- Ein 100 Meter langer Strohhalm stößt an seine Grenzen
- Das Xylem bildet die Wasserleitungen des Baumes
- Kohäsion und Adhäsion: Was die Wassersäule zusammenhält
- Die Höhe hat Grenzen: Warum Bäume nicht unendlich groß werdenkönnen
- Der unsichtbare Strom, der bis in die Baumkrone reicht
Bäume besitzen weder Herz noch Pumpe, und doch transportieren sie täglich tonnenweise Wasser über unvorstellbare Höhenunterschiede. Während ein normaler Strohhalm physikalisch nach zehn Metern kapituliert, scheinen sie die Gesetze der Physik mühelos zu überwinden. Blicken Sie mit uns in das Innere der Bäume und entdecken Sie das faszinierende, physikalische Geheimnis hinter diesem ewigen Strom.
Wer im Sommer unter der Krone einer alten Eiche steht, nimmt vor allem den Schatten und vielleicht das leise Rauschen der Blätter wahr. Kaum jemand denkt dabei daran, dass sich unmittelbar über dem Boden ein gewaltiger Transportvorgang abspielt. Wasser, das zuvor im Erdreich gespeichert war, gelangt über die Wurzeln in den Baum und bewegt sich von dort durch Stamm und Äste bis in die kleinsten Blätter. Bei einem großen Baum kann dieser Weg viele Meter lang sein. Bei den höchsten Bäumen der Erde muss das Wasser sogar einen Höhenunterschied von mehr als 100 Metern überwinden. Dabei gibt es im Stamm keinen Motor, keine mechanische Pumpe und kein Herz, das den Flüssigkeitsstrom antreibt. Trotzdem müssen selbst die höchsten Blätter zuverlässig mit Wasser versorgt werden.
Der entscheidende Hinweis auf das Geheimnis dieses Systems steckt ausgerechnet in einem Vorgang, der zunächst nach dem Gegenteil eines Wassertransports klingt. Der Baum schiebt das Wasser nicht einfach von unten nach oben. Er zieht es gewissermaßen von oben aus seinem Leitungssystem heraus. In den Blättern verdunstet Wasser und gelangt als Wasserdampf in die Atmosphäre. Dadurch entsteht eine Zugspannung, die sich über das Wasser im Inneren des Baumes fortsetzen kann. Die Verdunstung, die zunächst wie ein Verlust aussieht, wird dadurch zum entscheidenden Antrieb des Wasserstroms. Um zu verstehen, warum das funktioniert, hilft zunächst ein Blick auf die Grenzen eines ganz gewöhnlichen Strohhalms.
Ein 100 Meter langer Strohhalm stößt an seine Grenzen
Stellen wir uns einen riesigen Strohhalm vor, der vom Boden bis zur Krone eines 100 Meter hohen Baumes reicht und vollständig mit Wasser gefüllt ist. Am oberen Ende wird kräftig gesaugt. Zunächst würde das Wasser tatsächlich nach oben steigen. Doch irgendwann wäre Schluss. Der Grund dafür ist der Luftdruck. Auf der Erde lastet die Atmosphäre ständig auf allem, was sich an der Oberfläche befindet. Auch auf eine offene Wasseroberfläche übt die Luft diesen Druck aus. Beim Trinken mit einem Strohhalm wird der Druck im Inneren des Strohhalms verringert. Dadurch ist der Luftdruck auf die Wasseroberfläche im Glas größer als der Druck im Strohhalm und kann das Wasser nach oben drücken. Dieses Prinzip hat allerdings eine natürliche Grenze. Je höher das Wasser im Strohhalm steigt, desto länger und schwerer wird die Wassersäule. Irgendwann reicht der atmosphärische Druck nicht mehr aus, um ihr Gewicht zu tragen. Unter idealisierten Bedingungen liegt diese Grenze bei Wasser bei etwa zehn Metern. Selbst wenn am oberen Ende des Strohhalms ein nahezu perfektes Vakuum erzeugt würde, könnte der äußere Luftdruck die Wassersäule nicht wesentlich höher drücken.
