Що обмежує потужність всмоктування рослин e
Рослини висмоктують воду з землі, використовуючи негативний тиск. Чому тиск не опускається нижче -100 бар, залишається нерозгаданою загадкою. Зараз міждисциплінарна та міжнародна дослідницька група повідомила в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), що так звані ліпідні агрегати в рослинних соках, очевидно, відповідальні за це явище. Моделювання та модельні розрахунки показують, як за рахунок ліпідів утворюються зростаючі порожнини, які можуть відірвати стовп рідини, якщо від'ємний тиск занадто високий.
Гідравлічні системи використовують різниці тисків для передачі сигналів, сил та енергії. Багато машин працюють на основі цього принципу, але є також яскравий приклад цього в природі: водопоглинання рослин. Потужність всмоктування коренів заснована на негативному тиску в каналах живлення рослин, який створюється випаровуванням води на клітинних стінках листя.
Експерти називають гідравлічну систему рослини «Ксилемою» - клітинною тканиною, через яку проходять крихітні провідні шляхи, в яких вода та мінерали протікають через рослину. Негативний тиск у цій мережі зазвичай становить десь від мінус 5 до мінус 50 бар. Рослини в пустелях досягають найсильнішого негативного тиску близько мінус 80 бар. Але чому межа, яка становить близько мінус 100 бар, як правило, не опускається нижче, поки що не існує остаточної відповіді. Тому що: фізичні причини в основному, здається, не виступали проти посилення негативного тиску. А вища потужність всмоктування була б вигідною для рослини, оскільки вона могла б ефективніше забирати воду із сухого ґрунту.
Міждисциплінарна дослідницька група, що складається з ботаніків та фізиків з Інституту Йожефа Стефана в Любляні, Інституту коллоїдів та інтерфейсів Макса Планка в Потсдамі, Вільного університету Берліна, Ульмського університету, Технічного університету Дармштадта та Каліфорнійського державного університету Фуллертон, США, тепер дав пояснення: за допомогою моделювання на атомному рівні вчені змогли показати, що природні речовини, які, мабуть, нерозчинні у воді, так звані ліпіди, відповідають за явище в рослинних рідинах. У разі негативного тиску вони забезпечують утворення швидко поширюваних порожнин - експерти говорять про порожнини. Якщо вони стануть занадто великими, товща води відірветься. Таким чином, міцність максимально допустимого негативного тиску різко знижується, з більш ніж мінус 1000 бар у чистій воді до менш ніж мінус 100 бар у соку рослини. Значення, яке передбачають моделі, чудово узгоджується з найсильнішими придушеннями, виміряними в ботаніці, повідомляють дослідники.
У живих організмах ліпіди в основному служать структурними компонентами клітинних мембран, запасами енергії або сигнальними молекулами. Пізніші біохімічні дослідження показали, що такі ліпіди також трапляються в судинній системі рослини - особливо ті, які утворюють подвійні шари у водному розчині. З хімічної точки зору, ця поведінка базується на двох абсолютно різних кінцях ліпідів: один відштовхує молекули води, інший притягує їх. Фахівці говорять про гідрофільний (притягує воду) та гідрофобний (водовідштовхувальний). Отже, гідрофільна головна група звернена назовні до води, тоді як гідрофобний хвіст прикріплюється до подібного кінця іншого ліпіду. Потім такі пари ліпідів сортуються і утворюють так званий ліпідний бішар, подібний до клітинних мембран.
"Молекули в рідинах до певної міри злипаються - на відміну від газу"
Моделювання показало, що через агрегати ліпідів порожнини дуже часто утворюються при негативному тиску понад мінус 100 бар. При негативному тиску від мінус 5 до мінус 50 бар, який зазвичай переважає в рослинах, це навряд чи колись трапляється. Дослідники також виявили, що дрібні, водорозчинні компоненти рослинного соку навряд чи сприяють утворенню порожнин. Очевидно, що граничний тиск, який спостерігається у рослинному світі, насправді базується на накопичених ліпідах. "Вперше наші результати дають правдоподібне пояснення, чому рослини не можуть довго підтримувати негативний тиск більше ніж мінус 100 бар", - говорить Шнек. Оскільки рослини не можуть висмоктувати воду з ґрунту стільки, скільки хочуть, це обмежує здатність рослин поглинати воду з пересихаючого ґрунту і, зрештою, де рослини можуть вижити і рости.
Матей Кандуч, фізик з Інституту Йожефа Стефана в Любляні, Словенія та перший автор дослідження, зазначає, що результати також представляють інтерес у зв'язку зі зміною клімату. "Найбільший негативний тиск у рослин спостерігається в районах, де бракує води", - повідомляє він. А через зміну клімату ґрунти пересихають у дедалі більших регіонах світу. "Там воду потрібно забирати із землі проти найбільшого опору", - говорить Кандуч.