dc.contributor.author
Tötzke, Christian
dc.date.accessioned
2018-06-07T20:28:51Z
dc.date.available
2009-04-22T08:52:59.514Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/6893
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11092
dc.description
Symbolverzeichnis X 1 Einleitung 1 1.1 Wasser - Physikochemische Grundlagen 3
1.1.1 Die Struktur des Wassers 5 1.1.2 Tensiles Wasser 7 1.2 Wassertransport -
Pflanzenphysiologische Grundlagen 10 1.2.1 Die Kohäsionstheorie 10 1.2.2 Die
hydraulische Architektur der Bäume 12 1.2.3 Die Wurzel 13 1.2.4 Das Leitgewebe
15 1.2.5 Das Blatt 20 Grundlagenuntersuchungen zur Struktur des tensilen
Wassers 2 Infrarotspektroskopische Studie zum Nachweis tensiler Spannung in
wassergefüllten Nanoporen 24 2.1 Motivation 24 2.2 Experimenteller Teil 25
2.2.1 Probenpräparation 25 2.2.2 Die Messmethode 26 2.2.3 Die
Schwingungseigenschaften von Wasser 28 2.2.4 Die Hauptbanden im IR-Spektrum 30
2.2.5 Das verwendet Strukturmodell für Wasser 32 2.2.6 Verdunstung aus der
TiO2-Modellstruktur 34 2.2.7 Referenzmessung am unbeschichteten Kristall 34
2.2.8 Wasserverdunstung aus unbedeckter TiO2-Schicht 36 2.2.9 Modifizierter
Verdunstungsversuch 38 2.3 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 44
Biologische Studien zum Wassertransport 3 Studie zur Lichtabhängigkeit des
Saftaufstiegs 50 3.1 Motivation und Aufgabenstellung 50 3.2 Beschreibung des
Versuchsaufbaus 54 3.2.1 Beleuchtung 55 3.3 Experimentelle Methoden 56 3.3.1
Bodenfeuchte 58 3.3.2 Lufttemperatur und relative Luftfeuchte 58 3.3.3 Solare
Strahlungsintensität 58 3.3.4 Messungen auf Blattebene 59 3.4 Ergebnisse 60
3.4.1 Wassertransport bei Tageslicht 67 3.4.2 Wassertransport bei nächtlicher
Beleuchtung 83 3.5 Schlussfolgerungen 96 4 Elektrochemische Potenzialmessungen
an einer Linde 101 4.1 Einleitung 101 4.1.1 Experimentelle Methode 102 4.1.2
Ergebnisse und Diskussion 103 4.1.3 Schlussfolgerungen 110 Physikalisch-
Chemische Studien zum Wassertransport 5 Demonstration des Transpirationssogs
in einer Modellapparatur 114 5.1 Einleitung 114 5.2 Versuchsaufbau 115 5.3
Versuchsdurchführung 123 5.4 Ergebnisse und Schlussfolgerungen 125 6
Thermogravimetrische Untersuchung der Wasserverdunstung unter
Infrarotbestrahlung 129 6.1 Motivation und Aufgabenstellung 129 6.2
Experimentelle Methode 133 6.3 Ergebnisse 135 6.3.1 Stimulation der
Verdunstung mit IR-Licht 135 6.3.2 Steigerung der Verdunstungsrate bei
feuchter Luft 146 6.4 Schlussfolgerungen 151 7 Zusammenfassung 152 8
Literaturverzeichnis 156 Danksagung
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
en
dc.format.extent
XIII, 162 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Wassertransport
dc.subject
Tensiles Wasser
dc.subject
tensile Spannung
dc.subject
Wasseraufstieg
dc.subject
negative pressure
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::580 Pflanzen (Botanik)
dc.title
Untersuchungen über den Zustand tensilen Wassers in Bäumen
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Helmut Tributsch
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Eckhart Rühl
dc.date.accepted
2009-03-16
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000009525-7
dc.title.translated
Studies on the tensile state of water in trees
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000009525
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000005428
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open access