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Wasseraufnahme und Wassertransport bei Pflanzen – Kohäsion und Adhäsion

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Mtoto
Wasseraufnahme und Wassertransport bei Pflanzen – Kohäsion und Adhäsion
lernst du in der Sekundarstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Beschreibung Wasseraufnahme und Wassertransport bei Pflanzen – Kohäsion und Adhäsion

Inhalt

Wasseraufnahme und Wassertransport bei Pflanzen

Pflanzen können sehr hoch werden – Mammutbäume erreichen zum Beispiel Höhen von bis zu 115 Metern. Wie schafft es eine solche Pflanze, das Wasser aus dem Boden aufzunehmen und anschließend bis in ihre Blätter hinauf zu transportieren? Das Wasser wird durch seine Gewichtskraft immerhin nach unten gezogen: Es muss also Mechanismen geben, die dieser Gewichtskraft entgegenwirken. Dafür müssen Pflanzen in der Regel keine aktive Kraft aufbringen – vielmehr stecken hinter den Mechanismen des Wassertransports physikalische Gesetzmäßigkeiten. Das wollen wir uns im Folgenden genauer ansehen.

Wasseraufnahme – Diffusion und Osmose

Dass eine Pflanze mithilfe ihrer Wurzelhaare Wasser aus der Erde aufnimmt, weißt du bestimmt. Zur Wiederholung der wichtigsten Bestandteile einer Pflanze kannst du dir das Video zu den Pflanzenorganen anschauen. Doch wodurch wird diese Wasseraufnahme überhaupt ermöglicht und angetrieben? Um das zu verstehen, wollen wir uns erst einmal die Vorgänge der Diffusion und Osmose ansehen.

Diffusion und Osmose – Definition

Als Diffusion bezeichnet man einen passiven Vorgang, bei dem ein Konzentrationsunterschied ausgeglichen wird. Dafür ist keine äußere Einwirkung notwendig.

Die Osmose kann vereinfacht als Spezialform der Diffusion bezeichnet werden. Hier findet der Konzentrationsausgleich durch eine Membran (Trennschicht) statt, die selektiv permeabel oder semipermeabel ist. Das bedeutet, dass die Membran nur für bestimmte Teilchen durchlässig ist. Die Kraft, die den Konzentrationsausgleich antreibt, bezeichnet man auch als osmotischen Druck.

Wasseraufnahme in den Wurzeln der Pflanze

Als Pflanzenzellen enthalten die Zellen der Wurzelhaare Vakuolen und Zellplasma. Das Zellplasma enthält nicht nur Wasser, sondern auch gelöste Stoffe wie Ionen und wasserlösliche Moleküle. Insgesamt sind in der Zellflüssigkeit deutlich mehr Stoffe enthalten als im Bodenwasser. Aufgrund des Konzentrationsunterschieds diffundiert das Wasser in die Wurzel. Andersherum ist kein Konzentrationsausgleich möglich: Die Membran ist semipermeabel und lässt die Wassermoleküle in die Zelle hinein diffundieren, nicht aber die gelösten Stoffe aus der Zelle heraus. Man bezeichnet den Vorgang daher als Osmose.

Wassertransport von der Wurzelhaarzelle bis zum Leitgewebe

Von den Wurzelzellen muss das Wasser noch in das Leitgewebe gelangen, denn dieses ist zuständig für den Nährstoff- und Wassertransport zu den Blättern und Blüten der Pflanze. Dabei muss das Wasser die Rhizodermis, die Wurzelrinde, und die Endodermis passieren. Innerhalb der Pflanze wird das Wasser mittels Diffusion und Osmose weitergeleitet. Das bedeutet auch, dass die Konzentration an gelösten Stoffen von den Wurzelzellen bis hin zum Leitgewebe zunehmen muss.

Wassertransport in Pflanze Beispiel

Wassertransport – Adhäsion und Kohäsion

Nun wissen wir also, wie das Wasser aus dem Boden in die Wurzeln und anschließend in die Leitbündel der Sprossachse gelangt. Doch wie wird es nun in die Blätter und Blüten der Pflanze transportiert? Der Wassertransport wird zu einem Teil vom Wurzeldruck angetrieben, denn durch die Wurzel wird ja immer neues Wasser nachgeführt, zum großen Teil aber vom sogenannten Transpirationssog hervorgerufen.

