עץ שותה דרך העלים
עץ שעומד בשמש של קיץ מזיז מים. הוא קולט מים בשורשים, מוביל אותם במעלה הגזע ולאורך הענפים, ומשחרר אותם מהעלים כאדים בלתי נראים. עץ גדול יכול להרים כמה מאות ליטרים ביום חם. כמעט דבר מזה לא נשאר בו: בערך 97 עד 99 מכל 100 ליטרים שצמח קולט יוצאים שוב דרך העלים. האובדן הזה נקרא דיות.
שום חלק של העץ אינו משאבה. אין לו לב ואין לו שרירים, והתאים שהמים מטפסים בהם מתים. ובכל זאת, בעצים הגבוהים ביותר, סקוויות החוף שגובהן כ־115 מטרים, המים מגיעים לעלים גבוהים יותר מבניין של שלושים קומות. הכוח שמרים אותם בא מלמעלה, לא מלמטה: העלים מושכים.
נסו: העלו את אור השמש ל־1000 W/m². נקודות המים מטפסות מהר יותר ויותר אדים נסחפים מהצמרת. אחר כך הורידו אותו ל־0: הזרימה כמעט נעצרת.
האידוי הוא שמושך
התקדמו במעקב אחר המים למטה אל עלה. עלה עבה רק חלק ממילימטר, אבל הוא בנוי בשכבות. קוטיקולה שעווית מלמעלה שומרת על המים בפנים. מתחתיה עומדים תאי העמודים הארוכים, מלאים בכלורופלסטים לפוטוסינתזה. מתחתם, תאי הספוג העגולים יותר ארוזים ברפיון, עם חללי אוויר ביניהם, והצד התחתון של העלה מנוקד בפיוניות: נקבים זעירים, כל אחד בין שני תאי שמירה דמויי שעועית, מאה ויותר בכל מילימטר רבוע.
דפנות התאים שבתוך העלה רטובות, ומים מתאדים מהן אל חללי האוויר, שנעשים רוויים כמעט לגמרי באדים. בחוץ האוויר יבש יותר, ולכן האדים מתפזרים החוצה דרך הפיוניות הפתוחות, ממקום שיש בו יותר מהם למקום שיש בו פחות.
זה הצעד החשוב. המים שבדופן התא מוחזקים בנקבוביות דקות בהרבה משערה, בידי אותה משיכה שגורמת למים לטפס בצינור דק. כשהמים מתאדים, פני המים המעוקלים בנקבוביות האלה נסוגים ומושכים את המים שמאחוריהם. המים האלה מושכים את המים שבתא, אלה מושכים את המים שבעורק, וכך הלאה, לכל אורך העץ.
נסו: כשמעקב אחר המים למטה על עלה, צפו במולקולות האדים שיוצאות מפיונית. הורידו את אור השמש ל־0 ותאי השמירה סוגרים את הנקבים; העלו אותו ל־1000 W/m² והם נפתחים לרווחה.
חבל של מים
התקדמו במעקב אחר המים למטה אל גזע. המים מטפסים בעצה (קסילם), מערכת הצנרת של העץ: שרשראות ארוכות של צינורות, תאים מתים שמחוברים זה לזה בקצותיהם, ודפנות הקצה ביניהם התמוססו. הדפנות שלהם מוקשחות בליגנין ומנוקבות בנקודות דקות שמאפשרות למים לעבור הצידה. בגזע חי, הסנטימטרים החיצוניים של העץ נושאים כמעט את כל המים.
המים בצינורות לא נדחפים למעלה; הם תלויים מהעלים. מולקולות המים נצמדות זו לזו בקשרי מימן, חזק כל כך שאפשר למשוך עמוד מים דק ורציף כמו חבל בלי שיקרע. הן גם נצמדות לדפנות הצינור. זה ההסבר של לכידות ומתיחות לעליית המים. המים בעצה נמצאים במתיחות: הלחץ שלהם מתחת לאפס, פחות מריק. משאבת יניקה בראש צינור לעולם לא תרים מים יותר מכ־10 מטרים, כי היא סומכת על האוויר שבחוץ שידחוף את המים למעלה. עץ לא סומך עליו: הוא מושך מים שמחזיקים זה בזה.
גם חבל של מים יכול להיקרע. אם המתיחות חזקה מדי, או שבועת אוויר חודרת דרך דופן פגועה, העמוד בצינור נקרע והצינור מתמלא באוויר: תסחיף. הנקבים בדפנות עוצרים את התפשטות הבועה, והמים עוקפים דרך הצינורות השכנים. עצים מאבדים כך צינורות בכל קיץ, ומגדלים עצה חדשה במקומם.
