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Wie hilft die Transpiration beim Aufsaugen von Wasser?

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Wie kann die Transpiration beim Aufsaugen von Wasser helfen, da die Wassermenge, die durch die Verdunstung von Wasser aufgesaugt wird, gleich der Wassermenge ist, die verdunstet wird. (Korrigiert mich, wenn ich falsch liege). Wie hilft es dann?


Der Vorteil ist nicht in mehr Wasser aufnehmen aber in Transport der Dinge, die Wasser enthält.

Pflanzen sind auf den Massentransport in Wasser angewiesen, das durch spezialisiertes Gewebe (Xylem) fließt, etwas analog zum Blutfluss bei einem Tier. Wasser fließt durch das Xylem unter Verwendung von Kapillarwirkung; Wenn oben Wasser verloren geht, zieht die Kapillarwirkung Wasser in den frei gewordenen Raum und der Fluss setzt sich über die gesamte Höhe der Pflanze fort. Wasser, das für andere Zwecke wie die Photosynthese entfernt wird, trägt ebenfalls dazu bei, aber die Transpiration ist für viele Pflanzen wichtig, um die Flussrate zu erhöhen.


Wie bekommen große Bäume wie Mammutbäume Wasser von ihren Wurzeln zu den Blättern?

„Wasser ist oft der limitierendste Faktor für das Pflanzenwachstum. Daher haben Pflanzen ein effektives System entwickelt, um Wasser aufzunehmen, zu transportieren, zu speichern und zu nutzen. Um den Wassertransport in Pflanzen zu verstehen, muss man zuerst die Rohrleitungen der Pflanzen verstehen. Pflanzen enthalten a riesiges Netzwerk von Leitungen, das aus Xylem- und Phloemgewebe besteht. Dieser Weg des Wasser- und Nährstofftransports kann mit dem Gefäßsystem verglichen werden, das Blut durch den menschlichen Körper transportiert. Wie das Gefäßsystem beim Menschen erstrecken sich das Xylem- und Phloemgewebe über den gesamten Körper Diese leitenden Gewebe beginnen in den Wurzeln und durchqueren die Baumstämme, verzweigen sich in die Äste und verzweigen sich dann noch weiter in jedes Blatt.

"Das Phloemgewebe besteht aus lebenden länglichen Zellen, die miteinander verbunden sind. Phloemgewebe ist dafür verantwortlich, Nährstoffe und Zucker (Kohlenhydrate), die von den Blättern produziert werden, in stoffwechselaktive Bereiche der Pflanze zu transportieren (benötigt Zucker für Energie und Wachstum). Das Xylem besteht auch aus länglichen Zellen. Sobald die Zellen gebildet sind, sterben sie ab. Aber die Zellwände bleiben immer noch intakt und dienen als hervorragende Pipeline, um Wasser von den Wurzeln zu den Blättern zu transportieren. Ein einzelner Baum viele Xylem-Gewebe oder -Elemente haben, die sich durch den Baum nach oben erstrecken.Jedes typische Xylem-Gefäß kann nur einen Durchmesser von mehreren Mikrometern haben.

„Auch die Physiologie der Wasseraufnahme und des Wassertransports ist nicht so komplex. Die Hauptantriebskraft der Wasseraufnahme und des Wassertransports in eine Pflanze ist die Transpiration von Wasser aus den Blättern. Transpiration ist der Prozess der Wasserverdunstung durch spezielle Öffnungen in den Blättern, die als Stomata bezeichnet werden. Durch die Verdunstung entsteht in den umliegenden Zellen des Blattes ein negativer Wasserdampfdruck.Sobald dies geschieht, wird Wasser aus dem Gefäßgewebe, dem Xylem, in das Blatt gezogen, um das aus dem Blatt ausgetretene Wasser zu ersetzen , oder Spannung, die im Xylem des Blattes auftritt, erstreckt sich aufgrund der Kohäsionskräfte, die die Wassermoleküle entlang der Seiten des Baumes zusammenhalten, durch den Rest der Xylemsäule des Baumes und in das Xylem der Wurzeln (Denken Sie daran, dass das Xylem eine kontinuierliche Wassersäule ist, die sich vom Blatt bis zu den Wurzeln erstreckt.) Schließlich führt der negative Wasserdruck, der in den Wurzeln auftritt, zu einem Anstieg von Wasseraufnahme aus dem Boden.

"Wenn nun die Transpiration vom Blatt abnimmt, wie es normalerweise nachts oder bei bewölktem Wetter auftritt, wird der Wasserdruckabfall im Blatt nicht so groß sein, und daher wird ein geringerer Wasserbedarf (weniger Spannung) auf das Blatt ausgeübt xylem. Der Wasserverlust eines Blattes (negativer Wasserdruck oder Vakuum) ist vergleichbar mit dem Saugen am Ende eines Strohhalms. Wenn das so erzeugte Vakuum oder die so erzeugte Saugkraft groß genug ist, steigt Wasser durch den Strohhalm auf Wenn Sie einen Strohhalm mit sehr großem Durchmesser haben, benötigen Sie mehr Saugkraft, um das Wasser anzuheben. Ebenso wäre bei einem sehr schmalen Strohhalm weniger Saugkraft erforderlich. Diese Korrelation ergibt sich aus der kohäsiven Natur des Wassers an den Seiten des der Strohhalm (die Seiten des Xylems) Aufgrund des geringen Durchmessers des Xylemschlauchs kann der Grad der Wasserspannung (Vakuum), der erforderlich ist, um das Wasser durch das Xylem nach oben zu treiben, durch normale Transpirationsraten, die häufig in Blättern vorkommen, leicht erreicht werden ."

