Artikel vom 09.05.2006

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Wissenswertes

Wenn der Wald erwacht

Alles neu macht der Mai: Ein paar Erläuterungen, wie das alljährliche Wiederbeleben der Bäume und Sträucher vor sich geht

Von Urs Max Weber



Lichtes Frühlingskleid des Waldes: Zusammenspiel von Licht, Luft, Wasser und Physik bringt jedes Jahr das Wunder des Natur-Erwachens zustande.



Vielleicht haben Sie sich auch schon mal gefragt, woher besonders die laubwerfenden Bäume und Sträucher im Frühling die Kraft nehmen, ihr Blätterkleid ganz von Neuem zu bilden und zu entfalten. Damit dieses alljährlich wiederkehrende Wunder gelingen kann, hat die Natur im Lauf von Jahrmillionen eine Reihe von Mechanismen entwickelt, die dem Naturgänger nicht so ohne weiteres ins Auge springen, aber es der Wert sind, hier einmal genauer betrachtet zu werden.

Die Vorsorge macht's möglich: Der Grundstein für das Ergrünen im Frühling wird bereits im vorangehenden Jahr gelegt. Sobald die Bäume ihr neues Blattkleid entfaltet haben, beginnen sie auch sogleich mit der Bildung von Zweig-, Blüten- und Blattknospen, die en miniature und eng gebündelt je einen ganzen Zweig, ein Blatt oder eine Blüte enthalten (siehe Abb. 1). In der gemässigten Klimazone sind die Knospen je nach geographischer Breite und Höhe über Meer bereits im Juni oder Juli voll ausgebildet, auch wenn sie sich erst im folgenden Jahr entfalten werden.



Abb. 1: Schnitt durch die pralle Endknospe einer Rosskastanie (Aesculus hippocastanum). Gut sichtbar sind die Umrisse des miniaturisierten, nächstjährigen Zweiges.



Damit die in den Knospen «schlafenden» Miniorgane austreiben und wachsen können, aber auch um frisches Holzgewebe für die Wasserleitung bilden zu können, werden im Frühling Reservestoffe (vor allem Kohlenhydrate) mobilisiert, die ebenfalls im Vorjahr produziert und in speziellen Strukturen, den Mark- oder Holzstrahlen (siehe Zeichnungen), eingelagert wurden.

Bei genauerem Hinsehen fällt auf, dass nicht alle Knospen gleich gross sind. Dies hängt einerseits davon ab, um was für eine Knospe es sich handelt (Blütenknospen sind meist grösser als Blattknospen), aber auch die Stellung der Knospe innerhalb der Krone spielt eine entscheidende Rolle. Dies trifft insbesondere für Zweigknospen zu, von denen die sogenannte Endknospe jeweils klar dominiert.

Je mehr sich diese Knospe in einer Position senkrecht über dem Hauptstamm befindet, desto stärker dominiert sie. Man kann sagen, dass die Schwerkraft die Bedeutung der Knospen steuert. Bei vielen Nadelhölzern ist die Dominanz der Terminalknospe (der allerobersten) des Gipfeltriebes besonders deutlich sichtbar.

Die Endknospe behauptet ihre Vormachtstellung mit Hilfe von Pflanzenhormonen. In ihrer Spitze bildet sie u.a. das Hormon Auxin, und die Schwerkraft verteilt es an die hinter ihr liegenden Knospen, die dadurch im Wachstum gehemmt werden. Das Auxin regelt die Wuchsenergie also derart, dass v.a. die Endknospe des Gipfeltriebes mehr Saft erhält, ihre Spitzenstellung ausbauen und die grösste Knospe bilden kann. Sie wird im folgenden Jahr dominieren, der Baum wächst in die Höhe. Entfernt man den Gipfeltrieb, übernimmt automatisch der nächsttiefer gelegene Trieb die Führung.

Wie merken Pflanzen, dass der Frühling naht?

