Ce limitează puterea de aspirație a plantelor e
Plantele suge apă din pământ folosind presiune negativă. De ce valoarea presiunii nu scade sub aproximativ -100 bari a fost un mister nerezolvat. Un grup de cercetare interdisciplinar și internațional a raportat acum în revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) că așa-numitele agregate lipidice din seve de plante sunt aparent responsabile de fenomen. Simulările și calculele model arată cum se formează cavitățile în creștere datorită lipidelor, care pot rupe coloana de lichid dacă presiunea negativă este prea mare.
Sistemele hidraulice folosesc diferențe de presiune pentru a transmite semnale, forțe și energie. Multe mașini funcționează pe baza acestui principiu - dar există și un exemplu proeminent al acestui fapt în natură: absorbția apei plantelor. Puterea de aspirație a rădăcinilor se bazează pe presiunea negativă din canalele de alimentare a plantelor, care este creată prin evaporarea apei pe pereții celulari ai frunzelor.
Experții numesc sistemul hidraulic al plantei „Xylem” - un țesut celular cu mici căi de conducere care traversează, în care apa și mineralele curg prin plantă. Presiunea negativă din această rețea este de obicei undeva între minus 5 și minus 50 bar. Plantele deșertice ating cele mai mari presiuni negative de aproximativ minus 80 bari. Până în prezent, nu a existat niciun răspuns concludent la motivul pentru care limita de aproximativ minus 100 bar nu este în general scăzută. Deoarece: motivele fizice nu păreau să vorbească împotriva unor presiuni negative mai puternice. Și o putere de aspirație mai mare ar fi avantajoasă pentru plantă, deoarece ar putea extrage mai eficient apa din solul uscat.
O echipă de cercetare interdisciplinară formată din botanici și fizicieni de la Institutul Jožef-Stefan din Ljubljana, Institutul Max Planck pentru Coloizi și Interfețe din Potsdam, Universitatea Liberă din Berlin, Universitatea din Ulm, Universitatea Tehnică din Darmstadt și Universitatea de Stat din California Fullerton, SUA, a oferit acum o explicație: Cu ajutorul simulărilor la nivel atomic, oamenii de știință au reușit să demonstreze că substanțele naturale care aparent sunt insolubile în apă, așa-numitele lipide, sunt responsabile pentru fenomenul din fluidele vegetale. Atunci când există o presiune negativă, acestea asigură formarea de cavități care se extind rapid - experții vorbesc despre cavități. Dacă devin prea mari, coloana de apă se va rupe. Rezistența presiunii negative tolerabile maxime este astfel redusă dramatic, de la mai mult de minus 1000 bar în apă pură la mai puțin de minus 100 bar în seva plantelor. Valoarea pe care modelele o prezic este în acord excelent cu cele mai puternice supresii măsurate în botanică, relatează cercetătorii.
În organismele vii, lipidele servesc în principal ca componente structurale în membranele celulare, ca stocuri de energie sau ca molecule de semnal. Studii biochimice mai recente au arătat că astfel de lipide apar și în sistemul vascular al plantei - în special în cele care formează straturi duble într-o soluție apoasă. Din punct de vedere chimic, acest comportament se bazează pe cele două capete complet diferite ale lipidelor: una respinge moleculele de apă, cealaltă le atrage. Experții vorbesc despre hidrofil (care atrage apa) și hidrofob (hidrofug). Grupul capului hidrofil se întoarce astfel spre exterior, în timp ce coada hidrofobă se atașează la un capăt similar al unei alte lipide. Astfel de perechi de lipide se aliniază apoi și formează așa-numitul strat strat lipidic similar cu cel al membranelor celulare.
„Moleculele din lichide se lipesc într-o anumită măsură - spre deosebire de un gaz”
Simulările au arătat că, datorită agregatelor lipidice, cavitățile se formează foarte des la presiuni negative mai mari de minus 100 bar. Cu presiunile negative de la minus 5 la minus 50 bar care prevalează de obicei la plante, acest lucru nu se întâmplă niciodată. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că componentele mici, solubile în apă ale sevei de plante încurajează cu greu formarea cariilor. Aparent, limita de presiune observată în lumea plantelor se bazează de fapt pe lipidele acumulate. „Pentru prima dată, rezultatele noastre oferă o explicație plauzibilă pentru motivul pentru care presiunile negative mai mari de minus 100 bar nu pot fi menținute de plante mult timp”, spune Schneck. Deoarece plantele nu pot aspira apa din sol atât cât doresc, acest lucru limitează capacitatea plantelor de a absorbi apa din solul uscat și, în cele din urmă, unde plantele pot supraviețui și crește.
Matej Kanduč, fizician la Institutul Jožef Stefan din Ljubljana, Slovenia și primul autor al studiului, observă că rezultatele prezintă interes și în legătură cu schimbările climatice. "Cele mai mari presiuni negative la plante se găsesc în zonele în care există un deficit de apă", relatează el. Și din cauza schimbărilor climatice, solurile se usucă în tot mai multe regiuni ale lumii. „Acolo, apa trebuie extrasă de la sol împotriva celei mai mari rezistențe”, spune Kanduč.