Ich habe letzte Woche in Wien einen Workshop über Wissenschaftsblogs gehalten und den Teilnehmern angeboten, ihre dort verfassten Texte als Gastbeitrag in meinem Blog zu veröffentlichen um „echtes“ Feedback sammeln zu können. Dieser Artikel ist einer der Gastbeiträge und wurde von Thomas Weninger verfasst.
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Dass Wasser nicht gleich Wasser ist, wird einem spätestens dann klar, wenn man unfreiwillig einen Schwall Adriawasser schluckt und sich denkt, dass der erfrischende Schluck aus dem Gebirgsbach bei der letzten Wanderung doch eine ganz andere Wirkung hatte. Gut, klar, da ist Salz drin. Abseits davon soll auch jedes Leitungswasser zum Allheilmittel werden, wenn es in richtig energetisierter und belebter Form eingenommen wird. Nicht erwiesen, möglicherweise esoterische Geschäftemacherei? Wissenschaftlich etwas fundierter wird nach einer neuen These das Wasser in unserer Umwelt in zwei verschiedene Bereiche getrennt, die ganz unbescheiden „Welten“ genannt werden. Das Wasser aus der ersten Welt befände sich danach im Boden, nahe an der Pflanzenwurzel, und in Pflanzen – das aus der anderen in Wolken, Regen, großen Poren im Boden, Bächen und Flüssen. Die Unterschiede liegen in der Zusammensetzung und eine Bestätigung dieser Hypothese brächte ein neues Verständnis der Trinkgewohnheiten von Waldbäumen, Ackerpflanzen und auch des Gummibaumes am Wohnzimmerkästchen mit sich.
Während eines spannenden Arbeitstages, den ich wie die meisten mit der Frage verbrachte, wohin, warum und wie schnell sich denn nun das Wasser im Boden bewegt, stieß ich auf die plakative „Two Water Worlds Hypothesis“. Kanadische Hydrologen um Jeffrey J. McDonnell von der Universität Saskatchewan haben beschrieben („Ecohydrologic separation of water between trees and streams in a Mediterranean climate„), dass Wasser, das von Pflanzen aufgenommen und verdunstet wird, schon viel länger im Boden verweilt hatte, als der letzte ausgiebige Regen zurücklag. Dieses Wasser hatte sich am Ende des Winters (Schneeschmelze) oder im Herbst (Einstellung des Pflanzenwachstums) im Boden eingelagert und danach nicht mehr wesentlich mit dem Niederschlagswasser vermischt. Auch nach Regenfällen, die auf längeren Trockenperioden folgten, blieb das aufgenommene Wasser in seiner Zusammensetzung unterschiedlich zum Niederschlagswasser. Es wird hier also nicht, wie man vermuten könnte, das neue, leicht verfügbare Regenwasser von der gierigen, austrocknenden Pflanze mit Hochdruck aufgesogen, sondern nur durch den Nachschub die Aufnahme des bereits vorhandenen Bodenwassers erleichtert. Das Niederschlagswasser hingegen fließt recht rasant durch den Boden und findet sich bald im Grundwasser oder in Flüssen wieder. Bis jetzt wurde meist davon ausgegangen, dass sich das Wasser im Boden recht schnell mischt und in dessen von Pflanzen aufnehmbaren Anteil keine wesentlichen Unterschiede in der Zusammensetzung bestehen.
Ich finde es dann interessant, wie man zu Daten und Messwerten kommt, die solche Thesen begründen können. In den hier angeführten Publikationen stößt man da auch gleich auf eine besonders interessante und vielfältige Technik. Die Möglichkeit, das „Alter“ des Wassers im Boden zu messen, ergibt sich aus der Bestimmung seiner Isotopenzusammensetzung. Wasser besteht bekannterweise aus Sauerstoff und Wasserstoff – in der Natur treten diese beiden Stoffe ganz gehorsam in ihrer im Periodensystem vorgeschriebenen Konfiguration von Elementarteilchen (Elektronen, Protonen, Neutronen) auf, aber auch in davon leicht abweichenden Formen, als sogenannte stabile Isotope. Ist in einem Wassermolekül ein solches Isotop eingebaut, ist es schwerer, verdunstet weniger leicht und kondensiert eher (in Wolken) als das Norm-Molekül. Aus den Gehalten an solchen schweren Wassermolekülen kann recht genau nachvollzogen werden, aus welcher Wolke ein untersuchter Wassertropfen stammt, wann er auf die Erde niederfiel und welche Wege er schon im Boden oder in Pflanzen ging.
