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Die Grenzen pflanzlicher Saugkraft

Was die Saugkraft limitiert wurde von internationaler Forschergruppe aufgeklärt

 

Bäume und andere Pflanzen können mit einem negativen Druck von bis minus 100 bar Wasser aus dem Boden saugen. Darunter bilden sich in ihren Leitungsbahnen Hohlräume, die dazu führen, dass sie vertrocknen. Foto: Jim Black, Pixabay

Foto: Jim Black, Pixabay


(9.5.2020) Durst ist bei Pflanzen vor allem ein hydraulisches Problem. Mittels Unterdruck, genauer gesagt negativem Druck, saugen Bäume, Blumen und Stauden Wasser aus der Erde. Fließt keines mehr nach, verschließen sich ihre Leitungsbahnen und lassen sich auch nicht mehr öffnen. Pflanzen können dabei höchstens mit einer Zugkraft pro Fläche im Boden saugen, die einem negativen Druck von etwa minus 100 bar entspricht.

 

Was die Saugkraft der Pflanzen begrenzt, hat nun eine interdisziplinäre und internationale Forschergruppe, an der auch ein Wissenschaftler des ↗Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam beteiligt war, mithilfe von Simulationen und Modellrechnungen aufgeklärt. Demnach spielen dabei Lipidaggregate, in denen sich bei hohem negativem Druck Hohlräume, sogenannte Kavitäten, bilden, eine entscheidende Rolle. Bei weniger als minus 100 bar entstehen die Hohlräume vermehrt, sodass die Flüssigkeitssäule letztlich abreißt – die Pflanzen vertrocknen.

 

Hydraulische Systeme nutzen Druckunterschiede zur Signal-, Kraft- und Energieübertragung. Etliche Maschinen funktionieren auf Basis dieses Prinzips – aber auch in der Natur findet sich dafür ein prominentes Beispiel: die Wasseraufnahme von Pflanzen. Die Saugkraft der Wurzeln beruht dabei auf einem negativen Druck in den pflanzlichen Versorgungskanälen, der durch die Wasserverdunstung an den Zellwänden der Blätter entsteht.

Das pflanzliche Hydrauliksystem nennen Experten Xylem – ein Zellgewebe durchzogen von winzigen Leitungsbahnen, in denen Wasser und Mineralstoffe durch die Pflanze fließen. Der negative Druck, der sich als Zugkraft pro Fläche verstehen lässt, liegt in diesem Netzwerk typischerweise irgendwo zwischen minus 5 und minus 50 bar. Die stärksten negativen Drücke von etwa minus 80 bar erreichen Wüstenpflanzen. 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 und somit auch unter trockeneren Bedingungen, wie sie durch den Klimawandel zu erwarten sind, gedeihen.

 

In den Lipid-Doppelschichten bilden sich leichter Hohlräume

 

Ein interdisziplinäres Forscherteam aus Botanikern und Physikern des Jožef-Stefan Instituts in Ljubljana, des Max-Planck-Instituts für Kolloid und Grenzflächenforschung in Potsdam, der Freien Universität Berlin, der Universität Ulm, der Technischen Universität Darmstadt und der California State University Fullerton, USA, liefert nun eine Erklärung für die begrenzte Saugkraft von Pflanzen: Mit Hilfe von Simulationen auf atomarer Eben zeigen die Wissenschaftler, dass offenbar wasserunlösliche Naturstoffe, sogenannte Lipide, in den Pflanzenflüssigkeiten das Limit setzen. Bei negativen Druck sorgen sie für die Bildung schnell expandierender Hohlräume in den Leitungsbahnen – Fachleute sprechen von Kavitäten. Werden sie zu groß, reißt die Wassersäule ab. Die Stärke des maximal tolerierbaren negativen Drucks 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 negativen Drücken hervorragend überein, berichten die Forscher.

