Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Deutschlandweit einziges Chinatron an der Uni Ulm: Wegbereiter des bionischen Baumstamms

19.08.2019

Im Labor des Instituts für Systematische Botanik und Ökologie steht ein Unikat: In der deutschlandweit einzigen Zentrifuge vom Typ „Chinatron“ lässt sich nicht nur untersuchen, wie Pflanzen in Zeiten des Klimawandels auf Trockenstress reagieren. Das Gerät hilft zudem bei der Entwicklung von „bionischen Ästen“, die womöglich den Weg zu neuen Pumpen- oder Kühlungssystemen ebnen.

Seit Jahrzehnten forschen Biologen wie Professor Steven Jansen, Arbeitsgruppenleiter am Institut für Systematische Botanik und Ökologie, zum Wassertransport in Pflanzen. Auch dank modernster bildgebender Verfahren und Analysetechniken ist die Anatomie des Baumstamms bereits weitgehend verstanden.


Prof. Steven Jansen demonstriert die Zentrifuge vom Typ „Chinatron“

Foto: Elvira Eberhardt/Uni Ulm


Prof. Steven Jansen (2.v.l.) und seine Wissenschaftlichen Mitarbeiter (v.l.) Dr. Ya Zhang, Dr. Christophe Trabi sowie Mathias Eberhardt

Foto: Elvira Eberhardt/Uni Ulm

Doch Ingenieuren ist es bislang nicht gelungen, einen bionischen Ast zu entwickeln, der den Wassertransport des natürlichen Vorbilds überzeugend nachahmt. Solch ein künstliches System würde bei der Entwicklung von Pumpen helfen, die kontaminierte Böden von Chemikalien befreien. Zudem sind Anwendungen in der Biomedizin oder Kühlungstechnik denkbar.

Und auch Forschende wie Jansen würden profitieren: Im „bionischen Baumstamm“ könnten sie dem Wassertransport in Pflanzen und der Bildung gefährlicher Gasblasen noch genauer auf den Grund gehen – gerade im Hinblick auf den Klimawandel ein wichtiges Thema.

In Trockenzeiten steht der Saft im Leitgewebe (Xylem) des Stamms nämlich unter großer Saugspannung, denn der Baum versucht, Wasser aus dem Boden nachzuziehen. Bei extremer Dürre kann die Wassersäule sogar abreißen und es entstehen eben jene Gasblasen, die den verbliebenen Wasserfluss blockieren.

Solche „Embolien“ können das Todesurteil für den Baum bedeuten. Die Neigung zu diesen Blockaden variiert stark zwischen verschiedenen Pflanzenarten – und kann innerhalb von Minuten im neuen Chinatron analysiert werden.

Das Gerät, das den Weg zu einem tieferen Verständnis des Wassertransports und letztlich zum künstlichen Baumstamm ebnen soll, ist ziemlich unscheinbar: „Seit vielen Jahren werden Zentrifugen eingesetzt, um die Bildung von Embolien zu untersuchen. Ausgehend von Ideen des Biologen Hervé Cochard ist nun in China der Prototyp ,Chinatron‘ entwickelt worden, den es nur zwei Mal in Europa gibt – einer davon steht in Ulm“, so Jansen.

Die Besonderheit der Zentrifuge ist ein Küvettensystem: Der natürliche oder künstliche Ast wird in der Mitte der Zentrifugenachse fixiert. Beide Astenden stecken in Plastikküvetten, die unterschiedlich hoch mit Wasser gefüllt sind. In diesen Reservoirs sind Löcher so platziert, dass während der Zentrifugation ein Druckgefälle entsteht, das den Wasserfluss im Ast – von der oberen zur unteren Küvette – ermöglicht.

„Im Chinatron wirken bei bis zu 10 000 Rotationen pro Minute starke Zentrifugalkräfte auf die Probe und sorgen für einen negativen Druck im Stamm. Während das Wasser in der unteren Küvette ständig nachgefüllt wird, sinkt der Pegel im oberen Reservoir kontinuierlich. Aufgrund dieses Unterschieds kalkuliert das System die Leitgeschwindigkeit im Ast“, erklärt der Wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. Christophe Trabi.