Transpirationssog

Die Ursache des Transpirationssogs ist wieder die Diffusion: Wasser diffundiert aus der Pflanze heraus in die umgebende Luft, da diese in der Regel weniger Wassermoleküle enthält als die Pflanze selbst. Die Abgabe von Wasser findet hauptsächlich über die Spaltöffnungen der Blätter, zum Teil aber auch direkt über die Epidermis statt. Die Wasserabgabe an die Luft bezeichnet man auch als Transpiration. Der hervorgerufene Wasserverlust erzeugt einen Unterdruck, also einen Sog, der das Wasser innerhalb der Pflanze nach oben zieht.
Der Transport des Wassers bis hinauf in die Blätter wird durch zwei physikalische Effekte begünstigt – die Adhäsion und die Kohäsion. Das schauen wir uns nun genauer an.

Adhäsion

Per Definition beschreibt die Adhäsion das Anheftungsvermögen von Flüssigkeiten an Feststoffe. Das kannst du dir mithilfe eines einfachen Experiments vorstellen: Wir nehmen ein Glasgefäß, das aus Röhren mit unterschiedlichen Durchmessern besteht. Wenn wir nun Wasser in dieses Gefäß füllen, sehen wir, dass das Wasser in schmalen Röhren höher steigt als in breiten Röhren. Das liegt eben gerade daran, dass das Wasser an die Glasoberfläche anheftet, es wird von der Glasoberfläche einfach gesprochen angezogen. Da das Wasser in schmalen Röhren mehr Wechselwirkung mit der Oberfläche erfährt, steigt es dort auch stärker an.

Kohäsion

Anders als die Adhäsion ist die Kohäsion nicht als Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenen Stoffen, sondern als Bindungskraft zwischen den Teilchen eines Stoffs definiert. Sie sorgt also für den Zusammenhalt der Teilchen. Das führt zum Beispiel zu der Oberflächenspannung von Flüssigkeiten.

Insgesamt sorgen Kohäsion und Adhäsion dafür, dass in den Leitbündeln der Pflanze Folgendes passiert: Von der Oberfläche der Gefäßzellen wird das Wasser angezogen (Kohäsion) – dadurch dass der Wasserstrom dem wirkenden Transpirationsdruck standhalten kann und nicht abreißt (Adhäsion), steigt das Wasser an. Die hier wirkenden Phänomene kann man auch als Kapillareffekt zusammenfassen.

Dieses Video

In diesem Video lernst du, dass der Wassertransport in Pflanzen auf physikalischen Phänomenen beruht – Diffusion, Osmose, Adhäsion und Kohäsion. Auch zu diesem Thema findest du interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt.

Transkript Wasseraufnahme und Wassertransport bei Pflanzen – Kohäsion und Adhäsion

