ストローを強く吸えば吸うほど、より多くの液体が出てきます。植物も同様の原理で土壌から水を汲み上げます。しかし、これまでは謎がありました。なぜ植物は、乾燥した土壌からさらに効果的に水を抽出するために、明らかに存在する負圧の可能性を利用しないのでしょうか?現在の研究では、植物ジュースに含まれる特定の脂肪が高い吸収性を妨げていることが示されています。一定の負圧になると空洞が形成され、水の流れが止まります。
一見すると、植物の水力システムは非常に単純であるように見えます。水は葉の中で蒸発し、根に伸びる植物の維管束系に吸引効果を生み出します。そこでは負圧によって地面から水が確実に吸収されます。このプロセスには次のルールが適用されます。土壌が乾燥しているほど、植物の吸汁力は強くなります。しかし、研究が示しているように、それらは驚くほど早く限界に達するようです。砂漠の植物でさえマイナス 100 バールを超えることはありません。その理由はまだ不明でした。より強力な負圧に対抗する物理的な理由はないようであるため、水柱の場合、接続が切れることなく最大 1000 bar の負圧が実際に可能です。
吸引力を制限するものは何ですか?
国際研究チームは、植物の伝導体経路における制限要因が何であるかを発見しました。彼らは、原子レベルでのシミュレーションを使用して、負圧の可能性を制限する可能性のある成分が植物の樹液中に存在するかどうかの問題を調査しました。彼らの結果は、特定の脂肪（脂質）が明らかに原因であることを示しています。したがって、これらの天然物質は、100 barを超える負圧で植物汁中に急速に拡大する空洞、いわゆる空洞の形成を確実にします。それらが大きくなりすぎると、水柱が壊れ、植物の供給が崩壊します。
研究者らは、脂質が空洞を形成しやすくする理由は、植物の樹液中で脂質が二重層を形成するためであると説明している。この効果は、脂質の 2 つの異なる末端に基づいています。1 つは水分子をはじき、もう 1 つは疎水性です。もうひとつの魅力は親水性です。したがって、親水性部分は水に面しており、疎水性尾部は別の脂質の同様の末端に接続されています。これらの特性により、植物液中に脂質二重層で構成される小さな構造が形成されます。
グリースは負圧下で空洞を形成します
コンピューター シミュレーションからわかるように、これらの構造により、負圧下で空洞が形成される傾向が大幅に増加します。液体中の脂質二重層は、空洞が特に容易に形成され、純水ほど効果的に溶解しないことを意味します。 「簡単に言えば、水分子のグループを引き裂くよりも、2 つの脂質層を引き裂く方がはるかに簡単です」と、共著者であるダルムシュタット工科大学のエマヌエル シュネック氏は説明します。
彼と彼の同僚が証明できたように、植物ジュース中の水柱は 100 bar 以上の圧力で破壊されます。しかし、わずか5～50バールのプラントで通常見られる条件下では、このようなことはほとんど起こらないと研究者らは言う。したがって、結果は植物学で測定された陰圧と正確に一致します。 「私たちの結果は、なぜ植物がマイナス100バールを超える負圧を長期間維持できないのかについて、初めて納得できる説明を提供しました」とシュネック氏は言う。
したがって、植物が乾燥した土壌から水を吸収する能力は限られています。これが最終的に植物がどこで生存し成長できるかを決定すると科学者たちは説明する。彼らによると、この結果は気候変動の文脈にも関連しており、世界のますます多くの地域で干ばつが増加しているという。したがって、植物の水を吸収する能力についての洞察は役立つ可能性がある、と科学者らは言う。
出典: Max Planck Institute for Colloids and Interfaces Research、専門記事: PNAS、doi:10.1073/pnas.1917195117
