b_150_150_16777215_00_images_stories_Szemely2_vizszallitas_egyforma2015.JPG
Egyformán szállítanak


2015. július 27. - Növényanatómiából elég jól ismerjük, hogy a cambium osztódó szövetei hozzák létre a fatest belseje felé a különböző feladatok elvégzésére hivatott fasejteket, így a vízszállításra specializálódott sejteket is, melyeknek egy része a harántfalak perforálódásával vízszállító csövekké alakul át.

A következőkben kizárólag a csövekben szállított víz (oldat) mechanizmusával kívánok foglalkozni. Ahhoz, hogy megismerjük egy rendszer működését, mindenképpen meg kell ismerni a működési mechanizmusokat és az azt működtető erőt, valamint annak forrását is. A jelenleg ismert vízszállító elméletek között csak kisebb eltérések vannak, többé-kevésbé az alább leírtakkal megegyezőek. A következőkben ezt ismertetem nagyon röviden, és kizárólag a víz- (oldat) szállító csőben.


Jelenleg elterjedt elmélet és a felmerült problémák
A párolgás során a légtérrel közvetlen kapcsolatban lévő mezofil (levélalapi) sejtek felületén és a sejt közötti járatokban a párolgás hatására meniszkuszok (görbületek) alakulnak ki, melyek szívóhatást fejtenek ki. Ez adja a szívóerőt, ami a víz (oldat) szállítását végzi. Minél több vizet ad le a levél, annál kisebb sugarúak a mezofil sejtek felszínén kialakuló meniszkuszok, és annál nagyobb a szívóhatás, ami a gyökerektől a levelek felé irányuló víz (oldat) szállításának a hajtóereje.
Felmerült és meg nem válaszolt kérdések:
- Miért alakulnak ki a párolgás hatására a meniszkuszok?
- Miért kell egyre nagyobb szívóhatás?
A probléma:  
A végtelenségig nem csökkenhet a meniszkuszok sugara. Ebben az esetben viszont erő hiányában mi biztosítja a szívóhatást?
Párolgásnál a csőben a vízoszlop magassága nem csökkenhet. A csőnek állandóan víztelítettnek kell lennie. Ebben az egyensúlyi helyzetben a két erő, a lefelé irányuló gravitációs erő és a vele ellentétes irányú szívóerő kiegyenlíti egymást. A szíváshoz ennél egy kicsivel nagyobb erő szükséges, mert párolgás és szívás csak ebben az esetben valósulhat meg.   
 A víz eredeti szintje, a cső telítettsége biztosítható ennél az állandóan egyenletes nagyságban működő erő esetén akkor, ha a légtérbe távozó vízmolekulák pótlása a gyökéri résznél megoldott. Ekkor a párolgás egyenletes. Egyre intenzívebb párolgáshoz egyre nagyobb szívóerő kell, de a be- és kilépő vízmolekulák számának ekkor is meg kell egyezni.
A fentiek a szívásra alapozott folyamatot és erőhatásait írják le. A későbbiekben kiderül, hogy ez a folyamat valószínűleg nem létezik, mert a párolgás nem így megy végbe. Ennél a rendszernél az állandó erőhatás nem biztosított (a meniszkuszok sugara a végtelenségig nem csökkenhet), és feltehetően a szívóerő nagysága sem elegendő.


