كيف تنقل الأشجار الكبيرة، مثل شجرة الخشب الأحمر (redwood)، الماء من الجذور إلى الأوراق؟ يتكلّم دونالد ج. ميرهاوت Donald J. Merhaut من مشتل مونروفيا Monrovia Nursery، ومقرها في أزوسا Azusa، كاليفورنيا، بشكل تفصيلي عن النقل داخل الأشجار الكبيرة: «الماء غالبًا هو العامل الأكثر تقييدًا لنمو النبات. لذلك، طورت النباتات نظامًا فعالًا لامتصاص الماء ونقله وتخزينه واستخدامه. لفهم النقل المائي في النباتات، يحتاج المرء أولًا إلى فهم أنبوبية (plumbing) النباتات. تحتوي النباتات على شبكة واسعة من القنوات، التي تتكون من الأوعية الخشبية (xylem) واللحاء (phloem).
ويمكن مقارنة مسار نقل الماء والمواد الغذائية هذا بجهاز الأوعية الدموية الذي ينقل الدم عبر الجسم البشري، وكما هو حال الجهاز الوعائي عند البشر، فإن الأوعية الخشبية واللحاء تمتد إلى جميع أنحاء النبات. تبدأ هذه الأنسجة الموصلة في الجذور وتمتد عبر جذع الشجرة، وتتفرع إلى الأغصان ثم تتفرع إلى كل ورقة».
«يتكون نسيج اللحاء من خلايا متطاولة (elongated) حية مرتبطة ببعضها. نسيج اللحاء مسؤول عن نقل العناصر الغذائية والسكريات (الكربوهيدرات)، التي تنتجها الأوراق، إلى مناطق النبات النشطة استقلابيًا (والتي تتطلّب السكريات من أجل الطاقة والنمو): تتكون الأوعية الخشبية أيضًا من خلايا متطاولة، وتموت هذه الخلايا بمجرد تكوينها، لكن جدران الخلية تبقى سليمة، وتعمل كخط أنابيب ممتاز لنقل الماء من الجذور إلى الأوراق. إن شجرة واحدة تحتوي على الكثير من أنسجة أو عناصر الأوعية الخشبية، التي تمتد من خلالها. وقد يكون قطر الوعاء الخشبي النموذجي عدة ميكروات فقط».
«إن فيزيولوجيا امتصاص الماء ونقله ليست معقدة للغاية أيضًا. القوة الدافعة الرئيسية لاستيعاب الماء ونقله إلى النبات هي نتح (transpiration) الماء من الأوراق. النتح هو عملية تبخر الماء من خلال فتحات متخصصة في الأوراق، تُسمى المسام (stomates). يخلق التبخر ضغطًا سلبيًا من بخار الماء في الخلايا المحيطية للورقة، وبمجرد حدوث ذلك، يُسحب الماء إلى الورقة من النسيج الوعائي، الأوعية الخشبية، ليحلّ محل الماء الذي نُتح من الورقة.
هذا السحب للماء أو التوتر الذي يحدث في الأوعية الخشبية للورقة، سوف يمتد طوال الطريق إلى أسفل عمود الوعاء الخشبي في الشجرة وإلى الأوعية الخشبية في الجذور بسبب قوى التماسك (cohesive) التي تربط جزيئات الماء على امتداد جانبي الأوعية الخشبية (تذكر، الوعاء الخشبي هو عمود ماء مستمر يمتد من الورقة إلى الجذور). أخيرًا، سيؤدي ضغط الماء السلبي الذي يحدث في الجذور إلى زيادة في امتصاص الماء من التربة».
«أما إذا انخفض النتح من الورقة، كما يحدث عادة في الليل أو أثناء الطقس الملبد بالغيوم، فإن انخفاض ضغط الماء في الورقة لن يكون بنفس القدر السابق، وبالتالي سيكون هناك انخفاض في الطلب على الماء (ستوجد قوة توتر أقل) في الأوعية الخشبية.