Alan Dickman ist Curriculum Director im Fachbereich Biologie an der University of Oregon in Eugene. Auf diese häufig gestellte Frage gibt er folgende Antwort:

"Einmal in den Zellen der Wurzel dringt Wasser in ein System von miteinander verbundenen Zellen ein, die das Holz des Baumes bilden und sich von den Wurzeln durch den Stamm und die Zweige bis in die Blätter erstrecken. Der wissenschaftliche Name für Holzgewebe ist Xylem, das es besteht von einigen verschiedenen Arten von Zellen. Die Zellen, die Wasser (zusammen mit gelösten Mineralstoffen) leiten, sind lang und schmal und leben nicht mehr, wenn sie beim Wassertransport funktionieren. Einige von ihnen haben oben und unten offene Löcher und sind gestapelt mehr oder weniger wie Beton-Abwasserrohre. Andere Zellen verjüngen sich an ihren Enden und haben keine vollständigen Löcher. Alle haben jedoch Gruben in ihren Zellwänden, durch die Wasser passieren kann. Wasser bewegt sich von einer Zelle zur nächsten, wenn ein Druckunterschied besteht zwischen den beiden.

„Da diese Zellen tot sind, können sie nicht aktiv am Pumpen von Wasser beteiligt sein. Es scheint möglich, dass lebende Zellen in den Wurzeln einen hohen Druck in den Wurzelzellen erzeugen, und dieser Prozess findet in begrenztem Maße statt. Aber die Erfahrung lehrt uns“ dass das Wasser im Holz nicht unter positivem Druck steht – es steht sogar unter Unterdruck oder Sog. Um sich davon zu überzeugen, bedenken Sie, was passiert, wenn ein Baum gefällt oder ein Loch in den Stamm gebohrt wird Bei positivem Druck im Stiel würde man erwarten, dass ein Wasserstrahl austritt, was selten vorkommt.

„In Wirklichkeit entsteht der Sog, der in den wasserleitenden Zellen herrscht, durch die Verdunstung von Wassermolekülen aus den Blättern. Jedes Wassermolekül hat sowohl positiv als auch negativ elektrisch geladene Teile. Dadurch neigen Wassermoleküle dazu, aneinander zu kleben Durch die Adhäsion bildet Wasser auf einer glatten Oberfläche abgerundete Tröpfchen und breitet sich nicht zu einem völlig flachen Film aus.Wenn ein Wassermolekül durch eine Pore in einem Blatt verdunstet, übt es einen kleinen Zug auf benachbarte Wassermoleküle aus, wodurch der Druck im Wasser verringert wird - Leitzellen des Blattes und Wasserentnahme aus benachbarten Zellen. Diese Kette von Wassermolekülen erstreckt sich von den Blättern bis zu den Wurzeln und reicht sogar von den Wurzeln bis in den Boden. So die einfache Antwort auf die Frage, was antreibt Wasser von den Wurzeln bis zu den Blättern macht es die Energie der Sonne: Durch die Sonnenwärme verdunstet das Wasser und setzt die Wasserkette in Gang."

Ham Keillor-Faulkner ist Professor für Forstwirtschaft am Sir Sandford Fleming College in Lindsay, Ontario. Hier seine Erklärung:

Um sich zu hohen, selbsttragenden Landpflanzen zu entwickeln, mussten Bäume die Fähigkeit entwickeln, Wasser von einer Quelle im Boden zur Krone zu transportieren – eine vertikale Distanz, die in einigen Fällen 100 Meter oder mehr beträgt (die Höhe eines 30- Geschichtsaufbau). Um diese evolutionäre Errungenschaft zu verstehen, muss man sich der Holzstruktur, einigen biologischen Prozessen innerhalb von Bäumen und den physikalischen Eigenschaften des Wassers bewusst sein.

Wasser und andere Materialien, die für die biologische Aktivität von Bäumen notwendig sind, werden durch den Stamm und die Äste in dünnen, hohlen Röhren im Xylem oder Holzgewebe transportiert. Diese Röhren werden bei Laub- oder Laubbäumen (solche, die im Herbst ihre Blätter verlieren) als Gefäßelemente und bei Nadel- oder Nadelbäumen (solche, die den Großteil ihres zuletzt produzierten Laubs über den Winter behalten) als Tracheiden bezeichnet. Gefäßelemente werden durch Lochplatten End-an-End zu Röhren (sogenannten Gefäßen) verbunden, die je nach Art in der Größe von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern Länge variieren. Ihre Durchmesser reichen von 20 bis 800 Mikrometer. Entlang der Wände dieser Gefäße befinden sich sehr kleine Öffnungen, die als Gruben bezeichnet werden und die den Materialtransport zwischen benachbarten Gefäßen ermöglichen.

Tracheiden in Nadelbäumen sind viel kleiner und überschreiten selten eine Länge von fünf Millimetern und einen Durchmesser von 30 Mikrometern. Sie haben keine perforierten Enden und sind daher nicht Ende-an-Ende mit anderen Tracheiden verbunden. Infolgedessen nehmen die Gruben in Nadelbäumen, die auch entlang der Tracheiden gefunden werden, eine wichtigere Rolle ein. Sie sind die einzige Möglichkeit, wie Wasser von einer Tracheiden zur anderen gelangen kann, wenn es den Baum hinaufsteigt.

Um Wasser durch diese Elemente von den Wurzeln bis zur Krone zu bewegen, muss sich eine durchgehende Säule bilden. Es wird angenommen, dass diese Säule initiiert wird, wenn der Baum ein neu gekeimter Sämling ist, und während der gesamten Lebensdauer des Baumes durch zwei Kräfte aufrechterhalten wird – eine drückt Wasser von den Wurzeln nach oben und die andere zieht Wasser zur Krone hoch. Der Schub wird durch zwei Aktionen erreicht, nämlich Kapillarwirkung (die Tendenz des Wassers, in einem dünnen Röhrchen aufzusteigen, weil es normalerweise an den Wänden des Röhrchens entlang fließt) und Wurzeldruck. Kapillarwirkung ist eine untergeordnete Komponente des Stoßes. Der Wurzeldruck liefert den größten Teil der Kraft, die das Wasser zumindest ein kleines Stück den Baum hinauf drückt. Der Wurzeldruck entsteht dadurch, dass Wasser aus seinem Reservoir im Boden durch Osmose (Diffusion entlang eines Konzentrationsgradienten) in das Wurzelgewebe gelangt. Diese Aktion reicht aus, um die hydrostatische Kraft der Wassersäule zu überwinden - und den osmotischen Gradienten bei niedrigen Bodenwasserständen.

