34.13: Der durch Xylem und Transpiration betriebene Transport von Ressourcen

Das Xylem der Gefäßpflanzen verteilt das von den Wurzeln aufgenommene Wasser und die gelösten Mineralien in die gesamte Pflanze. Die reifen Zellen, die den Xylemsaft transportieren, leben nicht mehr und die Bewegung des Xylemsaftes ist ein passiver Prozess.

Tracheiden und Gefäßglieder transportieren Xylemsaft

Tracheiden-Elemente sind die Transportzellen des Xylems. Ihnen fehlen das Zytoplasma und die Organellen, wenn sie reif sind und sind ein als Teil des Apoplasten der Pflanze, weil sie direkt mit dem extrazellulären Raum verbunden sind. Es gibt zwei Arten der Tracheiden-Elementen: Tracheiden und Gefäßglieder (Tracheen).

Tracheiden sind längliche Zellen mit lignifizierten Wänden, die kleine Löcher (die Tüpfel) enthalten, die den Xylemsaft von einer Zelle zur nächsten leiten, wo sich ihre Wände überlappen. Samenlose Gefäßpflanzen und die meisten Gymnospermen, oder zapfentragende Pflanzen, haben nur Tracheiden, von denen angenommen wird, dass sie sich vor den Tracheen entwickelt haben.

Tracheen sind breite lignifizierte Zellen, die vertikal gestapelt sind und so Gefäße bilden. Sie sind durch perforierte Membranen (Tüpfelmembran) verbunden, das sind spezialisierte Zellstrukturen, durch dessen Hohlräume der Xylemsaft fließen kann. Der größere Durchmesser und die effizientere Struktur der Tüpfelmembran ermöglichen Gefäßen, die aus Tracheen bestehen, den Transport von einem viel größerem Volumen des Xylemsafts. Die meisten Angiospermen, oder blühenden Pflanzen, haben sowohl Tracheiden als auch Tracheen.

Der aktive Transport von Mineralien erzeugt einen Gradienten des Wasserdrucks von den Wurzeln zu den Blättern

Während Wasser passiv in die durchlässigen Wurzelzellen einer Pflanze gelangt, ist ein aktiver Transport für Mineralien in das Xylem erforderlich. Die daraus resultierende hohe Konzentration an gelösten Stoffen in den Wurzeln erzeugt einen Gradienten des Druckpotentials von dem Wasser innerhalb des Xylems, wobei ein höherer Druck in den Wurzeln herrscht und ein geringerer an Orten in der Pflanze, wo weniger gelöste Stoffe sind. Das Wasser bewegt sich dann in Richtung des geringeren Druckbereichs; Dieser Gradient trägt jedoch nur zu gering zu dem gesamten Transport des Safts durch das Xylem bei.

Physikalische Kräfte, die auf Wassermoleküle wirken, halten die Flüssigkeit im Xylem

Der Transport von Xylemsaft durch eine Pflanze wird zum Teil durch die physikalischen Eigenschaften des Wassers ermöglicht. Die Kohäsionstheorie für den Transport des Xylemsaftes durch das Xylem wurde erstmals in den 1890er Jahren vorgeschlagen. Der Zusammenhalt zwischen Wassermolekülen ist relativ stark, da alle drei Atome eines Wassermoleküls an einer Wasserstoffbindung mit anderen Wassermolekülen teilnehmen können. Dies bedeutet, dass ein Transpirationssog in den Blättern Wassermoleküle im gesamten Xylem beeinflussen kann, wie Glieder in einer Kette, bis hin zu den Wurzeln.

Eine weitere Kraft, die Adhäsion, ermöglicht es Wassermolekülen, an Oberflächen innerhalb der Pflanze zu kleben, wie z. B. die Zellwände der Mesophyllzellen im Blatt, wo die Wasseroberflächenspannung wichtig ist, um Saft aus Blattgefäßen zu ziehen, wenn Wasserdampf aus den Blättern austritt. Die Adhäsion der Wassermolekülen an den Wänden von Xylemgefäßen verhindert, dass der Saft durch die Wurzeln nach unten und aus der Pflanze sickert, wenn sich die Stomata schließen und der durch die Transpiration erzeugte Sog aufhört.