У дерева нет сердца-насоса, ведра и длинной трубки с мотором. Но вода из почвы всё равно добирается до листьев на высоте многоэтажного дома. А у самых высоких деревьев ей приходится подняться больше чем на сто метров. Кто же тащит её вверх против силы тяжести?
Короткий ответ: дерево получает воду корнями, проводит её вверх по ксилеме, а главную тягу создаёт испарение воды из листьев. Молекулы воды сцеплены друг с другом, поэтому уход воды из верхней части растения словно натягивает непрерывную водяную колонну от листьев до самых корней.
Как дерево пьёт воду
Дерево получает воду из почвы через молодые части корневой системы, особенно через многочисленные корневые волоски.
Представим одну каплю после дождя.
Она просачивается между частицами почвы и оказывается рядом с тонким молодым корнем.
Большой толстый корень, который можно увидеть над землёй возле старого дуба, выглядит внушительно, но основное поглощение воды происходит совсем не его грубой корой.
На молодых участках корней находятся крошечные выросты клеток — корневые волоски.
Они сильно увеличивают площадь соприкосновения корня с почвой.
Вода движется из почвы внутрь корня в соответствии с разницей водного потенциала, а вместе с ней растение получает растворённые минеральные вещества.
Как растения поглощают воду из почвы
Вода движется через ткани корня туда, где её водный потенциал ниже, и постепенно попадает в проводящую систему растения.
Корень — не пустая соломинка.
Чтобы добраться до центральных проводящих тканей, вода должна пройти через несколько слоёв живых клеток.
Часть пути она проходит через сами клетки, часть — вдоль их стенок. Ближе к центру корня существует своеобразный контрольный барьер, который заставляет воду и растворённые вещества пересечь клеточную мембрану.
Так растение может лучше регулировать, что именно попадает в его проводящую систему.
После этого наша воображаемая капля оказывается в ксилеме.
И тут начинается настоящее путешествие наверх.
Что такое ксилема
Ксилема — проводящая ткань растения, по которой вода и растворённые минеральные вещества движутся главным образом от корней к листьям.
В древесине работают специальные проводящие элементы — сосуды и трахеиды.
К моменту, когда многие из этих клеток начинают проводить воду, их живое содержимое уже исчезает, а прочные одревесневшие стенки остаются.
Получается длинная система микроскопических каналов.
Но рядом существует другая транспортная сеть — флоэма. Она переносит вещества, образованные в процессе фотосинтеза, к тем частям растения, где они нужны.
То есть внутри ствола одновременно работают разные транспортные пути.
Как вода поднимается вверх по дереву
Главная сила, поднимающая воду по ксилеме высокого дерева, возникает в листьях из-за транспирации — испарения воды.
Это кажется странным.
Мы начали возле корней, а главный «двигатель» оказался на другом конце дерева.
В листе есть множество микроскопических отверстий — устьиц. Через них растение обменивается газами с окружающим воздухом.
Одновременно часть воды с влажных поверхностей внутри листа испаряется и выходит наружу в виде водяного пара.
Когда молекула воды покидает лист, в находящейся там воде возникает натяжение.
А молекулы воды благодаря водородным связям притягиваются друг к другу.
Поэтому движение одной молекулы помогает тянуть следующую, та — следующую за ней, и натяжение передаётся вниз по непрерывной колонне воды в ксилеме.
Так лист фактически тянет воду к себе снизу.
Что такое транспирация
Транспирация — это потеря растением воды в виде водяного пара, главным образом через устьица листьев.
С первого взгляда кажется странным: зачем дереву сначала с огромным трудом добывать воду из почвы, а потом выпускать значительную её часть обратно в воздух?
Но без открытия устьиц растение не может нормально получать углекислый газ, необходимый для фотосинтеза.
Получается компромисс.
Когда устьица открыты для газообмена, вода неизбежно испаряется.
И именно это испарение создаёт тягу, которая поддерживает движение новой воды от корней вверх.
Почему водяная колонна не разваливается
Молекулы воды притягиваются друг к другу — это свойство называется когезией.
Именно когезия помогает сохранять связь между соседними молекулами воды в ксилеме.
Есть и другое свойство — адгезия: вода способна притягиваться к стенкам проводящих элементов.
Оба эффекта помогают воде двигаться в узких каналах.
Но здесь легко попасть в ловушку и сказать: «Значит, всё объясняется капиллярностью».
Нет.
Капиллярное поднятие действительно существует и помогает движению воды в очень узких пространствах. Но силы одной капиллярности недостаточно, чтобы поднять воду к вершине гигантской секвойи.
Для высоких сосудистых растений главным механизмом остаётся система транспирация → натяжение → когезия водяной колонны.
Помогает ли корневое давление
Корневое давление существует и может толкать воду вверх, но для высоких деревьев оно не является главным механизмом подъёма воды.