Kapillarwirkung und Wurzeldruck können eine etwa zwei bis drei Meter hohe Wassersäule tragen, aber höhere Bäume – eigentlich alle Bäume im Alter – erfordern offensichtlich mehr Kraft. Bei einigen älteren Exemplaren – darunter einige Arten wie Sequoia, Pseudotsuga menziesii und viele Arten in tropischen Regenwäldern – befindet sich das Blätterdach 100 Meter oder mehr über dem Boden! In diesem Fall ist die zusätzliche Kraft, die die Wassersäule in den Gefäßen oder Tracheiden nach oben zieht, die Verdunstung, der Verlust von Wasser aus den Blättern durch Öffnungen, die Stomata genannt werden, und die anschließende Verdunstung dieses Wassers. Da durch die Transpiration Wasser aus den Blattzellen verloren geht, wird ein Gradient aufgebaut, wodurch die Bewegung des Wassers aus der Zelle seine osmotische Konzentration und damit seinen Saugdruck erhöht. Dieser Druck ermöglicht es diesen Zellen, Wasser aus angrenzenden Zellen zu saugen, die wiederum Wasser aus ihren angrenzenden Zellen aufnehmen usw. - von Blättern über Zweige bis hin zu Ästen, Stängeln und hinunter zu den Wurzeln - und behalten einen kontinuierlichen Zug bei.

Um eine kontinuierliche Säule aufrechtzuerhalten, müssen die Wassermoleküle auch eine starke Affinität zueinander aufweisen. Diese Idee wird als Kohäsionstheorie bezeichnet. Tatsächlich weist Wasser eine enorme Kohäsionskraft auf. Theoretisch wird dieser Zusammenhalt auf bis zu 15.000 Atmosphären (atm) geschätzt. Experimentell scheint es jedoch bei nur 25 bis 30 atm viel weniger zu sein. Unter der Annahme eines atmosphärischen Drucks in Bodennähe sind neun atm mehr als genug, um eine Wassersäule in einer engen Röhre (Tracheiden oder Gefäße) von der Spitze eines 100 Meter hohen Baumes zu "hängen". Es ist jedoch eine größere Kraft erforderlich, um den Strömungswiderstand und den Aufnahmewiderstand durch die Wurzeln zu überwinden. Trotzdem haben viele Forscher gezeigt, dass die Kohäsionskraft von Wasser dafür mehr als ausreichend ist, insbesondere wenn es durch die Kapillarwirkung in Tracheiden und Gefäßen unterstützt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Bäume in den Kreislauf gestellt haben, der Wasser vom Boden zu den Wolken und zurück zirkuliert. Sie sind in der Lage, Wasser bis zu ihrer Gesamthöhe in der flüssigen Phase zu halten, indem sie in kleinen Hohlröhrchen durch Wurzeldruck, Kapillarwirkung und die Kohäsionskraft des Wassers eine Wassersäule aufrechterhalten.

Mark Vitosh, ein Programmassistent in Extension Forestry an der Iowa State University, fügt die folgenden Informationen hinzu:

Es gibt viele verschiedene Prozesse, die innerhalb von Bäumen ablaufen, die es ihnen ermöglichen, zu wachsen. Einer ist die Bewegung von Wasser und Nährstoffen von den Wurzeln zu den Blättern im Kronendach oder den oberen Ästen. Wasser ist der Baustein lebender Zellen, es ist ein Nähr- und Reinigungsmittel sowie ein Transportmedium, das die Verteilung von Nährstoffen und Kohlenstoffverbindungen (Nahrung) im gesamten Baum ermöglicht. Der Küstenmammutbaum oder Sequoia sempervirens kann Höhen über 300 Fuß (oder ungefähr 91 Meter) erreichen, was eine große Entfernung für Wasser, Nährstoffe und Kohlenstoffverbindungen darstellt. Um zu verstehen, wie sich Wasser durch einen Baum bewegt, müssen wir zunächst den Weg beschreiben, den es nimmt.

Wasser und mineralische Nährstoffe – der sogenannte Saftfluss – wandern von den Wurzeln bis zur Spitze des Baumes innerhalb einer Holzschicht, die sich unter der Rinde befindet. Dieses Splintholz besteht aus leitfähigem Gewebe namens Xylem (bestehend aus kleinen röhrenförmigen Zellen). In der Struktur von Xylem gibt es große Unterschiede zwischen Harthölzern (Eiche, Esche, Ahorn) und Nadelhölzern (Mammutbaum, Kiefer, Fichte, Tanne). In Harthölzern bewegt sich Wasser in Xylemzellen, sogenannten Gefäßen, durch den Baum, die Ende an Ende aufgereiht sind und an ihren Enden große Öffnungen haben. Im Gegensatz dazu besteht das Xylem von Nadelbäumen aus geschlossenen Zellen, die Tracheiden genannt werden. Diese Zellen sind ebenfalls Ende-an-Ende aufgereiht, aber ein Teil ihrer angrenzenden Wände hat Löcher, die als Sieb dienen. Aus diesem Grund bewegt sich Wasser schneller durch die größeren Gefäße von Harthölzern als durch die kleineren Tracheiden von Nadelbäumen.

Sowohl Gefäß- als auch Tracheidenzellen ermöglichen es, dass Wasser und Nährstoffe den Baum hinauf wandern, während spezialisierte Holzstrahlzellen Wasser und Nahrung horizontal durch das Xylem leiten. Alle wasserführenden Xylemzellen sind tot und wirken daher wie ein Rohr. Xylemgewebe kommt in allen Jahresringen (Holz) des Baumes vor. Nicht alle Baumarten haben gleich viele Jahresringe, die in der Bewegung von Wasser und Mineralstoffen aktiv sind. Nadelbäume und einige Laubholzarten können beispielsweise mehrere Jahresringe haben, die aktive Leiter sind, während bei anderen Arten, wie beispielsweise der Eiche, nur der Jahresring des aktuellen Jahres funktionsfähig ist.