Die Vorsorge ist eine, das Erkennen der Jahreszeiten eine andere wichtige Voraussetzung für das Überleben der Pflanzen. Sowohl die Temperatur als auch der Niederschlag ist in vielen Fällen kein zuverlässiges Mass für das Erkennen einer Jahreszeit, denn beide Umweltfaktoren sind unregelmässigen und zum Teil starken, kurzfristig eintretenden Schwankungen unterworfen.

Das einzige, von klimatischen Schwankungen unabhängige und damit jederzeit zuverlässige Mass der Jahreszeit ist die Tageslänge. Untersuchungen haben gezeigt, dass viele Pflanzen in der Lage sind, die Tageslänge auf Minuten genau zu messen und ihre Entwicklung mit Hilfe dieser physiologischen Uhr zu steuern.

Die Fachleute sprechen von Photoperiodismus: Die physiologische Uhr der Pflanzen misst dabei nicht die effektive Lichtmenge, die je nach Bewölkung stark variieren kann, sondern lediglich die Dauer der Belichtung.

Zusätzlich können die Pflanzen zwischen zu- und abnehmenden Tageslängen unterscheiden.

Dies ist sehr wichtig, da ja mit Ausnahme des kürzesten und längsten Tages alle Tageslängen zweimal pro Jahr auftreten und es ganz entscheidend ist, ob sich eine Pflanze im Frühling oder Herbst befindet.

Die photoperiodische Steuerung muss also mit einem weiteren Kontrollmechanismus gekoppelt sein. Häufig dient den Pflanzen die Temperatur oder genauer gesagt die zeitliche Veränderung der Temperatur als Indiz für ihren jahreszeitlichen Standort.

In bezug auf die Blütenbildung kann man zwischen Langtag-, Kurztag- sowie tagneutralen Pflanzen unterscheiden. Während die Blütezeit der tagneutralen Pflanzen keiner photoperiodischen Steuerung unterliegt, kommen die Langtagpflanzen (z.B. einheimische Getreidearten, Salat, Spinat oder bestimmte Tabakarten) erst zur Blüte, wenn eine bestimmte Tageslänge überschritten wird.

Die Kurztagpflanzen (z.B. Reis, Hirse, Kartoffel oder bestimmte Tabakarten) hingegen blühen erst, wenn die Tageslänge unter einem bestimmten Wert bleibt. Die Blütenbildung der tagneutralen Pfllanzen (viele Kosmopoliten, z.B. Roter Fingerhut, Löwenzahn, Acker-Täschelkraut oder Gurke) wird v.a. von der Temperatur reguliert.


Die Kraft, die das Wasser treibt

Wasser ist für alles Leben hienieden, für Mensch, Tier und Pflanzen ein unverzichtbares, lebensspendendes Element. Ohne Wasser können die Bäume in den Blättern und Nadeln keine Photosynthese betreiben, und ohne den ersten Wasserschub im Frühling und die darin gelösten Nährstoffe und Spurenelemente könnten sie die Blätter erst gar nicht bilden. Wie gelangt das Wasser aber eigentlich in die Baumkronen?

Der erste Teil der Antwort ist einfach zu verstehen: die Blätter transpirieren, «schwitzen» Wasser. Durch diese stetige Verdunstung entsteht ein Unterdruck, der Wasser aus dem Wurzelbereich samt den darin gelösten Mineral- und Nährstoffen durch die Leitbündel nach oben reisst. Es ist also eigentlich die Sonnenenergie, welche den Wassertransport in Gang hält. Bei den meisten Bäumen liegt die Geschwindigkeit, mit der das Wasser in die Krone gelangt, zwischen einem bis mehreren Metern pro Stunde, kann aber bei Lianen über 100 m/Std. erreichen!

Welche Kraft aber treibt das Wasser bei den laubwerfenden Bäumen nach der unbelaubten Winterruhe hinauf in die Krone? Die Sogwirkung der Verdunstung kann ohne Blätter ja noch nicht stattfinden – das blattlose Frühjahr wird zum Problem.

