• Sunday July 21,2019

Bekerja dalam Kemajuan

Anonim


Di taman berdekatan, di bawah blok itu, atau mungkin di belakang rumah anda, anda akan mendapati keajaiban kejuruteraan yang telah menemui saintis selama berabad-abad: pokok. Ia mungkin kelihatan biasa, tetapi paipnya luar biasa. Bermula di akar, mengembara panjang batang dan cawangan, dan meretus ke saluran mikroskopik di daun, satu siri paip inert yang dipanggil xylem membawa air dari bawah tanah ke bawah ke puncak pokok pada kadar secepat 150 kaki sejam . Sel-sel mati xilem dapat mengangkat seratus galon sehari, melawan daya graviti, hingga ke tahap yang tinggi. Dan ahli biologi masih belum pasti sama ada ia dilakukan. "Pengangkutan air di dalam pokok mungkin kelihatan mustahil, " kata Barbara Bond, ahli fisiologi hutan di Oregon State University di Corvallis. "Entah bagaimana, organisma ini mencari cara untuk melakukannya. "
Pound untuk paun, pokok dan tumbuhan lain memerlukan lebih banyak air untuk bertahan daripada haiwan. Haus mereka didorong oleh fotosintesis: proses di mana bahagian hijau tumbuhan menggunakan tenaga cahaya matahari untuk mengubah air dan karbon dioksida menjadi oksigen dan karbohidrat. Namun fotosintesis itu sendiri hanya menggunakan sebahagian kecil air yang diambil oleh tumbuhan. Lebih daripada 90 peratus "kebocoran " keluar ke udara melalui liang-liang di daun yang menjerat karbon dioksida. Jumlah yang terlibat adalah besar. Bunga matahari semata-mata mesti menyerap 17 kali lebih banyak air setiap hari daripada berat badan manusia yang setanding.
Terdapat dua cara untuk menggerakkan banyak air: sama ada tarik dari atas atau tolaknya dari bawah. Mekanisme tarik telah lama menjadi kegemaran ahli fizik dan pakar biologi. Pertama kali dicadangkan pada lewat 1800-an, teori itu bergantung pada sifat air yang tidak biasanya dikaitkan dengan cecair: kekuatan tegangannya. Molekul air cenderung melekat kerana setiap molekul mempunyai kutub yang positif dan negatif yang membentuk ikatan hidrogen yang lemah dengan kutub caj yang bertentangan pada molekul air lain. Bon hidrogen membantu air kekal dalam fasa cair ketika tekanan rendah atau suhu tinggi akan memicu cairan kurang kutub ke dalam gas. Ikatan sebenarnya boleh menghulurkan sebelum air cair akan menguap atau mendidih ke wap.
Mengikut teori tarikan, itu adalah apa yang berlaku kepada air di dalam pokok. Daripada membuat rehat yang bersih, air yang menguap dari treetops tugs pada molekul air yang masih dalam daun. Kerana semua molekul air dalam xilem disambungkan oleh ikatan hidrogen, tarikan itu meluas ke seluruh akar ke akar. Pokok itu sendiri tidak perlu menolak atau tarik; semua tenaga untuk mengangkat air berasal dari kuasa matahari yang menguap. "Ia semua berkaitan dengan cara molekul air berinteraksi, " kata ahli biologi tumbuhan Michele Holbrook dari Universiti Harvard.
Model biomekanik menunjukkan bahawa lif memerlukan tenaga mengisap jauh lebih kuat daripada vakum-fenomena yang dikenali sebagai tekanan negatif. Mengikut teori tarik, tekanan di dalam tiub xilem pokok tertinggi boleh menjadi serendah -20 atmosfera. Ini mengenai jumlah tekanan yang sama yang dipegang dalam tayar kereta-kecuali bahawa tekanan negatif akan mengecilkan tayar, dan bukannya mengembirakannya. Tetapi Holbrook dan ahli-ahli lain masih bergelut untuk mencari kaedah yang boleh dipercayai untuk mengukur tekanan xilem. Walaupun aplikasi pengimejan perubatan bijak, sentrifugal, ruang tekanan, dan jarum suntik khusus seperti ivy IVs, angka konklusif masih sukar difahami. Anda tidak boleh membungkus cuff tekanan darah di sekeliling poplar dan menunggu nadi pertama.