Diese einzigartige Situation kommt zustande, weil das Xylemgewebe der Eichen sehr große Gefäße hat, sie können schnell viel Wasser transportieren, können aber auch leicht durch Gefrieren und Lufteinschlüsse zerstört werden. Es ist erstaunlich, dass eine 200 Jahre alte lebende Eiche nur mit der Unterstützung einer sehr dünnen Gewebeschicht unter der Rinde überleben und wachsen kann. Der Rest der 199 Jahresringe ist meist inaktiv. In einem Küstenmammutbaum besteht das Xylem jedoch hauptsächlich aus Tracheiden, die das Wasser langsam zur Spitze des Baumes bewegen.

Nachdem wir nun den Weg beschrieben haben, dem Wasser durch das Xylem folgt, können wir über den beteiligten Mechanismus sprechen. Wasser hat zwei Eigenschaften, die es zu einer einzigartigen Flüssigkeit machen. Erstens haftet Wasser an vielen Oberflächen, mit denen es in Kontakt kommt. Zweitens können Wassermoleküle auch kohärent sein oder aneinander festhalten. Diese beiden Eigenschaften ermöglichen es, dass Wasser wie ein Gummiband durch kleine Kapillarröhrchen wie Xylemzellen gezogen wird.

Wasser hat Energie, um Arbeit zu verrichten: Es trägt Chemikalien in Lösung, haftet an Oberflächen und macht lebende Zellen geschwollen, indem es sie füllt. Diese Energie wird potentielle Energie genannt. Im Ruhezustand hat reines Wasser 100 Prozent seiner potentiellen Energie, die laut Konvention auf Null gesetzt ist. Wenn sich Wasser zu bewegen beginnt, wird seine potentielle Energie für zusätzliche Arbeit reduziert und wird negativ. Wasser bewegt sich von Gebieten mit der geringsten negativen potentiellen Energie in Gebiete, in denen die potentielle Energie negativer ist. Beispielsweise findet sich das negativste Wasserpotential eines Baumes normalerweise an der Blatt-Atmosphären-Grenzfläche, das geringste negative Wasserpotential findet man im Boden, wo Wasser in die Wurzeln des Baumes eindringt. Wenn Sie sich den Baum hinaufbewegen, wird das Wasserpotential negativer und diese Unterschiede erzeugen einen Zug oder eine Spannung, die das Wasser den Baum hinaufbringt.

Ein Schlüsselfaktor, der dazu beiträgt, dass Wasser den Baum hinaufzieht, ist der Verlust von Wasser aus den Blättern durch einen Prozess, der Transpiration genannt wird. Während der Transpiration wird Wasserdampf aus den Blättern durch kleine Poren oder Öffnungen, die Stomata genannt werden, freigesetzt. Stomata sind im Blatt vorhanden, so dass Kohlendioxid - das die Blätter durch Photosynthese zur Nahrungsherstellung verwenden - eindringen kann. Der Wasserverlust während der Transpiration erzeugt ein negativeres Wasserpotential im Blatt, das wiederum mehr Wasser in den Baum zieht. Im Allgemeinen ist der Wasserverlust des Blattes also der Motor, der Wasser und Nährstoffe in den Baum zieht.

Wie kann Wasser den Spannungen widerstehen, die erforderlich sind, um einen Baum hochzuziehen? Der Trick ist, wie bereits erwähnt, die Fähigkeit von Wassermolekülen, so stark aneinander und an anderen Oberflächen zu haften. Angesichts dieser Stärke liefert der Wasserverlust an der Baumkrone durch Transpiration die treibende Kraft, um Wasser und mineralische Nährstoffe in die Stämme von Bäumen zu ziehen, die so mächtig sind wie die Mammutbäume.


Begriffe und Konzepte

  • Verwelken
  • Kapillarwirkung
  • Adhäsion
  • Schwere
  • Transpiration
  • Verdunstung
  • Zusammenhalt
  • Oberflächenspannung
  • Nelke

Fragen

  • Können Sie die verschiedenen Teile einer Pflanze identifizieren? Weisen Sie auf Wurzeln, Stängel, Blätter und Blüten der Pflanzen um Sie herum hin. Oder zeichnen Sie ein Bild einer Pflanze und beschriften Sie alle diese Teile auf der Zeichnung.
  • Was passiert mit einer Pflanze, wenn man vergisst, sie zu gießen? Wie sieht die Pflanze aus, wenn sie "durstig" ist?
  • Was ist Kapillarwirkung?
  • Wie ist die Transpiration an der Kapillarwirkung beteiligt?

Transpiration – was und warum?

Was ist Transpiration? Bei aktiv wachsenden Pflanzen verdunstet ständig Wasser von der Oberfläche der der Luft ausgesetzten Blattzellen. Dieses Wasser wird durch zusätzliche Wasseraufnahme aus dem Boden ersetzt. Flüssiges Wasser durchdringt die Pflanze vom Bodenwasser bis zur Blattoberfläche, wo es durch Verdunstung von einer Flüssigkeit in ein Gas umgewandelt wird. Die kohäsiven Eigenschaften von Wasser (Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Wassermolekülen) ermöglichen es, dass die Wassersäule durch die Pflanze „hochgezogen“ wird, während Wassermoleküle an den Oberflächen der Blattzellen verdunsten. Dieser Prozess wurde als Kohäsionstheorie des Saftaufstiegs in Pflanzen bezeichnet.

Bild von Wassermolekülen, die aus den Spaltöffnungen austreten - Seitenansicht

Warum transpirieren Pflanzen?

Verdunstungskühlung: Wenn Wasser an der Grenzfläche zwischen Blattzelle und Atmosphäre verdampft oder von einer Flüssigkeit in ein Gas umgewandelt wird, wird Energie frei. Dieser exotherme Prozess nutzt Energie, um die starken Wasserstoffbrücken zwischen flüssigen Wassermolekülen aufzubrechen. Die dazu verwendete Energie wird dem Blatt entnommen und an die Wassermoleküle abgegeben, die sich in hochenergetische Gasmoleküle umgewandelt haben. Diese Gasmoleküle und die damit verbundene Energie werden an die Atmosphäre abgegeben und kühlen die Pflanze.

Zugang zu Nährstoffen aus dem Boden: Das Wasser, das in die Wurzel eindringt, enthält gelöste Nährstoffe, die für das Pflanzenwachstum lebenswichtig sind. Es wird angenommen, dass Transpiration die Nährstoffaufnahme in Pflanzen verbessert.