Корни способны накапливать растворённые вещества в ксилеме. Это изменяет движение воды и может создавать положительное давление.
Особенно заметно оно бывает ночью или ранним утром, когда транспирация невелика.
У некоторых растений благодаря корневому давлению на краях листьев даже появляются капли воды — это называется гуттацией.
Но давления корней недостаточно, чтобы объяснить подъём воды на десятки и тем более на сто метров.
Поэтому образ дерева как насоса, который снизу «проталкивает» воду к кроне, вводит в заблуждение.
Высокое дерево скорее работает как система, которую в значительной степени тянут сверху.
Что происходит с водой в жаркий день
В тёплом сухом и ветреном воздухе вода обычно испаряется из листьев быстрее, поэтому транспирация может усиливаться.
Но у дерева есть предел.
Если корни не успевают получать воду из почвы, растение рискует потерять слишком много влаги.
Тогда устьица могут частично или полностью закрываться.
Это уменьшает потерю воды.
Правда, одновременно через закрытые устьица поступает меньше углекислого газа, и фотосинтез замедляется.
Получается постоянный выбор: получить больше газа для фотосинтеза или сохранить драгоценную влагу.
Может ли водяная колонна внутри дерева порваться
Да. В ксилеме иногда возникают пузырьки газа, которые нарушают непрерывность водяного пути.
Это явление называют кавитацией, а закупорку проводящего элемента пузырьком — эмболией.
Особенно велик риск во время сильной засухи или мороза.
Для дерева это серьёзная проблема: отдельный канал перестаёт нормально проводить воду.
Но у растения огромное количество проводящих путей, а устройство ксилемы помогает ограничивать распространение повреждения.
И здесь становится понятно, почему древесина — не просто «труба».
Это сложная гидравлическая система, которая должна одновременно проводить воду, выдерживать отрицательное давление и оставаться прочной.
Большая часть воды остаётся внутри дерева?
Нет. Значительная часть воды, которую растение поглощает корнями, в конце концов снова попадает в атмосферу через транспирацию.
Вода нужна растению для фотосинтеза, поддержания формы клеток, переноса веществ и многих химических процессов.
Но огромный поток проходит через растение транзитом.
USGS приводит показательный пример: большое дерево за год способно вернуть в атмосферу десятки тысяч литров воды.
Поэтому лес влияет не только на почву и животных.
Миллионы листьев непрерывно участвуют в обмене водой между землёй и воздухом.
Опыт: увидим путь воды внутри стебля
Движение воды по проводящим тканям можно сделать видимым с помощью пищевого красителя.
Возьми вместе со взрослым стебель сельдерея или белый цветок.
Поставь его свежим срезом в стакан воды, куда добавлено несколько капель пищевого красителя.
Раствор пить нельзя.
Через несколько часов, а иногда на следующий день, цвет начнёт появляться в жилках листьев или лепестках.
Если сделать поперечный срез стебля сельдерея, можно увидеть окрашенные участки проводящих пучков.
Краситель не показывает все сложные силы, которые работают в живом дереве, но отлично обнаруживает сам маршрут воды.
Так как вода поднимается от корней к листьям
Это работа не одного насоса, а целой цепочки физических и биологических процессов.
Корневые волоски получают воду из почвы.
Она проходит внутрь корня и попадает в ксилему.
В листьях вода испаряется через устьица.
Это создаёт натяжение, которое тянет воду наверх.
Когезия удерживает соседние молекулы воды связанными друг с другом, а адгезия помогает им взаимодействовать со стенками ксилемы.
Корневое давление и капиллярные эффекты тоже существуют, но не являются главным объяснением того, как вода достигает вершины очень высокого дерева.
Получается удивительный ответ: один из главных «двигателей» водного потока находится не в корнях, а наверху — в листьях.
Коротко для школьного сообщения
Растения поглощают воду из почвы молодыми корнями и корневыми волосками. Затем вода поступает в ксилему — проводящую ткань, которая переносит её к стеблю и листьям.
Главная сила подъёма воды возникает при транспирации. Вода испаряется из листьев через устьица, создавая натяжение в ксилеме. Благодаря когезии молекулы воды удерживаются друг за друга, поэтому водяная колонна движется вверх.
Капиллярность и корневое давление тоже помогают, но не могут сами по себе объяснить подъём воды к вершинам очень высоких деревьев.
Источники
- OpenStax Biology 2e — Transport of Water and Solutes in Plants
- Georgia Tech — Water Transport in Plants: Xylem
- U.S. Geological Survey — Capillary Action and Water
- U.S. Geological Survey — Evapotranspiration and the Water Cycle
- U.S. Geological Survey — Adhesion and Cohesion of Water
- New Phytologist — The cohesion-tension theory