Skrivnost visokih dreves

Vse, kar najdemo v naravi, je na prvi pogled lepo in čudovito, ko se malo bolj poglobimo, pa postane tudi fascinantno in celo čudežno. Eden od milijonov “čudežev” je dejstvo, da drevesa lahko zrastejo sto in več metrov v višino. Fiziki se že kar nekaj časa trudijo pojasniti ta pojav, a mu še vedno niso prišli čisto do dna. Predstavljajmo si tridesetnadstropno stolpnico, ki jo moramo opremiti z vodovodom in poskrbeti, da bo voda po njem pritekla v poslednji kotiček te velike stavbe. Ni problema, saj to vendar zmoremo! Zdaj pa podvig malo otežimo. Prepovejmo uporabo vodnih črpalk. Problem se zdaj močno zaplete in postane praktično nerešljiv! Pa vendar, “preproste” naravne tvorbe, kot so drevesa, to zmorejo. Le kako? Oglejmo si prevladujoče hipoteze o tem problemu.

Voda

Ključno vlogo odigra sama narava vode. Ta preprosta spojina vodika in kisika je osnovno sredstvo, s katerim narava omogoča življenje, kot ga poznamo. Je gradnik, energent, transportno sredstvo, topilo in še marsikaj drugega. Fiziki so odkrili že prek 40 čisto posebnih (anomalnih) lastnosti vode, ki prav vse podpirajo nastanek in ohranjanje življenja. Najpomembnejša lastnost vodne molekule je njena električna polarnost. Atoma vodika, ki se povežeta z atomom kisika, namreč čepita malo bolj skupaj, kot bi morda pričakovali. Skupni elektronski ovoj je zato nekoliko asimetričen, zato pride do omenjene električne polarnosti. Iz te molekularne nesimetrije izvirajo vse tiste anomalije, ki jih izkazuje voda. Polarnost povzroči, da se vodne molekule med seboj privlačijo (kohezija) in povežejo v gruče. Ne lepijo se le med seboj, temveč zaradi svoje električnosti stopajo v odnose tudi z okolico. Znajo se zalepiti za steno (adhezija) in po njej splezati navkreber (kapilarnost). V svetu majhnega vladajo izključno električne sile. So privlačne in odbojne, za razliko od gravitacije, ki pride bolj do izraza na večjih razdaljah in ki je le privlačna. V kraljestvu majhnega imajo električne sile absolutno prevlado, njihov vpliv pa se na večjih razdaljah začne izgubljati. Za drevesa lahko rečemo, da živijo in rastejo v vmesnem svetu, kjer prekrižata kopji ti dve sili. V višino se lahko vzpnejo in tako premagajo težnost, le če prisilijo vodne molekule, ki gradijo in hranijo njihova telesa, da delujejo usklajeno, v isti smeri. Vodikova vez, ki poveže dve vodni molekuli, je tako močna, da v navezi teoretično lahko drži vodno nit dolžine enega in pol kilometra, preden se pretrga. To je ključ do rešitve problema, ki ga raziskujemo.

Drevesni vodovod

Najprej na kratko o drevesni strukturi. Celotno drevo je en sam šop med seboj povezanih cevčic. Po njih se pretaka voda, ki po drevesu prenaša hranila. Ta morajo prispeti do tanke plasti “živega” tkiva, imenovanega kambij, ki se nahaja tik pod lubjem. Tu se drevesne celice delijo, razvijajo in rastejo. Na zunanji strani kambija nastaja floem, sistem živih cevastih struktur, katerega naloga je prevajanje in razporejanje hranilnih snovi. Pozimi ta plast odmre in se pridruži mrtvemu tkivu lubja, ki drevo ščiti pred zunanjimi vplivi, na notranji strani kambija pa nastaja ksilem, ki tvori drevesno deblo. To daje drevesu oporo, prek svoje porozne strukture pa omogoča tudi transport in hrambo vode. Če les pogledamo pod mikroskopom, odkrijemo, da gre pri floemu za nekaj deset mikronov široke cevčice, ki so med seboj horizontalno in vertikalno povezane prek odprtinic. Gre za obsežen vodovodni sistem, ki poteka od koreninic, korenin, debla, vej do posameznih listov v krošnji. Te cevke se v samem listu zelo zožijo. Sistem spominja na živalski (in tudi človekov) krvotok. Tvorijo ga velike žile, ki se zožijo in razvejejo v vedno tanjše žilice, vse do široko razvejanega sistema kapilar. Pri živalih je srce tisto, ki kri poganja po žilah, drevo pa nima takšnega centralnega organa, zato nas zanima, kaj v drevesu nadomešča srce, kaj spravi njegovo “kri” v gibanje. Prevladujoča znanstvena hipoteza govori o treh glavnih pogonskih sredstvih ali principih, ki vodo poganjajo od korenin proti krošnji drevesa. Prvi deluje od spodaj. Gre za aktivni proces, kjer sodelujejo žive celice korenin. Najprej kemični procesi iz zemlje potisnejo soli v ksilem, nato pa gradient koncentracije teh ionov za seboj posrka še vodo. Pojav se imenuje osmoza in ga tu posebej ne bomo opisovali. Gre za mehanizem srkanja vode in hranilnih snovi iz zemlje, ki je aktiven v prvem delu potovanja vode po drevesu, vendar pa ne prispeva bistveno k dvigu vode vzdolž drevesnega debla.