Genau deshalb kann ein Baum mit einer Höhe von 100 Metern nicht einfach wie ein riesiger Strohhalm funktionieren. Sein Wasser müsste jedoch eine Wassersäule von rund 100 Metern Höhe aufrechterhalten. Entscheidend ist allerdings, dass der Baum nicht versucht, dieses Problem mit einem noch stärkeren Ansaugen am oberen Ende zu lösen. Stattdessen entsteht die Zugspannung im Blatt selbst. Dort verdunstet Wasser von feuchten Oberflächen und gelangt als Wasserdampf in die Atmosphäre. Dadurch wird Wasser aus den angrenzenden Bereichen nachgezogen. Weil dieses Wasser mit der Flüssigkeit in den Leitbahnen des Baumes verbunden ist, kann sich die Spannung über Äste und Stamm bis in den Wurzelbereich fortsetzen. Beim Strohhalm wird das Wasser also durch einen Druckunterschied nach oben bewegt, der letztlich durch den atmosphärischen Druck begrenzt wird. Beim Baum entsteht die entscheidende Spannung dagegen durch die Verdunstung. Der Baum braucht also keine Pumpe, die das Wasser von unten nach oben schiebt. Er nutzt einen physikalischen Prozess, bei dem der Wasserverlust an der Spitze den Nachschub aus tieferen Bereichen antreibt. Damit stellt sich allerdings die nächste Frage. Wie kann das Wasser überhaupt über viele Dutzend Meter zusammenhängend bleiben, wenn daran ständig gezogen wird?
Das Xylem bildet die Wasserleitungen des Baumes
Damit Wasser von den Wurzeln bis in die höchsten Blätter gelangen kann, braucht der Baum zunächst ein Leitungssystem. Genau diese Aufgabe übernimmt das Xylem. Es durchzieht den Baum von den Wurzeln über den Stamm und die Äste bis hinein in die feinsten Zweige und Blätter. Dabei handelt es sich allerdings nicht um einen einzigen langen Schlauch. Das Xylem besteht aus einem riesigen Netzwerk zahlreicher Leitbahnen, die sich immer weiter verzweigen. Im Stamm verlaufen viele Wasserwege nebeneinander. In den Ästen werden sie feiner und in den Blättern reichen sie bis in kleinste Bereiche des Gewebes. So kann Wasser auch entlegene Stellen der Baumkrone erreichen. Besonders interessant ist der Aufbau dieser Leitbahnen. Die wasserführenden Strukturen entstehen aus spezialisierten Zellen, die zunächst leben und während ihrer Entwicklung ihren Zellinhalt verlieren. Zurück bleiben vor allem die stabilen Zellwände. Bei Nadelbäumen übernehmen vor allem sogenannte Tracheiden die Aufgabe des Wassertransports. Viele Laubbäume besitzen zusätzlich Gefäße, die aus mehreren miteinander verbundenen Zellen entstehen. Das bedeutet, dass das Wasser im Stamm nicht ständig von einer lebenden Zelle zur nächsten weitergereicht und dabei aktiv nach oben gepumpt wird. Ein großer Teil des Weges führt vielmehr durch bereits vorhandene, röhrenartige Strukturen.
Die lebenden Zellen des Baumes sind trotzdem unverzichtbar. Sie sind an der Bildung und Erneuerung des Leitgewebes beteiligt, regulieren den Wasserhaushalt und übernehmen zahlreiche weitere Aufgaben. Das Xylem muss dabei eine ungewöhnliche Belastung aushalten. In einem Gartenschlauch beispielweise, lässt sich Wasser durch Überdruck bewegen, eine Pumpe drückt die Flüssigkeit hinein und schiebt sie dadurch vorwärts. Im Baum ist die Situation teilweise umgekehrt. Durch die Verdunstung in den Blättern kann im Xylem ein Unterdruck entstehen, sodass an der Wassersäule gewissermaßen gezogen wird. Die feinen Leitbahnen dürfen unter dieser Belastung nicht einfach zusammenfallen. Ihre Zellwände müssen deshalb stabil genug sein, um ihre Form auch unter den entstehenden Druckverhältnissen zu behalten. Eine wichtige Rolle spielt dabei Lignin, ein Bestandteil pflanzlicher Zellwände, der dem Holz Festigkeit und mechanische Stabilität verleiht. Damit ist jedoch erst die technische Seite des Systems erklärt. Das Xylem stellt zwar die Leitungen bereit. Noch bleibt die entscheidende Frage, warum das Wasser in diesen Leitungen nicht einfach in einzelne Tropfen zerfällt.
