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Sep 27, 2023

Unterwegs: Informationen aus Holz herauspressen

Dieses Foto zeigt einen Querschnitt durch einen Baumstamm, der die Asymmetrischkeit zeigt

Dieses Foto zeigt einen Querschnitt eines Baumstammes und zeigt das asymmetrische Wachstum, das durch die Neigung des Baumes hervorgerufen wird. (Mary F. Willson / Für das Juneau Empire)

Holz als biologische Einheit, nicht als zu verkaufende Ware oder als zu beseitigendes Ärgernis.

Von Mary F. Willson

Für das Juneau Empire

Nach einigen starken Winden lagen viele umgestürzte Bäume über den Wegen. Die Wanderarbeiter machten bald die Wege frei und ließen die abgeschnittenen Enden der Baumstämme zurück, wo wir die Jahresringe zählen konnten, wenn wir wollten. Als ich diese freiliegenden Ringe sah und an die verdrehten Stämme einiger Kiefern dachte, musste ich ein wenig über Holz nachdenken – Holz als biologische Einheit, nicht als zu verkaufende Ware oder als zu beseitigendes Ärgernis.

Wachstumsringe sind die Querschnitte des Xylemgewebes (wie Botaniker es nennen, vom griechischen Wort für Holz) und bilden das, was wir Holz nennen. In gemäßigten Zonen werden Ringe jährlich von lebenden Bäumen produziert. Unter der Rinde befindet sich ein spezielles Gewebe namens Kambium, das Xylemzellen in Richtung der Mitte des Baumes und andere Gewebe, sogenannte Phloem, auf der Rindenseite ablagert. Phloem transportiert die von den Blättern synthetisierten Kohlenhydrate zu anderen Teilen des Baumes; Spezielle horizontal ausgerichtete Holzstrahlzellen transportieren diese Kohlenhydrate vom Phloem zum Xylem. Das Xylemgewebe sorgt für den Wasser- und Mineraltransport von den Wurzeln zu den Blättern, für Unterstützung und Wasserspeicherung. Es wird angenommen, dass es eine Grenze gibt (die durch die Schwerkraft und andere Faktoren bestimmt wird), wie hoch ein Baum eine Wassersäule heben kann (zwischen 400 und 426 Fuß), und einige Mammutbäume kommen dem nahe.

Im Allgemeinen weisen breite Wachstumsringe auf gute Wachstumsjahre hin, schmale auf schlechte Jahre. Das erste Holz, das im Frühjahr abgelegt wird, hat größere, dünnwandigere Zellen, ist also weniger dicht und hat eine hellere Farbe, während später in der Saison dunkleres, dichteres Holz hinzugefügt wird. Dieser Farbkontrast macht es relativ einfach, die Ringe zu zählen. Manchmal sind die Ringe nicht symmetrisch – auf einer Seite des Baumes breiter als auf der anderen. Ein Baum, der sich neigt (z. B. wenn er regelmäßig starkem Winddruck ausgesetzt ist oder ein umgestürzter Baum dagegen drückt), kann auf der dem Druck abgewandten Seite mehr Holz entwickeln, was dazu beiträgt, dass der Baum aufrecht wächst.

Jede Xylemschicht enthält eine Vielzahl von Zelltypen, darunter Stärkespeicherzellen und andere. Aber hier möchte ich mich auf die Zellen konzentrieren, aus denen das hydraulische, wasserführende System besteht. Der Wasserdurchgang in dieser Rohrleitung wird teilweise durch die von den Wurzeln aufgenommene Wassermenge, teilweise durch die Bedingungen entlang der Rohrleitung und hauptsächlich durch die Verdunstung aus den Blättern am oberen Ende (von Botanikern Transpiration genannt) gesteuert. Wassermoleküle sind polar (mit einer positiven und einer negativen Seite), daher neigen sie dazu, aneinander zu haften, und die gesamte Wassersäule wird nach oben gezogen, wenn diese Moleküle von den Blättern in die Luft gelangen. Die Rohrleitung ist sehr schmal und die Kapillarwirkung an den Rohrseiten erleichtert die Wasserbewegung relativ leicht. Blätter haben Öffnungen, sogenannte Stomata, die sich öffnen lassen, um das Wasser in Bewegung zu halten, oder schließen können, um Wasser zu sparen. Dieses System kann in Schwierigkeiten geraten, wenn der Baum Frost-Tau-Zyklen ausgesetzt ist, bei denen gefrorene Flüssigkeit Luftblasen herausdrückt, die dazu neigen, die Wassersäule zu durchbrechen und den Fluss zu stoppen (eine Embolie, wie sie manchmal in den Blutgefäßen von Tieren auftritt). Das Problem kann sich verschärfen, wenn die Wasserversorgung niedrig ist, wie beispielsweise während einer Dürre.

