植物はどうやって高い所まで水を吸うことができるのか

質問

毛細管現象では水は10ｍぐらいまでしか上昇しないはずですが、熱帯雨林などには20ｍ以上の木が存在しているそうで、そういった木はどのようにして根から吸い上げた水を葉の先まで運んでいるのでしょうか。

回答No.8

dragon-2

やっぱり最後まで答える必要があるのですね。
　まず、植物細胞の吸水力＝浸透圧－膨圧で示されます。浸透圧は細胞膜の半透性により生じ、細胞内外の溶液の濃度によります。膨圧は吸水したために生じる細胞壁（セルロースが主成分の弾力性のある植物細胞の最外膜）の水を外に押しだそうとする力です。いま、蒸散が盛んなときは、葉の細胞は水不足した＝濃度の高い＝高張な＝吸水力の高い（浸透圧とほぼ同じ）状態にあります。このとき、道管の水を常に吸い込む力（圧力）が道管に対する張力となりますが、葉の細胞の浸透圧の総和とほぼ等しくなります。吸い上げる力（原動力：圧力）はこれらから、葉の細胞の浸透圧の総和＝５０気圧以上と算定されるのです。
　さて、道管の中ではというと、実は水の凝集力＝毛管現象として表れます。水の凝集力は、水分子が極性を持つめに生じます。Ｈ２ＯのＯの部分は「－」、Ｈの部分は「＋」となっています。この水分子同士が＋－の力（静電気力）で引き合い、結合しているかの状態を水素結合といいます。雪・氷の６角形はこれに由来します。さて、これが他の物質との境目で表れるのが「表面張力」＝「界面力」です。細管でこの力が表れるのが「毛管現象」なのです。この毛管現象は毛管が十分細いと外圧に影響されません。道管は細いので毛管現象を生じますがある程度太くないと、水の量が不足します。道管は維管束に多数ある管の集合体になっています。
　最後に根の吸水力ですが、これは「へちま水」をご承知と思いますが、「根圧」によって水が道管へ押し上げられる現象です。
　まとめると、葉の蒸散による吸水力と道管の毛管現象と根圧によって水は十分上がることになります。
　落葉樹でも春に水が新芽まで上がるのはこの根圧と道管の毛管現象によります。蒸散が盛んな夏はこの力により、より多くの水が葉まで吸引されるのです。

回答No.7

ayaji

簡単に言えば毛細管現象ではないでしょうか？非常に細い管の片方を水に浸けると管の中の水は引力に逆らって上へ登っていきます。これには液体の表面張力等が関係しています。木や草花の茎の中には水分をその植物全体に送るための非常に細い管がたくさんあります。この管が細いのも毛細管現象を起こさせるためのメカニズムではないでしょうか？

参考URL：

ayaji@mail.goo.ne.jp

回答No.6

m_nkgw

「専門家の方に～」と書かれている後に書くのは恐縮ですが・・。

一口に植物の吸水を説明するのは難しいです。今まで書かれた方々の全ての答えを統合すると植物の吸水の実際がおぼろげながら出てくると思います。
・根では浸透圧、もしくは根細胞の減圧による吸水
・茎（もしくは幹）では導管内の減圧による吸水、細胞壁の弛緩による壁圧の現象による吸水
・葉では蒸散による減圧による吸水

が主な吸水の仕組みだったと思います。手元に資料がありませんので、本当のところはあやふやですが・・。
大きな図書館にある植物の専門書を見てください。（すいません、書名はちょっとわかりません）

参考URLは根における吸水メカニズムのやり取りです。

参考URL：

http://soil.en.a.u-tokyo.ac.jp/fml/sssj/2/msg00034.html

回答No.5

tama606

私もうろ覚えなので、確実なことは専門の方に解説をお願いしたいのですが・・・。
導管の細胞は、上から下まで１本というのではなく、幾本もの細長い細胞の集合体だったと思います。ですからそれぞれの導管細胞が少しずつ水を吸い上げれば、１０ｍを超えてもそれほどの圧を必要とせずに水を輸送できるということだったと思います。細胞壁が弁のような働きをするのだ、と勝手にイメージしていましたが、いかがでしょう。

回答No.4

stomachman

この件、昔から不思議に思っていたので、つい参加しちゃいます。
　dragon-2先生の解説がもう一つよく分からないので、50気圧の発生メカニズムをもう少し詳説していただけませんでしょうか？

　吸い上げポンプで10m以上水を汲み上げる方法は：高さ10mごとに池を作って、一つのポンプで10m下の池から上の池へ水を汲み上げる。これを沢山つなげれば、何mでも水が汲めるはずですね。
　植物の道管の中にも、なにか池に相当する「蓄水装置」があるんじゃないかと....

回答No.3

tukitosan

dragon-2 さんの答えは、自信なしとなっていましたが、その答えを見て思い出しました。

その通りです。科学的説明は　dragon-2　さんのであっていると思います。

簡単に言ってしまえば、
葉からから水を蒸散させること水を吸い上げることと、
根から水を吸い込むことで水を押し上げていることと
の両方の力で水を葉に送っているのです。

質問者の書かれている毛細管現象は、少し内容が違うような気がします。よくおぼえていませんが、１０ｍ以上、水が上がらないのは、吸い上げポンプ（真空ポンプ）での話しです。１０ｍより高いところからでは、吸い上げられないという話しです。

またkitoさんの言っている、表面張力とは、液体の表面の分子同士が引き合うためコップなどの表面で水がもりあがる時の現象を説明した話しだったような気がします。この表面張力によって、宇宙空間などでは、水などの液体が球形になろうとした現象だったと思います。
すみません。けちを付けたみたいになって、でも、やっぱり違うような気がして、気持ち悪くて。私の記憶が間違っているよというのであれば、ご指摘ください。

参考にでもなれば、幸いです。
tukitosan でした。

お礼

回答、ありがとうございました。私は、少し混乱していたようです。

回答No.2

kito

水の表面張力です。わかりやすく言うと、まず道管（水の通路）の中に水分子が一列に並んでいると考えます。根から葉の先端までぎっしりと水分子が詰まっていて、蒸散によって葉から一番上の水分子が１個だけ外に出たとします。すると、２番目の水分子が一番上に移動します。それに伴って、すべての水分子が１個づつ上に移動します。すべての水分子が表面張力によって引きつけあっているからです。理解していただけたでしょうか。

回答No.1

dragon-2

管の上部からの吸水力だけでは（上部からポンプで水を引き上げる現象）は１気圧で７６０ｍｍＨｇ×１３．６≒１０ｍとなるわけですが。
　植物は１０メートルを越える樹木も沢山あります。メタセコイアなど１２０ｍもありますから。
　水は根の毛根から植物体内入り、道管を通って植物各部位へ移動します。この原動力には植物細胞自身のもつ吸水力があります。半透性の細胞膜により、低張な細胞から高張な細胞へと水は移動します。ここで、高張とは水が不足した濃い溶液と考えて良いでしょう。根からの吸水はこれで説明できます。これを根圧といいますが、０．３気圧ぐらいで押し上げるのにはまだまだ不足します。
　次の力が蒸散によるものです。葉の裏側の気孔から水が蒸発していくので、葉が水不足になります。道管の水を吸います。道管全体が一つの水柱となります。このとき、道管壁に水分子が吸着し、さらに水柱の水分子が水の凝集力により引っ張り合い、高い張力を持つ水柱となります。
　この張力は３０～５０気圧になるといわれています。つまり、蒸散による力が水の凝集力および道管壁の吸着によってこのようになると説明されます。