Dabei lassen sich Rotation und Temperatur am Computer verändern. Videoaufnahmen aus der Zentrifuge geben weiterhin Einblicke in den Wassertransport und in die Entstehung von Embolien. Bei natürlichen Ästen lässt sich im Chinatron nach etwa 30 Minuten feststellen, wie die Art auf Trockenheit und eine Unterbrechung des Wasserflusses reagiert.

Die Entwicklung und Prüfung künstlicher Äste im Chinatron stellt die Forschenden um Professor Steven Jansen vor Herausforderungen. Schwierigkeiten machen die Nachbildung des negativen Drucks im Stamm sowie von porösen Zellwänden, die benachbarte Gefäße im Leitgewebe miteinander verbinden und beim Wassertransport für Widerstand sorgen. Diese Merkmale gilt es, in Röhrchen oder Glasfasern zu imitieren und im Chinatron zu überprüfen.

Zudem hoffen die Forschenden, die Rolle von pflanzlichen Tensiden im künstlichen System aufzuklären: Tenside scheinen die Oberflächenspannung des Wassers im Leitgewebe zu reduzieren und so für kleinere Gasblasen und weniger Embolien zu sorgen. „Weltweit sind wir wahrscheinlich die einzige Gruppe, die an künstlichen Ästen forscht.

Das Chinatron öffnet uns hierbei viele Türen“, so Jansen. Der 20 000 Euro teure Prototyp wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziert und steht nicht nur Biologen zur Verfügung. Auch weitere Naturwissenschaftler wie Chemiker und Experten aus den Bereichen Elektronenmikroskopie sowie Stochastik haben bereits mit dem Gerät gearbeitet.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Christophe Trabi, Tel.: 0731/50-23316, christophe.trabi@uni-ulm.de
(Englisch bevorzugt)
Prof. Dr. Steven Jansen, Tel.: 0731 50-23302, steven.jansen@uni-ulm.de

Annika Bingmann | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Enzyme als Doppelagenten: Neuer Mechanismus bei der Proteinmodifikation entdeckt
08.07.2020 | Westfälische Wilhelms-Universität Münster

nachricht Ins richtige Licht gerückt - Reproduzierbare und nachhaltigere Kupplungsreaktionen
08.07.2020 | Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Im Focus: Robuste Materialien in Schwingung versetzt

Kieler Physikteam beobachtet in Echtzeit extrem schnelle elektronische Änderungen in besonderer Materialklasse

In der Physik werden sie zurzeit intensiv erforscht, in der Elektronik könnten sie ganz neue Funktionen ermöglichen: Sogenannte topologische Materialien...

Im Focus: Excitation of robust materials

Kiel physics team observed extremely fast electronic changes in real time in a special material class

In physics, they are currently the subject of intensive research; in electronics, they could enable completely new functions. So-called topological materials...

Im Focus: Neues Verständnis der Defektbildung an Silizium-Elektroden

Theoretisch lässt sich das Speichervermögen von handelsüblichen Lithiumionen-Batterien noch vervielfachen – mit einer Elektrode, die auf Silizium anstatt auf Graphit basiert. Doch in der Praxis machen solche Akkus mit Silizium-Anoden nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen schlapp. Ein internationales Team um Forscher des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung hat jetzt in einzigartiger Detailgenauigkeit beobachtet, wie sich die Defekte in der Anode ausbilden. Dabei entdeckten sie bislang unbekannte strukturelle Inhomogenitäten in der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt. Die Erkenntnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

Silizium-basierte Anoden können in Lithium-Ionen-Akkus prinzipiell neunmal so viel Ladung speichern wie der üblicherweise verwendete Graphit, bei gleichem...

Im Focus: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Löchrige Graphenbänder mit Stickstoff für Elektronik und Quantencomputing

08.07.2020 | Materialwissenschaften

Graphen: Auf den Belag kommt es an

08.07.2020 | Materialwissenschaften

Enzyme als Doppelagenten: Neuer Mechanismus bei der Proteinmodifikation entdeckt

08.07.2020 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics