Fyzika květáku
Rostliny se brání plynovým bublinám tlakovým ventilem

Když se do lidské cévy dostane vzduchová bublina, může způsobit vážné zdravotní potíže. Rostliny jsou na tom podobně. V pletivu, jehož pomocí rozvádí vodu a živiny do svého těla, mají proti bublinám zvláštní ústrojí.

V tělech rostlin se dá najít zařízení podobné cévám v tělech živočichů. Je to pletivo označované jako xylém. Tvoří ho duté trubice, jimiž proudí voda obohacená o živiny směrem od kořenů k listům. Xylém vzniká většinou během růstu rostliny z buněk, které spáchají dobrovolnou sebevraždu, takže z nich zůstanou jen duté schránky přibližně válcovitého tvaru. Mohou být dlouhé i několik centimetrů a silné od deseti do sta mikrometrů. Každá jednotlivá céva je složená ze spousty takových navzájem propojených dílů.

V časopise Physical review E teď vyšly výsledky zajímavého výzkumu vzájemného spojení těchto mrtvých buněk. Je pod ním podepsaná skupina vědců vedená Marií Capronovou z Toulousské univerzity. Badatelé použili techniku, označovanou jako mikroskopie atomárních sil (AFM z anglického atomic force microscopy). Ta umožňuje trojrozměrně ve vysokém rozlišení zobrazit a do detailů proměřit složité miniaturní struktury.

Živinové potrubí

Jednotlivé buňky vodivé trubice jsou navzájem propojeny zesílenými úseky buněčné stěny proděravělými miniaturními šachtami. V listech rostlin jsou dýchací otvory, označované jako průduchy, cizím slovem stomata. Když se horní část rostliny zahřívá, odpařuje se z nich voda. Vzniká podtlak, díky němuž květina nasává další vodu z půdy. Podtlak ale zároveň usnadňuje vznik vzduchových bublin.

Kdyby se nějaká v cévě vytvořila, zabránila by proudění vody. Rostlině by hrozilo uvadnutí. Jedna bublina navíc může způsobit vznik dalších bublin ve vedlejších buňkách. Květiny problém vyřešily pomocí tenké membrány uzavírající každou jednotlivou spojovací šachtu.

V membráně jsou mikroskopické póry, široké desítky nanometrů. Pokud je v cévě vzduch, vytvoří se na membráně vyklenutý povrch, takzvaný meniskus. Ten vyrovnává tlak plynu a brání dalšímu šíření plynu. Funguje to ale jen do určitého tlaku.

Jestliže stoupne nad hodnotu, která se dá vypočítat z průměru póru, měl by se meniskus protrhnout a plyn by mohl pronikat do vyšších pater rostliny. Uspořádání tak připomíná tlakový ventil, třeba na parovodním potrubí. Při příliš vysokém tlaku se otevře a nechá páru uniknout.

Silikonový test

Dosavadní měření vztahu velikosti pórů a tlaku, při němž se meniskus protrhne, ovšem nesouhlasilo s teoretickými výpočty. Skupina Marie Capronové vymyslela nový model chování membránových spojů buněk, který nesouhlas předpovědí s měřeními překonal. Nejdůležitější novinka, jíž vědci obohatili starší modely, byl vliv tlaku na šířku pórů. Podle jejich výpočtů se s rostoucím tlakem zvyšuje jejich průměr. Svoje kalkulace prověřili fyzikové experimentem.

Membrána by podle nich měla vydržet silný tlak, 0,4 gigapascalu (GPa). Pro srovnání: diamant se začíná tvořit při tlaku okolo 10 Gpa. Vědci vstřikovali silikon do stonků oddělených z živých rostlin pod různými tlaky, nechávali ho zatuhnout, a pak rostlinnou hmotu chemickou cestou rozpouštěli.

Ve ztuhlém silikonu pak měřili šířku pórů. V uvolněném stavu měly průměr okolo padesáti nanometrů, těsně před prasknutím se rozšířily víc než trojnásobně na sto šedesát nanometrů. Rozšiřování stačí k vysvětlení dosavadního nesouhlasu měření s teoretickými výpočty. Podobné výzkumy by mohly v budoucnosti pomoci konstruktérům miniaturních nástrojů, jaké se používají třeba v medicíně.