Čo obmedzuje sací výkon rastlín e
Rastliny vysávajú vodu zo zeme podtlakom. Prečo tlak neklesne pod asi -100 barov, bola nevyriešená záhada. Medziodborová a medzinárodná výskumná skupina v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) uviedla, že za jav sú zjavne zodpovedné takzvané agregáty lipidov v rastlinných šťavách. Simulácie a modelové výpočty ukazujú, ako sa vytvárajú rastúce dutiny v dôsledku lipidov, ktoré môžu odtrhnúť kvapalný stĺpec, ak je podtlak príliš vysoký.
Hydraulické systémy používajú tlakové rozdiely na prenos signálov, síl a energie. Mnoho strojov pracuje na základe tohto princípu - ale v prírode existuje aj vynikajúci príklad: absorpcia vody rastlinami. Sací výkon koreňov je založený na podtlaku v zásobovacích kanáloch rastlín, ktorý sa vytvára odparením vody na bunkových stenách listov.
Odborníci nazývajú hydraulický systém rastliny „Xylem“ - bunkové tkanivo s malými vodivými cestami, ktoré ním pretekajú a v ktorých preteká vodou a minerálmi. Podtlak v tejto sieti je zvyčajne niekde medzi mínus 5 a mínus 50 bar. Púštne rastliny dosahujú najväčšie záporné tlaky okolo mínus 80 bar. Prečo ale hranica okolo mínus 100 barov obvykle neklesne pod, zatiaľ neprišla presvedčivá odpoveď. Pretože: Zdá sa, že fyzické dôvody v zásade nehovorili proti silnejším negatívnym tlakom. A vyšší sací výkon by bol pre rastlinu výhodný, pretože by mohla efektívnejšie čerpať vodu zo suchej pôdy.
Interdisciplinárny výskumný tím zložený z botanikov a fyzikov z Inštitútu Jožefa Stefana v Ľubľane, Inštitútu Maxa Plancka pre koloidy a rozhrania v Postupime, Slobodnej univerzity v Berlíne, Univerzity v Ulme, Technickej univerzity v Darmstadte a Kalifornskej štátnej univerzity vo Fullertone v USA, teraz poskytlo vysvetlenie: Pomocou simulácií na atómovej úrovni vedci dokázali, že prírodné látky, ktoré sú zjavne vo vode nerozpustné, takzvané lipidy, sú zodpovedné za jav v rastlinných tekutinách. V prípade podtlaku zabezpečujú tvorbu rýchlo sa rozširujúcich dutín - odborníci hovoria o dutinách. Ak sú príliš veľké, vodný stĺpec sa odtrhne. Týmto sa dramaticky zníži sila maximálneho prípustného podtlaku z viac ako mínus 1 000 barov v čistej vode na menej ako mínus 100 barov v rastlinnej šťave. Hodnota, ktorú modely predpovedajú, je vo vynikajúcej zhode s najsilnejšími potlačeniami nameranými v botanike, uvádzajú vedci.
V živých organizmoch lipidy slúžia hlavne ako štrukturálne komponenty v bunkových membránach, ako zásoby energie alebo ako signálne molekuly. Novšie biochemické štúdie preukázali, že také lipidy sa vyskytujú aj v cievnom systéme rastlín - najmä v lipidoch, ktoré vytvárajú dvojité vrstvy vo vodnom roztoku. Z chemického hľadiska je toto správanie založené na dvoch úplne odlišných koncoch lipidov: jeden odpudzuje molekuly vody, druhý ich priťahuje. Odborníci hovoria o hydrofilných (priťahujúcich vodu) a hydrofóbnych (odpudzujúcich vodu). Hydrofilná hlavová skupina preto smeruje von k vode, zatiaľ čo hydrofóbny chvost sa pripája k podobnému koncu iného lipidu. Takéto páry lipidov sa potom nejako zoradia a vytvoria takzvanú lipidovú dvojvrstvu podobnú dvojvrstvám bunkových membrán.
„Molekuly v tekutinách sa do istej miery zlepujú - na rozdiel od plynu“
Simulácie odhalili, že v dôsledku agregátov lipidov sa dutiny vytvárajú veľmi často pri negatívnom tlaku nad mínus 100 barov. Pri negatívnych tlakoch od mínus 5 do mínus 50 barov, ktoré zvyčajne prevládajú v rastlinách, sa to ťažko stane. Vedci tiež zistili, že malé vo vode rozpustné zložky miazgy ťažko podporujú vznik dutín. Zdá sa, že tlakový limit pozorovaný vo svete rastlín v skutočnosti vychádza z nahromadených lipidov. „Naše výsledky po prvýkrát poskytujú reálne vysvetlenie, prečo si rastliny nemôžu dlho udržať negatívny tlak nad mínus 100 barov,“ hovorí Schneck. Pretože rastliny nemôžu odsávať vodu z pôdy toľko, koľko chcú, obmedzuje to schopnosť rastlín absorbovať vodu zo vysychajúcej pôdy a nakoniec tam, kde môžu rastliny prežiť a rásť.
Matej Kanduč, fyzik Ústavu Jožefa Stefana v Ľubľane v Slovinsku a prvý autor štúdie, poznamenáva, že výsledky sú zaujímavé aj v súvislosti so zmenou podnebia. „Najväčšie negatívne tlaky na rastliny sa vyskytujú v oblastiach s nedostatkom vody,“ uvádza. A v dôsledku zmeny podnebia pôdy vysychajú v čoraz viac regiónoch sveta. „Tam musí byť voda čerpaná zo zeme proti najväčšiemu odporu,“ hovorí Kanduč.