Jesteś tutaj

Hydraulika roślin

Czy zastanawialiście się kiedyś nad tym, w jaki sposób rośliny transportują wodę z korzeni do liści? U zwierząt sprawa transportu płynów wydaje się być prosta. Na przykład żyrafa, do pary ze swoim wzrostem, ma też odpowiednio duże serce, które z łatwością pompuje krew do wysoko położonej głowy. Natomiast jodła, sosna, czy sekwoja olbrzymia nie mają żadnych pomp, ani żadnego aktywnego układu wspomagania transportu wody. Cóż takiego dzieje się więc z wodą, że w łodygach roślin samoistnie się ona unosi? Zjawisko to, na pierwszy rzut oka, może wydawać się się niewiarygodne, bo jest sprzeczne z powszechnie znaną zasadą naczyń połączonych.

W naczyniach połączonych poziom cieczy ustala się na tej samej wysokości.

Czy tajemniczy efekt wykorzystywany przez rośliny i skrywany przez nie wewnątrz łodyg możemy zaobserwować gdzieś gołym okiem? Czy może to ewolucyjny sekret roślin? Takie niekonwencjonalne zachowania płynów możemy obserwować na co dzień. Każdy, kto pił kiedyś napój przez słomkę, mógł zauważyć, że poziom cieczy w swobodnie pozostawionej słomce jest nieco wyższy niż poziom cieczy w szklance.

Menisk

Do obserwacji dziwnych zachowań cieczy, nie jest konieczne posiadanie słomki. Jeśli dobrze przyjrzeć się powierzchni soku porzeczkowego w szklance, na powyższym zdjęciu okaże się, że nie jest ona idealnie płaska. Tuż przy ściankach naczynia (i słomki) unosi się ona lekko - tworząc menisk wklęsły. Do zrozumienia obserwowanego zjawiska konieczne jest jeszcze dokładniejsze przyjrzenie się wodzie. Na poziomie molekularnym, cząsteczki wody w szklance możemy porównać do ludzi tańczących na imprezie. Każdy z tancerzy odczuwa przyciąganie do innych tańczących. Ale jeśli spojrzeć na liczbę osób podpierających ściany nasuwa się przypuszczenie, że musi istnieć także silne przyciąganie między tancerzami, a ścianą. Podobnie rzecz ma się z cząsteczkami wody bawiącymi się w szklance. Każda z nich mimo przyciągania do innych czasteczek, czuje też pociąg do ścianek szklanki. Tylko, że cząsteczki wody, w przeciwieństwie do ludzi, potrafią imprezować warstwowo. Te w niewielkiej odległości od ścianek są w stanie wchodzić na głowę innym cząsteczkom, tylko po to, aby zetknąć się ze ścianką naczynia. Ponieważ cały czas są one przyciągane także przez cząsteczki znajdujące się nieco dalej od ściany, tylko niewielka liczba cząsteczek może się wznieść powyżej poziomu cieczy i to w dodatku na niewielką wysokość. Tak własnie powstaje menisk wklęsły.

 

Efekt kapilarny

W bardzo wąskich naczyniach, takich jak słomki czy kapilary, sytuacja nieco się zmienia. Cząsteczki przy ściankach, którym udało się wznieść powyżej poziomu reszty cieczy, są na tyle blisko siebie, że mogą mieć wspólnych kumpli. Działając razem są w stanie wciągnąć w lukę między sobą inne cząsteczki i w ten sposób zniwelować efekt ściągania w dół. Dzięki silnemu przyciąganiu do ścianek, ciecz może samoistnie wypełniać wąskie naczynia (nawet wbrew grawitacji). Im naczynie węższe, tym efekt silniej się manifestuje. Im cieńsza słomka, tym wyżej uniesie się sok ze szklanki. 

Fenomen ten, opisywany jako zjawiska kapilarne, może też działać w przeciwną stronę. Gdy oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami jest silniejsze niż przyciąganie cząsteczek płynu do ścianek naczynia, płyn będzie wypychany z wąskich naczyń. Na powierzchni większych będziemy natomiast obserwować menisk wypukły. Efekt taki występuje na przykład dla rtęci. W kategoriach imprezowych możnaby to porównać do parkietu, na środku którego znajduje się jakiś przyciągający tancerzy element, np. rura. Wówczas wszyscy starają sie skupić wokół niej i "odklejają się" od ścian. 

Piwo

W swoich badaniach nie ograniczyłem się tylko do soku i wody. Sprawdziłem jak w wąskich naczyniach zachowuje się ciecz, która studentom jest bliższa niż woda. Eksperymenty były niezwykle trudne, ze względu na przyciąganie między badającym a obiektem badań. Piwa ciągle ubywało ze szklanki i konieczne było jego nieustanne uzupełnianie.

Jak widać piwo w słomkach unosi się znacznie wyżej niż prezentowany wcześniej sok porzeczkowy. To pewnie zasługa jego magicznej mocy. Bliższa analiza wskazuje na znaczny wpływ piany na zdolność wspinania się piwa. Ale właściwości piany na piwie to już temat innego fiztaszka, niezwiązanego z efektem kapilarnym.