Kohäsion und Adhäsion: Was die Wassersäule zusammenhält
Damit Wasser im Baum über viele Dutzend Meter transportiert werden kann, muss es im Inneren des Xylems eine zusammenhängende Flüssigkeit bilden. Genau dabei hilft eine besondere Eigenschaft des Wassers. Seine Moleküle ziehen sich gegenseitig an und halten dadurch zusammen. Diese Anziehung wird als Kohäsion bezeichnet. Vereinfacht lässt sich das mit einer langen Reihe von Menschen vergleichen, die sich gegenseitig an den Händen festhalten. Zieht am einen Ende jemand an der Reihe, wirkt sich die Bewegung auch auf die Menschen weiter hinten aus. Bei Wasser funktioniert das natürlich nicht genauso. Die Moleküle sind nicht fest miteinander verbunden. Ihre gegenseitige Anziehung sorgt aber dafür, dass die Flüssigkeit unter den Bedingungen im Xylem zusammenhängend bleiben kann. Wird oben im Baum Wasser durch die Verdunstung aus dem System herausgezogen, kann sich die dabei entstehende Spannung deshalb über die Wassersäule bis in tiefere Bereiche fortsetzen.
Nun kommt eine zweite Eigenschaft des Wassers hinzu. Wassermoleküle können nicht nur aneinander haften, sondern auch an anderen Oberflächen. Diese Anziehung wird als Adhäsion bezeichnet. In den winzigen Leitbahnen des Xylems haften Wassermoleküle deshalb auch an den Innenwänden der Leitbahnen. Diese Wechselwirkung beeinflusst das Verhalten des Wassers in den engen Strukturen und unterstützt die Stabilität der Flüssigkeitssäule. Kohäsion und Adhäsion wirken dabei zusammen, erklären den Wassertransport aber nicht allein. Die entscheidende Zugkraft entsteht weiterhin durch die Verdunstung in den Blättern. Erst das Zusammenspiel aus den Eigenschaften des Wassers, den feinen Leitbahnen des Xylems und der Verdunstung ermöglicht den Wassertransport über große Höhen.
Die Höhe hat Grenzen: Warum Bäume nicht unendlich groß werdenkönnen
Küstenmammutbäume gehören zu den höchsten Bäumen der Erde. Der bisher höchste vermessene lebende Baum, Hyperion, erreicht rund 116 Meter. Noch höhere lebende Bäume sind bislang nicht bekannt. Das passt zu einem grundsätzlichen Problem des Wassertransports. Mit zunehmender Höhe wird es für einen Baum schwieriger, seine höchsten Blätter zuverlässig mit Wasser zu versorgen. Die Wassersäule im Xylem wird länger, der Transportweg nimmt zu und die notwendige Zugspannung steigt. Gleichzeitig wächst das Risiko, dass einzelne Leitbahnen durch sogenannte Embolien ausfallen. Dabei entstehen Gasblasen im Xylem, die den Wassertransport in den betroffenen Leitbahnen unterbrechen können.
Eine exakt festgelegte maximale Höhe gibt es allerdings nicht. Baumart, Klima, Wasserversorgung und die Anatomie des Holzes beeinflussen, wie weit ein Baum wachsen kann. Die Tatsache, dass bislang kein lebender Baum die Marke von 120 Metern erreicht hat, zeigt jedoch, wie eng die extremen Höhen mit den Grenzen des Wassertransports verbunden sind.
Der unsichtbare Strom, der bis in die Baumkrone reicht
Von außen wirkt ein Baum beinahe unbeweglich. Seine Äste wiegen leicht starr im Wind, die Rinde verändert sich für uns kaum sichtbar und selbst in der Baumkrone ist von dem gewaltigen Transportvorgang nichts zu sehen. Trotzdem ist in seinem Inneren ständig Wasser unterwegs. Es kommt aus dem Boden, durchquert Wurzeln, Stamm und Äste und erreicht schließlich Blätter, die viele Meter über unseren Köpfen liegen. Das eigentlich Faszinierende daran ist vielleicht nicht einmal die Höhe. Es ist die Tatsache, dass dieser Transport ohne sichtbaren Antrieb auskommt. Kein Motor setzt sich in Gang, keine Pumpe drückt das Wasser durch den Stamm. Stattdessen reicht ein Vorgang, der völlig unspektakulär wirkt: Wasser verdunstet an den Blättern. Aus diesem kleinen Verlust entsteht ein Strom, der sich durch den gesamten Baum fortsetzt. So wird aus Wasser im Erdreich ein unsichtbarer Weg bis in die Baumkrone. Und während wir unter einer alten Eiche nur Schatten und Blätter sehen, ist dort über unseren Köpfen längst Wasser auf dem Weg nach oben.