Was bedeutet das nun für Deinen Gummibaum? Zugegebenermaßen wenig. Viel wichtiger ist eine mögliche Anwendung dieses Prinzips zum Beispiel bei der Planung von Düngereinsatz in der Landwirtschaft – wie bekomme ich den Dünger dazu, von der Pflanze aufgenommen zu werden und nicht im Grundwasser Unheil anzurichten? Wie lange braucht ein Wassertropfen bis er in einem Fluss angekommen ist? Viele Wassertropfen zusammen ergeben ein Hochwasser – die Abschätzung des Ausmaßes einer Überschwemmung kann ebenfalls durch die tiefgehende Kenntnis der ablaufenden Fließprozesse verbessert werden. Um solche Fragestellungen konkret zu beantworten, bedarf es jedoch noch ausgiebiger Untersuchung der vorgestellten Hypothese. Die zwei Wasserwelten sind zur Zeit noch nur als solche zu verstehen, werden laufend kritisch diskutiert und in verschiedensten Ökosystemen weltweit geprüft.
Weiterführende Information:
Quellen
- Brooks R, Barnard R, Coulombe R, McDonnell JJ. Ecohydrologic separation of water between trees and streams in a Mediterranean climate. Nat Geosci 2010, 3:100–104. doi: 10.1038/NGEO722.
- McDonnell, JJ. The two water worlds hypothesis: ecohydrological separation of water between streams and trees? WIREs Water 2014. doi: 10.1002/wat2.1027
- Carter Berry, Z., et al. The two water worlds hypothesis: Addressing multiple working hypotheses and proposing a way forward: The two water worlds hypothesis. Ecohydrology. 2017;e1843. doi.org/10.1002/eco.1843
Weitere einführende Infos zu Wasser im Boden gibt’s auf Wikipedia, z.B. unter Bodenwasser, Hydrologie und Ecohydrology.
Youtube-Videos
- https://www.youtube.com/watch?v=vmo0FRAVgkM
- https://www.youtube.com/watch?v=N7FvPDNDTOA
- https://www.youtube.com/watch?v=Ph-7tQuIbz4
- https://www.youtube.com/watch?v=GWyXzCT9fJM
Öffentlichen Stellen
Und wenn man`s gern etwas fortgeschrittener hat:
Oder gern auch beim Autor 😉
Thomas Weninger
BOKU Wien
thomas.weninger@boku.ac.at
spordyn.boku.ac.at
Is ja’n Ding. Davon habe ich noch nie gehört.
Verstehe ich das richtig, dass das Niederschlagswasser durch die bodennahe Wasserschicht quasi hindurchdiffundiert, ohne sich zu vermischen? Und müsste nicht das Bodenwasser nach längerer Trockenheit komplett verschwunden sein, so dass in dem Fall das Niederschlagswasser doch direkt von den Pflanzen aufgenommen wird?
Ganz schön komplex, mit den verschiedenen Kreisläufen. Ich finde, der Artikel hätte das noch ausführlicher erklären können, vielleicht auch mit 1-2 Grafiken mehr. Aber insgesamt finde ich den Artikel gut und habe wieder was neues gelernt. Danke dafür.
@Dampier, Wasser: “ Ich finde, der Artikel hätte das noch ausführlicher erklären können“
Das kann man eigentlich bei fast jedem interessanten Artikel anmerken 😉 (Und es war übrigens auch das was ich mir bei der Lektüre gedacht habe – gleich nach „Is ja’n Ding. Davon habe ich noch nie gehört.“ 😉 ). Aber man darf auch nicht vergessen dass die Autoren der Gastbeiträge alle das erste Mal einen Blogartikel geschrieben haben. Und das sie dafür nur knapp 3 Stunden während des Workshops Zeit hatten. Aber gut – genau dafür ist das Feedback ja da. Und als Autor ist „Da will ich mehr von wissen!“ wahrscheinlich nicht unbedingt die unangenehmste Kritik.