Hier kommt den Bäumen der sogenannte Wurzeldruck zur Hilfe. Schneidet man im Frühjahr einen Baum oder Strauch knapp über dem Wurzelansatz ab, so tritt aus dem Stumpf unter Druck Wasser aus, auch wenn noch gar keine Blätter vorhanden sind. Im Volksmund sagt man «der Baum steht im Saft».

Die Wurzeln scheinen das Wasser regelrecht hochzupressen. Dieser Wurzeldruck kommt vermutlich dadurch zustande, dass Salze aus lebenden Holzzellen in die Leitgefässe transportiert werden. Dadurch entsteht ein Druckgefälle, welches dazu führt, dass Wasser aus dem Boden angesaugt wird.

Die Bäume haben im Lauf der Zeit verschiedene Systeme entwickelt, den Wassertransport zu bewerkstelligen. Man kann drei Holztypen unterscheiden, die sich im Querschnitt besonders gut unterscheiden lassen (Abbildungen der Querschnitte durch die drei wichtigsten Holztypen der von Jahreszeiten geprägten Klimazonen):

1. Nadelhölzer - Nadelholz ist im Vergleich zu Laubholz einfach aufgebaut. Im Frühjahr werden vom Kambium gleichmässig relativ grosse Zellen, sogenannte Tracheiden gebildet, die zur Hauptsache der Wasserleitung dienen (Frühholz), während die mit fortschreitender Vegetationsperiode gebildeten Tracheiden sukzessive kleiner werden und vor allem eine Stützfunktion haben (Spätholz). Schliesslich stellt das Kambium im Spätsommer die Zellteilung ganz ein. Ein Jahrring ist entstanden.





2. zerstreutporige Laubhölzer - Die Laubhölzer haben für die Wasserleitung spezielle, weitlumige Zellen, Tracheen oder Gefässe genannt, entwickelt, die eine effektivere Wasserleitung ermöglichen und bei den zerstreutporigen Laubhölzern regelmässig über den ganzen Jahrring verteilt sind. Die Mehrzahl unserer einheimischen Laubbäume sind zerstreutporig, so z.B. der Ahorn, die Birke, Buche, Linde und Pappel.





3. ringporige Laubhölzer - Sie bilden die Tracheen bevorzugt im Frühjahr und sehen im Querschnitt deshalb wie Ringe aus. Die Tracheen der Ringporigen haben im allgemeinen einen grösseren Durchmesser und eine grössere Länge als die der Zerstreutporigen (bis 10 m bei Ringporigen, 1-2 m bei Zerstreutporigen), weshalb das Wasser in ihnen bis zu zehn Mal schneller geleitet wird.




Da bei ringporigen Bäumen immer nur der jüngste, äusserste Jahrring aktiv ist, müssen sie im Frühjahr zuerst das Wasserleitungssystem neu bilden, weshalb die Blätter in der Regel später austreiben als bei zerstreutporigen Bäumen. Ringporig sind bei uns z.B. die Edelkastanie, Eiche, Esche, Robinie oder Ulme, aber auch die Weinrebe und Berberitze.

Warum Bäume nicht endlos in den Himmel wachsen

Der durch die Verdunstung in den Blättern entstehende Sog bewirkt, dass die dünnen Wasserfäden gewissermassen an den höchsten Punkten des Baumes hängen bleiben. Es stellt sich nun die Frage, ab welcher Höhe die feinen Wassersäulen abzureissen drohen.

In einem feinen Hygrometer mit glatten Glaswänden passiert dies bereits bei einer Höhe von ca. 10 m. Die Wände der Leitgefässe sind indessen nicht glatt, sondern durch eine Vielzahl von mikroskopischen Strukturen aufgerauht, wodurch die Wasserleitung eine grössere Reibung und damit auch einen grösseren Widerstand erfährt.

Diese Haftreibung, in der Fachsprache Adhäsion genannt, ist der Hauptgrund dafür, dass die Wasserfäden viel weniger schnell reissen als in einem Glasröhrchen von vergleichbarer Länge und Dicke. Der Leitungswiderstand setzt allerdings eine gewaltige Saugkraft der Baumkrone voraus. Bei trockener Luft kann der durch den Verdunstungssog entstehende Unterdruck in den Leitgefässen denn auch gegen 100 Atmosphären betragen.