Kohlendioxideintrag: Wenn eine Pflanze transpiriert, sind ihre Spaltöffnungen geöffnet, was den Gasaustausch zwischen der Atmosphäre und dem Blatt ermöglicht. Offene Spaltöffnungen lassen Wasserdampf das Blatt verlassen, aber auch Kohlendioxid (CO2) betreten. Damit die Photosynthese funktioniert, wird Kohlendioxid benötigt. Leider verlässt viel mehr Wasser das Blatt als CO2 tritt aus drei Gründen ein:

  1. h2O-Moleküle sind kleiner als CO2 Moleküle und gelangen so schneller an ihr Ziel.
  2. CO2 beträgt nur etwa 0,036% der Atmosphäre (und steigt!), sodass der Gradient für seinen Eintritt in die Pflanze viel kleiner ist als der Gradient für H2O Bewegen von einem hydratisierten Blatt in eine trockene Atmosphäre.
  3. CO2 hat einen viel längeren Weg zurückzulegen, um sein Ziel im Chloroplasten aus der Atmosphäre zu erreichen als H2O, das nur von der Blattzelloberfläche in die Atmosphäre gelangen muss.

Dieser überproportionale Austausch von CO2 und H2O führt zu einem Paradox. Je größer die Stomataöffnung ist, desto leichter kann Kohlendioxid in das Blatt eindringen, um die Photosynthese anzutreiben. Diese große Öffnung führt jedoch auch dazu, dass das Blatt große Mengen Wasser verliert und dem Risiko von Dehydration oder Wassermangelstress ausgesetzt ist. Pflanzen, die ihre Spaltöffnungen leicht geöffnet halten können, verlieren für jedes eintretende CO2-Molekül weniger Wassermoleküle und haben somit eine höhere Wassernutzungseffizienz (Wasserverlust / CO2-Gewinn). Pflanzen mit einer höheren Wassernutzungseffizienz sind besser in der Lage, Zeiten mit niedrigem Wasserstand im Boden zu überstehen.

Wasseraufnahme: Obwohl nur weniger als 5 % des von den Wurzeln aufgenommenen Wassers in der Pflanze verbleiben, ist dieses Wasser für die Pflanzenstruktur und -funktion lebenswichtig. Das Wasser ist wichtig, um biochemische Prozesse anzutreiben, aber es erzeugt auch Turgor, damit die Pflanze ohne Knochen stehen kann.


Evapotranspiration und der Wasserkreislauf

Evapotranspiration kann als Summe aller Formen von Verdunstung plus Transpiration definiert werden, aber hier an der Water Science School definieren wir sie als Summe aus Verdunstung von der Landoberfläche plus Transpiration von Pflanzen.

Hinweis: In diesem Abschnitt der Water Science School wird der "natürliche" Wasserkreislauf der Erde ohne menschliche Eingriffe behandelt.

Komponenten des Wasserkreislaufs » Atmosphäre · Kondensation · Verdunstung · Verdunstung · Süßwasserseen und Flüsse · Grundwasserfluss · Grundwasserspeicherung · Eis und Schnee · Infiltration · Ozeane · Niederschlag · Schneeschmelze · Federn · Streamflow · Sublimation · Oberflächenabfluss

Was ist Evapotranspiration?

Evapotranspiration ist die Summe von Verdunstung von der Landoberfläche plus Transpiration von Pflanzen.

Die typische Pflanze, einschließlich aller in einer Landschaft vorkommenden, nimmt über ihre Wurzeln Wasser aus dem Boden auf. Dieses Wasser wird dann für metabolische und physiologische Funktionen verwendet. Das Wasser wird schließlich über die Spaltöffnungen der Pflanze als Dampf an die Atmosphäre abgegeben – winzige, verschließbare, porenartige Strukturen auf der Oberfläche der Blätter. Insgesamt wird diese Wasseraufnahme an den Wurzeln, der Wassertransport durch Pflanzengewebe und die Freisetzung von Dampf durch die Blätter als Transpiration bezeichnet.

Wasser verdunstet auch direkt aus dem Boden in der Nähe der Pflanze in die Atmosphäre. Jeglicher Tau oder Wassertropfen auf den Stängeln und Blättern der Pflanze verdunstet schließlich ebenfalls. Wissenschaftler bezeichnen die Kombination von Verdunstung und Transpiration als Evapotranspiration, abgekürzt ET.

Kredit: Salinity Management Organization

Wenn Sie nach der Definition von Evapotranspiration suchen, werden Sie feststellen, dass sie variiert. Im Allgemeinen ist Evapotranspiration die Summe aus Verdunstung und Transpiration. Einige Definitionen beinhalten Verdunstung von Oberflächengewässer, sogar die Ozeane. Da wir jedoch eine Webseite zum Thema Verdunstung haben, umfasst unsere Definition von Verdunstung keine Verdunstung aus Oberflächenwasser. Evapotranspiration ist hier definiert als das Wasser, das an die Atmosphäre von der Erdoberfläche, Verdunstung aus dem Kapillarsaum des Grundwasserspiegel, und die Transpiration von Grundwasser durch Pflanzen, deren Wurzeln den Kapillarsaum des Grundwasserspiegels erschließen. Das Banner oben auf dieser Seite bietet eine noch einfachere Definition.

Der Transpirationsaspekt der Evapotranspiration ist im Wesentlichen die Verdunstung von Wasser aus Pflanzenblättern. Studien haben gezeigt, dass Transpiration etwa 10 Prozent der Feuchtigkeit in der Atmosphäre ausmacht, mit Ozeanen, Meeren und anderen Gewässern (Seen, Flüsse, Bäche), die fast 90 Prozent liefert, und eine winzige Menge kommt aus der Sublimation (Eis verwandelt sich in Wasserdampf, ohne zuerst flüssig zu werden).