فقدان الماء من الورقة (ضغط الماء السلبي، أو التفريغ) يشبه تطبيق قوة شفط على القشة (straw). وإذا كانت قوة التفريغ أو الشفط التي أُنشئت بهذه الطريقة كبيرةً بما يكفي، فسوف يرتفع الماء من خلال القشة.
أمّا إذا كانت القشة كبيرة القطر، ستحتاج إلى مزيد من الشفط لرفع الماء، وكذلك، إذا كان لديك قشة ضيقة جدًا، فستكون هناك حاجة إلى قوة شفط أقل.
يحدث هذا الارتباط نتيجة للطبيعة المتماسكة للماء على جانبي القشة (جوانب الأوعية الخشبية): بسبب القطر الضيق للأوعية الخشبية، يمكن الحصول بسهولة على درجة توتر الماء (التفريغ) اللازم لدفع الماء للأعلى عبر الأوعية الخشبية من خلال معدلات النتح العادية التي تحدث غالبًا في الأوراق».
آلان ديكمان Alan Dickman هو مدير المناهج في قسم الأحياء في جامعة أوريغون في يوجين University of Oregon in Eugene يقدم الإجابة التالية على سؤالنا:
«بمجرد وجوده في خلايا الجذر، يدخل الماء إلى نظام من الخلايا المترابطة التي تشكل خشب الشجرة وتمتد من الجذور عبر الجذع والفروع والأوراق. الاسم العلمي للأنسجة الخشبية هو الأوعية الخشبية؛ والتي تتكون من عدة أنواع مختلفة من الخلايا، فالخلايا التي توصل الماء (إلى جانب العناصر المغذية المعدنية الذائبة) طويلة وضيقة وتصبح غير حية عندما تبدأ بالنقل المائي، وبعضها بها ثقوب مفتوحة في قممها وأسفلها ومكدسة بشكل يشبه أنابيب المجاري الإسمنتية.
الخلايا الأخرى تستدقّ (taper) في نهاياتها وليس لها ثقوب كاملة. ولكن تمتلك جميع الخلايا ثقوبًا في جدرانها الخلوية، يمر الماء من خلالها. ينتقل الماء من خلية إلى أخرى عندما يكون هناك فرق ضغط بين الخليتين».
«بما أن هذه الخلايا ميتة، لا يمكن أن تشارك بنشاط في ضخ الماء. قد يبدو من الممكن أن الخلايا الحية في الجذور يمكن أن تولد ضغطًا كبيرًا في خلايا الجذور، وإلى حد ما تحدث هذه العملية.
لكن التجربة الشائعة تخبرنا أن الماء داخل الخشب ليس تحت ضغط إيجابي، بل في الواقع، إنه تحت ضغط سلبي، أو شفط. لتقتنع بالأمر، فكر فيما يحدث عند قطع شجرة أو عند حفر ثقب في الجذع. إذا كان هناك ضغط إيجابي في الساق، فستتوقع خروج تيار من الماء، ونادرًا ما يحدث ذلك».
«في الواقع، ينشأ الشفط داخل الخلايا الناقلة للماء من تبخر جزيئات الماء في الأوراق. كل جزيء ماء له أجزاء موجبة وسالبة مشحونة بالكهرباء. ونتيجة لذلك، تميل جزيئات الماء إلى الالتصاق ببعضها؛ هذا الالتصاق هو السبب في أن الماء يشكل قطرات مستديرة على سطح أملس ولا ينتشر على قشرة مسطحة.
يتبخر جزيء الماء من خلال المسام في الورقة، ويمارس سحبًا صغيرًا على جزيئات الماء المجاورة، ما يقلّل الضغط في الخلايا الناقلة للماء في الورقة، ما يؤدّي إلى سحب الماء من الخلايا المجاورة، وتمتد هذه السلسلة من جزيئات الماء على طول الطريق من الأوراق إلى الجذور وحتى تمتد من الجذور إلى التربة، لذا فإن الإجابة البسيطة على السؤال حول ماذا دفع الماء من الجذور إلى الأوراق هو إن طاقة الشمس تفعل ذلك: الحرارة من الشمس تسبب تبخر الماء، ما يطلق سلسلة حركة الماء».