Hallo. Heute begeben wir uns in das Reich der Pflanzen. Wie Du weißt, müssen diese mit Wasser versorgt werden, das von den Wurzeln bis hoch zu den Blättern transportiert wird. Beim höchsten Mammutbaum sind das bis zu 115 Meter. In diesem Video geht es um die Nährstoffversorgung bei Pflanzen mithilfe von Kohäsion und Adhäsion. Du wirst lernen, wie die Aufnahme an der Wurzel von Statten geht und wie der Transport durch die verschiedenen Gewebe abläuft. Zum Schluss schauen wir uns die Mechanismen an, durch die die Schwerkraft ausgetrickst werden kann. Dann weißt Du, wie bei Pflanzen alle Bereiche versorgt werden, auch ohne die Hilfe eines Pumpsystems, ähnlich unseres Herzens. Schauen wir uns zunächst die Wasseraufnahme bei Pflanzen an. Dafür müssen wir uns ins Erdreich zu den Wurzelhaaren begeben. Diese feinen Härchen schließen an das Abschlussgewebe an, die Rhizodermis. Sie vergrößern die Oberfläche und haben eine halbdurchlässige Membran. Außerdem befinden sich in ihrem inneren Vakuolen mit einem Zellsaft, der eine hohe Konzentration an osmotisch wirksamen Stoffen enthält. Durch diese Eigenschaften werden zwei physikalische Vorgänge begünstigt. Zum einen findet Diffusion statt. Da die Konzentration an Wassermolekülen im Boden größer ist, wandern diese durch die Membran in die Zellen. Ein ungehinderter Konzentrationsausgleich findet statt. Außerdem kommt es zur Osmose. Die halbdurchlässige Membran lässt keine gelösten Stoffe aus der Zelle, weil ihre Poren zu klein sind. Die Konzentration von osmotisch wirksamen Stoffen ist daher in der Zelle häufig größer als außerhalb. Wassermoleküle können aber weiter eindringen. Um einen Konzentrationsausgleich zu erreichen, dringen also theoretisch so lange Wassermoleküle ein, bis die Konzentrationen an gelösten Stoffen ausgeglichen sind. Osmose ist also nichts weiter als Diffusion von Wasser in eine Richtung durch eine semipermeable Membran. Osmose und Diffusion sorgen also für die Wasseraufnahme in der Wurzel. Sollten sich die beschriebenen Prozesse jedoch umkehren, hat die Pflanze ein Problem. Sie trocknet aus. Das passiert zum Beispiel bei Überdüngung. Wichtige Mineralsalze werden als Ionen aufgenommen. Diese können die Membran nicht einfach passieren, sondern müssen unter Energieverbrauch in das Innere der Zelle transportiert werden. Gelöste Stoffe und Wassermoleküle werden durch Rhizodermis, Wurzelrinde und Endodermis bis in die Gefäße transportiert. Der Transport zu den Blättern findet in den Sprossachsen statt. Schauen wir uns eine solche mal im Querschnitt an. Du wirst verschiedene Gewebetypen erkennen. Hier siehst Du die schützende Epidermis, die Rinde zur Speicherung und Festigung und das Kambium, das neue Zellen bildet. In den Leitbündeln findet der eigentliche Transport statt. In den Siebzellen werden alle von der Pflanze selbst produzierten organischen Stoffe an die Orte geleitet, an denen sie gebraucht werden. Durch Diffusion wird so hauptsächlich gelöster Zucker von Zelle zu Zelle transportiert. In den Gefäßen wird Wasser mitsamt der Mineralsalze aus dem Boden zu Blättern befördert. Doch wie schaffen es Pflanzen, die Schwerkraft zu überwinden? Tatsächlich müssen sie hierfür keinerlei Energie aufwenden. Der Transport folgt drei rein physikalischen Gesetzen. Schauen wir uns die ersten beiden anhand eines Experimentes an. Hier siehst Du ein Glasgefäß mit unterschiedlich dicken Röhren. Füllst Du Wasser hinein, wird der Wasserspiegel unterschiedlich hoch steigen. Je enger der Durchmesser der Röhre, desto weiter wandern die Wassermoleküle nach oben. Das liegt zum einen an dem Anheftungsvermögen der Teilchen an der Gefäßwand, der sogenannten Adhäsion. Zum anderen ziehen die am Rand emporwandernden Wassermoleküle weitere nach. Sie haben einen gewissen Zusammenhalt. Diesen bezeichnet man als Kohäsion. Der dritte Faktor des Wassertransports ist der Transpirationssog. Dieser ist wieder mit einem Konzentrationsgefälle zu erklären. In den Laubblättern ist mehr Wasser enthalten als in der sie umgebenden Luft. Dadurch wird Wasser als Wasserdampf über Spaltöffnungen abgegeben. Transpiration findet statt. Durch das entweichende Wasser entsteht ein Sog bis in die Wurzel. Dieser sorgt dafür, dass Wassermoleküle durch die Zellen bis in die Blätter diffundieren, um das Konzentrationsgefälle auszugleichen. Durch die ständig eindringenden Wassermoleküle an den Wurzelhaaren entsteht zudem ein so genannter Wurzeldruck. Fassen wir noch einmal zusammen: Wasser und gelöste Nährstoffe werden über die semipermeable Membran der Wurzelhaare durch Diffusion und Osmose aufgenommen. In den Gefäßen der Sprossachse werden sie durch Adhäsion, Kohäsion, Transpirationssog und Wurzeldruck bis in die Blätter transportiert. Diese physikalischen Vorgänge wirken der Schwerkraft entgegen. Entlang der Siebzellen werden gleichzeitig organische Stoffe, hauptsächlich Zucker, durch Diffusion zu den Orten des Verbrauchs befördert. Jetzt weißt Du Bescheid, warum Pflanzen kein Herz wie wir brauchen, um den Transport lebenswichtiger Stoffe in Gang zu halten. Tschüss!

1 Kommentar

1 Kommentar
  1. Wow! Biologie ist zwar nicht mein Fall, aber so wie es erklärt wurde, war alles verständlich für mich. Danke! :-)

    Von Minh Thanh T., vor fast 5 Jahren

Wasseraufnahme und Wassertransport bei Pflanzen – Kohäsion und Adhäsion Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wasseraufnahme und Wassertransport bei Pflanzen – Kohäsion und Adhäsion kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre die Wasseraufnahme von Pflanzen.

    Tipps

    Auf dem Bild siehst du in einem Experiment, wie Osmose vonstattengeht.

