Das pflanzliche Hydrauliksystem erscheint auf den ersten Blick recht unkompliziert: In den Blättern verdunstet das Wasser, dadurch ensteht im Gefäßsystem der Pflanzen eine Sogwirkung, die bis in die Wurzeln reicht. Dort sorgt der Unterdruck dann für die Aufnahme von Wasser aus dem Boden. Bei dem Verfahren gilt die Regel: Je trockener der Boden, desto kräftiger saugen die Pflanzen. Doch wie Untersuchungen gezeigt haben, stoßen sie offenbar überraschend früh an ein Limit: Sogar die Wüstengewächse erreichen nicht mehr als minus 100 bar. Warum, war bislang unklar. Denn gegen stärkere Unterdrücke schien kein physikalischer Grund zu sprechen: Eigentlich sind bei Wassersäulen bis zu 1000 bar Unterdruck möglich, ohne dass die Verbindung reißt.
Was begrenzt die Saugkraft?
Was der limitierende Faktor in den Leiterbahnen der Pflanzen ist, hat nun ein internationales Forscherteam aufgedeckt. Sie sind durch Simulationen auf atomarer Ebene der Frage nachgegangen, ob es Inhaltsstoffe im Pflanzensaft gibt, die das Unterdruck-Potenzial limitieren könnten. Aus ihren Ergebnissen geht hervor, dass offenbar bestimmte Fette (Lipide) verantwortlich sind. Demnach sorgen diese Naturstoffe bei mehr als 100 bar Unterdruck in den Pflanzensäften für die Bildung schnell expandierender Hohlräume – für sogenannte Kavitäten. Werden sie zu groß, reißt die Wassersäule ab und die Versorgung der Pflanze kollabiert.
Der Grund, warum die Lipide zur leichteren Bildung von Hohlräumen führen, liegt darin, dass sie im Pflanzensaft Doppelschichten ausbilden, wie die Forscher erklären. Dieser Effekt beruht auf den zwei unterschiedlichen Enden der Lipide: Das eine stößt Wassermoleküle ab – es ist hydrophob. Das andere zieht sie an – es ist hydrophil. Der hydrophile Teil wendet sich deshalb dem Wasser zu, während der hydrophobe Schwanz sich mit einem gleichartigen Ende eines anderen Lipids verbindet. Durch diese Merkmale entstehen dann in den Pflanzensäften winzige Gebilde aus Lipiddoppelschichten.
Fette sorgen für Hohlräume bei Unterdruck
Wie aus den Computersimulationen hervorgeht, führen diese Gebilde zu einer deutlich erhöhten Neigung zur Hohlraumbildung bei Unterdruck. Lipiddoppelschichten in einer Flüssigkeit bewirken, dass die Kavitäten besonders leicht entstehen und sich nicht so effektiv auflösen wie bei reinem Wasser. „Vereinfacht ausgedrückt ist es viel leichter, zwei Lipidschichten auseinanderzureißen als eine Gruppe von Wassermolekülen“, erklärt Co-Autor Emanuel Schneck von der Technischen Universität Darmstadt.
Wie er und seinen Kollegen zeigen konnten, reißt die Wassersäule bei Pflanzensäften deshalb bei Unterdrücken von mehr als 100 bar ab. Bei den in Pflanzen typischerweise vorherrschenden Bedingungen von nur 5 bis 50 bar passiert dies hingegen so gut wie nie, sagen die Forscher. Die Ergebnisse passen somit genau zu den in der Botanik gemessenen Unterdrücken. „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“, so Schneck.