هام كيلور-فولكنر Ham Keillor-Faulkner أستاذ علوم الغابات بكلية سير ساندفورد فليمنج في ليندساي، أونتاريو Sir Sandford Fleming College in Lindsay, Ontario. يشرح لنا ويقول:
«حتى تطورت الأشجار إلى نباتات أرضية طويلة ومستقلة ذاتيًا، وَجَبَ عليها تطوير القدرة على نقل الماء من الإمدادات في التربة إلى قمّة الشجرة – وهي مسافة عمودية قد تتجاوز 100 متر في بعض الحالات (أي ارتفاع مبنى من 30 طابقًا).
يتطلّب فهم هذا الإنجاز التطوري وعيًا ببنية الخشب، وبعض العمليات البيولوجية التي تحدث داخل الأشجار والخصائص الفيزيائية للماء. يُنقل الماء وغيره من المواد اللازمة للنشاط البيولوجي في الأشجار في جميع أنحاء الجذع والفروع في أنابيب رقيقة مجوفة في نسيج الخشب، أو الأنسجة الخشبية.
وتسمى هذه الأنابيب بالعناصر الوعائية (vessel elements) في الأشجار الصلبة أو في الأشجار ذات الأوراق المتساقطة (التي تفقد أوراقها في الخريف)، وتسمى بالقصيبات (tracheids) في الأشجار اللينة أو الأشجار الصنوبرية (تلك التي تحتفظ بمعظم أوراق الشجر التي أُنتجت خلال فصل الشتاء الماضي).
تُضم العناصر الوعائية طرفًا إلى طرف end-to-end من خلال ثقوب لتشكل أنابيب (تسمى الأوعية) تختلف في الحجم من بضعة سنتيمترات إلى عدة أمتار في الطول اعتمادًا على الأنواع، ويتراوح قطرها من 20 إلى 800 ميكرو. توجد فتحات صغيرة جدًا تسمى الحفر (pits) على طول جدران هذه الأوعية التي تتيح حركة المواد بين الأوعية المتجاورة.
أما القصيبات في الصنوبريات، فهي أصغر بكثير، ونادرًا ما يتجاوز طولها خمسة ملليمترات وقطرها 30 ميكرو. وليس لديها نهايات مثقوبة، وبالتالي لا تُربط نهاياتها بنهايات القصيبات الأخرى. نتيجة لذلك، فإن الحفر في الصنوبريات، والتي توجد أيضًا على طول أطوال القصيبة، تلعب دورًا أكثر أهمية.
إنها الطريقة الوحيدة التي يمكن أن ينتقل بها الماء من القصيبة إلى الأخرى أثناء تحركه إلى أعلى الشجرة. لنقل الماء من خلال هذه العناصر من الجذور إلى القمة، يجب أن يتشكل عمود مستمر. يُعتقد أن هذا العمود يبدأ عندما تكون الشجرة عبارة عن شتلة منبتة حديثًا (germinated) ويحافظ عليها طوال فترة عمر الشجرة بواسطة قوتين، إحداهما تدفع الماء للأعلى من الجذور والأخرى تسحب الماء إلى القمة.
تتحقق قوة الدفع بخاصيتين، هما الخاصية الشعرية (ميل السائل إلى الارتفاع في أنبوب رفيع لأنه عادةً ما يتدفق على طول جدران الأنبوب) وضغط الجذر. العمل الشعري هو عنصر ثانوي في عملية الدفع. يمد ضغط الجذر معظم القوة التي تدفع الماء لمسافة صغيرة على الأقل إلى أعلى الشجرة. يُنشأ ضغط الجذر عن طريق الماء الذي ينتقل من خزانه في التربة إلى أنسجة الجذر عن طريق التناضح (الانتشار حسب تدرج التركيز).