 

Querschnitt eines anwachsenden Hohlraums im Zentrum einer Lipid-Doppelschicht in einem pflanzlichen Versorgungskanal. Grafik: Matej Kanduč, Jožef-Stefan Institute, Ljubljana
Querschnitt eines anwachsenden Hohlraums im Zentrum einer Lipid-Doppelschicht in einem pflanzlichen Versorgungskanal. Grafik: Matej Kanduč, Jožef-Stefan Institute, Ljubljana

 

Lipide dienen in lebenden Organismen hauptsächlich als Strukturkomponenten in Zellmembranen, als Energiespeicher oder als Signalmoleküle. Aus jüngeren biochemischen Untersuchungen ist jedoch bekannt, dass solche Lipide auch im pflanzlichen Gefäßsystem vorkommen – besonders solche, die in einer wässrigen Lösung Doppelschichten bilden. Dieses Verhalten beruht auf den zwei chemisch unterschiedlichen Enden der Lipide: Das eine stößt Wassermoleküle ab, das andere zieht sie an. Experten sprechen von hydrophob (wasserabstoßend) und hydrophil (wasseranziehend). Die hydrophile Kopfgruppe wendet sich also nach außen zum Wasser hin, während der hydrophobe Schwanz sich mit einem gleichartigen Ende eines anderen Lipids zusammenlagert. Solche Lipidpaare ordnen sich dann gewissermaßen in Reih und Glied an und bilden eine Lipiddoppelschicht nach Art der Zellmembranen.

 

In ihrer Arbeit kombinierten die Forscher umfangreiche atomistische Computersimulationen der Molekulardynamik mit Modellrechnungen zur Entstehungsrate von Kavitäten. Damit konnten sie aus mikroskopischen Vorgängen Aussagen zum Verhalten in biologisch relevanten Größenordnungen und Zeiträumen treffen. „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. Da die Pflanzensäfte Lipiddoppelschichten enthalten, können deutlich einfacher Hohlräume entstehen, die rasch anwachsen, statt sich wieder aufzulösen. „Vereinfacht ausgedrückt ist es viel leichter, zwei Lipidschichten auseinanderzureißen als eine Gruppe von Wassermolekülen“, erklärt Emanuel Schneck, Professor an der Technischen Universität Darmstadt und bis vor kurzem noch Forschungsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid und Grenzflächenforschung in Potsdam.

 

Durch Klimawandel könnten Pflanzen häufiger an ihr Limit kommen

 

Die Simulationen offenbarten, dass sich auf Grund der Lipidaggregate bei negativen Drücken von mehr als minus 100 bar sehr häufig Kavitäten in den Leitungsbahnen formen. Bei den in Pflanzen typischerweise vorherrschenden negativen Drücken 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 das in der Pflanzenwelt beobachtete Drucklimit also tatsächlich auf den aneinandergelagerten Lipiden. „Unsere Ergebnisse liefern zum ersten Mal eine plausible Erklärung dafür, weshalb negative Drücke von mehr als minus 100 bar von Pflanzen nicht lange aufrechterhalten werden können“, so Schneck. Da Pflanzen also nicht beliebig stark Wasser aus dem Boden saugen können, ist auch limitiert, wie trocken der Boden sein darf, ohne dass sie absterben.

 

Matej Kanduč, Physiker am Jožef Stefan Institute in Ljubljana, Slowenien und Erstautor der Studie, merkt an, dass die Ergebnisse auch im Zusammenhang mit dem Klimawandel von Interesse seien. „Die größten negativen Drücke in Pflanzen findet man in Gegenden, wo Wasserknappheit herrscht“, berichtet er. Und bedingt durch den Klimawandel trocknen in immer mehr Regionen der Erde die Böden aus. „Wasser muss dort gegen den größten Widerstand aus dem Boden gezogen werden“, so Kanduč. Künftig könnten Pflanzen dabei häufiger an ihr Limit kommen – was für die Natur, aber auch für die Landwirtschaft zum Problem werden könnte.
(mpg)


Publikation
Matej Kanduč, Emanuel Schneck, Philip Loche, Steven Jansen, H. Jochen Schenk und Roland R. Netz. 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 (PNAS), doi: 10.1073/pnas.1917195117





 

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