    Lösung

    Die Wasseraufnahme in den Wurzeln, genauer den Wurzelhaaren, erfolgt mit Hilfe von Osmose und Diffusion. Die Wurzelhaare besitzen halbdurchlässige Membranen. Innerhalb der Wurzelhaarzellen befinden sich Vakuolen mit osmotisch aktiven Substanzen. Um einen Konzentrationsausgleich zu erzielen, fließen die Wassermoleküle durch die Membranen in die Zellen. Da die Membranen halbdurchlässig sind, können jedoch keine anderen Substanzen aus der Zelle fließen. Einen Konzentrationsausgleich durch eine halbdurchlässige (semipermeable Membran) nennt man Osmose. Einen ungehinderten Konzentrationsaustausch nennt man Diffusion.

  • Benenne die Funktionen der Sprossachsengewebe.

    Tipps

    Du kannst anhand der Struktur und der Lage der Gewebe oft ableiten, welche Funktionen sie haben.

    Lösung
    1. Das äußerste Gewebe der Sprossachse ist die Epidermis. Die Epidermis schützt die Sprossachse.
    2. Unter der Epidermis liegt die Rinde. In der Rinde werden Nährstoffe gespeichert. Außerdem gibt sie der Pflanze Stabilität und Festigkeit.
    3. Das Kambium befindet sich zwischen Siebzellen und Gefäßzellen im Leitbündel und produziert neue Zellen. Übrigens findest du ein Kambium nur bei zweikeimblättrigen Pflanzen.
    4. Die Leitbündel beinhalten Gefäß- und Siebzellen (und Kambium) und haben eine Transportfunktion. Übrigens sind nur bei zweikeimblättrigen Pflanzen die Leitbündel im Kreis angeordnet. Schaut man sich eine Sprossachse einer einkeimblättrigen Pflanze unterm Mikroskop an, erkennt man eine ungeordnete Verteilung der Leitbündel.
    5. Die Siebzellen transportieren organische Stoffe, welche von der Pflanze produziert wurden in die Pflanzenorgane.
    6. Die Gefäßzellen transportieren Wasser und Mineralsalze aus dem Boden in die Pflanze.
  • Erkläre, warum die Blüte der Tulpe blau wird.

    Tipps

    Transpiration ist das Verdunsten von Wasser an den Spaltöffnungen der Blätter.

    Lösung

    Die Blüte färbt sich blau, weil das Wasser mit den Wassermolekülen bis in die Blüten transportiert wird. Die geschieht aufgrund des Transpirationssogs, welcher durch die Transpiration der Pflanze entsteht. Adhäsionskräfte bewirken, dass die Wassermoleküle an der Gefäßwand haften, und Kohäsionskräfte, dass sie untereinander haften.

  • Erläutere die Funktionsweise eines „magischen Klebers“.

    Tipps

    Was ist der Unterschied zwischen Adhäsion und Kohäsion?

    Lösung

    Die Glasplatten halten durch Kohäsion und Adhäsion der Wasser- und Glasmoleküle aneinander. Zwischen den Wassermolekülen besteht ein Zusammenhalt. Dieser wird als Kohäsion bezeichnet. Dieser Zusammenhalt kann auch zwischen verschiedenen Stoffen bestehen, also der Glasplatte und dem Wasser. In diesem Fall spricht man von Adhäsion.

  • Nenne die Eigenschaften der Wurzelhaare.

    Tipps

    Wurzelhaare sind für die Wasseraufnahme verantwortlich.

    Lösung

    Wurzelhaare vergrößern die Fläche der Wurzel (Prinzip der Oberflächenvergrößerung), über die Wasser aufgenommen werden kann. Weiterhin besitzen ihre Zellen halbdurchlässige (semipermeable) Membranen, sodass Wasser eindringen kann, aber keine Ionen austreten können. Sie besitzen weiterhin Vakuolen mit osmotisch wirksamen Substanzen, damit Wasser aufgrund des Konzentrationsgefälles in die Zellen strömt (Osmose).

  • Erkläre, warum die Wasseraufnahme ohne Energie möglich ist, die Ionenaufnahme jedoch nur unter Energieverbrauch.

    Tipps

    Überlege dir, welche Eigenschaften die Membranen der Wurzelhaare haben. Kann jedes Teilchen frei durch die Membran diffundieren?

    Lösung

    Die Ionenaufnahme muss unter Energieverbrauch geschehen, weil die Membran nicht durchlässig für Ionen ist. Nur Wasserionen können die Membran ungehindert passieren. Aus diesem Grund müssen Transportsysteme der Membranen die Ionen in die Zellen transportieren. Wären die Membranen durchlässig für Ionen, dann könnte es sein, dass Ionen ausfließen, wenn die Ionenkonzentration in der Pflanze höher ist als draußen. Daher ist es sehr sinnvoll, dass die Membran nur unter Energieverbrauch durchlässig für Ionen ist.

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