Die Natur hat einen solargetriebenen Pumpmechanismus für Wasser entwickelt, der die Evolution hochwüchsiger Landpflanzen ermöglichte. Die Verdunstung aus nanoporösen Zellstrukturen erzeugt einen Transpirationssog, der für den Wasseraufstieg in den Pflanzen sorgt. Beim Transport gerät das Wasser in den Leitbahnen (Xylem) unter Zugspannung und geht dabei in einen gedehnten (tensilen) Zustand über. Bäume mit Wuchshöhen über 10m können ihre Wasserversorgung nur bewerkstelligen, weil sie den thermodynamisch metastabilen, tensilen Zustand des Wassers sicher beherrschen. Noch immer ist nicht vollständig geklärt, wie die Pflanzen dem Problem der Kavitation entgegenwirken, sodass ein langfristig stabiler Transport tensilen Wassers gewährleistet ist. In dieser Arbeit, die Grundlagenuntersuchungen mit angewandten biologischen Experimenten verknüpft, werden Erklärungsansätze auf Basis der irreversiblen Thermodynamik präsentiert, die zum detaillierten Verständnis der tensilen Wasserstrategie der Bäume beitragen. In einer spektroskopischen Studie wurde beim Übergang von Wasser in den tensilen Zustand die Ausbildung zusätzlicher Wasserstoffbrückenbindungen beobachtet, die den kohäsiven Zusammenhalt der Flüssigkeit fördert. Die Zunahme stark vernetzter Wassermoleküle folgte dabei einer sigmoidalen Wachstumsfunktion, die kennzeichnend für das kinetisches Verhalten selbstorganisierter (autokatalytischer) Reaktionen ist. Die beobachteten Strukturänderungen lassen sich mit dem Phasenwechsel von Wasser zu Eis vergleichen. In biologischen Experimenten wurde das Transportverhalten einer Linde unter Anwendung nächtlicher Beleuchtung untersucht. Die nichtlineare Abhängigkeit der Saftflüsse von der treibenden Kraft zeigt, dass der Wassertransport ein Phänomen der irreversiblen Thermodynamik darstellt, welches stark durch Selbstorganisationsmechanismen geprägt ist. Trotz vergleichbarer lokaler Beleuchtungsverhältnisse wurden unterschiedliche Saftflussraten am Tag und in der Nacht beobachtet. Dies wurde als Ausdruck alternativer thermodynamischer Systemzustände gedeutet, die beim Auftreten von Selbstorganisation möglich werden. Elektrochemische Messungen in unterschiedlichen Stammhöhen ergaben saftflusskorrelierte Potenzialunterschiede im Xylem einer Linde, welche durch den Sauerstofftransport im Xylemsaft plausibel erklärt werden können. Weiterhin wurde ein Modell zur Demonstration des Wasseraufstiegs realisiert und in thermogravimetrischen Versuchen die Verdunstungsmechanismen der Blätter untersucht. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Anwendung von Konzepten der irreversiblen Thermodynamik zum detaillierten Verständnis der tensilen Wasserstrategie der Bäume beiträgt.
Nature has developed a solar-driven pumping mechanism for water allowing for the evolution of very tall trees. The evaporation from nanoporous cell structures generates suction through transpiration which provides for the water’s ascent in plants. During transport, negative pressure develops within the conducting tissue (xylem) whereby the water is stretched into a new, tensile state. Trees with heights above 10 m can only secure their water supply because they can cope with the thermodynamic, metastable, tensile state of the water. It still has not been fully clarified how plants counteract the problem of cavitation so that a long-term stable transport of tensil water can be guaranteed. In this work, in which basic research is linked to applied biological experiments, the explanatory attempts are presented on the basis of irreversible thermodynamics, which contribute to the detailed understanding of tensile water strategies in trees. In a spectroscopic study the formation of additional hydrogen bonds could be observed at the point of transition of water into the tensile state enhancing the cohesion of the liquid. The increase of strongly cross-linked water molecules thereby followed a sigmoid growth function, which is characteristic for the kinetic behaviour of self- organized (autocatalytic) reactions. The observed structural changes can be compared with the phase transition of water into ice. In biological experiments the water transport of a lime tree was investigated under nocturnal illumination. The non-linear dependency of the sap flow from the driving force shows that the water transport displays a phenomenon of irreversible thermo¬dynamics, which is strongly affected by self-organising mechanisms. Despite comparable local illumination, different sap flow-rates were observed during the day and at night. This was interpreted as states of an alternative thermodynamic system, which were enabled by the presence of the self-organisation. Electrochemical measurements in various heights of the trunk revealed sap flow-correlated potential differences in the xylem of the lime tree, which can be explained through the oxygen transport in the xylem sap. Furthermore, a model to demonstrate the sap ascent was implemented and the evaporation mechanisms in leaves were investigated in thermogravimetric experiments. The present work shows that the application of concepts of irreversible thermodynamics adds to the detailed understanding of tensile water strategies in trees.
