Tip:
Highlight text to annotate it
X
Manchmal haben die einfachsten Fragen die erstaunlichsten Antworten.
Zum Beispiel: Wie können Bäume so groß werden? Das ist eine Frage, die, so scheint es,
keiner Antwort bedarf.
Bäume sind halt groß. Manche von ihnen über 100 meter.
Warum sollte es überhaupt eine Höhenbegrenzung geben?
Ich erzähl euch warum. Bäume müssen Wasser von ihren Wurzeln bis in ihre höchsten Äste transportieren
um zu überleben. Und das ist keine einfache Aufgabe.
Es gibt eine Begrenzung für die Höhe, die Wasser in einer Röhre hochgesogen werden kann - 10 Meter.
Wenn man an einem langen, vertikalen Strohhalm saugt wird das Wasser nicht höher als 10 Meter steigen.
Ab diesem Punkt wird ein perfektes Vakuum im oberen Teil des Strohhalmes herrschen und das Wasser wird
spontan anfangen zu kochen. Damit ein Baum Wasser 100 Meter hoch heben kann müsste er
einen Druckunterschied von 10 Atmosphären erzeugen.
Wie könnten Bäume das erreichen?
Als ich dieses Rätsel vorstellte, sagten einige Leute die Antwort sei Ausdünstung. Das ist,
wenn Wasser von den Blättern verdunstet und dabei die Wassermoleküle hinter sich mitzieht. Das ist wirklich
ein Mechanismus, mit dem Bäume einen Sog erzeugen könnten, aber es hilft uns nicht
das 10 Meter Limit zu übersteigen. Der niedrigste Druck herrscht in einem reinen Vakuum,
ich kann mir aber nicht vorstellen, dass das in den Blättern passiert, oder?
Richtig, Hank. Man könnte also vermuten, dass ein Baum keine durchgehenden Halm-ähnlichen Röhren enthält.
Der Baum hat quasi Ventile. Man hat also keine Wassersäule.
Diese lange Röhre die, wie du gesagt hast, mit Wasser gefüllt sein muss, ist eigentlich aus Zellen aufgebaut.
Obwohl das alles gute Spekulationen waren, erweisen sie sich als nicht korrekt.
Wissenschaftler die Bäume studieren haben herausgefunden, dass die Xylemröhren, die das Wasser transportieren,
eine durchgehende Wassersäule enthalten. Wie sonst könnte also der Baum Wasser von den Wurzeln bis in die Blätter transportieren?
Sie saugen nicht, sie benutzen kein Vakuum.
OK, wie machen sie es dann?
Quetschen wie bei Kuheutern den ganzen Weg hoch. Sie haben kleine Baummuskeln da drin.
Jaa. Abgesehen davon, dass es eine riesige Verschwendung von Energie wäre,
alle Zellen, die die Xylemröhren ausmachen sind tot.
Was ist mit Osmotischem Druck? Wenn an den Wurzeln mehr gelöster Stoff ist als in der umgebenen Erde,
wird das Wasser im Baum nach oben gedrückt. Aber einige Bäume leben in Mangroven, wo das Wasser
so salzig ist, dass der Osmotische Druck eigentlich in die andere Richtung wirkt, sodass der Baum
zusätzlichen Druck braucht um das Wasser hineinzusaugen.
Dann muss es der Kapillareffekt sein. Je kleiner die Röhre, desto höher kann das Wasser darin steigen.
Aber die Röhren in Bäumen sind zu breit - 20-200 mikrometer Durchmesser, Wasser sollte
nicht mehr als einen Meter steigen.
Also wie machen Bäume das?
Naja, eine unserer Annahmen war falsch: Der niedrigste Druck herrscht in einem reinen Vakuum
reinen Vakuum reinen Vakuum
In einem Gas ist das richtig. Wenn man alle Gasmoleküle eliminiert ist der Druck
0 und man hat ein perfektes Vakuum.
Aber in einer Flüssigkeit kann man unter 0 Druck gehen und sogar negativen Druck erreichen.
In einem Feststoff könnten wir dies als Spannung betrachten. Das heißt, dass die Moleküle aneinander
und an ihrer Umgebung ziehen.
Während das Wasser aus den Poren der Zellwände ausdünstet erzeugt es einen immensen negativen
Druck von -15 Atmosphären in einem durchschnittlichen Baum. Betrachte die Luft-Wasser-Schnittstelle
an der Pore. Da drückt eine Atmosphäre Druck auf der einen Seite und minus 15 Atmosphären
Saugwirkung zieht auf der anderen Seite. Warum bricht aber dieser Meniskus nicht? Weil die Poren
zu winzig sind, nur 2-5 Nanometer im Durchmesser. In diesem Maßstab stellt die hohe Oberflächenspannung des Wassers sicher,
dass die Luft-Wasser-Grenze diesem hohen Druck widerstehen kann ohne nachzugeben.
Von oben nach unten wird der Druck immer größer, bis zu einer Atmosphäre an den Wurzeln. Also kann man
einen großen Druckunterschied zwischen der Spitze und den Wurzeln im Baum haben, da der Druck
an der Spitze so negativ ist.