A pulzáló rendszer működése
A levél felszínén igen kisméretű nyílások (sztómák) találhatók. Ezek a sztómák, melyek többnyire a levél fonáki oldalán helyezkednek el, gondoskodnak a légcseréről és a párologtatásról. Párologtatáskor a sztómák nyitva vannak. Magasabb energiaszinten vízmolekulák távoznak a légtérbe. Értelemszerűen a csőben maradó víz lehűl (a hőelvonás jelensége). Mivel organikus rendszerről van szó, a vízcső a lehűlésre keresztmetszet-csökkenéssel válaszol. Ebben az esetben pedig nem szívásról, hanem a légtér felé irányuló nyomásról beszélünk. A cső csak egy bizonyos határig tud szűkülni. Az összehúzódás befejeztével bezárul a légzőnyílás. Megszűnik a párolgás és a hőelvonás. Beindul egy hő- kiegyenlítődési folyamat, ami szép lassan visszaállítja a cső eredeti keresztmetszetét. Ez a keresztmetszet-növekedés pedig szívóerőt generál a gyökerek irányába, ami felszívja a vizet a talajból. Hasonlóan az orvosi szemcseppentőhöz, amikor is a benyomott, leszűkített keresztmetszetű, henger alakú, rugalmas gumit elengedve folyadékot szívunk fel a csőbe.
A víznyomáshoz (sztómanyitás-párolgás) szükséges nyomóerőt a párolgás miatti hőelvonás következtében előállt, az egész csőhosszra kiterjedő keresztmetszet-csökkenés állította elő. A gyökerek felé irányuló szívóerőt, ami az eredeti keresztmetszetet hivatott helyreállítani, a hő-kiegyenlítődés során keletkezett erő biztosítja. Jelen esetben a szívás és nyomás fázisban a cső teljes felülete pulzál, hisz magas fáknál nagy erőkifejtés szükséges. Ha tudjuk azt, hogy a nyomóerőt a nyomás és a felület szorzata adja, akkor könnyen belátható, hogy jóval nagyobb erő áll rendelkezésre, mintha azt csak a levél mezofil sejtjeinek meniszkusz-változásai állították volna elő. A fentiekből érzékelhető, hogy a víz szállításának ez az újfajta mechanizmusa csak fiatal elsőéves, még összehúzódásra képes csövek esetén működhet. A növényanatómiával és élettannal foglalkozók megfigyelték, hogy a második évben a csövek már rugalmatlanok, bennük vízszállítás nem, csak oldatraktározás folyik. A többéves csövekben azért nem folyhat vízszállítás, mert a vízcső vége nincs kapcsolatban a levéllel.
A csak szívásra alapozott rendszernél felmerült kérdésekre és a problémára a válaszokat immáron meg tudjuk adni. A problémát és ellentmondásokat az okozta, hogy a rendszer másként működött, mint ahogy azt gondolták. Az új rendszernél már az erőforrás sem apad ki, hisz ebben a pulzáló rendszerben mindig van a működtetéshez elegendő erő.
Mit mutat a kísérlet, és ez hogy’ illeszkedik a szívás-nyomás eltolt időfázisú elméletéhez?
Magyarországon a síkfőkúti projekt keretében Béres Csilla egyetemi tanár végezte el először a vízszállítás egzakt vizsgálatát munkacsoportja segítségével. 1985 novemberében Debrecenben üzembe helyezték az első ciklotront, és ez lehetőséget adott arra, hogy terepi kísérletekben először alkalmazzanak ciklotronban termelt rövid felezési idejű izotópokat, amelyek vízárammal szállítódnak. Az injektálást egy tű segítségével végezték el állandó vízáram mellett. Az aktivitást a fa törzsére különböző magasságokban elhelyezett szcintillációs detektorokkal mérték. A detektorokat az injektálási pontoktól felfelé 1, 3, 9 és 12 méterre helyezték el. Azt várták, hogy az aktivitás egy bizonyos idő múlva megjelenik a következő detektornál, s a két detektor közötti távolságot, valamint az aktivitási csúcs megjelenési idejét ismerve kiszámíthatjuk az áramlás sebességét. A mérési eredmények azonban ellentmondtak az előzetes elképzelésnek. Kiderült, hogy az áramlás nem egyenletes, hanem rövid ideig tartó kiugró csúcsok jelentek meg, majd csökkent a sebesség. Az áramlás egyenetlenségeit a lombkorona eltérő transzspirációs viszonyaival magyarázták. Azok a levelek, amelyek éppen élénkebben párologtatnak, egy ideig gyorsítják a hozzájuk vezető tracheákban az áramlást. Ezt a jelenséget gyors áramlásnak nevezték el. A baj csak az volt, hogy a csúcsok éjszaka is jelentkeztek, s ez nem magyarázható az eltérő párologtatásra alapozott elképzeléssel. Béres Csilla egy későbbi kísérleténél, amit már computer tomográfia segítségével fakorongok mintavételezésével, immáron a fafajok víztárolási képességeire fókuszálva végzett, kijelentette: „a vízáramlási mechanizmusok a fáknál még korántsem tisztázottak”. A kísérletből levont következtetésem, ami a változó sebességű mozgásban annak egy gyors és egy lassú sebességű formájában nyilvánul meg, úgy tűnik, igazolja a nyomás-szívás elképzelésre alapozott elméletet. A légtér irányába mutató keresztmetszet-csökkenéssel járó nyomási szakaszban egy rövid idejű gyorsuló, míg a gyökerek irányába mutató keresztmetszet-növekedéssel járó szívási szakaszban egy hosszú idejű, lassuló mozgás valósulhat meg a kísérlethez hasonlóan. Úgy tűnik, Béres Csilla kísérlete igazolta a szívás-nyomás eltérő időfázisú elméletét.
Kitekintésként talán érdemes megemlíteni, hogy az embereknél, a vér szállítása is a szívás-nyomás időben eltolt fázisú formában megy végbe, amit a szív összehúzódása és elernyedése működtet. Az általunk létrehozott folyadékszállító gépeknél a szívás és nyomás általában egy ütemben valósul meg. Példaként említeném a jet-ski belső vízsugaras meghajtású motorját, és a közönséges vízszivattyút, ahol a vízkerék egyik fele és a víz között helyezkedik el a szívott vízszakasz, a vízkerék túloldala és a szabad légtér között pedig a nyomott víz található. Úgy tűnik, hogy a fák esetében a két szakaszos, eltolt időfázisú szívás-nyomás rendszerű mechanizmust választotta az evolúció, az emberi szívhez hasonlóan. Talán nem véletlenül.
A vízcsőben történő szállítás szívás-nyomás gondolatának elmélete már Béres Csilla cikke elolvasása előtt 2010-ben megfogalmazódott bennem. Az igaznak vélt tartalom késztetett e cikk megírására.
Veszprém, 2015. július 24.                
Török András

 

No events