נסו: כשמעקב אחר המים למטה על גזע, מצאו את הצינור שיש בו בועת אוויר. מולקולות המים בצינורות האחרים מטפסות יחד, מהר יותר כשאתם מגבירים את אור השמש או מורידים את הלחות.
בירידה כל הדרך
בוטנאים מודדים כמה חזק מים מוחזקים, או נמשכים, בפוטנציאל המים שלהם, במגה־פסקלים (MPa). לפוטנציאל של מים טהורים במנוחה קוראים אפס. קרקע יבשה, עלה נובל או אוויר יבש מחזיקים מים חזק יותר, ולכן פוטנציאל המים שלהם שלילי. מים תמיד זורמים מפוטנציאל גבוה יותר לנמוך יותר, כמו כדור שמתגלגל במורד.
התרשים שליד הסצנה מראה את המדרון. קרקע לחה נמצאת בערך ב־−0.1 MPa. השורשים מעט נמוך ממנה, ראש הגזע נמוך עוד יותר, ועלה ביום שמשי בסביבות −1 MPa. אחר כך בא האוויר. פוטנציאל המים שלו תלוי במידה שבה הוא קרוב לרוויה:
כאשר הוא קבוע הגזים, הטמפרטורה, הנפח של מול מים נוזליים ו־RH הלחות היחסית. ב־25 °C ובלחות של 50% זה בערך −95 MPa, רחוק פי מאה מכל השאר יחד. המדרגה מהעלה אל האוויר היא התלולה ביותר בכל הדרך, והיא שמניעה את כל השאר.
נסו: העלו את הלחות ל־90%. העמודה של האוויר בתרשים מתכווצת לבערך −14 MPa, והעץ מרים פחות ממחצית המים.
שמש, אוויר יבש ורוח
שלושה דברים קובעים כמה מהר עלה מאבד מים: כמה פתוחות הפיוניות שלו, כמה יבש האוויר, וכמה מהאוויר הדומם שנצמד לעלה הרוח מסלקת.
האור פותח את הפיוניות. באור השמש תאי השמירה קולטים יוני אשלגן, והמים נכנסים אחריהם באוסמוזה; התאים מתנפחים ומתעקלים זה מזה, והנקב נפתח. בחושך הם מאבדים את היונים, מתרפים ונסגרים. האור גם מחמם את העלה, ועלה חם יותר מחזיק יותר אדים בחללי האוויר שלו, ולכן דוחף אותם החוצה מהר יותר.
אוויר יבש מגדיל את השיפוע מהעלה אל האוויר. מעבר מ־50% ל־15% לחות מגדיל את הזרימה בערך בחצי.
הרוח מדללת את שכבת האוויר הדומם על העלה, בעובי של כמילימטר, שהאדים צריכים לחצות לפני שהאוויר הנע לוקח אותם. אבל הרוח גם מקררת את העלה. ברוח קלה שתי ההשפעות כמעט מבטלות זו את זו, ולכן בסערה העץ מאבד רק מעט יותר מים. הרוח חשובה בעיקר כשהאוויר דומם; באוויר הביל משב רוח יכול אפילו להאט מעט את הדיות, כי הקירור של העלה משפיע יותר מסילוק האוויר הדומם.
עלה לא יכול לשחרר מים בלי גבול. ככל שהמשיכה גדלה, פוטנציאל המים בעלה יורד, ותאי השמירה מתחילים להיסגר, בין השאר בתגובה להורמון, חומצה אבסציסית, שהשורשים והעלים מייצרים כשחסרים מים. זה חוסך מים אבל עולה במזון: אותם נקבים מכניסים את הפחמן הדו־חמצני שהעלה צריך לפוטוסינתזה. עלה טיפוסי מאבד כמה מאות מולקולות מים על כל מולקולה של פחמן דו־חמצני שהוא קולט.
הדיות גם מקררת. כל גרם מים שמתאדה לוקח איתו כ־2,400 ג׳אול של חום, ולכן עלה באור השמש, עם פיוניות פתוחות ברוח קלה, נשאר קרוב לטמפרטורת האוויר, ואותו עלה באוויר דומם חם ממנו בכמה מעלות.
נסו: קבעו את הלחות על 15%, את אור השמש על 1000 W/m² ואת הרוח על 8 m/s. העלים מושכים חזק כל כך שהפיוניות מתחילות להיסגר: בתרשים, העמודה הירוקה נעצרת לפני הסימון המקווקו שבו האור לבדו היה מציב אותה. אחר כך הורידו את הרוח ל־0 וצפו בטמפרטורה של העלה עולה.
