Das biomimetische Potential des Wasseraufnahmesystems der Luftwurzeln von Orchideen

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der Fluidmechanik des Luftwurzelsystems von Orchideen. Die Untersuchung der morphologischen Merkmale von Luftwurzeln und ihrer Wassertransportmechanismen hat auch Potential für biomimetische Anwendungen. Bei der Gruppe der Orchidaceae handelt es sich um eine der artenreichsten Familie der Angiospermen. Insbesondere epiphytische Orchideen müssen mit extremen Bedingungen bei der Wasserverfügbarkeit und der Versorgung von Nährstoffen zurechtkommen. Dazu verfügen die Orchideen über verschiedene Mechanismen. Von zentraler Bedeutung ist das Velamen radicum, die äußerste Schicht um die Wurzel epiphytischer Orchideen. Das Velamen besteht aus abgestorbenen Zellen, die einen porösen Mantel um die Wurzel bilden und dient als Schutz vor Austrocknung, zur Wasseraufnahme und zur Haftung auf Oberflächen, z.B. an Bäumen, Sträuchern und Ästen. Gelangt Wasser auf die Oberfläche des Velamen, haftet es zunächst und wird dann absorbiert und in das Innere der Wurzel geleitet. Die artspezifische Struktur und der Aufbau dieses poröse Materiales beeinflussen seine Funktionen, die in der Wasseraufnahme, der Weiterleitung und der kurzfristigen Wasserspeicherung bestehen. Weiterhin dient das Velamen dem Schutz vor Verdunstung. Eine genauere Analyse zum Zusammenhang zwischen Struktur, Wasseraufnahme und Wasserleitung waren Ziel dieser Arbeit. Diese beinhaltete neben Untersuchung der Anatomie des Velamen (mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie) Studien zur Wasserbewegung. Hierzu wurden Betropfungsversuche durchgeführt, sowie MRT-Untersuchungen (PD-Messung, T1- und T2 Maps). Mittels MRT lassen sich sehr gut in nicht-invasiver Weise die Wasserveränderung innerhalb der Orchideenwurzel darstellen. Diese Arbeit zeigt, dass sich das Wasser in der Form von Tropfen an die Velamenwurzel heftet. Durch das Anheften kann das Wasser in das Velamen aufgenommen werden. Ist das Wasser im Velamen wird es durch die Exodermis aufgenommen. Sämtliche Vorgänge der Wasseraufnahme haben dabei einen Vorteil gegenüber des Wasserverlustes durch Verdunstung.

This dissertation deals with the biomechanics of the aerial root system of orchids. The study of their morphological features and their water transport capacities can potentially lead to biomimetic applications. The orchids (Orchidaceae) are one of the most species-rich families of angiosperms. Epiphytic orchids attached to trees possess aerial root systems and have to cope with extreme conditions concerning both water and nutrient supply. This has led to the development of various morphological features and physiological mechanisms which are the subject of this dissertation. Epiphytic orchids possess a special outer layer, the velamen, surrounding their aerial roots. The velamen acts to protect against dehydration, facilitates water absorption, and allows for the adhesion of the orchids to epiphytic surfaces. The structure of the velamen influences the retention, absorption, transfer, and short-term storage of water. Furthermore, it also protects against evaporation and thus water loss. Variations in the structure and composition of the velamen lead to varying behaviours in water absorption and distribution. In this study, the velamen is visualised using both stained sections in light microscopy as well as scanning electron microscopy (SEM). Two methods are applied to observe water behaviour. Water absorption is studied in trickling experiments. Water dynamics inside the orchid’s root are analysed using a non-destructive, magnetic resonance imaging (MRI) technique. This work shows that the water attaches to the velamen root in the form of droplets. The attachment allows the water to be absorbed into the velamen. Once the water is in the velamen, it is absorbed by the exodermis. All processes of water absorption have an advantage over water loss by evaporation.