert ist. Das Hydrogel sorgte für die nötige Stabilität der Kapillare sowie für ein optimales Fließen des Wassers, ohne dass sich Gasblasen bilden. Die Wurzel und das Blattwerk aus dem Hydrogel war von einem Netzwerk winziger, etwa zehn Mikrometer breiter Kanäle durchzogen, das mit dem "Baumstamm" verbunden war. Die Kapillaren der künstlichen Wurzel waren stets mit Wasser versorgt, sei es durch Kontakt mit einem Flüssigkeitsbad oder einer "künstlichen Atmosphäre" in einem angeschlossenen Wasserdampfreservoir.

          Technische Anwendungen im Blick

          Das Blattwerk des künstlichen Baumes, das ähnlich aufgebaut war wie die Wurzelmembran, wurde ständig von einem Luftstrahl umströmt, so dass aus den Kanälen der Hydrogelmembran stets Wasser verdampfte. Die Forscher erzeugten auf diese Weise den erwünschten Sog, der die Flüssigkeit von der Wurzelmembran durch den dünnen Kanal des Stammes zur Blattmembran zog. Dabei entstand innerhalb des Wassers ein Unterdruck von rund einer Million Pascal, was etwa dem Zehnfachen des atmosphärischen Luftdrucks entspricht.

          Die beiden Forscher konnten auf diese Weise Bedingungen erzeugen, die denjenigen im Inneren von Bäumen entsprachen und die den Wasserfluss aufrecht erhielten, ohne dass sich Blasen bildeten. In einem zweiten Experiment konnten Wheeler und Stroock zeigen, dass Gasblasen im Wasser erst bei einem Unterdruck von mehr als 21 Megapascal entstehen, also erst weit jenseits der Druckverhältnisse in natürlichen Bäumen.

          Mit ihren Ergebnissen haben die Forscher die Erklärung der Biologen für den Wassertransport in den Bäumen experimentell bestätigen können. Wheeler und Stroock sind zuversichtlich, ihre Erkenntnisse für technische Zwecke verwenden zu können. So ließe sich mit dem großen Unterdruck möglicherweise Wasser auch aus äußerst trockenen Böden heraus an die Oberfläche befördern.

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