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Limit der Saugkraft von Pflanzen Wie Fette bei Pflanzen Embolien verursachen

| Autor / Redakteur: Katja Schulze* / Christian Lüttmann

So wie wir Cocktails mit einem Strohhalm trinken, so saugen Pflanzen mithilfe von Unterdruck Wasser aus dem Erdreich. Die natürliche Obergrenze ihrer Saugkraft liegt bei etwa minus 100 bar. Warum das so ist, hat nun ein internationales Forscherteam herausgefunden. Demnach verursachen Fette bzw. Lipide bei dieser Druckgrenze verstärkt so etwas wie Embolien in den „Pflanzenadern“.

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Um sich mit Wasser zu versorgen, saugen Bäume und Pflanzen es mit Unterdruck aus dem Boden.
Um sich mit Wasser zu versorgen, saugen Bäume und Pflanzen es mit Unterdruck aus dem Boden.
(Bild: gemeinfrei, Casey Horner / Unsplash )

Potsdam – Ob junger Grashalm oder alte Eiche: Pflanzen brauchen Wasser zum Überleben. Damit es von den Wurzeln bis in die obersten Blätter gelangt, nutzen sie u.a. Druckunterschiede. Die Saugkraft der Wurzeln beruht dabei auf dem Unterdruck in den pflanzlichen Versorgungskanälen, der durch die Wasserverdunstung an den Zellwänden der Blätter entsteht.

Querschnitt eines anwachsenden Hohlraums im Zentrum einer Lipid-Doppelschicht in einem pflanzlichen Versorgungskanal. Die Entstehung solcher Hohlräume verhindert, dass im Pflanzensaft Unterdrücke aufrechterhalten werden können, die stärker sind als etwa -100 bar.
Querschnitt eines anwachsenden Hohlraums im Zentrum einer Lipid-Doppelschicht in einem pflanzlichen Versorgungskanal. Die Entstehung solcher Hohlräume verhindert, dass im Pflanzensaft Unterdrücke aufrechterhalten werden können, die stärker sind als etwa -100 bar.
(Bild: Matej Kanduč, Jožef-Stefan Institute, Ljubljana )

Das pflanzliche Hydrauliksystem, auch Xylem genannt, ist ein Zellgewebe, durchzogen von winzigen Leitungsbahnen, in denen Wasser und Mineralstoffe durch die Pflanze fließen. Der Unterdruck in diesem Netzwerk liegt typischerweise zwischen minus 5 und minus 50 bar. Die stärksten Unterdrücke von etwa minus 80 bar erreichen Wüstenpflanzen, die eine besonders große Saugkraft benötigen. Weshalb aber die Grenze von etwa minus 100 bar in der Regel nicht unterschritten wird, darauf gab es bisher keine schlüssige Antwort. Denn physikalische Gründe schienen grundsätzlich nicht gegen stärkere Unterdrücke zu sprechen. Und für die Pflanze wäre eine höhere Saugkraft von Vorteil, könnte sie doch effektiver Wasser aus trockenen Böden ziehen.

„Embolien“ lassen die Wassersäule reißen

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Botanikern und Physikern unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung hat nun eine Erklärung geliefert: Mithilfe von Simulationen auf atomarer Ebene zeigten die Wissenschaftler, dass offenbar wasserunlösliche Naturstoffe, genauer gesagt Lipide, in den Pflanzenflüssigkeiten für das Phänomen verantwortlich sind. Diese verstopfen nicht etwa die „Adern“ der Pflanze, wie man es von Arteriosklerose kennt, sondern verursachen vielmehr eine Art Embolie.

Bei Unterdruck sorgen die Lipide für die Bildung schnell expandierender Hohlräume – so genannten Kavitäten. Werden sie zu groß, reißt die Wassersäule ab. Die Stärke der maximal tolerierbaren Unterdrücke wird dadurch dramatisch reduziert, von mehr als minus 1000 bar in reinem Wasser auf weniger als minus 100 bar in den Pflanzensäften. Der Wert, den die Modelle vorhersagen, stimmt mit den stärksten in der Botanik gemessenen Unterdrücken überein, berichten die Forscher.