Aus Experimenten weiss man, dass der Wasserfaden bei ca. 300 Atmosphären Unterdruck reisst. Es ist nun leicht vorstellbar, dass in 200 oder 300 m hohen Bäumen auch ein höherer Unterdruck benötigt würde, um das Wasser vom Boden in die Kronen zu transportieren, wodurch die Gefahr steigt, dass die Wasserstränge reissen und die Bäume austrocknen.

So ist es die Physik, die den himmelsstrebenden Bäumen letztendlich eine klare Grenze setzt.

Den Welthöhenrekord hält der Küsten-Mammutbaum (Sequoia sempervirens), der an der Pazifikküste Kaliforniens wächst und bis zu ca. 110 m hoch werden kann. Dicht gefolgt wird er von einer Eukalyptenart (Eucalyptus regnans), die in Australien und Tasmanien beheimatet ist, und beinahe gleich hoch wird.

Bekannter als der Küsten-Mammutbaum ist der auch bei uns in vielen Parks und Gärten gepflanzte Riesen-Mammutbaum (Sequoiadendron giganteum, siehe Abb. 3). Er erreicht mit etwas mehr als 90 m zwar nicht ganz die schwindelerregende Höhe seines Verwandten an der Küste, aber seine enormen Stämme machen ihn unbestritten zum König der Bäume.

Die Heimat des Riesen-Mammutbaums ist der Westabhang der Sierra Nevada in Kalifornien (Sequoia Nationalpark, Kings Canyon Nationalpark, Yosemite Nationalpark). Beide Mammutbaumarten liefern ausgesprochen wertvolles Holz, weshalb die einst ausgedehnten Bestände in der Vergangenheit stark abgeholzt wurden und im Fall des Küsten-Mammutbaums z.T. auch heute noch werden. Besonders der Riesen-Mammutbaum kommt heute denn auch nur noch an wenigen, isolierten Standorten vor.

Gäbe es die oben erwähnten, physikalisch bedingten Hürden nicht, so wären Baumriesen von weit mehr als tausend Metern Höhe denkbar. Dies ist indessen eine ziemlich theoretische Überlegung, da Faktoren wie starke Winde oder flachgründige Böden dem Höhenwachstum dieser «Superbäume» aus statischen Gründen Grenzen setzen würden. Je höher ein Baum, je ausladender seine Krone und je flachgründiger der Boden, desto grösser ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass er durch die grösseren Hebelkräfte des Windes umgeworfen wird.



Kein grenzenloses Wachstum: Stammbasis zweier gewaltiger Riesen-Mammutbäume (Sequoiadendron giganteum) im Yosemite Nationalpark, Kalifornien. Eindücklicher Grössenvergleich Mensch-Baum, sichtbar allein am Wurzelbereich der über 100 Meter hohen Riesen.




Europäischer Mammutbaum in der deutschen Stadt Herten: Die 20 Meter lange Leiter der Feuerwehr reicht nicht aus, um die Weihnachtsbeleuchtung 2005 mit ihren 5000 elektrischen «Kerzen» anzubringen.



red.- Dr. phil. II Urs Weber ist Dendrochronologe am Botanischen Institut der Universität Basel und Dozent an den Volkshochschulen beider Basel und Zürich. Wohnhaft ist er in Oltingen (Baselland), wo er auch Präsident der Stiftung zur Erhaltung der historischen Sägemühle ist.

Urs Weber wird künftig für webjournal.ch populär aufgearbeitete Themen aus dem wissenschaftlichen Bereich von Wald und Natur für die Rubriken «Wissenswertes» oder «Rubrikübergreifendes» verfassen. Die Redaktion von webjournal.ch freut sich, ihn trotz seiner geringen Freizeit als Mit-Autor begrüssen zu dürfen und dankt ihm für diesen ersten Beitrag herzlich!


Von Urs Max Weber


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