Die Struktur der Zellen im Xylem bewegt Wasser passiv von den Wurzeln zu den Blättern durch ein System von Kammern und Ventilen und filtert Krankheitserreger heraus.

Einleitung

Bäume brauchen, wie alle bekannten Lebewesen, Wasser zum Überleben. Regenwasser versickert im Boden und wird von Baumwurzeln aufgenommen. Wasserdampf wird aus den Blättern des Baumes freigesetzt und trägt zur Bildung von Wolken und Regen über dem Wald bei.

Bäume verwenden Wasser für viele Dinge: um ihre Blätter durch „Schwitzen“ (dh Transpiration) abzukühlen, um jede Zelle durch Wasserdruck zusätzlich zu stützen, um als Quelle von Wasserstoffatomen zu dienen, um Moleküle ähnlich zu machen und , und als Anti-Schwerkraft-Förderband, das Nährstoffe aus dem Boden durch die vielen Gewebe des Baums transportiert.

Dieses Wasserförderband durch das Xylemgewebe des Baumes stellt eine große Schwachstelle dar: Was ist, wenn der Wasserfluss irgendwie unterbrochen wird? Oder was ist, wenn unerwünschte Verunreinigungen mit dem Wasser, das in seine Wurzeln eindringt, in den Baum eindringen?

Die Strategie

Xylem-Gewebe besteht nicht aus durchgehenden, hohlen Röhren oder „Strohhalmen“ von den Wurzeln eines Baums bis zu seinen Blättern. Stattdessen ist es in kleinere Kompartimente toter Zellen, Tracheiden genannt, unterteilt, die jeweils nur wenige Millimeter lang und durch Ventile voneinander getrennt sind.

Die Klappen bestehen aus einer Öffnung in den Zellwänden zwischen zwei benachbarten Tracheiden, in deren Mitte sich eine frei bewegliche Membran befindet. Die dünne Membran reagiert auf Druckunterschiede zwischen den beiden Tracheiden und bewegt sich, um die Öffnung an einer der Tracheiden-Zellwände abzudichten, wenn zwischen ihnen ein Druckunterschied besteht. Die Größe der Ventile im geöffneten Zustand beträgt 100-500 Nanometer, klein genug, um den Durchgang vieler Arten von potenziellen Verunreinigungen und unerwünschten Mikroben zu verhindern, aber groß genug, um noch Wasser durchfließen zu lassen.

Die Ventile wirken auch, um eine baumartige Version der Biegungen zu verhindern. Wenn eine Verletzung Luft in eine Tracheide bringt, bewirkt der niedrigere Druck, dass die Ventile der Zelle schließen, wodurch verhindert wird, dass Wasser aus einer benachbarten Zelle in die erste Tracheide fließt, und dass die Luft nicht in benachbarte Tracheiden strömt. Die kurze Länge jeder Tracheide stellt auch sicher, dass Luft nicht weit in den Baum eindringt, bevor ein Ventil ihn schließen kann.

Bild: Sam Stier / Persönlich / Copyright © - Alle Rechte vorbehalten

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der radialen Ansicht von Tracheiden mit Ventilen (Gruben) in Douglasie.

Das Potenzial

Die druckbetriebenen Ventile in Xylem könnten viele Anwendungen in mechanischen Niedrigenergie-Pumpsystemen haben, sei es zum Bewegen von Wasser oder anderen Substanzen.

Das Filtersystem ist auch für die menschliche Anwendung vielversprechend. Durch Wasser übertragene Krankheiten töten jedes Jahr über eine Million Menschen, insbesondere in Gebieten, in denen Wasseraufbereitungstechnologien zu finanzintensiv sind, um umfassend oder effektiv eingesetzt zu werden. Ein kostengünstiger, leicht verfügbarer, effektiver Wasserfilter könnte die Wasserqualität verbessern und Krankheiten vorbeugen. Es hat sich gezeigt, dass von Xylem inspirierte Wasserfilter Wasserpathogene effektiv entfernen.

Verwandte Strategien

Zuletzt aktualisiert am 14. September 2016