Zusammenhalt des Wassers gestört

Lipide dienen in lebenden Organismen hauptsächlich als Strukturkomponenten in Zellmembranen, als Energiespeicher oder als Signalmoleküle. Aus jüngeren biochemischen Untersuchungen weiß man, dass solche Lipide auch im pflanzlichen Gefäßsystem vorkommen – besonders solche, die in einer wässrigen Lösung Doppelschichten bilden. Solche Lipide ordnen sich gewissermaßen in Reih und Glied an und bilden eine Lipiddoppelschicht nach Art der Zellmembranen.

In ihrer Arbeit kombinierten die Forscher atomistische Computersimulationen der Molekulardynamik mit Modellrechnungen zur Entstehungsrate von Kavitäten. Damit leiteten sie aus mikroskopischen Vorgängen Aussagen ab, wie sich das System auf biologisch relevanten Längen- und Zeitskalen verhält. „Durch die temperaturbedingten zufälligen Bewegungen von Wassermolekülen bilden sich in der Flüssigkeit regelmäßig winzige Hohlräume“, erklärt Philip Loche, Doktorand am Fachbereich Physik der Freien Universität Berlin. Die Kohäsionskräfte des Wassers sorgen aber in der Regel dafür, dass sich diese rasch wieder schließen. „Die Moleküle in Flüssigkeiten kleben gewissermaßen zusammen – anders als in einem Gas“, sagt Loche. Aus diesem Grund widerstehen Wassersäulen vergleichsweise hohen Zugkräften, ohne sich abzutrennen.

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Wachstumsgrenze von Bäumen

Der höchste Baum der Welt ist der Coast Redwood im Redwood National Park mit 115 Metern Höhe. Etwas größer kann ein Baum theoretisch aber noch werden: Wissenschaftlern zufolge liegt die Wachstumsgrenze bei etwa 130 Metern Höhe. Der limitierende Faktor sei hier die Wasserversorgung, denn durch eindringende Gasblasen in die Leitungsbahnen des Baumes reißt die Wassersäule bei diesen Höhen schließlich ab – der Baum erleidet sozusagen eine Embolie.

Literatur: Ian Woodward: Tall storeys, Nature Vol. 428, p. 807f., 22 April 2004

Die Anwesenheit der Lipiddoppelschichten bewirkt nun allerdings, dass deutlich einfacher Hohlräume entstehen können, die rasch wachsen, statt sich wieder aufzulösen. „Vereinfacht ausgedrückt ist es viel leichter zwei Lipidschichten auseinanderzureißen als eine Gruppe von Wassermolekülen“, sagt Emanuel Schneck, Professor an der Technischen Universität Darmstadt.

Limitierende Lipide

Die Simulationen offenbarten, dass sich aufgrund der Lipidaggregate bei Unterdrücken von mehr als minus 100 bar sehr häufig Kavitäten formen. Bei den in Pflanzen typischerweise vorherrschenden Unterdrücken von minus 5 bis minus 50 bar passiert das hingegen so gut wie nie.

Die Forscher stellten außerdem fest, dass kleine, wasserlösliche Bestandteile des Pflanzensaftes kaum die Bildung von Kavitäten begünstigen. Offenbar beruht also das in der Pflanzenwelt beobachtete Drucklimit tatsächlich auf den zusammengelagerten Lipiden. „Unsere Ergebnisse liefern zum ersten Mal eine plausible Erklärung dafür, weshalb Unterdrücke von mehr als minus 100 bar von Pflanzen nicht lange aufrechterhalten werden können“, sagt Schneck. Da Pflanzen also nicht beliebig stark Wasser aus dem Boden saugen können, schränkt dies die Fähigkeit der Pflanzen ein, Wasser aus dem trocknenden Boden aufzunehmen und bestimmt so letztendlich, wo Pflanzen überleben und wachsen können.

Originalpublikation:Kanduč, M. ; Schneck, E. ; Loche, P. ; Jansen, S. ; Schenk, H. J. ; Netz, R. R.: Cavitation in lipid bilayers poses strict negative pressure stability limit in biological liquids, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2020-01-01; NSF-PAR ID: 10142224

* K. Schulze, Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, 14476 Potsdam

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