Super spannendes Thema. Leider viel zu kurz und oberflächlich dargestellt. Die Angabe der weiterführenden Quellen ist vorbildlich. Jedoch hätte ich mir gewünscht, mehr der dortigen Information in dem Artikel zu finden. Ein Blogartikel soll meiner(!) Meinung nach nicht nur Interesse wecken (hat er auf jeden Fall) sondern auch Informieren und Grundlagen vermitteln (hat er meiner Meinung nach nicht ausreichend).
@Florian, ok. in nur 3 Stunden ist natürlich nicht viel zu machen. Daran gemessen ist das sehr gut!
Und gerade das finde ich bei deinen Artikeln so gut: viele Fragen, die sich mir während des Lesens stellen, werden gleich darauf erklärt. Gerade diese Ausführlichkeit macht deine Artikel so wertvoll.
Das ist wohl auch immer eine Gratwanderung für den Autor, einerseits die Leser nicht zu überfordern oder zu langweilen und andererseits nicht zu kurz und knapp zu werden …
@Dampier: „Und gerade das finde ich bei deinen Artikeln so gut: viele Fragen, die sich mir während des Lesens stellen, werden gleich darauf erklärt. „
Danke fürs Lob! Das liegt vielleicht sogar an meiner doch eher ungeplanten Art zu schreiben (zumindest wenns um Bloggen geht). Ich find ein Thema das interessant ist und fang an zu erzählen. Und während ich dann schreibe merke ich selbst das da noch Fragen sind, die ich eigentlich gerne beantwortet hätte, um das Thema besser verstehen zu können. Also beantworte ich die dann eben auch gleich. Ich hab ganz selten einen fixen Plan, wie ein Artikel aussehen soll; die Form ergibt sich während des Schreibens (und es kommt durchaus vor dass sich da auch der Fokus nochmal komplett umdreht).
Es wurde ja schon angesprochen. Was für ein Ding. Wie ist das mit Schadstoffen und ihrer Messung im Waldboden ? Fragen über Fragen.
Achso vielen Dank für den Artikel.
„Das kann man eigentlich bei fast jedem interessanten Artikel anmerken “
@Florian Freistetter
Das ist meiner Meinung nach genau die hohe Kunst des Blogschreibens, den sehr schmalen Grad zwischen „Interessant, ich will mehr“ und „Zu viel Text, ich steige aus“ zu finden.
Wenn ich das richtig verstanden habe, schliessen die Autoren nur aus der Isotopenzusammensetzung auf die Herkunft des Wassers in den Pflanzen.
Dafür gäbe es aber auch eine andere Erklärung: Die Pflanzen nehmen das Wasser ja über spezielle Membrankanäle auf. Es kann durchaus sein, dass diese Kanäle eine leichte Präferenz für ein bestimmtes Isotop haben und so die Isotopenzusammensetzung beeinflussen.
Ähnliches ist z.B. für die Kohlenstoffbindenden Enzyme bekannt, weshalb Kohlenstoff in lebenden Organismen eine andere Isotopenzusammensetzung hat als anorganischer Kohlenstoff.
@myself:
Wenn die Pflanzen ein bestimmtes Wasserisotop bevorzugen, dann würden sie damit natürlich nicht nur die Zusammensetzung des Wassers in den Pflanzen selbst, sondern auch die Zusammensetzung des Wassers im Boden um die Wurzeln herum beeinflussen. Im Boden wäre das bevorzugte Isotop dann weniger vorhanden als in den Pflanzen.
Auch die Zusammensetzung von Wasser, das durch den Boden gesickert ist als die Pflanzen wenig Wasser aufgenommen haben (z.B. im Winter oder während der Schneeschmelze) wäre eine andere.
Meiner Meinung nach würde eine Isotopenpräferenz der Wurzeln also die Daten vollständig erklären.
Diese Erklärung ist nicht sonderlich einleuchtend und auch nicht ganz richtig:
* Dem Periodensystem sind Neutronen egal, in der Chemie geht es nur um Elektronen (und aus der Zahl der Elektronen ergibt sich automatisch die Zahl der Protonen).
* Auch die „nicht abweichenden Formen“ 1H und 16O sind stabile Isotope. Dass sowohl bei H als auch bei O nur jeweils ein Isotop weit mehr als 99% ausmacht, hat keine besondere Bedeutung, bei anderen Elementen ist das ganz anders. Zinn zum Beispiel hat 10 stabile Isotope, von denen keines mehr als ein Drittel ausmacht.
