Какво ограничава мощността на засмукване на растенията e
Растенията изсмукват вода от земята, използвайки отрицателно налягане. Защо стойността на налягането не пада под около -100 бара е неразгадана загадка. Междудисциплинарна и международна изследователска група вече съобщи в списанието Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), че така наречените липидни агрегати в растителните сокове очевидно са отговорни за явлението. Симулациите и изчисленията на модели показват как се образуват нарастващи кухини поради липидите, които могат да откъснат колоната на течността, ако отрицателното налягане е твърде високо.
Хидравличните системи използват разлики в налягането за предаване на сигнали, сили и енергия. Много машини работят на основата на този принцип - но има и виден пример за това в природата: водопоглъщането на растенията. Всмукателната сила на корените се основава на отрицателното налягане в каналите за захранване на растенията, което се създава от изпарението на водата върху клетъчните стени на листата.
Експертите наричат хидравличната система на растението "Xylem" - клетъчна тъкан с малки проводни пътеки, преминаващи през нея, в която водата и минералите протичат през растението. Отрицателното налягане в тази мрежа обикновено е някъде между минус 5 и минус 50 бара. Пустинните растения достигат най-голямо отрицателно налягане от около минус 80 бара. Досега няма категоричен отговор защо границата от около минус 100 бара обикновено не е спаднала под. Защото: физическите причини не изглеждаха против по-силен негативен натиск. И по-висока всмукателна мощност би била изгодна за растението, тъй като то би могло да извлича вода по-ефективно от суха почва.
Интердисциплинарен изследователски екип, съставен от ботаници и физици от Института "Йожеф-Стефан" в Любляна, Института за колоиди и интерфейси "Макс Планк" в Потсдам, Свободния университет в Берлин, Университета в Улм, Техническия университет в Дармщат и Калифорнийския държавен университет Фулертън, САЩ сега даде обяснение: С помощта на симулации на атомно ниво учените успяха да покажат, че естествените вещества, които очевидно са неразтворими във вода, така наречените липиди, са отговорни за явлението в растителните течности. Когато има отрицателно налягане, те осигуряват образуването на бързо разширяващи се кухини - експертите говорят за кухини. Ако те станат твърде големи, водният стълб ще се откъсне. По този начин силата на максимално допустимото отрицателно налягане се намалява драстично, от повече от минус 1000 бара в чиста вода до по-малко от минус 100 бара в сока на растението. Стойността, която моделите прогнозират, е в отлично съгласие с най-силните потискания, измерени в ботаниката, съобщават изследователите.
В живите организми липидите служат главно като структурни компоненти в клетъчните мембрани, като запаси от енергия или като сигнални молекули. По-нови биохимични проучвания показват, че такива липиди се срещат и в растителната съдова система - особено тези, които образуват двойни слоеве във воден разтвор. От химическа гледна точка това поведение се основава на двата напълно различни края на липидите: единият отблъсква водните молекули, а другият ги привлича. Експертите говорят за хидрофилни (привличащи вода) и хидрофобни (водоотблъскващи). По този начин хидрофилната група глави се обръща навън към водата, докато хидрофобната опашка се прикрепя към подобен край на друг липид. След това такива липидни двойки се подреждат и образуват това, което е известно като липиден бислой, подобен на този на клетъчните мембрани.
"Молекулите в течностите се слепват до известна степен - за разлика от газ"
Симулациите разкриха, че поради липидните агрегати кухините се образуват много често при отрицателно налягане над минус 100 бара. При отрицателните налягания от минус 5 до минус 50 бара, които обикновено преобладават в растенията, това едва ли някога се случва. Изследователите също така установиха, че малките, водоразтворими компоненти на растителния сок трудно подпомагат образуването на кухини. Очевидно ограничението на налягането, наблюдавано в растителния свят, всъщност се основава на натрупаните липиди. „За първи път нашите резултати дават правдоподобно обяснение защо растенията не могат да поддържат отрицателно налягане над минус 100 бара за дълго“, казва Шнек. Тъй като растенията не могат да изсмукват вода от почвата толкова, колкото искат, това ограничава способността на растенията да абсорбират вода от изсъхващата почва и в крайна сметка къде растенията могат да оцелеят и да растат.
Матей Кандуч, физик от Института „Йожеф Стефан“ в Любляна, Словения и първи автор на изследването, отбелязва, че резултатите представляват интерес и във връзка с изменението на климата. „Най-голямо отрицателно налягане в растенията се открива в райони, където има недостиг на вода“, съобщава той. И поради изменението на климата почвите изсъхват във все повече региони на света. "Там водата трябва да се изтегля от земята срещу най-голямото съпротивление", казва Кандуч.