Воду и минеральные вещества растение получает из почвы через корневую систему, и по каналам ксилемы раствор поступает к листьям. Это известно давно, и существует масса простых и остроумных опытов, которые это доказывают. Но каким образом вода, несущая раствор минеральных веществ, поднимается вверх? Причем это «вверх» у самой обычной сосны, березы или осины составляет 30–40 метров, а у секвойи и эвкалипта известны деревья высотой в полторы сотни метров. Насос растению нужен очень мощный – представьте, что вы пытаетесь напиться через трубочку из колодца стометровой глубины. Как же этот насос устроен и где он расположен? По ходу движения, в сосудах ксилемы, таких насосов нет, ведь ксилема состоит из мертвых клеток – это, по сути, обычная водопроводная труба. Значит, воду необходимо или «толкать» снизу (тогда насос надо искать в корневой системе), или «тянуть» сверху (тогда его надо искать в листьях). Насос этот должен быть весьма мощным – чтобы поднять воду в крону березы, нужно давление около 3–4 атмосфер, а в крону старой секвойи – около 15 атмосфер.
image class="underline" href="#image127.png"
Транспорт воды в растениях (.схема): 1 – подъём воды с минеральными солями вверх по ксилеме;2 – транспорт сахаров от листьев к корням и др. органам
Клетки эпидермы корня активно поглощают из почвенного раствора ионы минеральных веществ. Это именно активный перенос через мембрану, с участием особых переносчиков и затратами энергии. В результате в клетках корня (в том числе и в растворе, заполняющем ксилему) создается концентрация ионов, в десятки раз превышающая концентрацию почвенного раствора. По закону осмоса вода из почвы устремляется в клетки корня и в ксилему. Объем раствора увеличивается, возникает так называемое корневое давление, которое заставляет раствор подниматься вверх по ксилеме. Однако корневое давление у всех растений, у которых оно есть, оказалось невелико, оно совершенно недостаточно, чтобы поднять воду в крону высокого дерева. А у многих растений, в частности у хвойных, корневое давление вообще не развивается.
Как оказалось, насос, поднимающий воду, расположен в листьях. Когда вода испаряется с оболочек клеток мезофилла, окружающих полости внутри листа, концентрация раствора в клетке увеличивается. Клетка «оттягивает» воду от соседей, лежащих глубже, и так далее, «по цепочке», пока очередь не доходит до сосудов ксилемы, расположенных в жилке. В результате устанавливается натяжение воды в сосудах ксилемы. Вода практически не сжимается (и, следовательно, не растягивается), а столб воды очень прочен на разрыв – около двух тонн на квадратный сантиметр сечения. В результате натяжение достигает корней и вытягивает из них раствор, а корни, в свою очередь, вытягивают воду из почвы. В результате вода движется вверх, неся с собой минеральные вещества и непрерывно поддерживая влажность клеточных оболочек мезофилла. А это, как мы уже говорили, необходимо для поддержания газообмена с атмосферным воздухом.
В таком способе транспортировки воды есть один, очень большой, плюс. Если корневое давление (равно как и циркуляция раствора при помощи мышечных сокращений) требует от организма затрат энергии, причем затрат весьма существенных, то при системе транспирационного транспорта растение не тратит ничего – используется непосредственно энергия солнца. Но каждое достоинство имеет свое продолжение в виде недостатков. Недостаток данной системы столь же велик, как и её достоинство – растение вынуждено расходовать огромное количество воды. Кроме того, насос этот плохо работает, когда холодно и вода плохо испаряется. С этим обстоятельством связана «арктическая засуха». Растения северных мест, как правило, страдают от недостатка воды, хотя в почве её полно, и часто имеют облик, схожий с растениями пустынь – мелколистность, плотные покровы, густое опушение стеблей и листьев.