Tanpa bukti bahawa tekanan negatif yang cukup ada di xylem, teori tarik tetap spekulatif. Dan ia telah dicabar, yang paling berterusan oleh ahli botani Martin Canny dari Universiti Kebangsaan Australia di Canberra. Canny adalah salah satu daripada beberapa anggota kem push. Dia mengekalkan tekanan positif di akar pokok boleh memaksa air sehingga xilem dari bawah. Akar membina tekanan apabila xylem bawah tanah menarik air dari tanah sekitarnya. Canny berfikir bahawa tekanan dapat menimbulkan daya ke atas yang cukup untuk mengalahkan daya graviti ke bawah. "[T] topi adalah langkah tekanan supaya pam akar mesti diatasi untuk meletakkan air di bahagian bawah paip, " menulis Canny. "Sekali ia berada di sana, tiada pengangkatan lagi diperlukan. "
Sudah tentu, pokok boleh mengalir air dengan kedua-dua menarik dan menolak. Tetapi tarik penyokong perhatian bahawa tiada siapa yang menemui bukti tekanan akar lebih daripada lima atmosfera dan bahawa beberapa pokok, seperti pine dan konifer lain, tidak mempamerkan tekanan akar sama sekali. Oleh itu, pengangkutan air mungkin lebih menarik daripada menolak. Tetapi ia akan menjadi baik untuk mempunyai bukti-terutamanya kerana tanaman kajian baru menunjukkan bahawa mekanisme pengangkutan dapat memberi kesan yang mendalam terhadap saiz dan bentuk pokok.
Sebagai contoh, Barbara Bond memanggil teori menarik untuk menjelaskan mengapa pokok tertinggi tidak membesar lebih tinggi daripada kira-kira 350 kaki. Kedua-dua daya graviti dan rintangan yang disebabkan oleh peningkatan geseran kerana panjang tiub xilem bertambah, dia alasan, jadi tekanan xylem di pokok-pokok spesies yang sama harus lebih rendah pada wakil yang lebih besar. Tetapi semakin rendah tekanan, semakin tinggi kemungkinan peronggaan-pembentukan gelembung udara di dalam lajur air. Kavishing adalah bencana untuk pengangkutan air kerana ia memecahkan ikatan hidrogen. Untuk membatasi pembentukan gelembung, Bond mencadangkan, pokok besar menutup liang-liang yang penting untuk fotosintesis pada pertengahan siang, apabila kadar penyejatan adalah tertinggi. Tanpa beberapa jam tambahan fotosintesis, pokok tidak boleh terus tumbuh ke langit. Dalam kajian kanopi hutan, Bond telah menemui bukti bahawa kadar fotosintesis di Douglas fir dan ponderosa pain menurun apabila usia mereka. "Sesetengah orang telah mengambil pengecualian kepada idea bahawa fotosintesis melambatkan kerana pokok menjadi lebih tua dan lebih besar, " katanya. "Tetapi terdapat kesan fizikal mutlak dari jarak dari tanah yang tidak dapat dielakkan tumbuhan. "
Pakar Ecologist Brian Enquist dari University of Arizona di Tucson juga telah menggunakan teori tarik untuk membantah bahawa kekangan hidraulik meramalkan kedua-dua had saiz dan bawah pada tumbuhan. Kapal xilem di dasar pokok tidak boleh tumbuh di luar diameter tertentu, katanya, kerana gelembung lebih cenderung terbentuk dalam tiub besar. Dan untuk meminimumkan geseran, tiub xilem perlu tirus apabila mereka semakin jauh dari tanah ke satu titik. Nampaknya saiz kapiler minimum yang melampaui tirus sebenarnya mengganggu aliran bendalir.
"Tiub yang mengarah ke daun hanya boleh sangat kecil, " kata Scot Zens, ahli ekologi hutan di Dartmouth College di New Hampshire. "Itu benar di dalam kapilari manusia dan ikan juga. Darah atau air, terdapat had saiz yang sama pada akhir kapal."
Walaupun saluran tengah dan cabang pembiakan tumbuhan pada dasarnya menyerupai sistem peredaran manusia, pokok-pokok tidak mempunyai jantung yang tidak tahan lama, untuk mengetuk cairan vital mereka bersama-sama. Tetapi kerja terkini Holbrook membayangkan bahawa tumbuh-tumbuhan mampu menapis pengangkutan air halus dengan cara-cara teori-teori semasa tidak dapat dijangka. Dia telah membuktikan bahawa membran yang menghubungkan kapal xilem pokok boleh membengkak atau mengecut sebagai tindak balas kepada kepekatan molekul yang dikenakan, yang dipanggil ion, dibubarkan dalam air xilem. Dalam satu set eksperimen, kadar aliran lebih daripada dua kali ganda kerana perubahan dalam kepekatan ion. Holbrook berpendapat sel hidup berhampiran xilem mungkin memanipulasi tahap ion untuk mencegah atau membaiki peronggaan dan menghantar air ke bahagian-bahagian yang paling haus tumbuhan.
"Sekarang ada kemungkinan kawalan aktif, " katanya. "Ia bukan sekadar tiub mati lagi."


