Wie kommt das Wasser in die Baumkrone?

Ein Baum schafft jeden Tag etwas, woran jede Saugpumpe scheitert: Er hebt Wasser auf hundert Meter Höhe, ohne Motor, ohne Lärm und ohne einen Cent dafür zu bezahlen. Wie kommt das Wasser in die Baumkrone? Klingt nach Grundschule, hat aber Ende des 19. Jahrhunderts die Botaniker in Streit gebracht, wurde mit Bäumen gelöst, die weitertranken, obwohl man ihren Stamm abgetötet hatte, und hält noch immer Überraschungen bereit: Bäume machen Geräusche, die wir nicht hören, sie leiden an etwas, das einer Thrombose ähnelt, und sie haben eine Höhengrenze, die man ausrechnen kann.

Warum Saugen nicht reicht

Das Erste, woran jeder denkt: Der Baum saugt das Wasser hoch wie wir mit einem Strohhalm. Das Problem ist, dass Saugen eine Grenze hat. Laut dem Fachbereich Botanik des Trinity College Dublin kann eine mechanische Saugpumpe Wasser nur etwa 10 Meter hochheben. Darüber steigt das Wasser nicht weiter, egal wie kräftig man saugt.

Genau diese Grenze machte die Pflanzenphysiologen des 19. Jahrhunderts skeptisch. Wenn eine Pumpe bei 10 Metern aufgibt, wie sollte ein Blatt Wasser aus 50, 80 oder 100 Metern Tiefe holen? Die verbreitete Erklärung lautete damals anders: Lebende Zellen im Holz drückten das Wasser unter Energieaufwand nach oben, wie eine Kette kleiner Pumpen entlang des Stamms. Und viele Physiologen bezweifelten schlicht, dass ein bisschen Verdunstung an den Blättern überhaupt genug Sog erzeugen könnte, um eine so lange Wassersäule zu bewegen. Für sie war das, als wollte man mit einem Atemzug einen Brunnen leer trinken.

Der tote Baum, der weitertrank

Diese Theorie der lebenden Pumpen hatte ein Problem, und das kam aus Experimenten eines Botanikers namens Strasburger. Laut Trinity College sahen zwei Wissenschaftler aus Dublin, Henry Dixon und John Joly, 1892 diese Versuche auf einer Reise auf den Kontinent mit eigenen Augen. Sie zeigten etwas Verblüffendes: Bäume zogen weiter Wasser nach oben, auch nachdem man ihren Stamm abgetötet hatte.

Wenn die Zellen im Stamm tot waren und das Wasser trotzdem stieg, konnten nicht sie es sein, die drückten. Es brauchte eine andere Erklärung, eine, die ohne etwas Lebendiges dazwischen funktionierte. Dixon und Joly machten sich auf die Suche.

Wie kommt das Wasser in die Baumkrone? Ein Seil aus Wasser

Die Antwort, die sie 1895 in einem Aufsatz mit dem Titel On the Ascent of Sap, „Über den Aufstieg des Saftes“, in einer Zeitschrift der britischen Royal Society vorschlugen, stellt das Bild auf den Kopf. Nichts drückt das Wasser von unten. Die Verdunstung zieht es von oben.

So funktioniert es. Blätter haben Poren, durch die Wasserdampf in die Luft entweicht, vor allem bei Sonne und Wärme. Jedes Wassermolekül, das verdunstet, hinterlässt eine Lücke, die ein anderes füllen muss, und dieses zieht am nächsten, und so weiter bis zu den Wurzeln. Das Trinity College beschreibt das als Sog, der sich über durchgehende Wassersäulen im Xylem nach unten fortsetzt, den hauchdünnen Leitungen im Holz.

Möglich wird der Trick durch eine Eigenschaft des Wassers, die man mit bloßem Auge nicht sieht: Seine Moleküle ziehen sich stark gegenseitig an. Das ist Kohäsion. Dadurch verhält sich eine Wassersäule wie ein Seil: Zieh an einem Ende, und das Ganze kommt mit. Und es ist ein überraschend reißfestes Seil. Laut Trinity College halten diese Säulen einem Sog von mehr als 300 Atmosphären stand, solange sie in engen Röhren wie dem Xylem stecken. In einem weiten Rohr würden sie reißen.

Deshalb heißt die Idee Kohäsions-Spannungs-Theorie: Kohäsion, weil das Wasser zusammenhält, und Spannung, weil die Säule gestreckt ist, von oben gezogen. Die Saugpumpe stößt an ihre 10-Meter-Decke; der Baum dagegen zieht an einem Seil aus Wasser, das nicht reißt.

Die Theorie wurde 1895 mit viel Skepsis aufgenommen. Dixon und Joly machten eine Reihe von Experimenten, um die Kritik zu beantworten, Dixon verteidigte sie 1914 in seinem Buch Transpiration and the Ascent of Sap in Plants, und mit der Zeit setzte sie sich durch. Das Trinity College erinnert daran, dass die Standardlehrbücher der Botanik sie noch immer die „Kohäsionstheorie von Dixon und Joly“ nennen.

Der Teil, den fast alle überspringen

Die Erklärung mit dem Seil lässt eine Frage offen: Wenn das Seil reißt, sobald eine Blase hineinkommt, wie wurden die Leitungen überhaupt zum ersten Mal mit Wasser gefüllt? An einem Seil, das es noch nicht gibt, kann man nicht ziehen.

