Гидравлическая архитектура растений для улучшения систем орошения

Растения, как и люди, имеют сложную проводящую сеть, снабжающую водой всю клеточную структуру. Изучение этой сети насчитывает более 200 лет, а её ранние исследования иногда приписывают Леонардо да Винчи. Среди различных применений это знание помогло повысить эффективность систем орошения виноградников.

Как и у людей, проводящая система растений может закупориваться, что препятствует прохождению воды и может привести к гибели листа, ветви или всего растения.

Первым исследователем, углубившимся в тему, был швейцарец Мартин Циммерманн, работавший в Гарвардском университете более 35 лет назад.

Сложная система "трубопроводов" начинается от корневых волосков тонких корней, проходит через проводящие трубки, соединения со стволом, а затем по каждой из ветвей доходит до жилок листьев. Эти трубки, состоящие в основном из целлюлозы и лигнина, имеют разный диаметр: они шире в корнях и уменьшаются к листьям.

Однако проводящая система растений также сталкивается с проблемами, такими как эмболия — образование пузырьков воздуха в трубках. Когда растения дышат быстро, напряжение, создаваемое в ксилеме (ткани, проводящей жидкость), очень высоко. Циммерманн постулировал, что образование пузырьков воды в сосудах (диаметром от 500 до 800 микрон) может вызвать "инсульт", делая проводящий элемент бесполезным и вызывая увядание листьев.

Растения дышат больше или меньше в зависимости от температуры и относительной влажности, которые регулируют, открыты или закрыты устьица (поры в эпидермисе листа). Чем больше открыты устьица, тем выше потеря воды и создаваемое напряжение, что делает растения восприимчивыми к эмболиям. Низкие температуры также вызывают эмболии: при замерзании сока воздух не растворяется в нём, а захватывается; при таянии льда воздух высвобождается, образуя более крупные пузыри.

Гидравлическая архитектура помогает понять, как распределены сосуды в растениях (они не непрерывны от корней до листьев), и позволяет оценить шансы растения на выживание.

Например, в виноградниках напряжение в ксилеме измеряют с помощью прибора, называемого бомбой Шоландера. Если оно высокое, растения находятся в зоне риска эмболий, и тогда необходимо полить весь виноградник. Этот подход также применим к другим важным культурам, таким как лесные плантации.