Untuk gambaran menyeluruh mengenai tisu vaskular tumbuhan, lawati www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e06/06b.htm.


Artikel Yang Menarik

Tuhanku, Ini Penuh Blog

Tuhanku, Ini Penuh Blog

Masa untuk beberapa livestreaming! Pada akhir minggu ini saya akan menuju ke North Carolina ke Scienceonline 2010, sebuah konferensi tentang semua perkara saintifik pada Tiub. Saya akan bercakap dalam sesi pada hari Sabtu pagi pukul 10:15 yang dipanggil "Reboot Sains Kewartawanan Dalam Zaman Web" bersama dengan penyusun semula Ed Yong, John Timmer, dan David Dobbs

Esok di Comic-Con: Menyalahgunakan Sci Sci-Fi

Esok di Comic-Con: Menyalahgunakan Sci Sci-Fi

Pernah menonton filem fiksyen sains dan mengerang ketika sains diputar, dilipat, dan dimutilasi? Pasti, sains keterlaluan adalah menyeronokkan, tetapi begitu menyenanginya. Dengan semangat itu, kami gembira untuk mengumumkan panel DISCOVER pada Comic-Con 2010, di San Diego yang cerah. Sekiranya anda berada di konvensyen esok (Khamis) malam, datanglah untuk perbincangan kecil yang kita panggil "Menyalahgunakan Sci Sci-Fi

Windpipe Baru Man adalah Transplantasi Organik Pertama Sintetik Dunia

Windpipe Baru Man adalah Transplantasi Organik Pertama Sintetik Dunia

Trakea sintetik, sebelum implantasi Apa Berita: Trakea baru lelaki Afrika adalah organ sintetis pertama di dunia yang akan dipindahkan. Dibuat dari perancah polimer yang dilapisi dengan sel-sel pesakit sendiri, tenggorokan seolah-olah berfungsi dengan baik, lebih dari sebulan selepas pembedahan. Bagaimana keadaannya: Pesakit mempunyai tumor berukuran bola golf yang tidak boleh digunakan, yang tidak pernah memberi tindak balas dengan baik kepada kemoterapi atau rawatan radiasi, mengaburkan tudungnya

BAFact matematik: berapa besar matahari melihat dari Pluto?

BAFact matematik: berapa besar matahari melihat dari Pluto?

[Pada 4 Januari 2012, saya memulakan ciri-ciri baru: BAFacts, di mana saya menulis fakta astronomi / ruang yang cukup pendek untuk disiarkan. Banyak daripada mereka merujuk jawatan yang lebih lama, tetapi beberapa fakta memerlukan sedikit penjelasan matematik. Apabila itu berlaku, saya akan menulis jawatan seperti ini yang menjadikan matematik supaya anda dapat melihat nombor untuk diri anda

Juno Menyampaikan Rahsia Jupiter

Juno Menyampaikan Rahsia Jupiter

Foto-foto dari orbit Jupiter Juno mengungkap pemandangan menakjubkan. Di atas, dinamika badai Tempat Merah Besar dapat dilihat semasa pas ketinggian rendah. NASA / JPL / SWRI / MSSS / Björn Jónsson Misi Juno berterusan NASA, mendedahkan apa yang terletak di bawah puncak awan Jupiter dan di atmosfernya, telah menimbulkan banyak teori lama mengenai raja planet.

The Shambulance: Reflexology and Other Stories

The Shambulance: Reflexology and Other Stories

The Shambulance adalah siri sekali-sekala di mana saya cuba mencari kebenaran tentang produk kesihatan palsu atau overhyped. Membantu saya menjaga Shambulance pada kursus ialah Steven Swoap dan Daniel Lynch, kedua-dua profesor biologi di Williams College. Melekat Q-tip ke atas hidung bukanlah sumber banyak pandangan yang hebat