Kapilarnost

Sledi pojav kapilarnosti ali površinske napetosti. Ta sposobnost vodi omogoča, da pleza po navpični steni. Sama molekula tega sicer ne zmore, potrebuje namreč pomoč, v obliki sunka sile, ki ga dobi od kakšne zelo živahne (vroče) zračne molekule, s katero pride v stik, na gladini. Molekula skoči v zrak in se s svojo naelektreno ročico zagrabi za oprimek na steni. Za seboj potegne še svoje sestre, ki tvorijo nekakšno alpinistično navezo. Sunki, ki sledijo, pomikajo navezo vedno višje, dokler se ne vzpostavi ravnotežje s silami zračnega pritiska, ki druščino potiska navzdol. Dvig tekočine je odvisen od premera cevke, po kateri se voda vzpenja. Pri nekaj deset mikronov, kolikor znašajo premeri cevčic ksilema, se lahko voda povzpne le nekaj metrov v višino. Pojav bi lahko zadoščal le v primeru grmičevja, pa še takrat ne, saj se gibanje ustavi, ko molekule priplezajo do vrha stene. Potrebujemo torej še nekaj!

Transpiracija

Šele ko mlado drevesce razvije prve liste, v ospredje stopi tista ključna inženirska domislica narave, ki bo vodo potegnila preostalih 99 m v višino in poskrbela, da se bo ohranilo tudi njeno gibanje. Cevčice v listih se namreč zelo stanjšajo in pomnožijo. Na površini se odprejo v obliki drobnih ustec, prek katerih voda izstopa v obliki hlapov. Izhlapevanje ali transpiracija poteka na sledeči način. Zgodi se, da zelo hitra molekula zraka izbije molekulo vode, ki čepi v listni reži (stomata). To naredi v vodnem stolpcu praznino in s tem možnost kapilarnega dviga molekule, ki čepi “nadstropje” niže. Ob naslednjem sunku ta poskoči in se zagrabi za okvir tiste mikroskopske odprtinice v listu, pri tem pa seveda nekoliko napne “elastiko”, s katero je povezana celotna naveza vodnih molekul, ki sega od krošnje pa vse do koreninskih laskov. Kohezijske sile v listnih kapilarah so zaradi izredno tankega premera listne cevčice v primerjavi s silo, s katero zračni tlak tišči vodni stolpec proti tlom, v veliki premoči. Po tako tanki kapilari bi se voda lahko povzpela stotine metrov v višino. Vendar se cevke ksilema nižje v drevesnem deblu zelo razširijo in v sebi zadržujejo veliko količino vode, ki z veliko težo vleče proti tlom. Toda listi s svojimi kapilarami zmorejo to maso premakniti navzgor zaradi svojega velikega števila, ki složno deluje v isti smeri. Tista ogromna tropska drevesa imajo stotinetisoče listov, od katerih ima vsako na milijone drobnih cevčic. Vsi ti trilijoni v listne kapilare ujetih vodnih molekul vlečejo mogočno vodno maso proti nebu.

Povzetek

Naj na kratko strnemo. Ključna je polarnost vodne molekule, ki skupaj z močnimi vezmi med molekulami vodi daje veliko elastičnost. Nadalje daje pojav kapilarnosti vodi sposobnost, da se oprijema sten in se po njih vzpenja. K temu procesu pa nepogrešljivo prispeva tudi hlapenje vode skozi liste v krošnji drevesa, ki omogoča kontinuirano potovanje vode po njenem velikem krogotoku, katerega del je vzpenjanje po drevesu. Drevesu nazadnje uspe “veliko” težnostno silo premagati s seštevkom majhnih električnih sil zaradi ogromnega števila zelo tankih kapilar v listih. Na koncu naj opozorimo, da gre za znanstveno hipotezo, ki s precejšnjo gotovostjo opisuje glavni mehanizem pretoka vode po drevesu. Zelo verjetno je, da vzporedno z opisanim deluje še kakšen mehanizem. Še vedno namreč niso razkrite vse “skrivnosti” potovanja vode po drevesih. Pozimi namreč voda ne hlapi, saj listavci odvržejo svoje zelene “črpalkice”. Vendar vsi tudi vemo, da se spomladi pod drevesno skorjo začnejo intenzivno pretakati sokovi, in to še preden poženejo prvi listi. Vsak gozdar ve, da obstajajo tudi letni, mesečni in dnevni ritmi, ki jim sledi količina soka v drevesih. Obstajajo torej mehanizmi, ki sledijo spremembam temperature, vlage, naboja in še česa, kar je težko izmeriti. Poleg tega v koreninah, deblu in listih obstajajo plasti živih celic, kjer potekajo raznovrstni biološki procesi, ki aktivno prispevajo k pretakanju vode in snovi v njej. Ta preprosta bitja narave le niso tako preprosta, prav obratno, veličastna in kompleksna so, vsega občudovanja in spoštovanja vredna.