هذا الإجراء كافٍ للتغلب على القوة الهيدروستاتيكية «الساكنة المائية» لعمود الماء وحتى على التدرج الأسموزي في الحالات التي تكون فيها مستويات مياه التربة منخفضة. يمكن أن يدعم الفعل الشعري وضغط الجذر عمودًا من الماء يتراوح ارتفاعه بين متر وثلاثة أمتار، لكن الأشجار الأطول، بل في الواقع، جميع الأشجار، عند نضجها – تتطلب مزيدًا من القوة. في بعض النماذج الأقدم، كبعض أنواع الأشجار مثل السيكويا sequoia والأتسوغة المنزية الكاذبة Pseudotsuga menziesii والكثير من الأنواع في الغابات الاستوائية المطيرة – فإن مظلة الشجرة canopy تبعد 100 متر أو أكثر فوق سطح الأرض!
في هذه الحالة، تتمثل القوة الإضافية التي تسحب عمود الماء للأوعية أو القصيبات في التبخر والنتح (evapotranspiration)، وهو فقدان الماء من الأوراق من خلال فتحات تسمى المسام والتبخر اللاحق لذلك الماء. عند فقد الماء من خلايا الورقة خلال النتح، ينشأ منحدر عندها ترفع حركة الماء خارج الخلية التركيز الأسموزي لهذه الخلية وبالتالي تزيد ضغط قوة الشفط. يسمح هذا الضغط لهذه الخلايا بامتصاص الماء من الخلايا المجاورة، والتي بدورها تأخذ الماء من خلاياها المجاورة، وهكذا دواليك -من الأوراق إلى الأغصان إلى الفروع إلى السيقان وصولًا إلى الجذور- مع الحفاظ على سحب مستمر.
للحفاظ على عمود مستمر، يجب أن يكون لجزيئات الماء أيضًا ألفة قوية لبعضها. هذه الفكرة تسمى نظرية التماسك. الماء، في الواقع، يملك قوة تماسك هائلة. من الناحية النظرية، يُقدَّر أن هذا التماسك يصل إلى قوة تكافئ 15000 قوة ضغط الغلاف الجوي.
على الرغم من ذلك، تجريبيًا تبدو هذه القوة أقل بمقدار 25 إلى 30 قوة ضغط الغلاف الجوي فقط. بافتراض أن قوة ضغط الغلاف الجوي على مستوى الأرض تساوي وحدة قوة واحدة، فإن تحقيق تسعة أمثالها أكثر من كافٍ «لتعليق» عمود مائي في أنبوب ضيق (القصيبات أو الأوعية) من قمة شجرة طولها 100 متر.
ولكن هناك حاجة إلى قوة أكبر للتغلب على مقاومة التدفق ومقاومة الامتصاص إلى الجذور. على الرغم من ذلك، فقد أثبت الكثير من الباحثين أن القوة المتماسكة للماء أكثر من كافية لإنجاز كل هذه المهام، خاصةً عندما تكون مدعومة بالعمل الشعري داخل القصيبات والأوعية.
في الختام، وضعت الأشجار نفسها في الدورة التي تدوّر الماء من التربة إلى الغيوم ثم إلى التربة مرة ثانية. إن الأشجار قادرة على الحفاظ على الماء في الطور السائل حتى تصل إلى قمّتها عن طريق الحفاظ على عمود من الماء في أنابيب مجوفة صغيرة باستخدام ضغط الجذر، والعمل الشعري والقوة المتماسكة للماء.
يضيف مارك فيتوش Mark Vitosh، مساعد برنامج في الإرشاد الحرجي Extension Forestry في جامعة ولاية آيوا Iowa State University، المعلومات التالية:
هناك عدد من العمليات المختلفة التي تحدث داخل الأشجار والتي تسمح لها بالنمو. إحداها هي حركة الماء والعناصر الغذائية من الجذور إلى الأوراق في المظلة (canopy)، أو الفروع العليا. الماء هو حجر الأساس في الخلايا الحية.
