Kohesjons- og tensjonstrekket

Et redwoodblad 100 m oppe trenger vann som startet i jorda. Hvordan kommer vannet dit? Det finnes ingen hjertepumpe og ingen pumpe i et tre. Svaret, som ble foreslått av de irske forskerne Henry Dixon og John Joly i 1894, er teorien om kohesjon og tensjon: Vannet blir trukket fra toppen, ikke skjøvet opp fra bunnen.

Slik foregår det:

• Fordamping. Inne i et blad fordamper vann fra de fuktige celleveggene til små luftrom og forlater bladet gjennom spalteåpningene (neste leksjon). Energien til denne fordampingen kommer fra Sola, ikke fra treets eget metabolisme.
• Tensjon. Når vann forlater bladet, danner vannet som er igjen i celleveggene små, buede overflater (menisker) i porer som bare er en brøkdel av en mikrometer brede. Overflatespenning gjør at disse buede overflatene trekker vannet bak seg, slik at vannet er under negativt trykk, kalt tensjon.
• Kohesjon og adhesjon. Vannmolekyler fester seg til hverandre (kohesjon, på grunn av hydrogenbindinger) og til celluloseveggene i xylemrørene (adhesjon). Derfor overføres trekket nedover, gjennom kontinuerlige, ubrutte vannsøyler, helt til røttene.
• Opptak. Vann kommer inn ved røttene for å erstatte vannet som ble trukket ut.

Tallene viser hvorfor dette er den eneste mekanismen som kan fungere i et høyt tre.

Hydrostatisk trykk. Å holde en vannsøyle oppe mot gravitasjonen krever en trykkforskjell ΔP = ρ g h. Med ρ = 1 000 kg/m³ og g = 9,81 m/s² blir det omtrent 0,098 MPa for hver 10 m høyde (1 MPa = 1 000 000 Pa, omtrent ti ganger atmosfærisk trykk).

• 10 m vann: 0,098 MPa.
• 30 m: omtrent 0,29 MPa.
• 100 m: omtrent 0,98 MPa, bare for å motvirke gravitasjonen.

Vannet må også strømme gjennom de smale xylemrørene, og denne friksjonen krever et trekk som er omtrent like stort en gang til. Målinger øverst i svært høye redwoodtrær viste vannpotensialer i bladene midt på dagen på omtrent −1,5 til −2 MPa, noe som passer med dette bildet.

Kapillaritet (vann som kryper opp i et tynt rør) er for svak. Høyden er h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r). Med overflatespenning γ = 0,072 N/m, kontaktvinkel 0° og en radius r = 20 µm i et xylemrør blir h = 2 × 0,072 ÷ (1 000 × 9,81 × 0,00002) ≈ 0,7 m.

Rottrykk (røttene pumper aktivt ioner inn, slik at vann følger etter ved osmose) er vanligvis bare omtrent 0,1 til 0,2 MPa. Det kunne i prinsippet støtte omtrent 10 til 20 m vann, og i mange trær er det mindre eller fraværende om sommeren. Det forklarer dråper av sevje på bladkanter en stille, fuktig morgen, ikke vann helt øverst i et redwood-tre.

Hvorfor brister ikke vannsøylen? Vann i et tynt, rent og lukket rør holder godt sammen, så det tåler å bli trukket hardt. Denne tilstanden er metastabil: Den holder seg til noe bryter den. Hvis en gassboble dannes og sprer seg i et rør (kavitasjon, temaet i leksjon 4), slutter det røret å frakte vann. Et tre har millioner av rør i parallellkobling, så én eller noen få svikt stopper ikke vannstrømmen.

En nyttig sammenligning er en sugepumpe eller et sugerør. De senker trykket øverst i en vannsøyle, slik at atmosfæren skyver vann opp nedenfra. Atmosfæren kan balansere høyst omtrent 10 m vann (0,101 MPa). Et tre kommer forbi 10 m fordi vannet ikke skyves opp av luften, men trekkes av kohesjon ovenfra, og trykket i xylemet blir lavere enn null.