Kapilary a wysokość drzew

Średnica kanałów, które transportują wodę w roślinach to ok. 10 nm (nanometr jest milion razy krótszy od milimetra), czyli są one mniej więcej 50 000 razy cieńsze od ludzkiego włosa i około 5 razy grubsze od podwójnej helisy DNA. Tak wąskie kapilary, przynajmniej teoretycznie, powinny umożliwiać transport wody na wysokość prawie 3 kilometrów. Nasuwa się więc pytanie: dlaczego nie ma tak wysokich drzew? Co ogranicza ich wysokość? Odpowiedź na to pytanie ma związek z tarciem powstającym między cząsteczkami wody a ściankami transportujacych naczyń i zmianami lepkości wody spowodowanymi jej parowaniem przez liście. Szczegółowe wyjaśnienie w ostatnim z zamieszczonych poniżej linków.

 

Tagi: 
płynypiwo
  • Obrazek użytkownika jasiński
    O autorze:

    Maciej Jasiński

    Redaktor Fresh Science
    Fiztaszki układa za kierownicą UAZa lub w pociągu Jan Matejko relacji Gdańsk Główny - Warszawa Wschodnia. Pija dużo coca coli, śpi mało, mówi szybko.

Komentarze

Obrazek użytkownika Marek Ples

"Natomiast jodła, sosna, czy sekwoja olbrzymia nie mają żadnych pomp, ani żadnego aktywnego układu wspomagania transportu wody. "

To nie całkiem tak. Rośliny posiadają różnego rodzaju mechanizmy transportu wody i rozpuszczonych w niej substancji odżywczych, zarówno aktywne, jak i bierne. 

Przykładem biernego mechanizmu jest siła ssąca liści, związana z transpiracją (czyli parowaniem wody z tkanek liści, głównie przez aparaty szparkowe). W uproszczeniu można to rozumieć w ten sposób, że liście są ciągle odwadniane (ucieczka wody w postaci pary wodnej), w ich ksylemie powstaje więc podciśnienie, powodujące zasysanie wody z dalej położonych obszarów roślin, aż do korzeni. Jest to transport o dalekim zasięgu i to w nim rzeczywiście najbardziej pomagają siły kapilarne. Mówi o tym teoria kapilarno-kohezyjna Dixona i Joly'ego.

Ale rośliny wykorzystują też metody aktywne, chociaż działające na zupełnie innych zasadach niż "pompy" zwierzęce! O ile zwierzęta wykorzystują do transportu dalekiego zasięgu płynów ustrojowych pompę mechaniczną w formie serca lub serc, to rośliny stosują swoiste "pompy osmotyczne". Jak to działa? już tłumaczę. Roślina gromadzi w swoich komórkach jony określonych substancji w ten sposób, by ich stężenia wewnątrz komórek były większe niż w otaczającym środowisku. Jest to proces aktywny, wymagający udziału energii! Woda zgodnie z gradientem stężenia wnika do komórek (co można rozumieć jako dążenie do wyrównania stężeń) przez błonę komórkową, która jak wiemy jest błoną półprzepuszczalną. Proces ten zachodzi w korzeniu i jego efektem jest parcie korzeniowe.

Zauważmy, że gdyby istniał jedynie bierny proces pobierania wody, to roślina pozbawiona liści (wczesna wiosna) lub żyjąca w warunkach dużej wilgotności (utrudnione parowanie) nie mogłaby transportować wody w swoich tkankach! Dlatego konieczne jest współdziałanie wszystkich opisanych procesów, a także innych, o których ze względu na brak miejsca tu nie wspomniałem.

Obrazek użytkownika piotrowski

Bardzo cenne uzupełnienie tematu.Pewnie i autor się odniesie do tego komentarza, ale ja pozwolę się zabawić w adwokata ;)

Wydaje mi się, że głównym celem autora, było przybliżenie efektu fizycznego związanego z kapilarami, drzewa i inne ozdobniki służą tylko jako atrakcyjna forma. Weź pod uwagę, że autor jest fizykiem i pozostałe rzeczy związane z biologią potraktował dość pobieżnie, ale dzięki Twojemu komentarzowi mamy teraz pełen obraz transportu wody w roślinach :)

Obrazek użytkownika Marek Ples

Oczywiście biorę to pod uwagę. Jako, po części, biolog musiałem jednak sprostować zacytowaną myśl.

Oczywiście nie ujmuje to ciekawie opisanemu zjawisku:)

 

 

Obrazek użytkownika jasiński

Marku, dziękuję bardzo za rozbudowany komentarz. Obawiam się jednak, że używanie zwrotów typu: transpiracja, aparaty szparkowe, ksylema itp może bardziej zaszkodzić niż pomóc w zrozumieniu zarówno efektu kapilarnego jak i szeroko pojętych mechanizmów transportu wody przez rośliny.