Wenn ein Baum wächst und altert, leitet das ältere Xylem kein Wasser mehr und wird dunkler; es behält seine Stütz- und Speicherfunktionen (wir nennen es „Kernholz“). Das jüngere Holz („Splintholz“) hat die wasserleitende Funktion, ist aber auch ein wichtiger struktureller Träger.

Obwohl die Holzdichte größtenteils genetisch kontrolliert werden kann, können Wachstumsbedingungen (Schatten, Bodenfruchtbarkeit und -feuchtigkeit usw.) auch die Eigenschaften des hydraulischen Systems beeinflussen, einschließlich der Menge an Blattoberfläche und Stomata, die Wasser abgeben, sowie der wasserleitenden Zellen selbst. Die meisten Baumpopulationen weisen erhebliche genetische und umweltverträgliche Variationen auf.

Die wasserführenden Rohrleitungen von Nadelbäumen und Blütenpflanzen (Angiospermen genannt – zu den Holzarten gehören Ahorn, Erle, Eiche usw.) sind unterschiedlich. Nadelrohrleitungen bestehen aus „Tracheiden“, spindelförmigen Zellen, die sich an beiden Enden verjüngen und an den Seiten viele Vertiefungen aufweisen. Benachbarte Tracheiden sind zueinander versetzt, aber ihre Tüpfel sind aufeinander abgestimmt, sodass das Wasser im Zickzack von einer zur anderen fließen kann. Bei einem hohen Baum kann das Wasser auf dem Weg nach oben zu den Blättern viele tausend Tracheiden und entsprechende Vertiefungen passieren. Diese Gruben verfügen über ein kompliziertes, spezielles Ventil, das den Fluss von einer Zelle zur nächsten steuert. Dies trägt dazu bei, dass sich eine Tracheide von einer Embolie erholen kann, und verringert das Risiko, dass eine Embolie von einer Tracheide auf eine andere übergeht. Die Wassertransportsysteme von Nadelbäumen sind relativ schmal und resistent gegen Frost-Tau-Wechsel. Der größte Teil der strukturellen Unterstützung im Nadelholz-Xylem kommt von den Tracheiden. Diese Zellen sterben mit zunehmendem Alter ab, können aber ihre leitende Funktion über Jahre hinweg aufrechterhalten.

Die holzigen Angiospermen haben auch einige Tracheiden, aber Strukturfasern übernehmen den größten Teil der Stütze und (bei den meisten Arten) besteht ihre wasserleitende Hauptleitung aus Zellen, die „Gefäße“ genannt werden. Diese Zellen sind säulenförmiger und breiter als Tracheiden und haben an jedem Ende große Öffnungen, die durch ventilartige Kontrollvorrichtungen geschützt sind. Sie reihen sich übereinander und das Wasser kann direkt durch das Rohr nach oben fließen. Es wird angenommen, dass diese Anordnung diesen Pflanzen eine größere Fähigkeit zur Wasserbewegung verleiht, sie scheinen jedoch anfälliger für Frost-Tau-Zyklen zu sein als Nadelbäume. In einer Studie wurde beim Vergleich vieler Angiospermenarten festgestellt, dass diejenigen mit höherer Transporteffizienz eine geringere Embolieresistenz aufwiesen, und diese Unterschiede standen im Zusammenhang mit der Wasserverfügbarkeit in den Lebensräumen der Arten. Weitere vergleichende Studien werden sicherlich mehr Variationen entdecken, die mit Umweltbedingungen zusammenhängen.

Einzelheiten dieser hydraulischen Systeme und ihrer Funktionsweise sind die Domäne von Wasserbauingenieuren!

• Mary F. Willson ist eine pensionierte Professorin für Ökologie. „On the Trails“ erscheint jeden Mittwoch im Juneau Empire.

Dieses Bild zeigt einen schematischen Vergleich wasserleitender Zellen von Blütenpflanzen (links) und Nadelbäumen (rechts). (Mit freundlicher Genehmigung von KM Hocker)