אל תוך השורשים
התקדמו במעקב אחר המים למטה אל שורש. רוב המים נכנסים מעט מאחורי קצה השורש, דרך שערות הכשות: שלוחות דקות של תאי עור בודדים, שמגיעות אל בין גרגרי הקרקע ומגדילות את שטח הפנים של השורש פי כמה וכמה. בקרקע לחה המים נצמדים בשכבות דקות סביב הגרגרים וממלאים את הרווחים הקטנים ביניהם.
בתאי השורש יש יותר חלקיקים מומסים מאשר במי הקרקע, ולכן המים נכנסים באוסמוזה. בפנים הם חוצים את הקליפה, בעיקר דרך דפנות התאים הנקבוביות, עד שהם פוגשים את האנדודרמיס, טבעת של תאים סביב ליבת השורש. הדפנות שלהם אטומות ברצועה שעווית, רצועת קספרי, ולכן כאן כל טיפה חייבת לעבור דרך קרום של תא. כך יש לשורש שער: הוא יכול להכניס את המינרלים שהצמח צריך ולהשאיר בחוץ הרבה ממה שהוא לא צריך. אחרי האנדודרמיס המים מגיעים אל העצה ומצטרפים לעמוד שעולה אל העלים.
גם השורשים יכולים לדחוף קצת. בלילה, כשהפיוניות סגורות, השורשים ממשיכים להעמיס מינרלים אל העצה והמים נכנסים אחריהם באוסמוזה. לחץ השורש הזה הוא הסיבה שלחלק מהצמחים יש טיפות על שולי העלים עם שחר, ושליבנה גדוע מטפטף מוהל באביב. אבל הוא חלש, כמה עשיריות של מגה־פסקל לכל היותר, ובעץ מלא עלים ביום קיץ הוא לא קיים בכלל. המשיכה מהעלים היא שמרימה.
לאן המים הולכים
האדים שעוזבים את העץ מצטרפים למחזור המים. מעל היבשה, יותר ממחצית המים שעולים לאוויר יוצאים מצמחים ולא מאגמים ומהקרקע, ויער גדול מחזיר כל כך הרבה שהוא עוזר ליצור את הגשם של עצמו. הצמח משלם על האובדן הזה במים, ובתמורה הוא מקבל זרם קבוע של מינרלים מהקרקע אל העלים, עלים קרירים בשמש ונקבים פתוחים שהפוטוסינתזה צריכה.
המים שמטפסים בעצה הם רק חצי ממערכת ההובלה של הצמח. הסוכרים שנוצרים בעלים נעים בכיוון ההפוך, וגם למעלה, בתאים החיים של השיפה (פלואם). איך צמח גדל לעבר האור והרחק מכוח המשיכה שייך לנושא של מבנה הצמח וטרופיזמים.
מה המודל הזה משמיט
הסצנה מתייחסת לכל עלה כמו לעלה אחד באור השמש, כשהאוויר תמיד ב־25 °C והקרקע תמיד לחה. בבצורת פוטנציאל המים של הקרקע יורד, כל המדרון בתרשים מתחיל נמוך יותר, והפיוניות נסגרות הרבה קודם. פיוניות אמיתיות מגיבות גם לפחמן דו־חמצני וישירות ליובש של האוויר, ועצים אוגרים מים בגזע, שמתכווץ מעט ביום ותופח שוב בלילה; המודל משמיט את כל זה.
מאזן האנרגיה של העלה מפושט לאור השמש שהוא בולע, לחום שהאוויר והקרינה שלו עצמו לוקחים, ולחום שמשמש לאידוי. ההתנגדות של העץ לזרימה קבועה, והירידה בפוטנציאל המים לאורך הדרך מתחלקת בין השורשים, הגזע והעלה בחלקים קבועים. שום צינור לא נקרע כשאתם מקצינים את ההגדרות: הצינור שיש בו בועת אוויר נמצא שם תמיד.
התמונות מצוירות בקני מידה שונים מאוד. ביחס לעץ, החתך של העלה והצינורות מצוירים גדולים בערך פי עשרים אלף, קצה השורש בערך פי חמשת אלפים, ומולקולות המים בערך פי מיליארד. בעלה אמיתי יש הרבה יותר תאים ופיוניות, ובשורש אמיתי הרבה יותר שערות כשות.