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.