Mi korlátozza a növények szívóerejét e
A növények negatív nyomás segítségével szívják ki a vizet a földből. Hogy miért nem csökken a nyomás értéke -100 bar alá, megoldatlan rejtély volt. Egy interdiszciplináris és nemzetközi kutatócsoport a Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) folyóiratban most arról számolt be, hogy a jelenségért nyilvánvalóan a növényi nedvekben található úgynevezett lipid-aggregátumok felelősek. A szimulációk és a modellszámítások megmutatják, hogyan alakulnak ki a növekvő üregek a lipidek miatt, amelyek letéphetik a folyadékoszlopot, ha a negatív nyomás túl magas.
A hidraulikus rendszerek nyomáskülönbségeket használnak a jelek, erők és energia továbbítására. Sok gép ezen elv alapján működik - de erre a természetben is van kiemelkedő példa: a növények vízfelvétele. A gyökerek szívóereje a növényi ellátó csatornák negatív nyomásán alapul, amelyet a levelek sejtfalakon a víz elpárologtatása hoz létre.
A szakemberek az üzem hidraulikus rendszerét "Xylem" -nek hívják - egy sejtszövetet, amelyen apró vezetési utak futnak át, amelyben víz és ásványi anyagok áramlanak át a növényen. A negatív nyomás ebben a hálózatban általában mínusz 5 és mínusz 50 bar között van. A sivatagi növények a legerősebb negatív nyomást mínusz 80 bar körül érik el. De miért nem esnek alább a mínusz 100 bar körüli határértékek, még nem született meggyőző válasz. Mert: a fizikai okok alapvetően nem tűntek az erősebb negatív nyomás ellen. A nagyobb szívóteljesítmény pedig előnyös lenne az üzem számára, mivel hatékonyabban tudna vizet szívni a száraz talajból.
Interdiszciplináris kutatócsoport botanikusokból és fizikusokból áll a ljubljanai Jožef-Stefan Intézetből, a potsdami Max Planck Colloidok és Interfészek Intézetéből, a Berlini Szabadegyetemről, az Ulmi Egyetemről, a Darmstadti Műszaki Egyetemről és a Kaliforniai Állami Egyetem Fullertonból, USA, most magyarázatot adott: Az atomi szintű szimulációk segítségével a tudósok megmutatták, hogy a növényi folyadékokban előforduló jelenségért a természetes anyagok, az úgynevezett lipidek felelősek, amelyek látszólag vízben nem oldódnak. Negatív nyomás esetén biztosítják a gyorsan táguló üregek kialakulását - a szakemberek az üregekről beszélnek. Ha túl nagyok lesznek, a vízoszlop leszakad. A maximálisan tolerálható negatív nyomás erőssége ezáltal drámai módon csökken, mínusz 1000 bar felett tiszta vízben, mínusz 100 bar alatt a növényi nedvben. A kutatók szerint a modellek által jósolt érték kiválóan egyezik a botanikában mért legerősebb elnyomásokkal.
Élő organizmusokban a lipidek elsősorban a sejtmembránok szerkezeti komponenseiként, energiatárolóként vagy szignálmolekulaként szolgálnak. Újabb biokémiai vizsgálatok kimutatták, hogy az ilyen lipidek a növények érrendszerében is előfordulnak - különösen azok, amelyek vizes oldatban kettős réteget képeznek. Kémiai szempontból ez a viselkedés a lipidek két teljesen különböző végén alapul: az egyik taszítja a vízmolekulákat, a másik vonzza őket. A szakértők hidrofil (víz-vonzó) és hidrofób (víztaszító) anyagokról beszélnek. A hidrofil fejcsoport tehát kifelé néz a víz felé, míg a hidrofób farok egy másik lipid hasonló végéhez kapcsolódik. Az ilyen lipidpárok mintegy sorakoznak, és a sejtmembránokhoz hasonlóan lipid kettős réteget alkotnak.
"A folyadékokban lévő molekulák bizonyos mértékben összetapadnak - ellentétben egy gázzal"
A szimulációk feltárták, hogy a lipid aggregátumok miatt az üregek nagyon gyakran alakulnak ki mínusz 100 bar negatív nyomáson. A növényekben jellemzően mínusz 5 és mínusz 50 bar közötti negatív nyomások mellett ez aligha fordul elő. A kutatók azt is megállapították, hogy a növényi nedv kicsi, vízben oldódó komponensei alig ösztönzik az üregek kialakulását. Nyilvánvaló, hogy a növényvilágban megfigyelt nyomáshatár valóban a felhalmozódott lipideken alapszik. "Eredményeink először adnak megalapozott magyarázatot arra, hogy a növények miért nem tudják sokáig fenntartani a mínusz 100 bar feletti negatív nyomást" - mondja Schneck. Tehát mivel a növények nem tudnak annyit szívni a talajból, amennyit csak akarnak, ez korlátozza a növények képességét, hogy felszívják a vizet a száradó talajból, és végül ott, ahol a növények életben maradhatnak és növekedhetnek.
Matej Kanduč, a szlovén ljubljanai Jožef Stefan Intézet fizikusa és a tanulmány első szerzője megjegyzi, hogy az eredmények a klímaváltozással kapcsolatban is érdekesek. "A növényekben a legnagyobb negatív nyomás azokon a területeken tapasztalható, ahol vízhiány van" - számol be. Az éghajlatváltozás miatt a talaj a világ egyre több régiójában kiszárad. "Ott a legnagyobb ellenállás ellen a földből kell vizet húzni" - mondja Kanduč.