Wassertransport in der Pflanze / Wasser- und Ionenaufnahme in die Pflanze [Biologie, Oberstufe]

In diesem Video werden wir der Frage nachgehen, wie Pflanzen Wasser über ihre Wurzeln aufnehmen und wie der Wassertransport in der Pflanze erfolgt.

Wichtige Begriffe sind dabei:
- Diffusion und Osmose
- Symplast / Apoplast bzw. symplastischer und apoplastischer Transport
- Kohäsion
- Transpirationssog

Wasser ist von immenser Bedeutung für die Pflanzen: Für die Photosynthese in den Blättern ist neben der Solarstrahlung der Sonne auch Wasser notwendig. Außerdem fungiert es als Lösungsmittel - mit dem Wasser werden wichtige, für die Pflanzen benötigte Mineralstoffe, mittransportiert. Aber auch zum Kühlen der Pflanze sowie zum Aufbau und Aufrechterhaltung eines Innendrucks (dem sogenannten Turgor) zur Stabilisation der Pflanze ist das Vorhandensein von Wasser essenziell.
Der Wassertransport ist dabei an eine enorme Leistungsfähigkeit der Pflanze geknüpft, die man sich einmal vor Augen führen muss: Ein etwa 16 Meter hoher Ahornbaum besitzt schätzungsweise 200.000 Blätter mit einer Gesamtoberfläche von ca. 800 qm, was etwa der Größe eines Handballfeldes entspricht. An einem wolkenlosen Sommertag verliert der Baum allein in einer einzigen Stunde 250 Liter Wasser über seine Blätter – 250 Liter in 60 Minuten. Um diesen Wasserverlust zu kompensieren und vorzubeugen, dass die Blätter nicht anfangen zu welken, ist klar: Diese 250 Liter müssen auch jede Stunde aufs Neue über die Wurzeln aufgenommen und 16 Meter hoch zu den Blättern transportiert werden. Das Beispiel verdeutlicht ebenfalls: Fast alles Wasser, das die Pflanze aufnimmt, gibt sie auch wieder ab – nur ein Bruchteil des Wassers wird in der Pflanze genutzt.
Schauen wir uns mal an, wie es zu so einer Spitzenleistung kommen kann. Pflanzen nehmen Wasser und Mineralstoffe aus dem Boden auf – und zwar über ihre Wurzeln. Genauer gesagt sind es die Zellen der Wurzelhaare – diese haben durch ihre Form eine große Oberfläche, was ermöglicht, dass entsprechend auch viel Wasser und Ionen aufgenommen werden können. Auch wenn die meisten Mineralstoffe gelöst im Wasser vorliegen – wenn Wasser über die Wurzelhaarzellen in die Pflanze gelangt, dann kann es die Mineralstoffe nicht einfach huckepack mitschleppen – der Transport von Wasser und Ionen in die Pflanze erfolgt unterschiedlich.
Während die Wasseraufnahme in der Regel keine Zufuhr von Energie benötigt und passiv über Vorgänge wie Diffusion und Osmose erfolgt, ist die Aufnahme von Ionen in die Wurzelzelle mit einem Energieaufwand verbunden und erfolgt aktiv. Woran liegt das?
Die Zellmembran der Wurzelhaare ist selektivpermeabel – d.h., bestimmten Stoffen wie z.B. Wasser erlaubt sie den Zutritt, anderen Stoffen – unter anderem geladene Ionen wie Natrium oder Kalium, verwehrt sie diesen – die Membran ist für diese Stoffe also impermeabel. Wasser kann die Membran also passieren – häufig wird der Transport durch Kanalproteine, die spezifisch Wasser transportieren – sogenannte Aquaporine – erleichtert. Wenn Wasser permeabel ist für die Membran – dann gilt die Permeabilität für beide Richtungen – Wasser kann sowohl in die Zellen der Pflanze gelangen, als auch aus ihr heraus und an den Boden abgegeben werden. Ein solch potenzieller Wasserverlust gilt es in jedem Fall zu verhindern – und dies tut eine Pflanze i.d.R. auch sehr effektiv, denn der Wassertransport erfolgt in die Pflanze.
Was aber bestimmt die Bewegungsrichtung des Wassers? Der Boden ist wasserreich im Gegensatz zu den Pflanzenzellen, in denen weniger Wassermoleküle vorhanden sind. Wasser diffundiert entlang seines Konzentrationsunterschiedes, d.h. vom Ort, wo es höher konzentriert vorliegt, zum Ort, wo es geringer konzentriert ist – also vom wasserreichen Boden in die wasserärmeren Zellen. Ganz so einfach – den Wassertransport nur über die unterschiedliche Konzentration von Wasser zu erklären – ist es dann doch nicht. Wenn der Boden beispielsweise sehr trocken ist, dann geht diese Rechnung womöglich nicht mehr auf und im Außenmedium ist die Wasserkonzentration geringer als im Innenmedium – d.h. in der Zelle. Vielmehr wird die Bewegungsrichtung des Wassers durch das Wasserpotenzial bestimmt – d.h. die Bewegung von Wassermoleküle infolge von Druckunterschieden und Konzentrationsunterschieden von gelösten Stoffen zwischen einer Zelle und ihrer Umgebung – immer in Richtung des niedrigeren, d.h. stärker negativeren, Wasserpotenzials. Das geht wahrscheinlich ein wenig über den Schulunterricht hinaus – für euch ist wichtig zu merken: Es sind Konzentrationsunterschiede von gelösten Stoffen, die mitverantwortlich sind, ob Wasser in eine Zelle diffundiert oder aus ihr heraus.