* In der Natur treten (in Spuren) auch instabile Formen auf, bei Wasserstoff Tritium (3H).
Vielleicht wäre folgende Formulierung besser:
<pedant mode>
Und gleich im allerersten Wort des Artikels ist ein Rechtschreibfehler. Für den gelernten Wiener gibt es hier eine einfache Rechtschreibhilfe: Jedes „das“, das sich als „des“ aussprechen lässt (so wie in „des is a Bledsinn“), bekommt ein „s“, alle anderen zwei. (Wienerisches „des“ wird aus mir unerfindlichen Gründen oft als „dös“ transkribiert – kein Mensch sagt „dös“.)
</pedant node>
Danke für die vielen Kommentare und die im großen und ganzen positiven Rückmeldungen!!
@Florian: Danke fürs Veröffentlichen!
@Dampier: Wie das genau funktioniert, ist nicht ganz klar und lässt sich leider in der Natur nicht wirklich beobachten. Prinzipiell ziehen mehrere Einwirkungen an einem Wassertropfen im Boden: Die Kapillarwirkung der Poren, das Wasserdefizit in der Atmosphäre (direkt am Tropfen oder über die Zwischenstation Pflanze – die Wurzel gibt vereinfacht gesagt das Sättigungsdefizit der Luft in den Boden weiter), die Schwerkraft, osmotischer Druck. D.h. dass der Boden nie ganz austrocknet, sondern immer noch Wasser in den feinsten Poren gebunden ist. Beim Niederschlag fließt dann der größte Teil durch gröbere Poren einfach durch und daneben mischt sich ein kleinerer Teil mit dem gebundenen, wird pflanzenverfügbar verändert aber die Zusammensetzung nicht wesentlich. Im dritten verlinkten Artikel wird das recht ausführlich diskutiert – wie gesagt, genau weiß man´s nicht.
@tomtoo: Ich weiß jetzt nicht genau, wie ich deine Frage beantworten kann, wenn weiter Interesse besteht, schick mir gerne etwas Konkreteres.
@Lercherl: Du hast recht. Der Dass-Fehler ärgert mich natürlich unbändig. Bei den Isotopen hab ich wohl im Sinne der Kürze zu sehr vereinfacht und in der Folge auch etwas verfälscht, ja. Ich wollte gar nicht mit Neutronen und Protonen anfangen, aber wahrscheinlich kann man das Wissen, was das ist bei den Lesern eines Wissenschaftsblogs doch voraussetzen…
@Thomas Weininger
Naja mein Gedanke war dass wenn sich das Wasser länger in der Nähe der Würzeln aufhält. Dann ja evtl. auch gelöste Schadstoffe also z. B nach einem Chemie Unfall ?
@Lercherl#10
Schmarrn! oder wie ihr Ösis sagt… Das „Dass“ ist völlig richtig! (Ist ja nicht nominativ sondern relativ…)
Also – wenn schon Pedantenmodus…
@bruno, das wurde offenbar korrigiert. Zuerst stand da „das“.
@Thomas Weninger, danke für die Antwort.
Ich frage mich gerade … irgendwie müssen diese beiden Wasserwelten ja auch zusammenhängen. Sind es sozusagen zwei Kreisläufe, die quasi in Form einer 8 zusammenhängen? Ließe sich das in einem Schaubild darstellen? (Bin ein großer Fan von Infografken : )
…na dann!
😉
Und ja… warum kommt es nicht zu einer Vermischung der beiden Kreisläufe?
Aber es kommt ja zu einer Vermischung nur halt langsamer als gedacht. Die Wurzeln halten ‚altes‘ Wasser. Beim austrocknen bilden sich Luft Kanäle, durch die neues Wasser schneller abfließt. Oder hab ich das jetzt falsch verstanden ?
