Kohäsions- och spänningskraften

Ett redwoodblad 100 m upp behöver vatten som började i jorden. Hur kommer vattnet dit? Det finns inget hjärta och ingen pump i ett träd. Svaret, som föreslogs av de irländska forskarna Henry Dixon och John Joly år 1894, är teorin om kohesion och tension: vattnet dras uppifrån, inte skjuts upp underifrån.

Så här går det till:

• Avdunstning. Inuti ett blad avdunstar vatten från cellernas våta väggar till små luftutrymmen och lämnar bladet genom klyvöppningarna (i nästa lektion). Energin till denna avdunstning kommer från solen, inte från trädets egen ämnesomsättning.
• Tension. När vatten lämnar cellerna bildar det kvarvarande vattnet i cellväggarna små böjda ytor (menisker) i porer som bara är en bråkdel av en mikrometer breda. Ytspänningen gör att de böjda ytorna drar med sig vattnet bakom dem, så vattnet utsätts för negativt tryck, vilket kallas tension.
• Kohesion och adhesion. Vattenmolekyler fastnar i varandra (kohesion, genom vätebindningar) och vid cellulosaväggarna i xylemrören (adhesion). Därför förs dragkraften nedåt genom kontinuerliga, obrutna vattenpelare hela vägen till rötterna.
• Upptag. Vatten kommer in genom rötterna och ersätter det som drogs bort.

Siffrorna visar varför detta är den enda mekanism som kan fungera för ett högt träd.

Hydrostatiskt tryck. Att hålla en vattenpelare uppe mot gravitationen kräver en tryckskillnad ΔP = ρ g h. Med ρ = 1 000 kg/m³ och g = 9,81 m/s² blir det ungefär 0,098 MPa för varje 10 m höjd (1 MPa = 1 000 000 Pa, ungefär tio gånger atmosfärstrycket).

• 10 m vatten: 0,098 MPa.
• 30 m: ungefär 0.29 MPa.
• 100 m: ungefär 0,98 MPa, bara för att balansera gravitationen.

Vattnet måste också strömma genom de smala xylemrören, och den friktionen kräver ungefär lika stort dragtryck igen. Mätningar i toppen av mycket höga sekvojaträd visade vattenpotentialer i bladen på ungefär −1,5 till −2 MPa mitt på dagen, vilket stämmer med den här bilden.

Kapillaritet (vatten som långsamt stiger i ett tunt rör) är för svag. Höjden är h = 2γ cosθ ÷ (ρ g r). Med ytspänningen γ = 0,072 N/m, kontaktvinkeln 0° och en xylemrörsradie r = 20 µm blir h = 2 × 0,072 ÷ (1 000 × 9,81 × 0,00002) ≈ 0,7 m.

Rottryck (rötter som aktivt pumpar in joner, så att vatten följer med genom osmos) är vanligtvis bara omkring 0,1 till 0,2 MPa. Det skulle i princip kunna bära ungefär 10 till 20 m vatten, och i många träd är det mindre eller saknas helt på sommaren. Det förklarar droppar av sav på bladkanter en stilla, fuktig morgon – inte vatten högst upp i ett redwoodträd.

Varför går vattenpelaren inte av? Vatten i ett tunt, rent, slutet rör håller ihop bra, så det kan tåla att dras hårt. Detta tillstånd är metastabilt: det fungerar tills något bryter det. Om en gasbubbla bildas och sprider sig i ett rör (kavitation, ämnet för lektion 4) slutar röret att transportera vatten. Ett träd har miljontals rör parallellt, så ett eller några få fel stoppar inte flödet.

En användbar jämförelse är en sugpump eller ett sugrör. De sänker trycket högst upp i en vattenpelare, så att atmosfären pressar vatten uppåt underifrån. Atmosfären kan som mest balansera ungefär 10 m vatten (0,101 MPa). Ett träd kommer förbi 10 m eftersom vattnet inte pressas upp av luften, utan dras av kohesion uppifrån, och trycket i xylemet går under noll.