Der Physiker und Wissenschaftsphilosoph Harvey Brown hat die Geschichte der Theorie 2013 in der Fachzeitschrift Physics in Perspective aufgearbeitet und genau darauf hingewiesen. Seit es die Theorie gibt, wissen Pflanzenforscher, dass weitere Prozesse nötig sind, um den Baum „anzusaugen“, und der wichtigste ist für sie so selbstverständlich, dass er oft gar nicht erwähnt wird: das Wachstum selbst. Der Baum muss nie Wasser durch ein leeres Rohr von hundert Metern hochziehen. Seine Leitungen bilden und füllen sich, während der Baum Zentimeter für Zentimeter wächst. Das Seil wird geflochten, während man daran zieht. Andere Faktoren, so Brown, hängen stark von der Baumart ab.

Eine Eiche, die 151.000 Liter im Jahr ausschwitzt

Am verblüffendsten ist, wie viel Wasser dieses System bewegt. Fast alles Wasser, das in einem Baum aufsteigt, bleibt nicht darin, sondern verdunstet über die Blätter. Laut der Wasserkunde-Schule des US Geological Survey kann eine große Eiche etwa 151.000 Liter Wasser im Jahr verdunsten. Die Naturschutzbehörde von Wales nennt in ihren Unterrichtsmaterialien dieselbe Zahl. Aufs Jahr verteilt sind das im Schnitt über 400 Liter am Tag, auch wenn in der Praxis fast alles in die Monate fällt, in denen der Baum Blätter trägt.

Auch Felder können das. Dieselbe Quelle rechnet vor, dass ein Maisfeld von einem Hektar an einem einzigen Tag größenordnungsmäßig 28.000 bis 37.000 Liter Wasser an die Luft abgibt.

Dieser ganze Durchfluss läuft durch hauchdünne Röhren, ohne ein einziges bewegliches Teil. Und angetrieben wird er von der Sonne: Ihre Wärme lässt das Wasser in den Blättern verdunsten und setzt den Zug in Gang.

Blasen, die das Seil zerreißen

Ein gespanntes Seil hat eine Schwachstelle, und im Baum heißt sie Kavitation. Wird die Spannung zu groß, etwa bei Trockenheit, kann sich in der Wassersäule eine Gasblase bilden. Die Säule reißt, die Leitung läuft leer und transportiert kein Wasser mehr.

Das Labor für Physik und Physiologie der Bäume des INRAE, des französischen Forschungsinstituts für Landwirtschaft, Ernährung und Umwelt, in Clermont-Ferrand vergleicht das mit etwas, das uns passieren kann: Diese Gasembolie blockiert das Leitungssystem des Baums so, wie eine Thrombose den Blutkreislauf eines Menschen blockieren kann. Und sie wird mit der Trockenheit schlimmer. Dasselbe Team hat eine Maschine entwickelt, die Proben in einer Zentrifuge schleudert und so in wenigen Minuten die Wirkung einer Dürre auf die Leitungen nachstellt. Damit haben sie festgestellt, dass die Widerstandskraft gegen Kavitation von Art zu Art enorm schwankt.

Ein Detail klingt nach Science-Fiction. Wenn eine Leitung kavitiert, macht sie ein Geräusch. Eine Studie von 2015, an der unter anderem Hervé Cochard vom INRAE beteiligt war, untersucht die Ultraschall-Emissionen von Gehölzen und ihren Zusammenhang mit Kavitation bei Frost-Tau-Wechseln. Es sind Klicks, die das menschliche Ohr nicht hört, die Sensoren aber aufzeichnen.

Warum es keine 200-Meter-Bäume gibt

Wenn das Seil aus Wasser so gut ist, warum wachsen Bäume dann nicht endlos weiter? 2004 veröffentlichten der Forscher George Koch von der Northern Arizona University und sein Team in Nature eine Studie über die Küstenmammutbäume in den feuchten Wäldern Nordkaliforniens, wo damals der höchste bekannte Baum stand: 112,7 Meter.

Sie untersuchten, wie sich die Blätter mit der Höhe verändern. Unten sind sie breit und stehen weit auseinander, oben sind sie klein und dicht gepackt. Auch ihre Länge und der Winkel zwischen Blatt und Zweig nehmen mit der Höhe ab. Ganz oben machen Schwerkraft und die Länge des Weges es dem Wasser schwerer anzukommen, die Blätter stehen unter mehr Wasserstress und betreiben weniger Fotosynthese. Aus diesen Veränderungen errechnete das Team eine Maximalhöhe von 122 bis 130 Metern, sofern nicht vorher mechanische Schäden dazwischenkommen. Die Autoren betonen, dass dieser Wert gut zu den höchsten Bäumen passt, die in der Vergangenheit verzeichnet wurden. Ihr Fazit im Fachaufsatz: Der wachsende Wasserstress der Blätter, verursacht durch die Schwerkraft und den Widerstand des langen Weges, könnte am Ende das Wachstum der Blätter und die Fotosynthese so weit bremsen, dass der Baum nicht höher wird. Über dieser Decke reicht das Seil aus Wasser nicht mehr, um lohnende Blätter zu versorgen.

Die Notiz, die Nature zur Studie veröffentlichte, fügte ein Detail hinzu: Diese Mammutbäume sind rund 2000 Jahre alt, also könnten frühere Dürren oder Blitze ihr Wachstum gebremst haben.

Die Glaskammer, die explodierte

Die Spannung des Wassers in einem Zweig zu messen, ist nicht einfach, und Dixon kostete es einen Schreck. Laut Trinity College testete er 1922 eine Druckkammer aus Glas und beobachtete sie über einen Spiegel. Im Spiegelbild sah er, wie sich die Wände nach außen wölbten, und dann explodierte das Gerät. Die Idee war gut, das Material nicht. 1965 bauten Scholander und seine Kollegen dasselbe Instrument aus Metall.