Как деревья поднимают воду высоко наверх

Казалось бы довольно простой вопрос из школьной биологии: как вода из почвы поднимается на много метров вверх до листьев дерева. Секвойя иногда вырастает высотой 100 метров, и вода транспортируется до самой верхушки без насосов и моторов в корнях, и всё против силы тяжести. Но ответ довольно сложен, действуют несколько разных физических факторов, и ученые до сих пор уточняют, какой из них играет большую роль. 

Вода — основа жизни на Земле, и для деревьев она важна не меньше, чем для людей. Раскрытие механизмов транспортировки воды на верх в деревьях лежит на стыке следующих наук: физика, гидравлика, химия, биология, и цитология (наука изучающая клетки).

Первое, что вспоминается, когда задумываешься о транспортировки воды деревьями — это капиллярный эффект. Смысл в том, что жидкость поднимается в узких каналах вверх, благодаря силам взаимодействия молекул (смачивание). Причем чем меньше диаметр канала, тем выше может подняться cтолб жидкости. Этот эффект довольно нагляден в быту (на различных пористых материалах): так намокает вверх снежок в грязной луже, салфетка или кирпич, если касается воды.

Но одного капиллярного эффекта тут недостаточно: длинных трубок в прямом смысле в проводящей ткани (ксилеме) дерева нет (там клеточные стенки),  да и при нормальном давлении столб воды не может быть выше 10,3 м. Для кустов пойдет, но большинство деревьев растут выше. Чтобы поднять воду еще выше, нужно большее давление (выше атмосферного ~10 раз в случае гигантов секвой и эвкалиптов). Какой же природный насос его создает? А давление в коре дерева приличное, есть много практических опытов это доказывающих.

У деревьев в корнях такой насос есть — работает он на принципах прямого осмоса. В клетках корней есть мембраны с особой проводимостью, давление воды повышается за счет различной концентрации растворенных солей в почве и в тканях дерева (у корней живого дерева вода с меньшим содержанием солей). Клетки работают как каскад насосов. Соли остаются в тканях дерева, вода поступает для роста новых клеток и процесса фотосинтеза, а излишек (90%) просто испаряется через листья (там есть регулируемые поры). Осмос работает и весной, пока еще нет листьев.

А вот к испарению воды с листьев стоит присмотреться подробнее. Оно тоже влияет на тягу воды от корней к верху дерева (сила Лапласа), и называется весь процесс транспирация. Транспирация не только работает на перенос жидкости в дереве, но и защищает его от перегрева. Важным условием работы такого испарительного насоса является когезия (неразрывность) транспортируемой воды в ксилеме и адгезия к капиллярам. Испарение воды с листьев "подсасывает" пониженным давлением новую воду снизу вверх. Ток воды наверх дерева может достигать 2 мм в секунду.

А с ростом высоты дерева, повышается влияние электрических факторов (да без электрических сил не обошлось, в микромире они играют важнейшую роль). Растет разница электрических потенциалов, и это влияет на "сцепляемость" молекул воды и неразрывность поднимаемого потока.

Как видим, деревья используют различные методы транспортировки воды вверх против силы тяжести, причем в разное время года и для разных растений действуют различные "насосы" или их комбинации. Деревья, которые нас окружают, могут удивлять, ученым еще есть над чем поработать.

Спасибо за внимание.