Ach, wieder was gelernt – ich hatte vorhin schon einen längeren zweiten Antwortspost verfasst, der dürfte irgendwo geschluckt worden sein. Also, ab jetzt im Editor verfassen und zwischenspeichern…
@tomtoo: #17 Ja, das stimmt so. Altes Wasser ist stärker in den feinsten Poren gebunden und an Boden- und Wurzeloberflächen angelagert. Die Bindungskräfte sind hier so stark, dass die Atmosphäre/Pflanze kein Wasser mehr aus dem Boden ziehen kann. Die maximale Spannung, mit der eine Pflanzenwurzel Wasser ziehen kann, wird allgemein bei etwa 15 bar oder 150 m Wassersäule angegeben. Wenn neues Niederschlagswasser dazukommt, fließt der Großteil einfach durch. Ein kleinerer Teil mischt sich mit dem gebundenen Wasser, verändert dessen Zusammensetzung aber nicht wesentlich.
@Dampier: In Fig.4 des ersten papers ist eine einigermaßen brauchbare Darstellung zu finden. Wenn ich heute Nacht eine bessere träume, werde ich sie irgendwo veröffentlichen. Da auch die zeitliche Komponente eine wesentliche Rolle spielt, fällt mir gerade nichts Adäquates ein.
@Till: Es wurden Proben aus Boden, Pflanze, Niederschlag und einem Bach, der das Gebiet entwässert untersucht. Ergebnis: Zusammensetzung Bach gleich Niederschlag ungleich Boden und Pflanze. Bei der Aufnahme durch die Pflanze ändert sich also nichts.
@Thomas W.
WordPress, glaube hier gibts schon so ein eigenes Zompie posts Leben. Also die Posts die zwischen 0 und 1 gesendet werden. ; )
Vielen dank. Aber das bedeutet doch auch das Messungen im Waldboden nahe den Wurzeln z.B SO, zu überdenken sind. Das SO könnte ja länger an den Wurzeln wirken ?
@T.Wen.
Danke für den Hinweis. Leider muss man sich da registrieren, und die stellen mir zuviele Fragen (ich könnte natürlich irgendwas eintragen, aber so wichtig ist es mir dann auch nicht). Würde ich das System verstehen, hätte ich mich evtl. mal selbst an einer Grafik versucht. Andererseits … ich hab so viele angedachte Projekte hier liegen … vielleicht sollte ich den Mund nicht zu voll nehmen ; )
@tomtoo, #19: Naja, so weit würde ich mich nicht aus dem Fenster lehnen. Prinzipiell sollte das natürlich für gelöste Stoffe gelten. Bei solchen Stoffverteilungsfragen spielen immer auch chem. Eigenschaften des Stoffes Löslichkeit, Verhalten in Abhängigkeit vom pH-Wert, Redoxpotential, … eine wesentliche Rolle. Über die erwähnten Messungen kann ich auch nicht weiter urteilen, die gibt es ja in allen erdenklichen Varianten. Oft misst man die Aufnahme in die Pflanze oder erstellt eine Massenbilanz, das ist leichter zu bewerkstelligen und die Betrachtung erfolgt auf einer anderen, zielführenderen Skala als die hier beschriebene Differenzierung des Wassers (die erfolgt eher auf ‚Mikroskala‘). Was ich aufgrund dieser These eher bestätigen würde ist, dass Verunreinigungen zu gewissen Zeitpunkten schneller ins Grundwasser gelangen als bisher angenommen.
@Dampier: Oje, eigentlich hatte ich den Link extra auf meinem privaten, unregistrierten PC auf Zugangsbeschränkungen getestet – hat funktioniert. Schreib mir gern eine mail, vielleicht findet sich ein Weg…
Also da wollen ein paar Forscher herausgefunden haben, dass Regenwasser etwas schneller versickert als bisher angenommen. Ok, mag ja ganz interessant sein und auch irgendwelche Konsequenzen haben. Ob man deshalb gleich von zwei Wasserwelten Sprechen muss sei dahingestellt. Aber wenn ich hier lese
„Aus den Gehalten an solchen schweren Wassermolekülen kann recht genau nachvollzogen werden, aus welcher Wolke ein untersuchter Wassertropfen stammt, wann er auf die Erde niederfiel und welche Wege er schon im Boden oder in Pflanzen ging.“
dann kräuselt sich bei mir schon die ein oder ander Gehirnzelle.
Ich nehm einen Tropfen aus´m Bach – Isotopenanalyse… und zack:
Wolke 17, am 14.April durch Buchenwald auf felsigem Boden.
Verarschen kann ich mich alleine.