إنه عامل مغذي ومنظف، ووسيلة نقل تسمح بتوزيع العناصر الغذائية ومركبات الكربون (الغذاء) على جميع أنحاء الشجرة. يمكن أن يصل ارتفاع شجرة الخشب الأحمر الساحلي إلى أكثر من 300 قدم (حوالي 91 مترًا)، وهي مسافة كبيرة لنقل المياه والمواد الغذائية ومركبات الكربون. لفهم كيفية تحرك الماء من خلال شجرة، يجب علينا أولًا وصف المسار الذي يسلكه.
ينتقل الماء والمواد المغذية المعدنية – ما يسمى بتدفق النسغ – من الجذور إلى قمة الشجرة داخل طبقة من الخشب توجد تحت اللحاء. يتكون خشب النسغ هذا من نسيج موصل يسمى الأوعية الخشبية (يتكون من خلايا تشبه الأنابيب الصغيرة).
هناك اختلافات كبيرة بين الأخشاب الصلبة (البلوط، الدردار، القيقب) والصنوبريات (شجرة الخشب الأحمر، الصنوبر، راتينجية النرويج spruce، التنوب) في بنية الأوعية الخشبية. في الأخشاب الصلبة، ينتقل الماء عبر الشجرة في خلايا نسيجية تسمى الأوعية، والتي تصطف من طرف إلى طرف ولها فتحات كبيرة في نهاياتها. على النقيض من ذلك، يتكون نسيج الصنوبريات من خلايا مغلقة تسمى القصيبات.
تصطف هذه الخلايا أيضًا من طرف إلى طرف، لكن جزءًا من جدرانها المجاورة به ثقوب تعمل غربالًا. لهذا السبب، يتحرك الماء بشكل أسرع عبر الأوعية الكبيرة للأخشاب الصلبة مقارنة بالقصيبات الصغيرة للصنوبريات.
تسمح الأوعية والقصيبات للماء والمواد المغذية بالانتقال للأعلى عبر الشجرة، بينما تنقل خلايا شعاعية متخصصة (specialized ray cells) الماء والغذاء أفقيًا عبر نسيج الأوعية الخشبية. جميع خلايا الأوعية الخشبية التي تحمل الماء ميتة، لذا فهي تعمل أنبوبًا. عُثر على نسيج الأوعية الخشبية في جميع حلقات نمو (أو خشب) الشجرة.
لا يكون عدد حلقات النمو السنوية الفعالة بنقل الماء و المواد المغذية المعدنية نفسه في كل أنواع الأشجار. على سبيل المثال، قد يكون لأشجار الصنوبريات وبعض أنواع الخشب الصلب حلقات نمو كثيرة تمثل ناقلات نشطة، بينما في أنواع أخرى، مثل البلوط، فإن حلقات النمو للسنوات الحالية هي فقط الفعّالة.
تنشأ هذه الحالة الفريدة لأن نسيج الأوعية الخشبية في البلوط له أوعية كبيرة جدًا؛ يمكن أن تحمل الكثير من الماء بسرعة، ولكن يمكن أيضًا أن تتعطل بسهولة عن طريق التجمّد أو الجيوب الهوائية.
إنه لأمر مدهش أن شجرة البلوط الحية التي يبلغ عمرها 200 عام يمكنها البقاء والنمو بدعم من طبقة رقيقة جدًا من الأنسجة أسفل اللحاء. أما ال 199 حلقة نمو المتبقية، فمعظمها غير نشط. أما في شجرة الخشب الأحمر الساحلي، تتألف الأوعية الخشبية في الغالب من القصيبات التي تنقل الماء ببطء إلى قمة الشجرة.
اقرأ أيضًا:
هذه الشجرة السحرية تحمل أربعين نوعًا مختلفًا من الفاكهة!
كيف يقوم شجر الكافور بصنع الذهب ؟
لماذا تتغير ألوان أوراق الشجر في الخريف؟
الأنسجة النباتية – مما يتكون النسيج النباتي وما أنواعه ؟
ترجمة: إياد رشيد الشاعر
تدقيق: عون حداد
مراجعة: رزان حميدة