Transpiration: Die Freisetzung von Wasser aus Pflanzenblättern

So wie Sie beim Atmen Wasserdampf freisetzen, tun es auch Pflanzen – allerdings ist der Begriff „transpirieren“ treffender als „atmen“. Dieses Bild zeigt Wasserdampf, der aus Pflanzenblättern austritt, nachdem eine Plastiktüte etwa eine Stunde lang um den Stängel gebunden wurde. Wäre der Beutel auch darunter um den Boden gewickelt worden, wäre noch mehr Wasserdampf freigesetzt worden, da auch Wasser aus dem Boden verdunstet.

Pflanzen schlagen Wurzeln in den Boden, um Wasser und Nährstoffe in die Stängel und Blätter zu ziehen. Ein Teil dieses Wassers wird durch Transpiration in die Luft zurückgeführt. Die Transpirationsraten variieren stark in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen, wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Verfügbarkeit und Intensität des Sonnenlichts, Niederschlag, Bodenart und -sättigung, Wind und Landneigung. In Trockenperioden kann Transpiration zum Feuchtigkeitsverlust in der oberen Bodenzone beitragen, was sich auf Vegetation und Nahrungsfelder auswirken kann.

Wie viel Wasser transpirieren Pflanzen?

Nachdem eine Plastiktüte um einen Teil einer Pflanze gewickelt wurde, wird das Innere der Tüte mit transpiriertem Wasserdampf benebelt.

Die Transpiration von Pflanzen ist so ziemlich ein unsichtbarer Prozess. Da das Wasser von den Blattoberflächen verdunstet, geht man nicht einfach raus und sieht die Blätter "atmen". Nur weil Sie das Wasser nicht sehen können, heißt das nicht, dass es nicht in die Luft gebracht wird. Eine Möglichkeit, die Transpiration zu visualisieren, besteht darin, eine Plastiktüte um einige Pflanzenblätter zu legen. Wie dieses Bild zeigt, kondensiert transpiriertes Wasser an der Innenseite des Beutels. Während einer Vegetationsperiode transpiriert ein Blatt ein Vielfaches an Wasser als sein Eigengewicht. Ein Morgen Mais gibt jeden Tag etwa 3.000 bis 4.000 Gallonen (11.400 bis 15.100 Liter) Wasser ab, und eine große Eiche kann 40.000 Gallonen (151.000 Liter) pro Jahr transpirieren.

Atmosphärische Faktoren, die die Transpiration beeinflussen

Die Wassermenge, die Pflanzen verdunsten, variiert stark geografisch und im Laufe der Zeit. Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die Transpirationsrate bestimmen:

  • Temperatur: Die Transpirationsraten steigen mit steigender Temperatur, insbesondere während der Vegetationsperiode, wenn die Luft durch stärkeres Sonnenlicht und wärmere Luftmassen wärmer ist. Höhere Temperaturen bewirken, dass sich die Pflanzenzellen, die die Öffnungen (Stoma) kontrollieren, aus denen Wasser in die Atmosphäre abgegeben wird, öffnen, während kältere Temperaturen bewirken, dass sich die Öffnungen schließen.
  • Relative Luftfeuchtigkeit: Mit steigender relativer Luftfeuchtigkeit der die Pflanze umgebenden Luft sinkt die Transpirationsrate. Wasser verdunstet leichter in trockenere Luft als in gesättigtere Luft.
  • Wind- und Luftbewegung: Erhöhte Luftbewegungen um eine Pflanze herum führen zu einer höheren Transpirationsrate. Wind bewegt die Luft herum, so dass die gesättigtere Luft in der Nähe des Blattes durch trockenere Luft ersetzt wird.
  • Bodenfeuchtigkeitsverfügbarkeit: Wenn Feuchtigkeit fehlt, können Pflanzen altern (vorzeitige Alterung, die zu Blattverlust führen kann) und weniger Wasser transpirieren.
  • Pflanzenart: Pflanzen transpirieren Wasser mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Einige Pflanzen, die in trockenen Regionen wachsen, wie Kakteen und Sukkulenten, sparen wertvolles Wasser, indem sie weniger Wasser transpirieren als andere Pflanzen.

Transpiration und Grundwasser

Die oberste Schicht des Bodens, in der sich die Pflanzenwurzeln befinden, liegt vielerorts oberhalb des Grundwasserspiegels und ist daher oft teilweise nass, aber nicht vollständig gesättigt, ebenso wie der Boden unterhalb des Grundwasserspiegels. Der Boden über dem Grundwasserspiegel wird nass, wenn es als Wasser regnet infiltriert von der Oberfläche hinein, aber es wird ohne zusätzlichen Niederschlag austrocknen. Da der Grundwasserspiegel meist unterhalb der Tiefe der Pflanzenwurzeln liegt, sind die Pflanzen auf Wasserversorgung durch Niederschlag. Wie dieses Diagramm zeigt, können Pflanzenwurzeln an Orten, an denen der Grundwasserspiegel nahe der Landoberfläche liegt, wie z. Hier führt die Transpiration des Grundwassers häufig zu einer Absenkung des Grundwasserspiegels, ähnlich wie bei einer gepumpten Gut (Kegel der Vertiefung – die gestrichelte Linie, die die Pflanzenwurzeln im Diagramm umgibt).


8.3) Transpiration

Transpiration: ist der Verlust von Wasserdampf aus Pflanzenblättern durch Verdunstung von Wasser an den Oberflächen der Mesophyllzellen, gefolgt von der Diffusion von Wasserdampf durch die Spaltöffnungen.

  • Dadurch entsteht die Hauptkraft, die Wasser aus dem Boden und durch die Pflanze zieht.
  • Wasser verdunstet aus den Blättern und verursacht eine Art „Saugen“, wodurch Wasser am Stängel hochgezogen wird.
  • Das Wasser wandert die Xylemgefäße in den Leitbündeln hinauf und dieser Wasserfluss wird als bezeichnet Transpirationsstrom.
  • Wurzel → Stamm → Blatt

Faktoren, die die Transpirationsrate beeinflussen:

Beschreiben Sie, wie der Wasserdampfverlust mit Zelloberflächen, Lufträumen und Stomata zusammenhängt:

  • Transpiration ist der Verlust von Wasserdampf aus dem Blatt
  • Wasser in den Mesophyllzellen bildet auf ihren Oberflächen eine dünne Schicht
  • Das Wasser verdunstet in die Lufträume im schwammigen Mesophyll
  • Dadurch entsteht eine hohe Konzentration von Wassermolekülen in den Lufträumen.
  • Wasserdampf diffundiert durch die Spaltöffnungen durch Diffusion aus dem Blatt in die umgebende Luft.