@michael: So schnell würd ich mich jetzt nicht verarscht fühlen… Die Bezeichnung mit den Welten ist übertrieben, richtig. Isotopen können aber durchaus mehr erklären als man generell glauben mag. Die Methode wird zB eingesetzt, um Herkunftsbezeichnungen von Lebensmitteln zu überprüfen. Das geht regional recht genau…
Mithilfe von Isotopenanalysen kann man sogar herausbekommen, wo genau jemand aufgewachsen ist. Das Strontium aus dem Trinkwasser der Heimatregion lagert sich in den Knochen ab, und das klappt bereits mit 4 stabilen Isotopen (Sr-84, Sr-86, Sr-87 und Sr-88). Eine Herkunft aus der Umgebung von Tschernobyl oder zukünftig Fukushima müsste wohl für die nächst paar hundert Jahre auch noch Sr-90 berücksichtigen.
Also für mich fühlt sich jetzt das so an, als wenn jemend bezweifelt dass man aus dem pH-Wert einer Urinprobe „recht genau“ das Alter, die Größe und das Gewicht einer Person ermitteln kann, als Antwort erhält:“ Ja wieso nicht, am Urin kann man ja auch feststellen ob jemand Diabetiker ist“.
Aber nix für Ungut, mir ist schon bewusst, dass sich mit der Stabilisotopenanalytik so einiges herausfinden lässt und auch ein höchst interessantes Forschungsgebiet ist. Es ist halt die Reduzierung auf die Delta-O-18 Methode, und die Explizitheit der angeblich daraus ableitbaren Daten die ich stark bezweifle.
Ich lass mich aber gerne eines Besseren belehren.
@Michael:
Aus welchen Isotopenzusammensetzungen man auch welche Erkenntnisse gewinnen möchte, eines bleibt unverrückbar: Man muss es falsifizieren können. Und dann muss man genau das mit allen Kräften versuchen. Erst wenn das nicht gelingt, kann man davon ausgehen, dass die Idee auch tatsächlich funktioniert. Gehen wir also bis zum Beweis des Gegenteils davon aus, dass man das im vorliegenden Fall bereits erledigt hatte.
Mal zu den Isotopen: das Deuterium (Wasserstoff mit einem Neutron) ist stabil. Erst das Tritium mit zwei Neutronen zerfällt mit einer sehr praktischen Halbwertszeit von 12,32 Jahren. Es entsteht in der Atmosphäre durch Kollission mit hochenergetischen Teilchen und folglich im Erdreich nicht. Aus der Abnahme der Tritiumatome kann man daher durchaus auf das Alter des Wassers schließen, das heißt, wie lange es im Boden war.
Mal zur Topologie: das Regenwasser versickert also neben dem Baum. Unter dem Baum muss eine Wassersäule aus „altem“ Wasser existieren, die ziemlich tief reicht, denn eine Buche verdunstet 500 Liter am Tag. Lese gerade das Buch „Das geheime Leben der Bäume“ und da wird gefragt, wie es der Baum schafft, diese Flüssigkeitsmenge in 50 Meter Höhe zu bringen. Gängige Theorien sind: Sog, Kapillarwirkung und Osmose. Alle drei Effekte gibt es, aber wie Autor Peter Wohlleben schreibt, reichen alle drei nicht aus, um auch nur annähernd solche Höhen zu erreichen. Meine These: der Baum arbeitet mit elektrischer Spannung. Er hat in seinem Inneren eine Spannung von 1 Volt gegen Null, das ist nicht viel. In einem Kondensator mit einem Millimeter Plattenabstand lässt sich damit aber ein elektrisches Feld von 1000V/m erzeugen. Damit lässt sich etwas anfangen. Zur Erinnerung: Wasser als das stärkste in der Natur vorkommende Dielektrikum wird in einen Kondensator hinein gezogen. Das könnte man nutzen. Und eben auch zum Aufbau dieser unterirdischen Wassersäule.
t.wen.
…..gelöste Stoffe,
das ist ein guter Gedanke. wir finden ja Wasser praktisch nicht als destilliertes wasser vor, sondern es enthält immer gelöste Stoffe und dadurch können wir die Herkunft bestimmen. Die Bestimmung nach Isotopen , wobei wahrscheinlich schweres wasser gemeint sein soll, ist eine andere Methode. Das kam in diesem Artikel nicht klar zum Ausdruck.