Die Kohäsionstheorie des Wassertransports

Mit der Evolution spezieller Gefäßsysteme für den Wassertransport, die bereits bei frühen Landpflanzen feststellbar sind, konnten terrestrische Pflanzen sehr viel größer werden. Bei den Gefäßpflanzen (Tracheophyta: Samenpflanzen und Farne) werden diese speziellen ligninverstärkten Wassertransportsysteme Xylem genannt.

Die Wasser-Adern des Xylem sind meist sehr schmal (meist << 0,7 mm). Daher kommt es zwischen dem Wasser und den Xylemwänden zu starken Kapillarkräften: Infolge der Adhäsion zwischen Wasser-Molekülen und den Xylemwänden, wird die Wassersäule, die durch die zwischen den Wasser-Molekülen wirkenden Kohäsionskräfte zusammengehalten wird, entgegen der Schwerkraft angehoben.

Kapillarkräfte Abb.1A. Kapillarkräfte Abb.2B. Kapillarkräfte und Luftdruck A. Wasser ist eine ganz besondere Flüssigkeit, da es zum einen starke Bindungskräfte zwischen den einzelnen Wasser-Molekülen (Kohäsion) aufweist, es jedoch zum anderen auch zu starken Bindungen zwischen Wasser-Molekülen und vielen Oberflächen kommt (Adhäsion). Durch die Kombination beider Wechselwirkungen entstehen die Kapillarkräfte. Je dünner dabei der Durchmesser einer Wassersäule ist, desto höher steigt sie in der Kapillare an. Die maximale Höhe liegt jedoch nicht über 1 m. B. Nimmt man zusätzlich einen hohen Luftdruck an, der die Wassersäule weiter in die Kapillare hineindrückt, kann bei dünnen Kapillaren eine Steighöhe von 10 Metern erreicht werden. Kapillarkräfte reichen jedoch als Erklärung für den Wassertransport in Bäumen bei weitem nicht aus.

Die vorherrschende Hypothese zur Erklärung des Ferntransports von Wasser in hohen Bäumen ist die so genannte Kohäsionstheorie des Wassertransports (J. Böhm, 1831-1893). Durch den Unterschied im Wasserpotenzial zwischen den Blättern und der umgebenden Luft wird der Wasserstrom von den Wurzeln, den Stamm hinauf und bis in die Blätter gesaugt, wo das Wasser zum einen gesteuert über verschließbare Stomata (Transpiration), zum anderen ungesteuert (Evaporation) abgegeben bzw. für die Photosynthese eingesetzt wird. Das Wassertransportsystem der Pflanzen kalkuliert hierbei einen hohen Wasserverlust ein: mehr als 90 % des aufgenommenen Wassers geht durch Transpiration und Evaporation verloren - gerade einmal 2 % werden von der Pflanze für die Photosynthese und andere Zwecke genutzt.

Durch den Zusammenhalt der Wasser-Moleküle (Kohäsionskräfte), wirkt der über die Wasserabgabe erzeugte Sog nicht nur auf unmittelbar benachbarte Moleküle, sondern auf die gesamte Wassersäule in den Wasserleitungsbahnen der Leitbündel (Xylem) bis hinab in die Wurzel und hält so stets eine kompakte Wassersäule aufrecht.