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0361. Vorrei sapere come avviene il meccanismo di salita dell'acqua dalla radice alla foglia di una pianta?

Vorrei sapere come avviene il meccanismo di salita dell'acqua dalla radice alla foglia di una pianta. C'è un meccanismo di aspirazione o è solo capillarità ? Se c'è aspirazione ci dovrebbe essere una pompa : da cosa è messa in moto se le piante non hanno muscoli? Da dove viene l’energia necessaria, a spese di cosa? (Anna Gallo) (2250_3224_5559)

sem_esperto_verdeProprio come gli animali, le piante devono rifornire tutte le loro cellule di energia ed acqua. Negli animali il sistema vascolare grazie a una pompa (il cuore o un organo contrattile) fa circolare il plasma sanguigno in tutti gli organi in un sistema chiuso.

Le piante hanno sviluppato delle strategie diverse: ogni cellula è racchiusa in una struttura rigida (la parete cellulare) e di conseguenza le cellule, i tessuti, gli organismi vegetali sono immobili. Tale rigidità ha impedito lo sviluppo di un meccanismo azionato da una pompa che spinga l’acqua dalle radici fino alla chioma degli alberi, richiedendo risalite anche di 50 e più metri.

ScienzaPerTutti_tessuti_vegetalibastoncellistomaapertura_chiusura_stomiTessuti vegetali. in basso a destra: cellule di guardia degli stomi

Le piante fanno circolare l’acqua dal suolo all’atmosfera, quindi in un sistema aperto (dal terreno all’atmosfera), sfruttando due processi: quello di evaporazione dell’acqua (passaggio da stato liquido a vapore) e quello di traspirazione (perdita dell’acqua attraverso gli stomi icona_glossario ). Tali processi sono controllati dalla proprietà dell’acqua di diffondere da zone a potenziale idrico icona_glossario meno negativo (spazi intercellulari delle foglie) a quelle a potenziale idrico fortemente negativo (l’atmosfera ). Tanto più il potenziale idrico nell’atmosfera è negativo, tanto più l’acqua potrà risalire dal suolo verso l’atmosfera vincendo anche la forza di gravità. Si calcola che per risalire 10 m siano necessari almeno 0.1-0.2 MPa di differenza tra le radici e l’atmosfera. Per una pianta alta 30m saranno richiesti almeno 0.3-0.5 Mpa di differenza. Al 50% di umidità relativa, l’aria ha un potenziale idrico negativo pari a – 50 megapascals (Mpa): l’acqua obbligatoriamente diffonderà nell’atmosfera.

ScienzaPerTutti_dixon_experimentopotenziale_idraulico

Uno degli esperimenti piu convincenti realizzati da H.H. Dixon.

Si dimostra che una pianta in ambiente portato alla pressione di 3

atmosfere non riesce a aspirare acqua da un recipiente che si trova

all’esterno della camera a pressione.

In ultima analisi l’energia necessaria per il sollevamento viene dalla traspirazione. Non c’è un costo energetico diretto per la pianta, che utilizza le proprietà fisico-chimiche del’acqua. Il sole con la sua capacità di riscaldare l’atmosfera attorno alle foglie, di far calare l’umidità relativa e controllare l’apertura degli stomi è la driving force che fa aumentare la traspirazione, provoca perdita di acqua e innesca il meccanismo di risucchio dell’acqua verso l’alto. Più di cento anni fa, H. H. Dixon icona_biografia propose che una forza aspirante si generasse alla superficie delle foglie quando queste perdono acqua per evaporazione e che questa forza fosse trasmessa all’indietro andando ad agire su colonnine continue di acqua che muovendosi sotto tensione spostano man mano molecole di acqua dal basso verso l’alto, esattamente come una corda sotto tensione solleva un peso. E’ come se esistesse un effetto “cannuccia” che permette di tirar su l’acqua: questo effetto si chiama scientificamente Teoria della Tensione-Coesione (T-C) perchè si basa sul fatto che le molecole di acqua da una parte aderiscono l’una all’altra formando delle catenelle continue e dall’altra aderiscono alle pareti dei condotti in cui scorrono. Sono questi dei sottili elementi cellulari detti vasi xilematici icona_glossario , che percorrono la pianta dalle radici fino alle foglie. L’acqua scorre al loro interno sotto pressioni negative con valori variabili da –1 a –10 Mpa, valori che sono da 10 a 100 volte più negativi rispetto alla pressione atmosferica. I vasi non collassano perché sono ulteriormente rafforzati da un complesso molecolare, detto lignina icona_glossario . Non c’è da stupirsi troppo che per anni la teoria sollevasse molta incredulità: è sufficiente che si crei una bolla d’aria nel condotto per far rompere la colonna (cavitazione), rendendo il condotto non più funzionale per la presenza di emboli (bolle d’aria). Molte sperimentazioni hanno dimostrato che la T-C è una teoria tuttora valida. La pressione negativa (fino a un valore teorico di –15 Mpa) si genera a causa della tensione superficiale che si crea all’interfaccia aria-acqua (capillarità) nelle foglie. Le loro cellule hanno pareti cellulari fortemente idratate; lì un sistema di pori di circa 20 nanometri (nm) icona_glossario di diametro permette il passaggio dell’acqua dall’interno della cellula all’esterno (là dove il potenziale idrico è fortemente negativo): quando la molecola di acqua lascia l’ambiente cellulare non genera un “buco di acqua” ma tira su dietro di sé un’altra molecola grazie ai ponti di idrogeno. Il richiamo di nuove molecole dalle cellule vicine si propaga all’indietro fino ai condotti vascolari creano una “aspirazione” o tensione di acqua. Tuttavia, l’acqua ha un peso e ogni molecola che si trova nella parte alta del vaso xilematico deve reggere il peso dell’intera colonna. Proprio per questo motivo, la massa di acqua che dal suolo attraversa il fusto per raggiungere le foglie e uscire nell’atmosfera viene suddivisa in un grande numero di colonnine di acqua che risalgono all’interno dei piccoli vasi xilematici icona_glossario . Il loro diametro è compatibile con quello dei vasi capillari e la velocità di flusso varia a seconda delle dimensioni, in accordo con la legge di Hagen-Poiseuille: è bassa nelle conifere ( 120 cm all'ora) e decisamente alta nelle liane i cui vasi sono relativamente larghi (150 m all'ora).

Come risultato, la soluzione idraulica adottata dalle piante e basata sulla T-C spiega molti adattamenti: le specie di piante a crescita veloce hanno condotti larghi ma sono molto soggette a cavitazioni e a emboli; specie a lenta crescita come le gimnosperme hanno condotti stretti ed inefficienti, ma sono molto resistenti alla cavitazioni.

Paola Bonfante – Biologo

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