Odnosząc się bezpośrednio do biologicznych mechanizmów transportu i niedociągnięć w tekście:
Rzeczywiście użyte przeze mnie sformułowanie: “Natomiast jodła, sosna, czy sekwoja olbrzymia nie mają żadnych pomp, ani żadnego aktywnego układu wspomagania transportu wody.” w ramach biologicznej nomenklatury może być uznane za niezgodne z prawdą. Oczywiście należy zauważyć, że oprócz efektu kapilarnego występują jeszcze inne efekty, chociażby takie jak parcie korzeniowe, czy zasysanie wody związane z jej parowaniem przez liście. Jednak efekty te nie są kluczowymi procesami odpowiadającymi za dalekozasięgowy transport wody przez rośliny. Nie bez powodu, w cytowanym zdaniu, wymienione są tylko drzewa (i to raczej wysokie). Jako wyjaśnienie pozwolę sobie przytoczyć oryginalny fragment artykułu, do którego link znajduje się pod fiztaszkiem, i którego lekturę bardzo serdecznie polecam:

What is the mechanism responsible for the large-scale movement of water? A plant whose roots have been cut off is able, at least for a while, to supply water to its leaves. That observation eliminates the possibility that some sort of pump operates in the roots and instead places the engine for water transport at the top of the plant. If asked to design such an engine, you might consider something like a vacuum pump, which drives mass flow by decreasing the pressure in the gas phase. However, the maximum height that one can lift water against gravity using that approach is 10.33 m. Trees that exceed 100 m in height, such as the coastal redwoods of California or the mountain ash of Australia, provide living proof that a fundamentally different mechanism is at play.
Plants supply water to their leaves using nothing more mysterious than capillary forces, albeit ingeniously deployed.

N. Michele Holbrook and Maciej A. Zwieniecki, “Transporting water to the tops of trees”, Physics Today, January 2008, pages 76 - 77.

Obrazek użytkownika Marek Ples

Siły kapilarne są jedynie systemem wspomagającym transport wody. Trzeba pamiętać, że ta sama siła, która powoduje unoszenie słupa cieczy w kapilarze utrudnia też jej wydostanie się z tego naczynia. Gdyby chodziło o samo zjawisko kapilarne, to ciecz zostałaby jedynie uniesiona do pewnej wysokości, a nie zaczęłaby przepływać. Muszą istnieć zjawiska wymuszające ten przepływ; albo przez "odbieranie" cieczy ze szczytu kapilary (siła ssąca, na marginesie cytat "you might consider something like a vacuum pump, which drives mass flow by decreasing the pressure in the gas phase"), albo przez wtłaczanie jej od dołu (parcie korzeniowe).

Niektóre terminy są konieczne dla zrozumienia zjawiska, nie sądzę by trzeba się było ich bać:) Poza tym akurat te określenia są na poziomie programu biologii szkoły ponadgimnazjalnej, o aparatach szparkowych dzieci powinny słyszeć już w podstawówce. Co do określenia "ksylem", to użyłem je też z innego powodu. Ksylem to inaczej drewno, jako tkanka przewodząca wodę u roślin. Kiedy jednak  niezorientowany w temacie człowiek słyszy słowo "drewno" to pomyśli o potocznym jego znaczeniu, które nie jest tożsame z biologicznym. "Drewno" jest wieloznaczne, zaś "ksylem" posiada ściśle określone znaczenie. Jeśli ktoś go nie zna, to sprawdzi, ale przynajmniej obyło się bez niejednoznaczności. Poza tym proszę o trochę więcej wiary w Czytelnika! Nie wszystko musi mieć podane na tacy, dobrze kiedy będzie miał okazję do pogrzebania w temacie.

Znaczenia kapilar nie wolno zaniedbać, a z drugiej strony rzadko się o tym mówi. W każdym razie warto było o tym napisać i to się chwali autorowi:)

Jeśli ktoś chciałby się zapoznać bliżej z tymi i podobnymi zagadnieniami, to polecam "Fizjologię roślin" pod redakcją Kopcewicza i Lewaka.

Obrazek użytkownika Bartosz Radpszewslo

Marek, dziękuje tobie za te obszerne wyjaśnienia, bo choć jestem zootechnikiem i więcej miałem do czynienia ze zwierzętami niż roślinami to właśnie pierwsze co mi się rzuciło w oczy to brak wzmianki o transpiracji oraz roli liści i korzeni a wiadomo, że bez wyjaśnienia tego procesu informacja o kapilarach i właściwościach cieczy daje nie do końca prawidłowy obraz sprawy.

Fajnie, że są ludzie co dopowiadają takie rzeczy i pozwalają innym na postrzeganie organizmu żywego jako całości i umożliwia skorelowanie procesów w nich zachodzących. Bo przecież nie da się patrzeć na organizm tylko z jednego pkt widzenia i to wyrywkowo.

Do autora artykułu:
- fajny artykuł, pomimo iż temat znany mi był już ze studiów to bardzo chętnie i miło było odświeżyć wiedzę no i zdjęcia też fajnie zrobione :)

Pozdrawiam i czekam na więcej dobrych artykułów i konstruktywnych komentarzy.

Obrazek użytkownika szympans

nigdy nie sądziłem że to aż takie skomplikowane, zazwyczaj człowiek sobie prościej wyobraża tzn są korzenie i pobierają wodę tyle , a w rzeczywistosci to niezhydraulika

Dodaj komentarz