Aber warte mal, wenn der Druck an der Spitze minus 15 Atmosphären beträgt, müsste
das Wasser nicht kochen?
Ja. Ja, müsste es.
Aber um die Phase von flüssig zu gasförmig zu wechseln braucht es Aktivierungsenergie. Und die kann in der
Form eines Kristallisationskeim wie einer winzigen Luftblase kommen. Deshalb ist es so wichtig, dass
die Xylemröhren keine Luftblasen enthalten. Und das können sie erreichen, da sie, im Gegensatz zum Strohalm,
von Anfang an mit Wasser gefüllt sind. So bleibt das Wasser in einer metastabilen flüssigen Form
wenn es eigentlich kochen müsste.
Es ist wie unterkühltes Wasser welches flüssig bleibt obwohl es Eis sein müsste. Man könnte also sagen,
dass das Wasser in einem Baum "übersaugt" ist, weil es bei solch negativen Druck
flüssig bleibt.
Und warum heben Bäume überhaupt all das Wasser nach oben?
Was denkt ihr, sagt es laut. Zur Photosynthese?
Genau genommen, nein. Weniger als 1% des Wassers wird für die Photosynthese gebraucht.
Andere Ideen? OK, wie sieht es mit Wachstum aus? Naja, 5% des Wassers
wird benutzt um neue Zellen zu bilden. Also was passiert mit den anderen 95%
des Wassers? Es verdunstet einfach.
Für jedes Molekül Kohlenstoffdioxid die ein Baum aufnimmt verliert es hunderte
von Wassermolekülen.
Woah.
Kannst du dir vorstellen wie erstaunlich das ist? Bäume schaffen diese riesigen negativen Drücke von dutzenden
Atmosphären durch Verdunstung aus Poren im Nanobereich, ziehen damit Wasser 100m hoch,
in einem Stadium in dem das Wasser eigentlich kochen sollte aber es nicht kann weil die perfekten Xylemröhren
keine Luftblasen enthalten, nur damit das meiste verdunstet um ein paar
Moleküle Kohlendioxid zu absorbieren.
Ich werde Bäume nie wieder mit den gleichen Augen sehen.
Ich möchte ein großes Dankeschön an Hank, Henry und Professor Poliakoff senden, dafür dass sie Hypothesen
vor laufender Kamera gemacht haben. Das ist ein essenzieller Teil des wissenschaftlichen Prozesses, selbst wenn
sich die Hypothese als falsch herausstellt. Wie Einstein sagte, "eine Person, die niemals
einen Fehler gemacht hat, hat niemals etwas neues gewagt." Ich habe mich immer gefragt, wie es wäre
auf dieser Seite eines Veritasium-Videos zu sein.
Nun, ich wäre überrascht wenn ihr diese Leute noch nicht abonniert habt, aber wenn nicht,
klickt auf die Annotationen und seht euch ihre Channels an. Ihr könntet sogar was dabei lernen.
Ich möchte auch Professor John Sperry von der University of Utah danken. Er ging mit mir
all das in einer stundenlangen Skype-Konversation durch, also werde ich seine Webseite
in der Beschreibung verlinken. Wir sehen hier Drücke unter atmosphärisch,
ist das richtig? Richtig. Unter atmosphärisch. Das ist Druck in einer Flüssigkeit,
nicht in einem Gas. Es ist ein häufiger Irrtum, dass, oh, man kann keinen, du weißt schon,
negativen Druck haben, weil dann keine Moleküle übrig sind. Bekanntlich ist die Definition
eines reinen Vakuums, dass keine Moleküle da sind. Das gilt für Gas, ok? Nur damit das klar ist ...
Ich glaube das war eines meiner größten Probleme um das zu verstehen.
Dieses Video wäre nicht möglich gewesen ohne CGP Grey. Als ich ihm in London
von diese Idee erzählte ... Und ich fühlte mich wie aus den Socken gehauen
durch das ganze Ding. Er meinte es wird sehr schwierig werden
das zu erklären und wenn er sagt es wird schwierig zu erklären, weiß man, dass es richtig schwierig wird. Also
danke euch allen für euren Beitrag zu diesem Skript.
Und danke fürs Zuschauen. Dieses Video zu machen war eine echte Odyssee für mich, also vielen Dank,
dass ihr mich auf dieser Reise begleitet habt. Ich bin wirklich dankbar für all eure Kommentare und falls ihr meinen Channel
noch nicht abonniert habt klickt auf die Annotation oder den Link oben und begleitet mich bei meinem
nächsten wissenschaftlichen Abenteuer.
Ich machte ein Video mit dem Versprechen ein Video über die Antwort hierzu zu machen. Ich stellte das Problem
vor ein paar Monaten vor und sagte "abonniert diesen Channel und ich gebe euch die Antwort
nächste Woche." Hahaha Oh, die Lügen.
Treibt es mit der richtigen Frequenz. Oh
Jaa!! Erfolg ist beänstigend.