Der Mechanismus der Wasseraufnahme und -bewegung in Bezug auf die Transpiration, die eine Spannung („Zug“) von oben erzeugt, einen Wasserpotentialgradienten im Xylem erzeugt und kohäsive Wassermoleküle die Pflanze hinaufzieht:

Mechanismus der Wasseraufnahme:

  1. Wasser dringt durch Osmose in Wurzelhaarzellen ein (da das Wasserpotential im Boden um die Wurzel herum höher ist als in der Zelle)
  2. Wenn das Wasser in die Zelle eindringt, wird sein Wasserpotential höher als in der Zelle daneben, z.B. im Kortex
  3. So wandert das Wasser durch Osmose, in die nächste Zelle
  4. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis Wasser das Xylem erreicht.

Mechanismus der Wasserbewegung durch eine Pflanze:

  1. Durch die Transpiration wird dem Blatt kontinuierlich Wasser entzogen
  2. So wird den Xylemgefäßen ständig Wasser entnommen, um die Zellen in den Blättern zu versorgen
  3. Dadurch verringert sich der effektive Druck an der Spitze der Xylemgefäße
  4. Dadurch entsteht ein Transpirationsstrom oder „Pull“, der Wasser nach oben zieht
  5. Wassermoleküle haben eine starke Tendenz, zusammenzukleben. Das nennt man Zusammenhalt
  6. Wenn das Wasser die Xylemgefäße „hochgezogen“ wird, bleibt die gesamte Wassersäule zusammen
  7. Wurzeln erzeugen auch einen Wurzeldruck, der Wasser in die Xylemgefäße drückt.

Tritt auf, wenn die Transpirationsrate schneller ist als die Wasseraufnahmerate. Die Wassermenge in der Pflanze nimmt immer weiter ab. Der Wassergehalt der Zellen nimmt ab und die Zellen werden von prall zu schlaff. Die Blätter schrumpfen und die Pflanze stirbt schließlich ab.


Bewegung von Wasser und Mineralien im Xylem

Die meisten Pflanzen beziehen das Wasser und die Mineralien, die sie brauchen, über ihre Wurzeln. Der eingeschlagene Weg ist: Erde -> Wurzeln -> Stängel -> Blätter. Die Mineralien (z. B. K+, Ca2+) wandern gelöst im Wasser (oft begleitet von verschiedenen organischen Molekülen, die von Wurzelzellen geliefert werden). Wasser und Mineralien dringen auf getrennten Wegen in die Wurzel ein, die schließlich in der Stele oder dem zentralen Leitbündel in den Wurzeln zusammenlaufen.

Transpiration ist der Wasserverlust der Pflanze durch Verdunstung an der Blattoberfläche. Es ist der Hauptantrieb der Wasserbewegung im Xylem. Transpiration wird durch die Verdunstung von Wasser an den Blatt- oder Atmosphärengrenzflächen verursacht und erzeugt einen Unterdruck (Spannung) von &ndash2 MPa an der Blattoberfläche. Dieser Wert variiert jedoch stark in Abhängigkeit vom Dampfdruckdefizit, das bei hoher relativer Luftfeuchtigkeit (RH) unbedeutend und bei niedriger RH erheblich sein kann. Durch diese Spannung wird Wasser aus den Wurzeln hochgezogen. Nachts, wenn sich die Spaltöffnungen schließen und die Transpiration aufhört, wird das Wasser durch die Kohäsion der Wassermoleküle untereinander sowie durch die Adhäsion von Wasser an die Zellwände der Xylemgefäße und Tracheiden in Stängel und Blatt gehalten. Dies wird die Kohäsions- und Spannungstheorie des Saftaufstiegs genannt.

The cohesion-tension theory explains how water moves up through the xylem. Inside the leaf at the cellular level, water on the surface of mesophyll cells saturates the cellulose microfibrils of the primary cell wall. The leaf contains many large intercellular air spaces for the exchange of oxygen for carbon dioxide, which is required for photosynthesis. The wet cell wall is exposed to the internal air space and the water on the surface of the cells evaporates into the air spaces. This decreases the thin film on the surface of the mesophyll cells. The decrease creates a greater tension on the water in the mesophyll cells, thereby increasing the pull on the water in the xylem vessels. The xylem vessels and tracheids are structurally adapted to cope with large changes in pressure. Small perforations between vessel elements reduce the number and size of gas bubbles that form via a process called cavitation. The formation of gas bubbles in the xylem is detrimental since it interrupts the continuous stream of water from the base to the top of the plant, causing a break (embolism) in the flow of xylem sap. The taller the tree, the greater the tension forces needed to pull water in a continuous column, increasing the number of cavitation events. In larger trees, the resulting embolisms can plug xylem vessels, making them non-functional.

Abbildung (PageIndex<1>): Cohesion&ndashTension Theory of Sap Ascent: The cohesion&ndashtension theory of sap ascent is shown. Evaporation from the mesophyll cells produces a negative water potential gradient that causes water to move upwards from the roots through the xylem.


Water Cycle Steps

Water cycle steps are becoming less predictable as global warming changes water levels and distribution across the globe. This subcategory of the biogeochemical cycle should also not be discussed as a sequenced number of events as different modes of water uptake, transportation and return occur simultaneously and at different rates according to variances in global or local ecosystems. A mountainous region will experience significantly more sublimation and runoff, for example, when compared to flat, open plains. In fact, when discussing water cycle steps it is easier to look at the movement of water separately: going up and coming down.

Water Goes Up

Water cycle steps in the atmosphere are easy to see wherever a cloud is visible. A cloud is the result of water condensation that is added to the atmosphere by way of water evaporation, water sublimation, and water transpiration. Water can move through the troposphere by way of another water cycle step – water transportation. Water can return to the Earth’s crust through water precipitation and deposition.

