Trækket fra kohæsion og spænding

Et redwoodblads 100 m oppe har brug for vand, der begyndte i jorden. Hvordan kommer vandet derop? Der er intet hjerte og ingen pumpe i et træ. Svaret, som de irske forskere Henry Dixon og John Joly fremsatte i 1894, er teorien om kohæsion og spænding: Vandet bliver trukket oppefra, ikke skubbet nedefra.

Her er rækken af begivenheder:

• Fordampning. Inde i et blad fordamper vand fra cellernes våde vægge til små luftrum og forlader bladet gennem spalteåbningerne (næste lektion). Energien til denne fordampning kommer fra Solen, ikke fra træets eget stofskifte.
• Spænding. Når vand forlader bladet, danner det resterende vand i cellevæggene små buede overflader (menisker) i porer, der kun er en brøkdel af en mikrometer brede. Overfladespændingen får disse buede overflader til at trække vandet bag sig, så vandet er under negativt tryk, kaldet spænding.
• Kohæsion og adhæsion. Vandmolekyler hænger sammen (kohæsion, på grund af hydrogenbindinger) og hænger fast i cellulosevæggene i xylemrørene (adhæsion). Derfor føres trækket ned gennem kontinuerte, ubrudte vandsøjler hele vejen til rødderne.
• Optagelse. Vand trænger ind ved rødderne for at erstatte det, der blev trukket ud.

Tallene viser, hvorfor dette er den eneste mekanisme, der kan fungere for et højt træ.

Hydrostatisk tryk. At holde en vandsøjle oppe mod tyngdekraften kræver en trykforskel ΔP = ρ g h. Med ρ = 1.000 kg/m³ og g = 9,81 m/s² svarer det til cirka 0,098 MPa for hver 10 m højde (1 MPa = 1.000.000 Pa, omtrent ti gange det atmosfæriske tryk).

• 10 m vand: 0,098 MPa.
• 30 m: cirka 0,29 MPa.
• 100 m: cirka 0,98 MPa, bare for at opveje tyngdekraften.

Vandet skal også strømme gennem de smalle xylemrør, og denne friktion kræver et træk, der er omtrent lige så stort igen. Målinger øverst i meget høje redwoodtræer viste vandpotentialer i bladene midt på dagen på cirka −1,5 til −2 MPa, hvilket passer med dette billede.

Kapillaritet (vand, der langsomt bevæger sig op i et tyndt rør) er for svag. Højden er h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r). Med overfladespænding γ = 0,072 N/m, kontaktvinkel 0° og en xylemradius r = 20 µm er h = 2 × 0,072 ÷ (1.000 × 9,81 × 0,00002) ≈ 0,7 m.

Rodtryk (rødderne pumper aktivt ioner ind, så vandet følger efter ved osmose) er typisk kun omkring 0,1 til 0,2 MPa. Det kunne i princippet understøtte cirka 10 til 20 m vand, og i mange træer er det mindre eller fraværende om sommeren. Det forklarer saftdråber på bladkanterne en stille, fugtig morgen – ikke vand øverst i et redwoodtræ.

Hvorfor knækker vandsøjlen ikke? Vand i et tyndt, rent, lukket rør holder godt sammen, så det kan tåle at blive trukket hårdt. Denne tilstand er metastabil: Den er stabil, indtil noget bryder den. Hvis der dannes en gasboble, som breder sig i et rør (kavitation, emnet for lektion 4), holder det rør op med at transportere vand. Et træ har millioner af rør i parallel, så et eller nogle få svigt standser ikke strømmen.

En nyttig sammenligning er en sugepumpe eller et sugerør. De sænker trykket øverst i en søjle, så atmosfæren skubber vand op nedefra. Atmosfæren kan højst opveje cirka 10 m vand (0,101 MPa). Et træ kommer over 10 m, fordi vandet ikke skubbes op af luften, men trækkes af kohæsion fra oven, og trykket i xylemet kommer under nul.