凝集力と張力の作用

高さ100 mのレッドウッドの葉には、土壌から来た水が必要です。水はどうやってそこまで届くのでしょうか？ 木には心臓もポンプもありません。アイルランドの科学者、Henry DixonとJohn Jolyが1894年に提唱した答えは、凝集力・張力説です。水は下から押し上げられるのではなく、上から引っ張られるのです。

その一連の流れを見てみましょう。

• 蒸発。 葉の中では、細胞のぬれた壁から水が小さな空気のすき間へ蒸発し、気孔（次のレッスンで扱います）から外へ出ていきます。この蒸発に必要なエネルギーは、木自身の代謝ではなく、太陽から来ます。
• 張力。 水が出ていくと、細胞壁に残った水は、幅がわずか数マイクロメートルの分数ほどしかない細孔の中に、小さく曲がった表面（メニスカス）を作ります。表面張力によって、この曲がった表面が後ろの水を引っ張るため、水には負の圧力がかかります。これを張力と呼びます。
• 凝集と付着。 水分子は互いに（凝集、水素結合による）くっつき、木部の管のセルロースの壁にも（付着）くっつきます。そのため、この引っ張る力は、切れ目のない連続した水の柱を通って根まで伝わります。
• 吸水。 引き出された水を補うため、根から水が入ります。

この数字を見ると、背の高い木で働く仕組みはこれしかない理由が分かります。

静水圧。 水の柱を重力に逆らって支えるには、圧力差 ΔP = ρ g h が必要です。ρ = 1,000 kg/m³、g = 9.81 m/s² とすると、高さ10 mごとに約0.098 MPaになります（1 MPa = 1,000,000 Paで、およそ大気圧の10倍です）。

• 水10 m：0.098 MPa。
• 30 m：約0.29 MPa。
• 100 m：重力とつり合うだけで約0.98 MPa。

さらに、水は細い木部の管を通って流れなければならず、その摩擦にも同じくらいの引っ張る力が必要です。非常に高いセコイアの木のてっぺんで測定された葉の水ポテンシャルは、昼間でおよそ−1.5〜−2 MPaでした。これはこの考え方と一致します。

毛管現象（細い管を水が少しずつ上ること）は弱すぎます。高さは h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r) で表されます。表面張力 γ = 0.072 N/m、接触角0°、木部の管の半径 r = 20 µm とすると、h = 2 × 0.072 ÷ (1,000 × 9.81 × 0.00002) ≈ 0.7 mです。

根圧（根がイオンを積極的に取り込み、浸透によって水がそれに続く仕組み）は、通常わずか0.1〜0.2 MPaほどです。これは理論上、水を約10〜20 mの高さまで支えられますが、多くの木では夏になるとさらに小さくなるか、根圧自体がなくなります。根圧で説明できるのは、風がなく湿った朝に葉の縁に sap の滴がつく現象であって、セコイアのてっぺんまで水が上がることではありません。

なぜ水の柱は切れないのでしょうか？ 薄くてきれいな、閉じた管の中の水は強くまとまっているため、強く引っ張られても耐えられます。この状態は準安定です。何かが壊すまでは問題ありません。もし気体の泡ができて管の中に広がると（キャビテーション、第4課のテーマ）、その管は水を運べなくなります。木には何百万本もの管が並列にあるため、1本や数本が故障しても流れは止まりません。

役に立つ比較として、吸引ポンプやストローがあります。これらは柱の上部の圧力を下げ、大気が水を押し上げるようにします。大気がつり合わせられるのは、最大でも水約10 m（0.101 MPa）です。木が10 mを超えられるのは、空気が水を押し上げているのではなく、水が上から凝集力によって引っ張られていて、木部内の圧力が零より低くなるからです。