The atmospheric water cycle takes place in the lowest layer of our atmosphere or the troposphere. The troposphere extends from the Earth’s surface and reaches heights of 4 miles at the two poles and up to 12 miles at the equator. The layer above – the stratosphere – contains very little water vapor.

Water vapor in the atmosphere is extremely important as these droplets are able to absorb solar energy as well as the heat that radiates from the Earth (thermal radiation). It is water vapor that regulates local climates and air temperatures. Variances in temperature, in turn, cause currents of air known as convection currents that help to create the wind patterns so often typical to a certain region, such as monsoon storms or desert zephyrs.

Transpiration is the conversion of water by plants into water vapor. In ideal conditions, plants only use around 5% of the water they take up through their root systems. One only has to see pictures of the mist above a rainforest to understand this contribution to water vapor levels in the troposphere. Under the sun’s rays, water escapes through leaf pores as a gas. The combination of evaporation and transpiration is called evapotranspiration. While transpiration is probably responsible for 10% of the troposphere’s water content, combined evapotranspiration provides about 99%.

Transportation does not provide water vapor to the troposphere but describes the movement of water via the wind or the jet streams – strong wind currents at the top of the troposphere or at the tropopause, a level of air between the troposphere and stratosphere. We can see the effects of transportation by watching clouds move across the sky. In addition, winds remove water vapor from the air above sources of water. This lowers the saturation levels (or humidity) of the air and allows even more water vapor to enter the atmosphere.

Water Goes Down

Water cycle steps on the Earth’s crust are highly dependent on the type of ecosystem. These steps are water condensation, precipitation, and deposition.

Water does not fall to earth in the form of water vapor. As water vapor rises, it loses heat energy through continuous motion. In addition, gaseous forms of water experience less pressure as they rise. Where there is less pressure, the air is unable to hold as much water as when pressures are high. Furthermore, other substances in the air such as pollen, pollutants, and dust provide a surface on which water vapor can settle and condense. Condensation is the opposite of evaporation and we have all seen the effect of condensation on windows and bathroom mirrors. As warm water vapor hits a cooler surface, energy levels dramatically drop. The water molecules no longer move at rapid rates and settle as water droplets. This also occurs in the atmosphere in the presence of condensation nuclei – small particles onto which water vapor can settle.

Clouds are the result of condensed water vapor. Eventually, they become saturated and are no longer able to hold liquid water droplets. This leads to precipitation.

Rain is the most common example of water cycle precipitation. Other forms are hailstones, sleet, and snow.

Deposition is the opposite of sublimation. In cases of deposition, water vapor is instantly converted from gas state to solid state (ice) without the intermediate liquid phase. In contrast to sublimation, the process of deposition releases energy. Deposition can be seen in snowfall and in the formation of frost.

Vermittler

Intermediary water cycle steps provide a bridge between water landing on the Earth’s surface and water vapor rising into the troposphere.

Infiltration is the absorption of water by the soil and rock of the upper level of the Earth’s crust and is very much dependent on environmental factors such as soil or rock depth, vegetation levels, saturation levels, and porosity. Percolation describes the flow of this infiltrated water through the soil or rock under the force of gravity. Eventually, percolated water will reach an impenetrable layer of non-porous rock. The water settles here in aquifers. You can make your own scale model of an aquifer by digging a deep pit in the sand when next on the beach. The pools or reservoirs of water that form above non-porous rock are called aquifers, but the water they contain is known as groundwater. Groundwater is another named phase of the water cycle and does not describe a step but the result of precipitation, infiltration and percolation.

Plant uptake is another way in which the water provided to the earth’s crust via precipitation and infiltration can be absorbed. Plant root systems take up water, using it as a nutrient source and discharging water vapor through leaf pores in the earlier described transpiration phase.

Where the ground is saturated and unable to deal with high levels of precipitation, another part of the water cycle takes place. This is water runoff. Water runoff is becoming a global problem due to the effects of global warming. Gravity is an extremely important factor when water droplets fall from the clouds. As everyone should know, water moves downhill. Where precipitation is high and the land it falls on is either limited in porosity or already saturated with water, water begins to flow downwards. Runoff may also be the result of snow melts.

Runoff is the combination of surface runoff, interflow, and baseflow. Surface runoff comes in the forms of saturation excess overland flow where the ground is already wet and unable to absorb more water, and overland flow or the runoff from our roofs, sidewalks and roads. As we increase non-porous infrastructures, we simultaneously reduce the globe’s ability to absorb precipitation. Storm runoff also occurs during heavy rainfall.

Interflow but involves water that has already percolated into lower soil levels. With the next heavy rain, this already saturated soil or rock is not given the time to reach the aquifer and water rises upwards to the soil subsurface and pushes upwards to produce increased surface runoff.

Baseflow or fair-weather flow describes how moving bodies of water such as streams and rivers take on infiltrated water over a longer period of time, between precipitation (hence ‘fair weather flow’). This is a delayed response but also contributes to runoff as an already present body of water that can increase dramatically in size in the days that follow precipitation events.


Explain how water moves up a plant via transpiration?

Transpiration is the loss of water vapour from a plant, mainly through the stomata of the leaves.

How does water move up through a plant?

#ul"Root pressure"#
The cells around the xylem vessels in the root uses active transport to absorb mineral salts up a concentration gradient into the plant. This lowers the water potential in the xylem vessels. Water therefore passes from the living cells into the xylem vessels by osmosis and flows upwards

#ul"Capillary action"#
Water tends to move up inside very narrow tubes due to the interactions between water molecules and the surfaces of the the tube. If the tube is sufficiently small, then the combination of surface tension (which is caused by cohesion within the liquid) and adhesive forces between the liquid and container wall act to propel the liquid.

#color(red)(ul"Cohesion theory"#
When water leaves the plant by transpiration, it creates a negative pressure ( suction ) on the water to replace the lost amount of water. It is like your typical straw when you suck on it. This negative pressure on the water pulls the entire column of water in the xylem vessel. This negative pressure due to transpiration is known as "transpiration pull". It is the main force in drawing water and mineral salts up through the plant.

Hence, these 3 factors work together hand in hand to move water up a plant.


Verweise

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